深厚砂卵石层中空气潜孔锤钻进技术应用

徐世国

（神华神东地测公司钻探队 内蒙古自治区乌兰木伦镇 017209）

深厚砂卵石层中空气潜孔锤钻进技术应用

徐世国

（神华神东地测公司钻探队 内蒙古自治区乌兰木伦镇 017209）

深厚砂卵石层是地质勘探以及地基处理中的一大难题，通过空气潜孔锤钻进技术的应用可以很好解决这种问题。本文阐明了空气潜孔锤钻进技术的特点，分析了空气潜孔锤跟管钻进的相关规程，详细说明了空气潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用。

深厚砂卵石层；空气潜孔锤钻进技术；应用

随着经济的快速发展，基础设施的不断完善，我国工程建设水平不断提升。在一些大型工程地质勘探大口径钻进深厚砂卵石层时，由于卵石层较厚，卵石硬度高，勘查难度较大，砂卵石层作为地质钻探关键，其钻进工效会影响到工程进度。因此，选择合适的钻进技术显得极为重要，而空气潜孔锤钻进技术则能有效应对这个难题。

1 空气潜孔锤钻进技术特点

空气潜孔锤钻进是空气钻进技术的组成部分，它是将压缩空气作为冲洗介质，或同时作为孔底碎岩能量的钻探方法。它具有如下特点：①钻进效率高。由于较大的冲击功和较高的排渣风速，无需进行二次破碎；无液柱压力影响，能够在无地下水的条件下，改善孔底破碎条件。实践证明，与液动冲击回转钻进相比，空气潜孔锤钻进效率能够提高3～10倍。②钻头成本低。其柱齿或球齿合金钻头，十分有利于进行破岩，并且合金钻头具有比金刚石钻头使用寿命长，适应性强，钻头成本低。③钻进质量好。由于钻具转速低，对孔壁产生冲撞机会小，对孔底进行高频冲击，能够有效减少对岩石以及倾斜地层造成孔斜的影响，改善了钻孔垂直度，避免孔壁岩石坍塌。④钻机性能要求低。潜孔锤钻进转速较低，克服扭矩较小。这就能够减少轻钻机设备性能要求，从而使大口径硬岩钻进等能够得到应用。⑤对生产层影响小。和清水及泥浆钻进不同，空气潜孔锤钻进是以空气为循环介质，不会导致地层堵塞，因此对行水层、含油层及含气层等不会造成影响，从而提高煤层气井及水井等生产量。⑥适用范围广。潜孔锤钻单次冲击功便能在瞬间产生巨大冲击力，故能在非开挖铺管夯管技术以及软层冲击挤密钻进得到应用。

2 空气潜孔锤跟管钻进相关规程

2.1 冲击器选取

冲击器是一种以压缩空气为动力的风动工具，对钻头通过冲击器排出压缩空气进行冷却、排粉，进而实现冲击回转钻进。冲击器选取是空气潜孔锤钻进中的首要问题，冲击器选择不当会影响钻进效率及深度，产生一些无法预知的问题，而选择得当能够有效地降低工作强度、提高效率。根据配气类别不同，空气潜孔锤可分成有阀式潜孔锤及无阀式潜孔锤两类。有阀式潜孔锤出现早，它是通过不同形式的碗状阀、碟状阀、板状阀等进行压缩空气的切换，并以交替方式进入前后气室不断推动冲锤做往复运动从而产生冲击作用。在到达缸体前后死点时，将产生压力信号进行切换，使得活塞进行换向冲击。有阀式潜孔锤缸体配气较为简单，只需经历进气及排气两个过程。

无阀式潜孔锤发展则相对较晚，它取消有阀式潜孔锤中的控制阀，通过冲锤活塞运动实现通道的开启和关闭，进而实现对压缩空气切换的控制。无阀式潜孔锤缸体配气分为进气、排气、膨胀压缩三个过程，有效发挥压缩空气能够压缩以及膨胀做功的特性。由于缸体配气中膨胀做功过程的增加，有效节省了压缩空气的消耗，在很大程度上降低了能耗。在有阀型潜孔锤中，由于控制阀的高频运动和切换，磨损大、报废率高，需要进行定期更换，这样就很容易造成潜孔垂工作性能受到影响。此外，控制阀需要在一定气压内切换，压力适应性弱，因此，工作稳定性不好。无阀型潜孔锤则有效避免这种弊端，具有较强的压力适应性以及良好的工作稳定。

2.2 钻进技术参数

2.2.1 风压、风量

潜孔锤是以压缩空气为动力使活塞在不断的循环运动中产生冲击力，将岩屑通过废气、余气排除孔外。因此，送至潜孔锤的风压和风量是保证钻进的速度及深度的前提条件。废气作为潜孔锤工作时的驱动力，在排到钻杆及套管之间环形空间时，会将凿碎的岩屑一起带出孔外，排渣速度要适宜，一般应大于15m/s。若排渣速度过小，会造成岩屑的重复破碎，从而导致钻进速度大为降低的情况。出水量及钻孔水位对风压的影响体现为如下方面：①冲击器下到井底或孔底进行钻凿以及在每回次进尺加长钻杆进行重新开钻的过程中，均需要克服水柱压力，而每10m水相当于0.1MPa，因此会出现压力峰值，空压机必须能够承受该峰值。②井孔排水中会消耗风压，冲击器供给工作压力会随排水量增加不断减少，一直到不能够正常冲击而无法进尺。

