氣動潛孔錘鉆進技術在大口徑水井施工中的應用

李偉鋒

(陜西省煤田地質局水文隊，陜西 渭南 714000)

氣動潛孔錘鉆進技術廣泛應用于石油、天然氣等工程鉆井領域，也應用于水源井鉆井工程。2009年，為了解決深層地下水開采鉆井的施工現狀，筆者所在單位引進這一工藝實踐，證明其具有鉆井速度快，效率和效益高、適應其生產的優點。

1 水井設計及施工概況

1.1 地層結構

施工井位位于陜西省銅川市孟家塬。井口標高956 m，奧灰水位埋深550 m，設計上部150 m，孔徑650 m，由于巖石硬度大，常規回轉鉆進鉆效極低，其地層結構如下:

(1)第四系為黃土:即粉質粘土夾礫卵石。黃土呈淡黃色﹑疏松﹑夾有棕紅色古土壤層，具空隙和裂隙，厚度100 m。

(2)二疊系山西組:巖性以灰色，灰黑色細﹑中粒沙巖﹑泥巖﹑砂質泥巖為主。底部為富含白云母片中細粒砂巖，中下部夾一層厚度不穩定的石英砂巖。下部含可采煤層，厚度40 m。

(3)石炭系上統太原組厚度14 m，石炭系中統本溪組厚度 3.5 m。

(4)奧陶系中統峰峰組:巖性為深灰色厚層狀灰巖、白云巖、角礫狀白云巖、白云質灰巖，具中細晶質結構，含燧石團狀及不規則的條帶，垂直層面的裂隙發育。本層厚度大于700 m。本組為目的層即含水層。

1.2 設計要求

依據地層結構和水位埋深，該井設計深度1 050 m，井徑結構為:0～100 m，φ550 mm;100～650 m，φ320 mm;650～1050 m，φ190 mm。套管結構為:表層100 m，下 φ377 mm×8 mm鋼管，孔深100 m以下為裸眼。其它均按供水管井標準執行。

1.3 主要設備及材料的選擇

(1)空氣壓縮機:北京三仁寶業公司900×HH/1 150空壓機，最大風量 32.6 m3/min，最大風壓 3.25 Mpa。數量:4臺，連接方式:并聯。

(2)鉆機:TSJ 2000水源鉆機

(3)鉆塔:24 mA型鉆塔

(4)泥漿泵:BW 1200型泥漿泵

(5)動力機:12V135柴油機

(6)鉆桿:φ114鉆桿

(7)空氣潛孔錘:湖南長沙產TH220，φ320 mm

(8)鉆具組合:一開 0.00～101.1 m，?550 mm 鉆頭 +φ159 mm鉆鋌6根+φ114 mm鉆桿+φ108 mm方鉆桿;二開101.1m～650 m，φ320 mm 潛孔錘 +φ159 mm 鉆鋌 2根 +φ114 mm鉆桿 +φ108 mm方鉆桿;三開650 m～1 050 m，φ190 mm三牙輪鉆頭+φ159 mm鉆鋌6根 +φ114 mm鉆桿+φ108 mm方鉆桿。

1.4 施工工藝的過程和效果

(1)鉆壓:1 000 KN(2)轉速:30 r/min

(3)空氣量:Q=109.484 m3/min

(4)鉆進過程中所遇到的情況:鉆具接近孔底0.5 m時開動4臺風機開始送風，開動鉆機慢慢掃到孔底孔口返出泥漿，沖孔10 min后加壓鉆進，可聽到潛孔錘工作的聲音，井口返出5～8 mm巖渣，30 min進尺 9.65 m.隨即加入單根9.5 m繼續鉆進，井口正常返巖渣，當鉆進到135.6 m時，機余5.2 m孔口突然無巖渣返出，只有少量空氣返出，沖孔10 min仍無巖渣返出，無法判斷孔內情況，強行鉆進完機上余尺，造成埋鉆。

(5)該井鉆探、下管、洗井、抽水試驗、采樣化驗、含砂量等指標均達到有關規范和設計要求，出水量33.13 m3/h，管井質量綜合評定為合格。

2 試驗結果及問題對策

2.1 試驗總結

(1)空氣潛孔錘鉆進工藝在奧灰巖大口徑施工是可行的，用氣動潛孔錘鉆進石灰巖鉆速可達每小時20～40 m，花崗巖地層可達每小時8～16 m，與常規正循環相比，鉆進速度提高幾倍到十幾倍，鉆探成本降低50%以上。

(2)空氣潛孔錘鉆進工藝在漂、卵、礫石地層中鉆進，效率高、鉆孔垂直度好，對孔壁水浸老化不太嚴重，能達到快速鉆穿復雜地層的目的

(3)由于空氣和泡沫鉆進不會在井壁形成泥皮，堵塞含水層，有利于增大出水量。

(4)成孔質量好，由于潛孔錘對井底的高頻沖擊，減少了對傾斜地層的影響，從而保證了鉆孔的垂直度，提高了成孔質量。

(5)該井地層為奧陶系灰巖地層，巖石裂隙發育較好，當鉆進到不含水干裂隙時，送到孔底風量漏失，巖渣無法正常返出，懸浮在孔中，無法鉆進。

2.2 鉆進過程中出現的問題及對策

3.2.1 潛孔錘不工作

潛孔錘鉆進突遇軟夾層，在確認潛孔錘未發生故障的前提下，切忌采用推薦鉆進壓力鉆進，以防錘頭壓入巖屑內，將排氣孔堵死，導致無法正常鉆進。宜將鉆具提起一點點再放下去，反復直至潛孔錘持續工作為止。

3.2.2 潛孔錘尾管折斷

潛孔錘尾管初次折斷后應測量潛孔錘的有關配合間隙，確認其是否大于允許值。如大于允許值，應立即更換有關配件并重新測量，直至間隙符合要求為止。

3.2.3 潛孔錘“返砂”

鉆桿在工地堆放及運輸工程中，其內壁上的油膜吸附沙粒及其它雜物，鉆進過程中，高壓縮空氣將這些沙粒及其它雜物吹走。被吹走的沙粒等物一方面加重了活塞的磨損。另一方面，如果沙粒等物停風時正好位于逆止閥的位置，且潛孔錘內外壓力又不平衡，極易造成潛孔錘“返砂”。因此，加接鉆桿前，用高風壓、大風量將鉆桿內壁吹洗干凈。

3.2.4 巖屑不上返或上返量突然銳減

在鉆進過程中，正常上返的巖屑突然停止或上返量突然銳減，這是鉆入沙層的征兆。一旦發生此種情況，應隨風注入泡沫劑。

3 結語

實踐證明，應用氣動潛孔錘鉆進技術是實現高效鉆進在工程施工中比較理想的途徑，也當代衡量鉆探技術水平的重要技術標志之一。氣動潛孔錘鉆進技術在當前國內還僅僅才開始，所以我們單位能夠把這種鉆進技術引進并加以推廣實施，將會產生較大的經濟效益和社會效益，更為水井、煤層氣井、油井、煤礦瓦斯排放井等工程施工提供了重要的經驗和依據。

［1］劉家榮，王建華，王文斌，許劉萬.氣動潛孔錘鉆進技術若干問題［J］《探礦工程(巖土鉆掘工程)》北京:地質出版社.2010年05期

［2］許劉萬，史兵言，李國棟.大力推廣氣動潛孔錘及氣舉反循環組合鉆進技術［J］《探礦工程(巖土鉆掘工程)》北京:地質出版社.2007年第9期

［3］劉建國.用潛孔錘鉆進技術施工蒙古國塔木察格水井《黑龍江國土資源》2010年2期