风动潜孔锤技术在软湿地层钻井中的运用——以云南红河地区打井为例

余荣华，张 陵，焦向阳

(1．湖北省地质局水文地质工程地质大队，湖北荆州 434020;2．湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北武汉 430051)

风动潜孔锤技术钻井施工具有钻进速度快、质量好、成本低和突击性强等特点，但在中国地质调查局水环部紧急启动的“西南严重缺水地区地下水勘查”项目施工初期，由于地层破碎、裂隙、溶洞发育和地下水即软湿地质因素影响，致使其施工钻孔偏斜、埋钻、卡钻、遇水后排渣困难等时常发生，风动潜孔锤技术自身特点不能很好发挥。经过系统分析钻井施工过程中出现的问题，笔者查找原因、改进钻进工艺，成功地解决了在软湿地层中钻进问题，并在云南抗旱打井找水施工过程中实践获得了较好的效果，对今后在同类地层钻井施工中具有重要的指导意义。

1 概述

施工区红河州地段位于滇南哈尼族彝族自治州。红河区块在南盘江、红河、藤条江、李仙江的强烈切割下，形成极为雄伟壮观的山川，高差悬殊大，立体气候明显。气候类型丰富多样，主要属北热带、北亚热带和高原气候。红河区地势西北高，东南低。施工区内老—新震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系均有分布［1］。

红河州实物总工作量1 620 m，成井9口，单井设计深度180 m。井点分布在石屏、建水和泸西三县境内。施工工期60 d。钻井施工采用风动潜孔锤钻进工艺，风动冲击器采用湖北宜昌五环钻具有限公司生产的高风压潜孔冲击器，高风压潜孔钻头根据钻孔结构在该厂家定制。重庆探矿厂生产的XY-2B岩心钻机两台套，钻塔为自制铁塔，天车安全载荷12 t，英格索兰高风压空压机两台。

2 钻井技术

2．1 设备选型

目前，中国能满足使用风动潜孔锤钻进的钻机型号较多。施工单位可以根据自身的实力选配不同型号的施工设备，钻机和钻塔选择可根据不同的井深和井径，能满足回转和提升钻具即可。相比较空压机的选择尤为重要，这是保证钻井工作能否顺利完成的关键。本次施工设备选型见表1。

表1 风动潜孔锤钻井设备选型表Table 1 Selecting type of drilling equipment of pneumatic down-the-hole hammer

2．2 钻具选配

风动潜孔锤钻进必须采用合理的钻具级配，特别是复杂地层，如易坍塌、掉块、软湿夹层、岩溶裂隙发育地带，容易发生埋钻、卡钻事故。因此钻井施工过程中，应考虑多级井管护壁。所以，选择合理的钻具级配尤其重要(表2)。

表2 风动潜孔锤钻井钻具和井管级配对照表Table 2 Comparison table of gradation of pneumatic down-the-hole hammer and well pipe

2．3 钻孔结构

云南红河州地层复杂，第四系覆盖层较厚，基岩上部风化严重，含水层多为溶洞裂隙水，采用合理的井孔结构是成井施工成败的关键环节。一般情况下井孔结构为:0～40 m深度 Φ273、40～80 m 深度 Φ219、80～120 m深度Φ178、120 m深度以下Φ146。

3 钻井中常见问题与分析

3．1 钻孔偏斜

钻孔偏斜是钻探工作中常见的问题。在完整基岩采用风动潜孔锤钻进，由于它的钻进机理不同于普通回转钻进。风动潜孔锤钻进时主要靠冲击破碎岩石，需要的回转转速较低，压力需求不是很大，压力能克服风动冲击器工作时的反弹力即可。该机很好地避免了普通回转钻进需要较高转速和压力，因而产生钻孔偏斜问题。

但在实际施工过程中，地表覆盖层钻进时多为第四系残坡积层，且多夹块石、滚石，在平面上构成了相对“软”、“硬”不均地段;含水层部位钻进时，由于裂隙、构造发育以及地下水的富集构成了相对“软”、“湿”地段，钻进施工过程中极易产生孔斜。在施工建水县干塘村GT53252403号钻孔时，因对地层不了解，在成井时发生钻孔偏斜，导致 Φ219 mm井壁管和Φ168 mm井管下置困难，后虽采用多种方法得到解决，但延误时间长达7 d。经查明钻孔偏斜原因为:

