1 水文水井沖擊回轉正循環鉆進亟待解決的問題

 

  基巖水井通常口徑為Φ160～Φ280mm之間，該口徑硬巖的鉆進效率低，成本高，施工周期長，成為鉆探界亟待解決的難題。20世紀70年代開始，我國已引進潛孔錘技術應用于水井鉆鑿，鉆進效率數倍提高，展示了潛孔錘鉆進的良好前景。但水井工程，孔深大，背壓高，配套使用的空壓機不但風量要求大，風太也高，使鉆進成本大幅度增高。主要矛盾是滿足排渣屑上返風速的要求時，供風量巨大，遠超過了潛孔錘本身工作的需求。計算不同孔徑條件下滿足上返風速15m/s供風量的需求，見表1（Φ89鉆桿為例）。表1數據表明，孔徑越大，為滿足排渣屑要求而消耗的能量越大，經濟性越差。若實施反循環鉆井技術工藝，則排渣屑所需風量大大減小，如表2所示。

 

  2 水文水井沖擊回轉反循環鉆進技術的原理和特點

 

  針對上述問題研制了GQ系列貫通式氣動潛孔錘，配以專門的反循環也取心鉆頭，實現了反循環連續取心（樣）鉆進工藝，這一技術具有國內外先進水平。

 

  貫通式氣動潛孔錘反循環連續取心（樣）鉆進原理如圖1所示。壓縮空氣由進氣膠管4進入氣水龍頭2的進氣管，經主動鉆桿和雙壁5的內外管環空到達貫通式沖擊器的逆止閥6，驅動沖擊器活塞9產生高頻沖擊。鉆具仍由鉆機帶動回轉，使鉆頭在沖擊和回轉的共同作用下破碎巖石，取心鉆頭11在孔底形成環狀破碎。沖擊器工作壓氣由鉆頭底噴排氣孔噴出，吹洗孔底巖屑和冷卻鉆頭，再由鉆頭唇部導流作用將氣流引入鉆頭中心，然后通過雙壁鉆桿中心通道，攜帶巖心（樣），輸送到氣水龍頭2的中心孔。經鵝頸管3，排樣管1排出，進入巖心（樣）收集器。

 

  這種鉆進方法的特點主要是利用潛孔錘碎巖，效率高；反循環系統沖洗介質上返流速高，攜帶巖心（樣）能力強；使用雙壁鉆桿既輸送壓縮空氣又有護壁作用。也就是有效的把破巖鉆進和提起巖心（樣）這兩項原來分隔的工作，形成了連續作業系統，成為邊鉆井、邊洗井、邊取心（樣）三者同時進行的鉆探方法。

 

  3 水文水井沖擊回轉反循環鉆進

 

  技術應用實例

 

  3.1 概況

 

  GQ-200/62型貫通式潛孔錘在河南省地礦 廳水文一隊進行試驗。試驗分二個階段：反循環形成研究階段和生產性試驗階段。在6-8級灰巖、白云質灰燧石灰巖、致密灰巖，采用FT-200、250型反循環鉆頭及SHB-127/87雙壁鉆桿實行反循環連續取心（樣）鉆進374m。呈短圓餅狀，長度20-35mm；取樣率100%。與潛孔錘正循環相比，平均機械鉆速提高64%；臺月效率提高3.8倍；每米成本降低30%-40%。其中一個鉆頭在一個鉆孔中反循環連續取心104.5米，平均時效4.05m/h，最高時效9.6m/h，水下鉆進45m時鉆頭磨損較輕微。

 

  目前氣動潛孔錘鉆進主要是不取心鉆進，采用單壁鉆桿正循環排屑。河南水文一隊使用氣動潛孔錘鉆鑿基巖水井，取得較為成功的經驗。但豫北地區基巖水井一般要求深度及其孔徑較大，其鉆進施工方法是：用JG-150潛孔錘一徑到底，再用J-250型沖擊器擴孔，即“小徑打，大徑擴”。這種施工方法不僅麻煩，成井時間長，擴孔時耗風量大，排巖屑及其困難，有時需采用專門排屑措施，因而出現潛孔錘鉆進機械鉆速雖高，而臺月效率卻提高的不多。此外，在卵礫石地層或復雜的破碎、漏失地層，空氣潛孔錘仍難以鉆進，表現出孔壁坍塌，孔口不返風，不排屑，極易導致埋鉆、卡鉆等事故的發生。采用貫通式式潛孔錘實施反循環鉆進工藝，可從根本上解決這些難題。

 

  ３．２配套設備及器具

 

