空压机在快速找水打井中的应用

陈鑫发，牛建设，王珍，张秋冬，张庆伟

（河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南 郑州450053）

1 引言

2010年3月及2011年2月连续两年，我队在云南省楚雄市抗旱找水打井及在豫西山区抗旱找水打井项目中，根据云南省楚雄市南华、姚安、双柏地层以及豫西西部山区、基岩地区缺水的特点，利用现有便利的水井施工设备，根据其成井孔深不同，云南省楚雄市多为40～70m深的生活用水井，在云南省楚雄市南华、姚安、双柏配备一台VHP－300E型中风压空气压缩机；而在豫西西部山区，因成井孔深多为300～400m，果断的购置配备一套英格索兰大型高风压空气压缩机（XHP－1070WCAT型（进口）螺杆式空压机），合理采用空气潜孔锤钻进技术，在云南省楚雄、豫西地区基岩中找水打井取得了较好的社会效益、经济效益、钻井技术工艺方面取得很大的突破。

使用螺杆式空压机、在云南省楚雄空气潜孔锤钻进完成找水打井22眼，进尺1428．06m，单孔涌水量达到36～120m3／日（因在云南楚雄成井管材采用PVC给水塑料管、管径为110mm）。而在豫西地区因应用的是大型高风压空气压缩机及空气潜孔锤钻进，完成找水打井4眼，进尺1362．08m，单孔涌水量达到240～960m3／日，从两年的抗旱快速找水打井施工项目实践看，大大提高钻速，效率是正常循环钻进近百倍，如楚雄市南华县红土门村50m深的水井用时不到5小时成井出水，出水量为80m3／日，完全满足全村近800人的生活用水。在荥阳市崔庙镇郑岗村（井位编号：HNGT59）井深356．01m纯钻进72小时终孔成井出水，最高机械钻进15．80m／h，平均机械钻速4．95m，最高台班效率41．50m／台班的好成绩，在同样的找水打井施工中具有施工成井周期短，生产用水少，材料消耗少，摊销费用低的优点。相对于其它水井钻探施工工艺和方法具有明显的优势，地下出水量大小（有没有水）比较直观地的反映出来。因此，我们较快、圆满地解决了当地群众吃水难的实际问题。

2 地层特点、概况

云南楚雄市南华、姚安、双柏地层特点多为风化的红泥岩在层地质条件不稳定，易垮塌，上部0～20m左右地方，易缩径、井壁坍塌等，采用开孔Ф245mm牙轮钻头，钻至较稳定地层，下入Ф219mm保护管护壁，20m以下的主要为泥岩、砂岩，地层比较稳定，保护管护壁下入深度一般在20米左右。然后采用空气潜孔锤钻进。

豫西山区覆盖层极为复杂，多为堆积物地层，卵、砾、漂石、砂砾碎石层，基岩裂隙，基岩构造破碎带等多层。一般覆盖层厚度为9～28m，基岩地层多为片岩，片麻岩，片麻状花岗岩，岩石级别为5～8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90～198m之间。动水位在140～238m之间。

3 设备选型、配备

连续两年在不同地区，根据地层不同的特点，我们选择了不同设备快速找水打井。

（1）云南楚雄市地区选用DPP－4E型车装岩心钻机2台（豫西山区选用SPC－600型红星水文水井钻机1台）。

（2）云南楚雄市地区选用VHP－300E型中风压空气压缩机1台（豫西山区选用XHP－1070WCAT型高风压空气缩压机（螺杆式空压机）1台）。

（3）云南楚雄市地区选用W－150型气动潜孔锤2套、配备Ф165mm潜孔锤钻头 （豫西山区选用DHD360型气动潜孔锤2套，配备Ф165mm、Ф203mm潜孔锤钻头，CF－8型气动潜孔锤2套、配备Ф235mm、Ф250mm潜孔锤钻头）。

（4）云南楚雄市地区选用Ф50mm钻杆（豫西山区选用Ф89mm钻杆）。

（5）云南楚雄市地区选用100W－75／5型井用潜水电泵1套（豫西山区选用150QJ5－300／42（专用）井用潜水电泵1套）。

4 施工工艺方法

4．1 钻孔结构

两地区均采用了开孔口径Ф245mm牙轮钻头，地表覆盖层用牙轮钻开孔，覆盖层部位护壁用Ф219 mm套管。云南楚雄市地区终孔口径Ф165mm，孔深40～70m，而豫西山区基岩部位开孔Ф203mm，终孔口径Ф165mm，孔深295～365m。

4．2 成井工艺

采用Ф245mm牙轮钻头正常施工钻进，钻穿覆盖层，下入Ф219mm套管护壁，使之居中落在基岩中300～500mm，套管外用粘土围填封死，以防漏气。云南楚雄市地区利用 W－150型气动潜孔锤，Ф165mm潜孔钻头钻至终孔。豫西山区利用DHD360型气动潜孔锤，Ф203mm潜孔钻头钻至200m，再换成Ф165mm潜孔锤钻头钻至终孔。钻具组合为（自上而下）110×110×7500主动钻杆＋Ф89mm钻杆＋变丝接手＋DHD360型气动潜孔锤＋Ф203mm（或Ф165mm）潜孔锤钻头。

