气动潜孔锤钻进技术在水文水井工程中的应用.doc

气动潜孔锤钻进技术在水文水井工程中的应用 李建平 甘肃省地矿局水勘院（地址甘肃省张掖市张火路203号 734000） 作者简介李建平，性别男、职称探矿工程工程师、出生年月1958年5月、1989年6月毕业于中国地质大学探矿工程系、现从事钻探和钻探安全管理工作。（联系电话13830692718） 摘要本文介绍了气动潜孔锤钻进技术在水文水井工程施工中的实践经验，并对气动潜孔锤钻进技术的应用效果进行了分析。 关键词气动潜孔锤钻进 供水勘察 实钻应用效果 我院在某煤矿矿区供水勘察项目中，在现有设备条件下，在不增加大型空压机的情况下，引进气动潜孔锤钻进技术，取得了较好的技术经济效益。潜孔锤钻进完成钻孔4个，进尺257.19米，单孔涌水量达到300-600方/日，获得了单孔最高台效1321.3米，平均台效1049.8米，最高机械钻进12.60m/h，平均机械钻速2.87米，最高台班效率27.49米/台班的好成绩。 1、地层概况 覆盖层为砂砾碎石层，厚度为28米，基岩地层为片岩，片麻岩、片麻花岗岩，岩石级别为58级，钻孔主要布置在断裂破碎带和风化壳裂隙层中，静止水位在412米之间。 2、设备配备 2.1、SPC-300H钻机2台，1台钻进，1台备用；DPP100型汽车钻机1台，用于抽水； 2.2、YW9/7空压机3台，2台钻进，1台抽水； 2.3、J-150B潜孔锤2套，配备Ф194mm球齿潜孔钻头； 2.4、Ф89mm钻杆。 3、施工工艺确定 3.1、钻孔结构开孔口径Ф350mm，终孔口径194mm，孔深5580米； 3.2、成井工序完整地层的钻孔裸眼抽水，复杂地层的钻孔下入Ф127mm井管，缠丝间距23mm，填入610mm石英质砾料，用空压机、活塞联合洗井，抽水试验三个落程，分别稳定8、8、16h。上述工作结束后，拔管封孔。 3.3、覆盖层钻进采用Ф350mm刮刀钻头空气钻进，钻穿覆盖层，下入9″孔口管，使之居中座实在基岩上，管外用粘土围填。 3.4、基岩钻进利用J150B潜孔锤，Ф194mm球齿潜孔钻头钻至终孔。钻具组合为（自上而下）1101107500主动钻机Ф89mm钻杆Ф190mm导正器变丝接手J-150B潜孔锤Ф194mm球齿潜孔钻头。管路布置如图1所示。 1、空压机、2、1吋半高压胶管、3、送风三通、4、泡沫灌、5、2吋半高压胶管、 6、主动钻杆、7、转盘、8、孔口管、9、导正器、10、潜孔锤、11、球齿潜孔钻头 4、空气潜孔锤钻进技术参数 4.1、钻压钻压一般取12～ 18kN ,当钻杆重量达不到推荐压力时, 使用钻铤加压来提高钻进压力。 4.2、转速主要根据岩石性质、钻头直径、冲击器的冲击功、冲击频率来确定。一般直径在200mm 左右的钻孔，中硬地层20－30r/min、硬岩层10－20r/min。 4.3、风量与钻杆和孔壁之间的环状间隙有关。为了充分发挥空气压缩机的功效，应尽量缩小钻杆与孔壁之间的环状间隙。加大钻杆外径也是减小环状间隙的有效途径。我们所选用两台YW9/7空压机并联使用，最大风量只能达到18Mm3/min。 4.4、风压根据所用空压机和钻孔结构计算。配用YW9/7空压机, 最大风压只能达到0.7MPa。 5、实钻应用效果 5.1、断裂破碎带地层中实钻效果 1孔、2孔布置在大断裂破碎带地层上，主要岩层为破碎片岩、片麻破碎，可钻性级别为56级。1孔于3月9日开钻，进尺很快，4.74.9米的单根20分钟就钻完，而且排岩正常，孔内干净，但是钻对孔深24.8m后，由于地层严重破碎，造成孔内开始坍塌，坍塌物难以排出，此时，采取了注泡沫液吹孔的方法，排出了大量坍塌物，但是孔内继续坍塌，沉淀物达6米多。又采取了向孔内注水，下出水管和风管并列式空压机冲孔的方法，吹出的坍塌物达1立方米之多，吹出的最大岩块粒径达30mm。拔出管子后，孔内沉淀还是6米多，潜孔锤钻进初试受阻 ，3月12日被迫终孔，终孔孔深32.85米。接着迁入2孔施工，3月13日开钻，钻至孔深28.5米后又遇到相同的情况孔内坍塌无法钻进，被迫改用泥浆护壁，合金钢粒混合钻进方法钻进。钻至孔深76.66米终孔。两孔施工时间11天，进尺109.5m，平均台效298.6m。