潜孔锤钻凿技术在盂县水井工程中的应用

王家强

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 盂县水井工程概况

盂县供水井位于新石太铁路沿线，属于铁路太行山隧道施工供水井，从县城东测的降香坪村沿双阳公路到河北边界的寺坪村共九眼井，要求出水量20～35t/h不等。地层从上到下主要是砂土覆盖层、石炭系砂页岩及煤系地层、峰峰组泥灰岩夹灰岩，上下马家沟组灰岩、白云岩。主要采水层是上下马家沟组碳酸盐岩的岩溶裂隙水。施工区缺水，施工用水不易解决，需长距离拉水。

2 施工策划

水井施工常规的作法是回转取心钻进，即合金或金刚石钻头在钻杆和钻具重力作用下回转研磨岩石，提钻捞取岩心，用水或泥浆循环来冷却钻头排除岩粉。由于施工区缺水，施工用水需要长距离拉水，这样成本高而且用量不易保证。另外根据以往施钻经验，峰峰组泥灰岩属水敏性地层，在水的浸泡下容易膨胀造成糊钻或抱钻给施工带来困难。鉴于以上原因我们选择了先进的潜孔锤凿井工艺，它是采用空气或泡沫作为冲洗介质，即在水井上部采用空气钻进，下部采用泡沫钻进。大大降低了水的用量，解决了泥灰岩的遇水膨胀问题。另外，潜孔锤采用冲击全面破碎岩石，且不用频繁提钻打捞岩心，加快了钻进速度。

3 钻井设备

红星-600型钻机额定钻孔深度600～800m，最大扭矩11.3kN.m,最大提升力34.3kN。郑州探矿机械厂出品；

英格索兰-1070型空压机、阿特拉斯-466型空压机；

BW-250型泡沫泵；

TH-180型潜孔冲击器；

潜孔锤球齿状钻头，其型号有φ400，φ350，φ300，φ250等各种。

4 钻进工艺

4.1 井身结构

井身结构的确定是根据下泵段的井管直径上下推，下泵段含水层灰岩的井管和花管直径为φ273mm，采用泡沫钻进，锤头直径为φ300mm,上部泥灰岩地层的井管为大一级的φ325mm,采用空气钻进，锤头直径为φ350mm，再上部砂页岩及煤系地层的井管为φ377mm,采用空气钻进，锤头的直径为φ400mm。最下部用直径φ244mm的牙轮钻井，裸眼，作为沉淀段。井身结构应尽量简单，若砂页岩地层不厚，就与下部泥灰岩合为一级用φ325mm。顶部覆盖层的护口管要更大一级的，为直径φ426mm，钻进直径为φ450mm，该管在下了φ377mm井管后即拔除。

4.2 钻进参数

潜孔锤钻进效率的高低，不仅取决于所用的空压机、冲击器及钻头的性能和质量，而且必须做到合理操作，正确选用钻进技术参数，潜孔锤钻进的主要技术参数包括以下几项。

风量：根据所选用的空压机和潜孔锤的性能，合理确定风量。为使潜孔锤正常工作且又能排除岩粉，要求钻杆和孔壁环状间隙之间的最低上返风速为20m/s。如风量较小，就难以排除孔内岩粉，从而影响钻进效率。该凿井风量选择空压机最大风量20m3。

风压：潜孔锤的冲击频率和冲击功都与风压有密切关系。潜孔锤钻进常用风压是钻进参数重要指标之一。钻速和风压几乎是成正比的。风压从0.6MPa提高到1.03MPa时，钻进效率可提高一倍。低压潜孔锤，所需风压是0.5～0.7MPa；高压潜孔锤，所需风压是0.8～1.5MPa。在潜孔锤钻进时，除正常工作所需风压外，还要加上孔深时沿程压降及克服水位以下的水柱压力。

随着井深的增加，空气沿途消耗的增加，在300m以后，上返风速往往达不到最低排屑的要求，这时需要采用泡沫钻进法，它是在向孔内即钻杆冲击器内输送压缩空气的同时，通过泡沫泵向空气流中注入一定量的水和泡沫剂，用量比例为2‰～5‰，上返排屑就由单纯的风变为泡沫，泡沫是由紧密而细小、有坚固薄膜的气泡组成，具有较高的表面黏度和强度，在环形空间流动时环空的变化会造成泡沫气体体积的变化，使泡沫流具有上浮的趋势，因此泡沫的携带能力很强，弥补了空压机能力的不足。增加水和泡沫剂的用量可以增加泡沫量，提高携粉能力。另外再添加和溶解一种化学品12H2OKAlSO4粉末可增加泡沫水溶液的比重，提高泡沫溶液的携粉能力。具体用量可根据井口上返泡沫携粉情况调节。采用泡沫钻进时的风量和风压与纯空气钻进时相同。

冲击频率：当潜孔锤额定风量和额定风压均达到规定要求时，都能达到额定冲击频率。潜孔锤一般的额定冲击频率为800～1500次/min。TH-180的冲击频率是1200次/min。