(1)第四系覆盖层中粘土夹杂大块石，地层软硬不均。钻进时钻具向软处偏移，同时夹杂的块石没有破碎，仍然凸鼓在孔壁上，影响下置井管和井壁管。

(2)潜孔冲击器、冲击锤头和钻杆之间级配大，钻孔和钻杆之间的环状间隙过大，在遇到上述地层没有导向性，极易造成钻孔偏斜。

(3)钻进速度过快、压力过大，夹杂在粘土中的块石没有完全破碎，孔壁凸出块石将潜孔冲击钻头挤偏，导致钻孔偏斜［2］。

3．2 复杂地层埋、卡钻

风动潜孔锤钻进复杂地层时，较普通回转钻进更易发生埋钻、卡钻事故。普通回转钻进采用泥浆和清水作为冲洗循环介质，钻孔孔壁在泥浆和清水液柱压力下可以保持一定的稳定。风动潜孔锤钻进时，冲击破碎的岩粉颗粒较粗，需要较高风压、风量和风速排渣，因而容易破坏钻孔孔壁的稳定。特别是在遇到易破碎、岩溶裂隙发育并含有泥沙充填的复杂地层，更容易发生埋、卡钻事故。

在施工石屏县异龙镇万家营村GT53252525号井时，即遇到了类似问题。该井设计井深180 m，上部地层为白云灰岩，含水层为断裂构造带裂隙水。实际钻进过程中，因地层变化较大，白云灰岩强风化层较厚，有少量渗水，排出的岩粉呈粗砂和粉末状，并有一定的湿度。孔内持续排出的岩粉量为钻孔体积理论值3～4倍。钻孔孔壁破碎、强度低、稳定性差，在风力和孔壁渗水的双重作用下造成了孔壁坍塌，多次发生埋钻事故。虽然采用多级套管护壁仍然无法满足要求，施工进度缓慢。后改用普通回转取心泥浆护壁钻进方法才将该井施工完毕，共耗时45 d。

3．3 遇水后排渣困难

采用风动潜孔锤钻进技术钻井时，含水层部位由于裂隙、构造发育以及地下水的富集构成了相对“软”、“湿”地段，在由孔底向上高速排渣出孔口的过程中，由于岩粉与水、“气”的相互粘结作用易形成“岩粉颗粒”，当颗粒的重量超出孔内上返气流的携渣能力时，这些“岩粉颗粒”会悬浮在孔中形成“悬浮岩粉颗粒”不易排出孔口。加提钻杆时空压机停止送风，悬浮的粗颗粒会回落孔底，造成埋、卡钻事故。

钻进至含水较弱地层不但会出现上述同样问题，还会因送入孔底的干空气和冲击破碎的岩粉以及地层中的水分混合后，经钻杆和孔壁的环状间隙上返排渣，易贴附在孔壁和钻杆接头处形成泥环、泥塞，堵塞气流上返排渣通道，引起泥环、泥塞的卡、埋钻事故。现象严重的可直接导致钻孔报废，给施工单位造成严重经济损失。

在石屏县异龙乡苍家寨GT53252526号井施工过程中，该井设计井深180 m，在钻进至井深48 m遇到较弱含水层，孔口出水口量3～4 m3/h。因当班工人使用技术措施不当，顶水钻进至126 m时，发生了泥环、泥塞卡、埋钻事故。后因该井出水量已达到10 m3/h的要求，申请提前终孔。

4 常见问题处理方法

4．1 孔斜解决方法

钻孔偏斜问题不论是岩心钻探还是水井施工，都是需要防范和解决的问题。主要有以下解决方案:

(1)在较完整基岩地层钻进时，冲击器和钻杆之间加装扶正器。扶正器采用厚壁地质管两头焊接在钻杆上，两头不封死利于排风排渣。加工时要严格控制钢管和钻杆的同心度。扶正器直径一般要小于冲击钻头直径。岩石硬度低于Ⅳ级时(包括Ⅳ级)，扶正器直径应小于钻头直径1～5 cm，长度不低于3 m。岩石硬度大于Ⅴ级时，扶正器直径应小于钻头直径3～5 cm，长度1．5～3 m。扶正器钢管上钻眼镶焊大八角硬质合金，防止扶正器过度磨损，同时起到光滑孔壁的作用。此方法在相对完整地层导正防斜效果突出，但在复杂地层效果不明显。

(2)在复杂地层中钻进(如第四系堆积层)时，粘土中夹杂很多的大块石，如果采用常规风动潜孔锤钻进，不但效率低而且钻孔极易偏斜。因此，在此类地层中钻进采用偏心跟管潜孔锤钻进，可以从根本上解决井孔偏斜和钻进效率低等问题。此种钻进方法，在建水县临安镇小西湖村GT53252406号井和以后的钻井过程中得到了很好地验证。GT53252406号井地表覆盖层为红粘土夹块石，下部为灰岩裂隙发育，且裂隙中充填物为粘土和碎石。该井采用Φ219 mm偏心跟管潜孔锤钻具开孔钻进到35 m后，改用Φ168 mm偏心跟管潜孔锤钻具钻进至相对完整稳定的基岩，再改用常规潜孔锤钻进直至终孔。该井设计井深180 m，完工用时4 d，出水量40 m3/h。充分显示了偏心跟管潜孔锤钻进方法在此类地层中的钻进效率。