同时均选用空压机优先洗井待水清后，再用深井潜水电泵洗井、抽水，抽水试验三个落程，分别稳定4、8、8小时。取水样进行全分析化验。

5 钻进技术参数

5．1 钻压

它主要与钻头的直径、岩石的性质有关，一般每厘米的钻头直径施加1k N左右即可，钻压一般取12～19k N，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。

5．2 转速

主要根据岩石性质、钻头直径、冲击器的冲击功率、冲击频率来确定。一般直径在165～200mm左右的钻孔，中硬地层20～50r／min、硬岩层15～30r／min、硬岩层32～60r／min．

5．3 风量

它主要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。在满足100W－75／5型、或者150QJ5－300／42井用潜水电泵的情况下，另外加大钻杆外径也是减小环状间隙的有效途径。我们在不同地区所选用的VHP－300E型中风压空气压缩机，最大排气量可达到8．5m3／min，额定压力13．8 MPa。

所选用的XHP－1070WCAT螺杆式空压机高风压空压机，最大排气量可达到30．3m3／min，额定压力24．1 MPa，1～3mm来不及破碎的粒石，因所采用高（中）风压压风机在强大的风压下立马会吹出地表面，钻进顺利，效果明显。能满足技术上的要求。

5．4 风压

在潜孔锤钻进过程中，空压机的压力是整个压缩空气流动通道中各种压力损失总和，干孔段潜孔锤钻进时，供气压力是潜孔锤工作压力与管道压力损失之和，孔内有水时，它主要由孔内的深度，孔内的水位埋深，出水量决定。根据所用空压机和钻孔结构计算。一般在有水的情况下，供气压力为孔深的1．4倍（100 m 孔深为1 MPa），350 m 左右的钻孔供气压力约为5 MPa。我们配用VHP－300E型中风压空气压缩机和XHP－1070WCAT高风压空压机，最大风压可达到13．8～24．1MPa，完全能达到施工的需要。

总之，气动潜孔锤钻进要求高风压、大风量、低转速、小钻压力。我们这样科学的配套，全部达到施工工艺的要求。

6 操作要点

①使用螺杆式空压机保证管路清洁、畅通、密封，防止管路或钻杆内的岩屑等杂物落入冲击器内，加速冲击器磨损或卡死活塞。有时会打不开空压机，钻具丝扣联接处须涂丝扣油，防止管路漏风跑风。因空压机风风压高、风量大会因钻具丝扣联接处不紧刺坏钻具丝扣，钻进效果不明显。

②冲击器要定期拆开检查、清洗。装配时，要确保各结合部位的间隙的调整。正常钻进时，每班至少通过钻杆向冲击器内注入一次机油，每次注入量约为0．3～0．6kg，使冲击器内润滑充分，延长冲击器使用时间，减少提钻频次。

③保持孔底清洁，如孔底落入金属等物时，严禁将冲击器下入孔内。

④冲击器即将下至孔底时，应先送风，边送风边将冲击器下至孔底；停钻时不得先停风，需先将钻具稍微提离孔底，将孔底残余岩屑全部排出孔口，待主动钻杆提出孔口后，才能停止送风。防止因突然停风，造成孔内岩屑下降而发生卡钻、埋钻事故。

⑤钻进时，需随时注意孔内情况及风压变化，如发现风压突然增大或冲击器在孔内工作不正常时要立即处理。处理无效则需及时提钻检查。

⑥正常钻进过程中需采取少钻勤提间歇冲孔的办法，即每钻进30～500mm后，将钻头提离孔底，强力吹孔一次。这样可以防止憋风和岩粉堵塞，保证施工钻进安全。

7 实钻应用效果

7．1 断裂破碎带地层中实钻效果

如：在荥阳市崔庙镇郑庄村（井位编号：HNGT302）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5～6级。于2011年4月18日开钻，钻穿覆盖层，下入26m，Ф219mm套管护壁后，开钻后进尺很快，317．60m之前的进尺只用了102小时，而且排岩正常，孔内干净，但是钻至孔深317．60m后，在空气潜孔锤钻进时遇到基岩裂隙，基岩构造破碎带，由于地层严重破碎，岩屑、坍塌物不能顺利排出孔外，造成孔内开始坍塌，空压机气体从下面的裂隙中跑了，跑风漏气，无法正常进行钻进，此时，需要采用正常护壁方法对孔壁进行固结堵漏，采取了打捞筒进行打捞，打捞出了大量坍塌物，但是孔内继续坍塌，沉淀物达十米多。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 ，后又经过回填充红胶土、水泥、注水、被迫改用泥浆护壁、合金钢粒混合钻进方法钻进等方法、2011年5月20日被迫终孔，终孔孔深365m。这孔的施工由于地层复杂，加之在摸索中经验不足，效率很低，是其它3口水井施工、成井的时间2～3倍，费用也高了不少。在这中情况下，再全部依靠空压机钻进使用效果不好，进尺不太快。