钻压：从潜孔锤破碎岩石的原理来看，岩石主要是在冲击功作用下破碎的。潜孔锤钻进效率的高低，主要取决于冲击功的大小和冲击频率的多少，而钻压是保证冲击功率并发挥作用的辅助力。对某一直径的潜孔锤来说，钻压有一个合理的范围。钻压过大，不仅不会提高钻进效率，反而会加速钻头磨损，球齿掉落，回转困难，。在本次凿井使用φ300mm的潜孔锤，钻压在15～20kN时钻进效率最佳。使用φ350mm潜孔锤，钻压在18～21kN时较为合理。在红星-600水井钻机的实际操作中，钻压的表现和变化不是靠仪表仪器，而是根据钻具钻杆的重量和卷扬机钢丝绳提吊相结合，视钻进情况决定，与地层硬度、施钻者经验有关。

转速：为使潜孔锤的冲击功有效地传到孔底，钻机立轴转速应按潜孔锤的冲击频率、冲击功和所钻岩石的性质、钻头直径来确定，回转速度仅是为了改变钻头硬质合金刃破岩的位置，因此合理的回转速度应保证在最优的冲击间隔范围内破碎岩石。TH-180型气动潜孔锤钻进时转速在20～40r/min。

4.3 钻进技术措施

1）严格按照钻进技术参数作业，正常钻进时，观察孔口返气排粉和泡沫排屑情况及进尺情况。当排粉及进尺都正常时则无需提动钻具。若只进尺而排粉不正常，则应在钻进一定进尺后就提动一次钻具，此时冲击器不工作，产生较大的上返风速，待岩粉和岩屑吹出孔口后，再将钻具放到孔底继续钻进。这种瞬间上提钻具，能将较大的掉块吹出孔口，保持孔底干净。

2）泡沫钻进时应先开启泡沫泵再开空压机，防止空气倒憋泡沫泵使泡沫液不易注入空气流。这是根据工地大功率空压机英格索兰1070和阿特拉斯466而言，泡沫泵是普通的BW-250型三缸泵，用木塞堵其两缸，用一缸工作。这种泵压力大，减少了规范上使用的增压装置，且工作稳定。

3）钻进时应经常观察风压表的压力变化，当风压突然增大时，同时上提钻具又感到困难，可能是潜孔锤上部形成泥团或埋钻。若在串动钻具的同时靠空压机的额定工作压力能将上部堵塞物吹开，就可继续钻进。若无效时，可采取从孔口注水，将泥团稀释吹出孔口。或者从钻杆中注入一定的泡沫剂也可稀释排除。在钻进峰峰组泥灰岩时，常遇到此情况，工人称这种情况叫“盖帽”。

4）钻进中，如发现钻杆抖动厉害或周期性滞转现角，说明遇到破碎带或较大袭隙，应立即提动钻具，再缓慢下放，以较低钻压通过该区，防止造成钻杆折断等事故。

5）如发现孔口不返气、进尺缓慢，说明遇到大裂隙，应反复上下提动钻具进行周期性碎岩和吹孔工作，把大颗粒岩屑冲成粉末并吹入裂缝中，保证正常钻进。必要时，应加入泡沫剂以堵死裂隙。

6）回次结束后，不要急于停气，应上提钻具0.3～0.5m，进行吹孔和高浓度泡沫循环携粉。待孔口不返岩屑时，才可停风加接钻杆。

7）停风时，应缓慢关闭送风阀，不可突然中断供风，防止潜孔锤倒吸岩粉，造成潜孔锤堵塞事故。

8）定期向钻杆内加入少量机械油，确保潜孔锤充分润滑（冬季施工，机械油应加热）和高效能，延长使用寿命。

9）在接单根钻杆时，主动钻杆接上后即开始供风，将孔底吹干净后就可继续钻进。不要将钻具下到孔底后再供风，这样容易造成潜孔锤内被岩屑堵塞，发生故障。

10）当空压机风压不足时，可采用两台或多台并联的办法，以加大风压。

5 经验积累及体会

1)钻进的工作效率即潜孔锤的工作效率，主要取决于空压机的能力。如今，高质量的空压机均是进口或合资生产，其核心技术由外国掌握，所以价格很高，如英格索兰1070的柴油机是美国卡特公司制造，机械油和润滑油由卡特公司专供，维护费用也高，而且它们都是燃油驱动，每小时燃油约80L，工人叫它“油老虎”，成本很高。

2)若潜孔锤锤头直径小则破碎岩石面积就小，功率消耗就少，所以在满足下泵段的最小口径的情况下，尽量采用小直径锤头钻进。下泵段即含水层，通常下φ273mm花管和井管保证滤水面积，保护井壁，保护水泵。此时水量已基本达到要求，井内水位也高了，再往下打就不用潜孔锤了，因为井内水压高消耗风压大，潜孔锤工作效率低。下泵段下部要设沉淀段，通常是采用φ244mm的牙轮钻进，此时钻具重量也能达到滚牙轮所需的大钻压，循环介质仍采用空气泡沫。沉淀段深度根据水量、合同要求的井深来确定，通常为裸孔。

3)潜孔锤凿井具有机械钻速高、钻头寿命长、水井质量好、在水敏性地层、漏失地层中能保证钻进，尤其在缺水严寒的地区凿井更显示其优越性。盂县多个供水井的成功证明了这点，为水井施工提供了经验。