(3)在成井钻进过程中，无论采取何种钻进方式，转速、钻压的控制同样非常重要。潜孔锤钻进所需转速不需太高，一般控制在70～126转/min，钻压满足潜孔冲击器正常工作不反弹为宜。

4．2 复杂地层埋、卡钻预防

复杂地层钻进，如何有效地防止埋、卡钻事故发生尤其重要。特别是使用潜孔锤钻进过程中，高压空气对孔壁的影响极易造成埋钻、卡钻事故，石屏县异龙镇万家营村GT53252525号井即为典型案例。在后续的成井过程中，同样采用了多级偏心跟管潜孔锤钻进方法，很好地解决了因孔壁坍塌造成埋钻事故的问题。石屏县宝秀镇政府GT53252530号井地层与石屏县异龙镇万家营村GT53252525号井的地层类似，上部为强风化地层，厚度57 m。采用Φ219 mm和Φ168 mm两级偏心跟管潜孔锤钻具钻进至相对完整稳定的基岩后，改常规潜孔锤钻进直至终孔。该井设计井深180 m，完工用时3 d，出水量10 m3/h。

多级偏心跟管潜孔锤钻进方法的使用，不但解决了复杂地层钻进易发事故的问题，而且大大提高了成井效率。在使用过程中如何发挥多级偏心跟管潜孔锤钻进方法的功效，合理选择钻具级配同样非常重要。

4．3 遇水后排渣困难施工措施

在实际钻进过程中，往往还没有钻进至设计孔深时，井孔就已经开始出水。当出水量达不到设计要求时，还需继续钻进。此时，常因干空气和冲击破碎岩粉遇水混合后，易形成泥环、泥塞，孔内排渣困难，造成埋钻事故。在泸西县中枢镇阿平村施工GT53252756号井时，井孔钻进到17 m时孔内开始出水。当孔深钻进至45 m时，出现孔口出风不畅提动钻具困难的现象。随后将钻具提出孔口，此时钻杆上及钻杆接头上已经粘附呈初凝的混凝土状的物体，泥环、泥塞已开始形成。

为避免石屏县异龙乡苍家寨GT53252526号井的事故发生，及时采取了相应措施。在井孔内排渣困难时向钻杆内加入一定量的泡沫剂开气冲孔排除孔底沉渣。因现场没有专用的泡沫泵，不能连续向孔底输送泡沫剂，只有采取简易的泡沫剂添加方式。即每打完一根钻杆后将钻具提离孔底，卸开主动钻杆，向钻杆内加入一定量的泡沫剂(一般一次0．1～0．3 kg)，再将钻具放到孔底开气冲孔排净孔底沉渣;孔底岩粉沉渣主要是在钻进过程中形成，每加一根钻杆钻进前也要加入一定量的泡沫剂，每次加入量根据钻进回次深度确定，一般为0．2～0．5 kg，保证在钻进过程中也能顺畅排除孔底沉渣。如果孔内沉渣太多时可往复数次直至孔底沉渣排净。

这种简单的泡沫剂添加方式，在没有专门的设备情况下，安全易行，排渣效果明显。孔内排出的岩粉颗粒最大直径3．5 cm，很好地解决了潜孔锤钻进时遇水后易产生泥环、泥塞问题。该孔采用此方法钻进至183 m终孔，完工用时5 d。

5 结语

风动潜孔锤钻进对应巨厚，多夹块石、滚石的残坡积覆盖层而形成相对“软”、“硬”不均地段以及裂隙、构造发育和地下水富集形成的相对“软”、“湿”含水层地段，往往易产生孔斜和埋钻、卡钻事故致使钻孔报废，但只要认真分析问题原因，根据实际情况，采取在冲击器和钻杆之间加装扶正器、简单添加泡沫剂及采用多级偏心跟管潜孔锤等钻进方法，可较好地解决因孔壁坍塌造成孔斜、埋钻、卡钻等常见事故。当然合理选择钻具级配、不同跟管钻具级配组合、控制好钻进中的转速、钻压同样也非常重要。

［1］ 张陵，武松，李军，等．西南严重缺水地区地下水勘查报告［R］．武汉:湖北省地质环境总站，2013．

［2］ 张陵，赵德君，王芳，等．云南抗旱找水打井模式探讨［J］．资源环境与工程，2014，28(6):908-910．