2.2.2 钻压

潜孔锤在钻进过程中，钻压会产生两方面作用：①对岩石产生预加压力形成裂隙，从而使得岩石在冲击器的冲击力下，达到很好的破碎效果。②克服冲击器的反弹作用力，降低冲击能量的损耗。由此可以看出，在破碎岩石过程中，钻压并不起主要作用，且对不同岩石而言，施加钻压也不相同。潜孔锤钻进时需要加压，但不能太大。钻压过大时，扭矩势必增加，就会造成钻具和钻头过早磨损及破坏。实践表明，应将钻压控制在2～4kN，如有必要，可选择较大钻压，需注意的是，应尽量减轻岩芯由于高频冲击振动产生的反弹力的破坏。

2.2.3 转速

潜孔锤钻进时，由于钻具的旋转，钻头刃具冲击位置会发生改变，这样就能够使冲击的破碎穴之间产生一定间距，从而造成体积破碎。由此可见，冲击间距是影响钻头转速的主要参数。此外，钻头转速还会受到岩石完整性和研磨性以及冲击功等因素的影响。岩石研磨性越强，则应降低转速，以充分发挥冲击破碎的作用；冲击功较大时，破碎岩石效果越好，破碎穴大，因此，可增加冲击间距，提高转速。

3 空气潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用

深厚砂卵石层中，空气潜孔锤钻进技术在应用时，需要注意以下技术要点：①严格按照相关规范及参数开展钻进作业，不可盲目增加钻压以追求进尺，注意观察空口岩屑情况，及时对钻进参数进行调整，避免由于岩屑产生过多未及时返出导致卡钻，而影响钻进工效。在钻进时如遇较大粒径岩石，应通过捣、打相结合方式，防止由于强行跟进造成钻杆折断以及钻头掉齿、断齿的情况发生。②高压摆喷施工过程中，要严防钻孔偏斜，以免影响墙体搭接。为防止发生钻孔偏斜，可采取的措施有：a.钻机就位后，需将其垫稳，并调整钻机，确保开孔钻具处于铅垂状态；b.为避免由于回填土砾石导致钻孔偏斜，应选用大一级开孔钻具，并在钻至卵石层时进行上下往复的活动；c.用水平尺对下入跟进套管进行反复的垂直度校核，如出现偏斜，则用水泥砂浆填充，并于原处重新开孔。③根据分序加密原则，一般对高喷孔进行两序孔施工。前一次序孔施工完成后，应合理选择下一次序孔开孔时间，开孔时间如果过早，在钻进时高能量压缩空气的释放，很有可能造成前一次序孔由于水泥浆体强度尚未达到而产生破坏；开孔时间如果过晚，则可能由于孔周围水泥强度过高造成跟管钻进难度的增加，实践表明，间隔时间宜在6～12d。④由于砂卵石层具有较大的漏失量，因此，需要采取措施护孔。如采用泥浆护壁工艺，不仅塑性浆液量大，而且喷孔时，很容易出现浆液串冒，造成严重塌孔，导致成孔率较低。为此，可采用具有良好护孔效果的PVC管护壁，不仅能够具有较强的抗高压射流束冲击性，还不会使摆喷质量受到影响。

4 钻进中注意事项

（1）严格按照潜孔锤钻进技术参数作业，不能盲目追求进尺而加大钻压，防止钻杆折断、钻头掉齿和断齿等事故的发生；

（2）钻进中要随时注意观察气压表压力的变化，如发现压力急剧上升或下降，应立即提钻，查明原因，排除故障；

（3）钻进中经常注意潜孔锤冲击响声，如发现冲击频率变低或不稳定等异常情况，应立即提钻进行处理；

（4）钻进中如发现钻杆抖动厉害，应立即提动钻具，再慢慢下放，并降低压力进行钻进；

（5）定期向钻杆内加入少量机械油，确保潜孔锤充分润滑和高效能，延长使用寿命；

（6）下钻时，应边回转边下放，当钻具接近孔底时，应放慢下放速度；

（7）下钻前，要在地表对潜孔锤进行试验，看其工作是否正常，否则要立即拆卸清洗、涂油，防止活塞与缸套的磨损加剧而损坏钻具；

（8）在施工过程中，应加强对潜孔锤的维护，并保证钻进所需的风压、风量，以确保潜孔锤的工作正常。

5 结束语

深厚砂卵石层中应用空气潜孔锤钻进技术，不仅取心质量好，还能够提高钻进效率、增强护壁效果，从而满足工程中砂卵石覆盖层地质勘探的需要，为工程建设奠定良好的基础。

[1]李海民，高恩波.浅析潜孔锤钻进技术在砂卵石地层中的应用[C].河北省水利工程局2008年南水北调中线工程会议，2008.

[2]牛文林.西部河床深厚砂卵石层钻探取心技术研究[D].成都理工大学，2006.

[3]钱永春.空气潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用[J].农业科技与信息，2010（4）：46～47.

TU753.3

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1004-7344（2016）25-0177-02

2016-8-18