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，所以我们认为使用螺杆式空压机、应用潜孔锤钻进不适应在极破碎的地层中钻进。

7．2 较完整地层中实钻效果

岩层为片麻岩、片麻状花岗岩，可钻性级别为7～8级。在这里布置的钻孔有 HNGT47、HNGT59、HNGT81、HNGT302、四个钻孔。这四个钻孔于2011年2月23日开钻，5月30日结束，实际施工26天，进尺1362．08m，使用螺杆式空压机、应用潜孔锤钻进进行的较顺利，钻进能力最大孔深达到365m，钻入水下160m，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，从供风道路中送水或泥浆液进行钻进，使岩屑充分排出。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。二是在潜孔锤钻进中，冲击器发生堵塞时，会严重影响钻进效率。其主要原因是孔内钻粉过多，其次是操作不当造成。我们采取的措施是：①保持孔内干净；②下钻前检查清除钻杆内钻屑及杂物；③停风一定要缓慢。回次结束后，将主动钻杆提出孔口再缓慢停风，以防冲击器倒吸钻粉；④停风后待1～2分钟再卸主动钻杆，可避免钻杆内压力骤降引起冲击器倒吸钻粉。三是随着孔深的增加，孔内涌水量的增大，钻速将逐渐下降。2010年3月，我们在云南省楚雄市姚安县红梅村水井施工时，因使用小风量的空压机产生了上述状况，但是我们这次在豫西抗旱找水打井施工中选配的XHP－1070型螺杆式空压机完全可以解决上述问题。

8 使用螺杆式空压机、应用潜孔锤钻进技术的特点

8．1 成井周期短、生产费用低

因这样选配，其使用此技术及成井工艺优势明显，在竞争中体现出科技含量的重要性，施工周期短，施工效率高，可以在短时间内完成项目施工任务，更快地带来效益，解决问题。因施工周期短，施工效率高，人员工资、只有部分柴油消耗，单孔柴油消耗4～5万元，经济收益高；比常规成井快的诸多优点。给施工单位及施工人员带来更多经济利益，各方面积极性大为提高。

8．2 施工用水少

使用螺杆式空压机、应用潜孔锤钻进工艺是采用空气作为循环介质，在施工中，除覆盖层用少部分水外，基岩部分几呼不用水，特别是严重缺水的地方施工，用水要到很远的地方去拉，严重缺水的地区水比油都貴，在此条件下施工空气潜孔锤钻进技术工艺具有很大不可相比优势，仅用水这一项单孔节约水费15～20万元，加上其它泥浆材料节约的费用会更高。

8．3 直观性强

使用螺杆式空压机、应用潜孔锤钻进工艺最大的特点是地下有没有水，出水量大小能够比较直观的反映出来，不象正常施工钻进哪样，要进行多次物探测井。在严重缺水地区更显出其优越性。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。

9 结论

（1）使用螺杆式空压机、应用空气潜孔锤钻进工艺技术的发展为豫西严重缺水地区打井找水，它适应于在较为完整的基岩地层中快速、高效的钻进，效率较高，更显示出快速找水打井的优越性，而在极破碎地层中钻进需要研究解决护壁问题，才能充分应用好这项技术。

（2）使用螺杆式空压机、应用空气潜孔锤钻进，省去了搅拌泥浆用大水量，维修水泵等辅助时间，提高了纯钻进时间，缩短了施工周期，从而大大降低了成井成本。

（3）依靠科技进步，科学选配、配备施工设备、应用钻井新技术、新成井工艺，是大力发展生产力的重要途径，使用螺杆式空压机、采用空气潜孔锤钻进技术在抗旱找水打井施工项目中的应用是成功的，它使钻进效率成倍提高，钻探成本大幅下降，成井质量明显提高，综合经济效率、社会效益显著。

［1］ 黄晟辉，赵大军，等．气动潜孔锤钻进技术在云南旱区找水工程中的应用［J］，探矿工程（岩土钻掘进工程），2011（4）．

［2］ 刘家荣．气动潜孔锤钻进技术若干问题［J］，探矿工程（岩土钻掘进工程），2010（5）．

［3］ 许万年，等．大力推广气动潜孔锤及气举反循环组合钻进技术［J］，探矿工程（岩土钻掘进工程），2007（9）．

［4］ 杨军义．马鞍山蒙牛现代牧水井气动潜孔锤钻进技术［J］．探矿工程（岩土钻掘进工程），2006（5）．

［5］ 杨培远．气动潜孔锤钻进工艺的应用［J］，探矿工程（岩土钻掘进工程），1993（1）．