高风压潜孔锤在岩溶找水中的应用

邝光升，任良治，罗中良,帅 松

（重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队，重庆400700）

近年来，重庆市地勘局208水文地质工程地质队总结了常规岩芯钻进工艺用于岩溶找水的不足，采用空气潜孔锤快速钻进工艺，将空气压力从中风压改进为高风压，总结出几个关键技术，在岩溶缺水区地下水找水钻井中取得重大突破，钻孔速度和成井质量均获得大幅提高。

1 岩溶找水项目实施情况

重庆市岩溶石山地区缺水情况严重，区内河流切割深，水文地质条件差，存在表层地层破碎、含灰岩块石，孔壁易垮塌现象，下部常会遇溶洞等岩溶复杂情况。

2013年，208地质队开始承担岩溶缺水区找水勘查示范项目，项目初期，采用全孔取芯钻进工艺，用清水或无固相钻井液，常遇孔内掉块卡钻、溶洞充填的岩溶角砾岩垮塌埋钻等事故，钻进效率极低，单孔最快钻进为20d，遇孔内事故或溶洞等复杂情况，最长成孔时间长达60d。钻井工作完成后，根据现场简易水文观测、岩芯裂隙发育情况、水蚀痕迹等综合分析，进行抽水试验最终确定出水量。为了按期、保质完成找水任务，往往只能通过一个供水井安排一台钻机进行作业。该钻进工艺、工作手段存在众多的弊端，主要表现为野外钻探时间长、成井率低、容易出现孔内事故。

2014年开始，我队通过充分论证，决定采用空气潜孔锤钻进工艺取代以往的全孔取芯钻井工艺。空气潜孔锤钻进的优势主要是钻进效率高，采取全面钻进，无需频繁提钻取芯，有时一个孔只需要一个回次就可完成，效率大大提高，同时应用于供水井施工还有3个方面的优势：一是该钻进工艺为无冲洗液钻进，地下水进入钻孔通道将不会受到泥浆材料和细小岩粉的堵塞；二是一旦钻进含水层，空气可将水气举出井，接上三角堰后，可初步判断出水量，不会对地下水造成污染；三是空气钻进时，上返压缩空气具有负压洗井的效果，有利于增大出水量，能有效提高供水井的成井质量。

1.1 钻孔结构

测量放线定位后，采用“分级跟进钢套管”的技术方法钻进，钻孔结构见图1。

图1 岩溶找水钻孔结构示意图

1.2 钻具组合

开孔段及地层破碎带等地层完整性差的孔段，采用偏心跟管钻具组合，地层完整性好的井段，采用普通潜孔锤钻具组合。

（1）偏心跟管钻具组合：A动力头+B钻杆+C导向管+D冲击器+E跟管+F稳杆器+G管靴+H偏心轮+L中心钻头，见图2。

图2 偏心跟管钻具组合示意图

（2）普通潜孔锤钻具组合：A动力头+B扶正器+C钻杆+D扶正器+E冲击器+F钎头，见图3。

图3 普通潜孔锤钻具组合示意图

1.3 钻进技术参数

空气潜孔锤钻进原理，是将空压机产生的压缩空气能量通过冲击器进行能量转换。即空气潜孔锤钻进过程中破碎岩石产生的高频冲击能量达到岩石临界破碎功时岩石碎裂，同时工作后的气体在一定的风速条件下将岩石颗粒排出孔外以实现钻进目的。合理地选用轴向压力、环状间隙与气流上返速度和转速，是取得理想钻进效果的基本条件。

1.3.1 轴向压力

选取该钻探工艺进行水井作业，一般采用全面钻进方式。针对灰岩地层，单位直径压力值建议取值30～80kg/cm。在操作过程中，需结合钻进方式、钻具匹配、冲击器性能进行综合考虑，适时修整，方可达到最佳效果。

1.3.2 转速

转速的高低主要与冲击器的冲击频率、钻头直径以及岩石的物理力学性质有关。一般转速选用20～45r/min，过高会造成钻头严重磨损、降低钻进效率。潜孔锤钻进是以冲击碎岩为主,回转改变钻头合金冲击破岩的位置，避免重复破碎，因此，需要确定最优冲击间隔、合理转速、冲击频率。

最优冲击间隔多采用2次冲击间隔的转角表示，三者之间的关系式如下：

式中：A——最优转角，（°）；

n——钻具转速，r/min；

f——冲击频率，次/min。

美国水井学会康伯尔认为在硬岩中2次冲击之间的最优转角为11°。由于使用中高压冲击器，通过前期钻进试验总结，硬岩层选用低转速，软岩层选用较高转速，覆盖层为35～45r/min;软岩层为30～40r/min;中硬岩层为25～35r/min;硬岩层为20～30r/min。

1.3.3 空气压力

空气压力是决定冲击功的重要因素，也是影响机械钻速的主要参数。空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应克服管道、孔段压力损失，尚须在有水情况下克服水柱压力，才能正常工作。

式中：P——空气压力，MPa；

P孔——每米干孔的压力损失，约0.0015MPa/m；

P管——每米管道压力损失，Pm=0.001～0.003MPa；

P水——钻孔内水柱压力,MPa；

P锤——冲击器消耗压力,MPa。

1.3.4 空气量

钻进中空气清耗量是根据冲击器的性能参数（耗气量）及为清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。一般采用下式确定：