这两个孔的施工由于地层复杂，加之在摸索中经验不足，效率很低。 从实钻来看，潜孔锤钻进无护壁功能，而且对孔壁具有一定的破坏作用，所以我们认为潜孔锤钻进不适应在极破碎的地层中钻进。总结教训后，我们决定用泥浆回转钻进施工断裂破碎带上的钻孔，用潜孔锤钻进施工较完整的风化壳裂隙地层的钻孔。 5.2、较完整地层中实钻效果 岩层为片麻岩、片麻花岗岩，可钻性级别为78级。在这里布置的钻孔有3、4、9、10四个钻孔。这四个钻孔于3月23日开钻，4月10日结束，中途设备损坏停修5天，实际施工13天，进尺257.19米，潜孔锤钻进进行的较顺利，钻进能力最大孔深达到77.3米，钻入水下65米，此时空压机压力剧增，气流循环中断，潜孔锤停止工作。从实效来看，遇到的问题有一是潜孔锤钻进到潮湿弱含水层时，钻屑形成泥团，难以返上来，此时应勤提动钻具强风吹孔，还需要从供风道路中送水或送泡沫液进行钻进，使岩屑充分排出。如果此时孔内岩屑过多，会发生“泥领”糊钻现象。当钻进到大厚度含水层后，排岩屑就不成问题了，钻进中孔内的水携带岩屑能一起排出孔口；二是随着孔深的增加，孔内涌水量的增大，钻速将逐渐下降。孔深与钻速的关系曲线如图2所示。 10 20 30 40 50 60 70 80 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 图2 孔深与钻速关系图 纯钻时间t 孔深m 3孔 4孔 9孔 10孔 通过对曲线的统计计算，50米以上孔段平均机械钻速是3.88m/h，50米以下孔段平均机械钻速是1.43m/h，50米以下段钻速比50米以上段钻速下降171。分析其原因主要是下部地层较上部地层坚硬，我们所配备的空压机从风量和风压来看都不能完全满足钻进需要，所以随着钻孔的延伸，孔内涌水量的增大，潜孔锤背压增高，管路中压力损失也增加，使潜孔锤冲击力下降，造成钻速下降。但是从总体效率的情况来看，潜孔锤钻进效率是比较高的。潜孔锤钻进效率见表1。 潜孔锤钻进效率表 表1 孔号 岩石 名称 可钻性 级别 钻孔 口径 mm 进尺 （m） 纯钻 时间 h 平均 机械钻速m/h 最高机械钻速m/h 台月 效率 （m） 最高台班效率 m/台班 3 片麻岩 片麻花岗岩 78 194 62.44 1740 3.53 10.50 1248.8 23.17 4 63.44 2315 2.73 12.60 1321.3 27.49 9 54.01 28.00 1.93 5.20 707.7 12.98 10 77.30 2040 3.74 11.50 1056.7 25.73 合 计 257.19 8935 2.87 1049.8 在同一地区破碎带上泥浆回转钻进效率见表2。 泥浆回转钻进效率表 表2 孔号 岩石 名称 可钻性 级别 钻孔 口径 mm 进尺 （m） 纯钻 时间 h 平均 机械钻速m/h 最高机械钻速m/h 台月 效率 （m） 最高台班效率 m/台班 5 片岩 片麻岩 56 190 63.78 7400 0.90 2.49 273.3 7.62 7 72.00 4440 1.61 3.52 664.6 12.92 8 75.58 5455 1.37 3.15 358.9 11.65 合 计 211.36 17415 1.17 396.1 从表1、表2可以看出，潜孔锤钻进与同地区泥浆回转钻进相对比在岩石级别高Ⅱ级的条件下，平均机构钻速提高145.3，台月效率提高165。而且潜孔锤钻进节省了洗井时间，成井质量也好，缩短施工周期，提高了经济效益。 6、几点认识 6.1、气动潜动锤钻进技术适应于在较完整的基岩地层中钻进，效率是较高，而在极破碎地层中钻进需要研究解决好护壁问题，才能充分应用好这项技术。 6.2、应用气动潜孔锤钻进，省去了挖泥浆池、搅泥浆，维修水泵等辅助时间，提高了纯钻进时间。实现了当天搬迁，当天开钻，缩短了施工周期，从而降低了成本。 6.3、依靠科技进步，应用新技术，是发展生产力的重要途径，气动潜孔锤钻进技术在煤矿矿区水文勘察项目中的应用是成功的，它使钻进效率成倍提高，钻探成本降低，而且钻孔不易斜，实现了在钻进中连续收集岩屑，准确判断地层变化情况，不堵塞含水层成井质量好，使水文资料更加准确。综合效率显著。 7