空氣潛孔錘在復雜地層中的鉆進

【摘要】本文介紹了空氣潛孔錘鉆進技術在粘土層、破碎坍塌地層以及河床卵礫石地層中的鉆進工藝。

【關鍵詞】空氣潛孔錘；鉆進工藝；復雜地層

1. 空氣潛孔錘鉆進的原理

空氣潛孔錘鉆進的原理，是用地面的鉆機通過鉆桿對孔底施加壓力和扭矩，用壓縮空氣驅動潛孔錘對巖石進行沖擊碎巖，實現沖擊回轉鉆進，同時利用壓縮空氣冷卻鉆頭，并將孔底巖屑排出地表。

2. 復雜地層分類

（1）鉆進過程中，孔內經常出現各種復雜情況，如涌水、巖石破碎、孔壁坍塌、鉆孔直徑擴大或縮小等，使鉆進工作不能正常進行，嚴重的會導致孔內事故，被迫停鉆，甚至造成鉆孔報廢。容易出現上述情況的地層稱為復雜地層。

（2）在工程地質及水文地質鉆探中，經常遇到的復雜地層主要有：粘土地層、破碎坍塌地層和卵礫石地層。

3. 在粘土地層中的鉆進

（1）粘土及粘土質頁巖地層為高水敏性地層，巖石松軟，吸水后膨脹，鉆孔縮頸。目前鉆進此類地層，大多應用回轉鉆進的方法。潛孔錘遇此類地層極易出現糊鉆，形成泥包或泥環，以致造成卡埋鉆事故。通常巖芯鉆探對付此類地層的方法為加入各種沖洗液添加劑，如水玻璃、PAM、PHP低固相泥漿等，意在采用優質泥漿護壁，以降低失水。

（2）實踐表明：空氣潛孔錘鉆進粘土層時，進尺仍然很快，但為了避免縮頸造成的提鉆困難，應采用減壓鉆進，且進尺一定深度后應反復上下串動鉆具，進行掃孔，等粘土應力基本釋放，不再縮頸為止。若一旦發生因縮頸引起的提鉆困難，則應采取以下措施：一是提鉆，用動力頭把鉆具提到最高點；二是鉆磨，讓動力頭帶動鉆具不停地轉動；三是上下串動鉆具，在原地轉動約10分鐘后，用動力頭上下串動約1分鐘。為有效地解決或避免泥包和泥環，防止事故，期間應向孔內加入泡沫，因其比重小，含水少，潤滑作用好，可有效地減少粘土對鉆具的夾持作用。

4. 在破碎坍塌地層中的鉆進

（1）通常巖芯鉆探中遇到破碎坍塌地層時，除減壓鉆進、適當降低轉速外，著重從護壁材料入手，力圖保持孔壁穩定。

（2）空氣潛孔錘鉆進此類地層應注意：一是鉆孔結構設計不宜過于復雜，因變徑多勢必影響上返風速；二是嚴格控制鉆壓和轉速，使其低于正常值，即輕壓慢轉，以免加速地層坍塌，造成卡鉆和折鉆事故。

（3）若坍塌掉塊相當嚴重，常規方法無法鉆進，可考慮提出鉆具，灌入水泥漿（一般采用C40以上水泥，以期較高的早期強度）。待水泥漿滲入裂隙將破碎巖石膠結凝固后，再用潛孔錘鉆進。

（4）潛孔錘在鉆進破碎地層時，高速氣流攜帶較大巖屑上返，反復沖刷粗糙的孔壁，致使孔壁碎塊脫落而造成掉塊。若掉塊較大，而風量不足，就難以將其攜帶出鉆孔，而落至潛孔錘與鉆桿變徑處，造成卡鉆或賭風，使下部巖屑難以上返，同時鉆桿扭矩增大，鉆桿很容易折斷。實踐表明，在出現卡鉆事故時，鉆具可以暫停回轉，潛孔錘繼續沖擊，并同時提動鉆具，盡可能用潛孔錘的振動解除卡鉆。提動鉆具時，先以最低速試回轉，待回轉正常后，再繼續鉆進。卡鉆嚴重時，在未采取其他措施前，要維持送風不間斷，防止埋鉆。

5. 在河床卵礫石地層中的鉆進

（1）卵礫石地層鉆進目前已有多種鉆進技術，如傳統的跟管、沖擊成孔、普通回轉方法等，較先進的有孔內預裂爆破、反循環連續取芯、ODEX、雙回轉跟管等方法。但均存在一定弊端，傳統鉆進方法速度慢、效率低、質量差，較先進的方法一是成本高，二是不同程度地受到具體條件的限制。

（2）目前在河床卵礫石地層中鉆進，國內已有較好的施工方法。例如，重慶南江巖土勘察設計院在嘉陵江大堤勘察施工中采用偏心跟管空氣潛孔錘技術，在河床卵礫石層鉆探中取得成功。由于偏心潛孔錘的碎巖方法改變了傳統的碎巖機理（切削、研磨、壓裂），在沖擊器做功時產生粗顆粒（2～3cm）的體積破碎，加之套管跟進封閉隔絕了空氣在卵石層的泄露，在套管與鉆具的間隙產生高速氣流（>15cm/s），迅速將巖屑排出孔外，避免了重復破碎。此外，對難以及時破碎的巖石，在回轉鉆進壓力作用下，鉆具可將它擠向孔壁，有利于繼續向下破碎。

6. 結語

以上所述空氣潛孔錘在各種復雜地層中的鉆進技術，是對近年來較為成功的實踐經驗的總結，希望能為廣大同仁今后的工作有所幫助。

參考文獻

[1]郭紹什.鉆探手冊 武漢：中國地質大學出版社，1993.

[2]耿瑞倫，陳星慶.多工藝空氣鉆探。北京：地質出版社，1995.

[3]武亞軍，盧文閣.風動潛孔錘在小山電站灌漿孔施工中的應用 [J]世界地質，1998，17（1）.

[4]陳六一.偏心跟管潛孔錘在河床卵石層中的應用[J]探礦工程，1998，4.