風動潛孔沖擊鉆探技術在干旱地區水井施工中的應用

潘東懿,杜緒新

（1.山東省煤田地質局第三勘探隊,山東 泰安 271000；2.濟南華玫礦業有限責任公司,山東 泰安 271613）

1 前言

山西省呂梁市交口縣是干旱少雨地區，地下水位埋藏深，水資源嚴重匱乏，嚴重影響了居民生活及工業生產。根據當地嚴重缺水的自然環境，選用了潛孔錘空氣鉆進技術，成功施工了3眼水源井，總供水量達到240m3/h,較好解決了煤電鋁工業園的工業用水和附近居民的生活用水問題。

2 工程地質水文地質概述及鉆探工藝選擇應參考的主要影響因素

水源井施工對鉆探工藝的選擇要充分考慮安全、經濟和工程質量等幾個方面的影響因素。綜合論證，無論從施工安全，還是從經濟方面考慮，仍采用以沖洗液為主的常規的水井鉆探工藝顯然是不明智的。因此選用以壓縮空氣為沖洗介質的潛孔沖擊回轉鉆探工藝更能體現出在干旱少雨地區施工水源井的優越性。

3 風動潛孔沖擊鉆探的技術特點

潛孔沖擊鉆探技術是使用壓縮氣體作為動力介質進行沖擊回轉的一種鉆井方式。主要結構是與鉆桿相連的鉆具底部的沖擊器和釬頭，沖擊器及釬頭部分總稱為潛孔錘。該方法可進行不取芯全面鉆進，也可進行取芯鉆進，但更常用的是不取芯鉆進。當鉆進中遇到潮濕層和含水層時，可以采取泡沫鉆進或霧化鉆進。硬巖和堅硬巖石脆性大，使用潛孔沖擊鉆進更為有效。

4 鉆探機具及鉆井技術參數優化選擇

4.1 鉆探機具選配

針對水源地水源井設計和水文地質工程地質情況，配用如下設備和鉆探工具：沖擊器為J100B-0、J250B-0型和JWD－350 型。釬頭直徑分別為Φ250mm,Φ350mm,Φ400mm和Φ500mm。鉆機選用TSJ2000工程鉆機和C750-300S空壓機。

4.2 鉆井技術參數選擇

（1）鉆壓：風動沖擊潛孔鉆探技術原理是主要依靠釬頭作用在巖石上的沖擊動載，JWD－350 型沖擊器的鉆壓采用了9000-14500N，J100B-0沖擊器鉆進鉆壓為9000N左右，J250B-0沖擊器鉆進鉆壓控制在11000N左右。

（2）轉速：在雙池鎮煤電鋁工業園水源地水源井施工中，根據下奧陶系豹皮狀灰巖的性質、三種鉆孔孔徑以及使用三種沖擊器鉆進，WD350 型風動潛孔沖擊鉆進時，經過試鉆選擇了最優轉速控制在10～20r／min。

（3）供風量：使用108mm鉆桿，經計算在Φ350mm孔徑鉆進中時，供風量為135.73m3/min；在Φ400mm孔徑鉆進中，供風量為153.71m3/min。

（4）風壓：不同結構的潛孔錘在相同的風壓下，其鉆進速度不同，有的相差很多。風壓要隨鉆深、風阻的增加而增加，應該根據實際情況及時調整，以穩定鉆孔環隙的上返風速。風壓的變化與孔內情況的關系及調節：當供風量不足時，不僅鉆進效率低，還要頻繁提動鉆具吹孔，減少了鉆頭在孔底的鉆進時間，增加了鉆進的輔助時間。在鉆進中遇到潮濕地層，將產生“泥領”或縮徑，氣壓會上升；遇到大裂隙、空洞或地層坍塌，孔徑擴大時，由于流速下降，鉆屑聚積，氣壓也會上升，此時應立即處理，以免發生事故。

5 風動潛孔沖擊鉆探安全輔助技術應用

（1）覆蓋層及風化基巖地層跟管鉆進。河卵石及灰巖風化帶地層的特點是破碎易坍塌，潛孔錘在內鉆進中孔壁坍塌、堵塞鉆頭氣路，造成沖擊器無法持續工作的現象非常嚴重。除了在較薄的黃土層內人工開挖造孔外，在河卵石和風化帶內鉆進時，使用了跟管鉆進技術。該技術與常規潛孔錘跟管鉆進使用潛孔錘同心跟管技術不同。本工程跟管鉆進時選擇的井壁管和鉆頭為分體但同心，即在鉆進中先把比井壁管小一級的潛孔錘鉆具下到孔內，井壁管套在鉆桿上，井壁管在鉆進平臺上使用導向機構固定，隨著潛孔錘鉆頭的延深，利用鉆頭的串動盡量擴大孔徑，通過專用的振動器的振動把井壁管慢慢沖擊進入鉆孔，利用導向機構保證井壁管的垂直度。操作中潛孔錘鉆頭施工的先導孔的直徑和垂直度至關重要，必須保證把孔內巖粉吹干凈，保證孔壁沒有坍塌和掉塊，沒有探頭石存在并保證鉆孔的鉛垂度，否則要采取措施及時處理。

（2）少量滲水的弱含水層內的泡沫鉆進。主要是克服“泥領”糊鉆問題。在孔深315m處，遇到了弱含水層，由于孔內有少量水存在，鉆進產生的巖粉和巖屑與水混合后，呈粘稠的混凝狀，聚積在鉆具周圍和粗徑鉆具上方的孔壁上，造成排屑困難甚至終止，鉆具回轉、提動困難，空壓機風壓急劇升高嚴重影響鉆進。改用了泡沫鉆進，選用了ADF-1型泡沫劑，即由泡沫灌注泵通過送風管路將泡沫劑溶液不斷地輸入孔內。泡沫劑多用陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑或它們的復合劑配制的。經現場總結，使用泡沫劑進行泡沫鉆進，操作工藝是：從孔口或通過鉆桿向孔中加入清水或泡沫劑溶液，然后送風并反復活動鉆具，稀釋并沖開泥領，將鉆屑吹出后再繼續鉆進。如鉆屑再積存，再加水或泡沫液吹孔。如此反復操作，應特別注意處理方法，切忌強拉硬扭鉆具。

（3）破碎坍塌地層鉆進使用高壓旋噴工藝固結孔壁。受卵石層帷幕高壓旋噴造孔工藝啟示，在灰巖內破碎地層中鉆進，由于孔壁破碎失穩掉塊較多，鉆頭反復處理效果不好，采用了高壓旋噴工藝進行了處理。就是用高壓注漿泵把地面配置好的含有速凝劑性質的水泥漿經鉆桿輸送到鉆桿下部的噴射器，水泥漿經噴射器射孔高速高壓噴出后滲入到井壁巖塊空隙中，快速凝結，把孔壁的破碎巖塊固結起來，并達到一定初期強度。這種高壓噴射固結工藝有效的解決了井壁不穩定坍塌掉塊的問題。使用的水泥漿主要是標號為32.5R的硫鋁酸鹽水泥漿，水泥漿密度控制在1.3～1.4g/cm3左右。

6 結語

風動潛孔沖擊鉆進是嚴重缺水地區水文水井鉆探的較好的鉆進方法，具有鉆速快、成井質量高、鉆孔彎曲度小，相對成本較低的特點。

[1]潘光明.潛孔錘快速施工注漿堵水鉆孔工藝探討[J].山東煤炭科技,2006(06):52-54