  鉆機：SPC-300H型黃河鉆一臺；空壓機：W-10/60型一臺或LGYII-10/7二臺；雙壁鉆桿：SHB-127/87或SHB-114/70；貯氣罐：0.2-1.0m3一臺；沖擊器：GQ-200型二套；鉆頭：直徑Φ200、Φ250mm各2個。  試驗分別采用高、低壓兩種壓風機單獨進行，即淺孔或干孔段用低壓空壓機；深孔或水下鉆進用W－10/60空壓機，試驗場地的設備分布、管線連接等見圖2。

 

  ３．３鉆進技術參數選擇在空壓機、沖擊器和鉆頭性能及質量保證的前提下，要想提高反循環連續取心（樣）鉆進效果，還應做到合理操作，選用合適的鉆進技術參數。

 

  （1）風量和風壓  供風量除滿足GQ-200型貫通式氣動潛孔錘的工作參數外，還應符合反循環中心通道空氣上返速度攜帶巖心（樣）的要求。一般取樣鉆進，供風量6-8m3/min即可；而取心鉆進可適當地增大供風量（8-10m3/min），這樣中心通道上返風速可達20-40m/s。風壓隨鉆孔深度，孔內水柱高度的變化而變化，一般為0.45-2.20MPa。

 

  （2）鉆壓  選用8-12KN。

 

  （3）轉速  最優轉速為20-25r/min。還應說明一點，實施貫通式潛孔錘反循環連續取心（樣）鉆進工藝，偶然也產生短暫的巖心卡堵現象，表現在排屑管突然停止排屑。分析其原因，一是此種工藝方法的巖心與巖屑上返速度不一致；二是使用的雙壁鉆具結構不合理，內管接頭插接方向倒置。壓氣沿其內外管間隙送入，遇內管母接頭端面阻擋，局部渦流及增加壓力降，巖心（樣）反循環時，又遇內管公接頭端面阻擋，端面處產生渦狀環流，使局部流體參量改變，巖心（樣）易于堵塞，產生卡堵。 一般情況下，隔幾秒或幾十秒后，排屑管突然大量排屑，表明由于沖擊器高頻沖擊震動自動解卡。應立即停止進尺，即停止鉆具回轉，只沖擊，不再產生新的巖心（樣），依靠沖擊器原位震動，都能順利解除卡堵。

 

  ３．４ 試驗效果

 

  貫通式潛孔錘與雙壁鉆桿實行反循環連續取心（樣）鉆進，主要是利用潛孔錘破巖效率高；反循環系統洗井介質上返流速高，攜帶能力強，可及時排除巖屑或巖心；用雙壁鉆桿輸送壓縮空氣和護壁，能有效地使碎巖鉆進、提取巖心（樣）和洗井護壁三者形成同時作業的鉆探系統，這種鉆進方法具有以下優點。

 

  ３．４．１水文地質鉆探中的優點

 

  （1） 能量大限度地減少提鉆取心（樣）作業時間，大幅度提高純鉆進時間；

 

  （2） 地質效果好，不公能有效地提高巖礦層的采取率，而且無污染、無分選、取心（樣） 及時，代表性好、品質高；

 

  （3） 有利于解決破碎和不穩定地層的孔壁坍塌、漏氣、孔口不排屑等給鉆進工作帶來的難題。

 

  ３．４．２ 大口徑水井鉆中的優點

 

  （1） 潛孔錘及雙壁鉆桿的中空斷面作為反循環通道，因斷面積小且直徑不變，在有限空 壓機供風量條件下，可增大上返風速，提高排渣能力，避免孔底重復破碎，從而提高鉆進效率及增大孔深和孔徑；同時也不用經常提拉鉆具吹孔，保持了鉆進的連續性；

 

  （2） 連續取心（樣）鉆進，排屑效果不受鉆孔口徑限制，因而可以一徑成井，可改變過 去小徑打、大徑擴的施工方法，從而簡化了工序，提高了效率，縮短了工期；

 

  （3） 貫通式潛孔錘反循環鉆進，反循環排屑管可放在隨意位置，避免了干孔段粉塵揚及 水下鉆進井噴的污染，改善了孔口工人的工作條件；

 

  （4） 水下鉆進可實現沖擊器碎巖、泥漿護壁、氣舉反循環排屑（不受深沒比限制）綜合 效能，為解決目前我國卵礫石地層鉆進難的問題，提供了科學的工藝方法；

 

  （5） 反循環鉆進過程，又是抽水洗井過程，避免巖粉堵塞含水層通道，提高了成井質量 和單井出水量。