式中：Q——所需空气量，m3/min；

K1——孔深损耗系数，孔深100～200m以内取1.0～1.1；

K2——孔内涌水时，风量增加系数，其值与涌水量有关，一般按1.5系数计算；

D——钻孔直径，m；

d——钻杆外径，m；

V——环状间隙气流上返速度，一般取值V=20～25m/s。

总之，钻进技术参数的选择应综合考虑岩石特性、冲击器性能、钻孔深度、孔内水柱压力、钻孔口径等因素，以期取得最佳钻速。

1.4 施工注意事项

通常情况下，转速与岩石硬度及钻头直径成反比。钻进速度不宜过快也不亦过慢。过快容易缩短钻头使用寿命,特别是研磨性强的岩层,将加剧钻头外围的刃齿磨损和碎裂，过慢容易重复破碎降低钻速。主要操作注意事项如下：

（1）注意观察钻进中的异常情况。以下几种情况应立即起钻查明原因、排除故障。一是气压表压力急剧上升或下降。二是潜孔锤冲击频率变低或不稳定。三是钻杆抖动厉害。处理方法：提动钻具，再缓慢下放，以较低钻压通过该区。四是孔口不返气、钻进缓慢。应反复上下提动钻具进行周期性碎岩和吹孔工作，将大颗粒岩屑冲成粉末并吹入裂缝中，保证正常钻进。

（2）送风和停钻“吹井”。钻具接近井底0.2～0.3m时送风，待风返回井口后再开车转动钻具至井底，潜孔锤工作正常后方可按正常参数钻进。钻进中根据速度、孔口排屑情况，应适当停钻“吹井”保持孔内清洁，预防潜孔锤活塞被卡住及防止过快磨损内缸套和活塞。

（3）注意井底清渣。加钻杆时不可突然中断供风，防止潜孔锤倒吸岩粉，造成堵塞。合车后，井底沉渣超过0.5m，应先送风清渣方可钻进；井深超过100m后，每进尺6～9m至少专门清渣一次，确定岩粉全部返出后，方可钻进，以防造成埋钻事故。

（4）当岩屑不能顺利排出孔外时，需采用泡沫钻进，应先送风，再泵入泡沫溶液，以防循环系统堵塞时泡沫剂溶液进入空压机内部造成设备事故。

（5）泡沫剂溶液送量超过30L/min，将影响冲击器正常工作，应分段清渣。即每进尺3～5m将钻具提离井底，潜孔锤停止工作，加入泡沫剂溶液，待岩屑清除后，再少送泡沫剂溶液，转入正常钻进，以此循环。

（6）注意钻头情况。每次起下钻时检查潜孔锤连接、卡销等关键部位，以防潜孔锤零部件脱落井内；若一个锤头不能钻进到预计井深，应用2个以上相同规格的锤头交替使用，防止锤头长时间磨损导致成孔孔径不能满足设计要求。

1.5 钻进效果

采用潜孔锤快速钻井技术后，钻进效率得到大幅度提升，空压机和冲击器从中风压提升到高风压，效率进一步提高，纯钻时效从常规钻进4m/h，提高到80m/h，基本实现200m以内的井1d完成钻孔，2d成井的目标。2016年度实施的民生工程重庆市秀山县官庄、膏田、峨溶3个乡镇的岩溶缺水区地下水供水示范项目，一台钻机仅用时56d，共钻供水井24口，成井19口，并提前完成钻探工作，水量50～200m3/d。

2 实现快速钻井的几个关键技术

空气潜孔锤钻进是国内目前公认的快速钻井技术，有成熟的施工工艺。从空压机、空气管道、钻机到冲击器均有丰富的生产体系，充分发挥设备优势，实现快速钻井，需要解决几个关键技术。

2.1 缩短钻进过程中的辅助时间

潜孔锤钻进技术最大的优势就是碎岩效率高，钻进速度快，但空压机的功率大，单位时间能量消耗大，没有合理的工艺配套，钻进过程中辅助时间长，不仅影响钻进效率，成本也非常高。

2.1.1 钻机选择

我们选用动力头SL-400水井钻机，动力头行程3.5m，单根钻杆3m，每一回次连续进尺3m，回次完成后可直接加单根钻杆，辅助时间短，纯钻时间大大提高。相比常规钻进采用的地质岩芯钻机，大大缩短了辅助工作时间，延长了有效钻进时间。

2.1.2 地面风管

从空压机出口到钻机接风口，全部统一快速接头，地面风管采用软管加快速接头，可缩短接风管的时间。

2.1.3 钻进流程优化

机台人员分工合作，从设备到场后的安装调试到钻进工序，制定优化的流程，分工负责，让机台每个人对自己的工作和程序熟练掌握，紧密配合，缩短辅助时间。

2.2 复杂地层的钻进方案

开孔段地层以表土或块石土为主，直接配偏心潜孔锤跟管钻具，将表层套管带到完整基岩后止水。地层破碎带和溶洞采用偏心潜孔锤跟管钻具，达到钻进和套管护壁同时完成。我队专利技术潜孔冲击锥能有效解决溶洞等复杂地层的钻进和护壁问题。

2.3 空压机和钻具是提高效率的关键

潜孔锤钻进有低风压（0.7MPa）、中风压（1.2MPa）和高风压(≥2.4MPa）3种，随着风压的增加，冲击功和冲击频率均有较大提升，其钻进效率提升更加明显。在岩溶找水工作中，采用了3.45MPa的高风压空压机和冲击器，钻进效率大幅提高。

井内采用外平钻杆，减少因钻杆接头处产生空气涡流造成能量损失，可根据钻机能力和钻孔参数选择钻杆直径。

3 结语

实现快速钻进，高风压潜孔锤是关键，通过高效的设备和工艺组合缩短辅助时间，还应根据不同的地质情况配套相应的钻进工艺，此项技术和配套装备还可用于矿山救援生命通道的快速钻进。

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