空气潜孔锤正循环大孔径裸钻成孔排渣关键技术研究

肖春阳，申策，吴红

空气潜孔锤正循环大孔径裸钻成孔排渣关键技术研究

肖春阳，申策，吴红

（四川省地质矿产勘查开发局九0九水文地质工程地质队，四川 绵阳 621000）

本文针对工程实践中空气潜孔锤正循环裸钻大孔径成孔中存在返渣困难问题，从空气潜孔锤钻进技术设备及组合、施工工艺、参数设置中的关键因素着手，分析影响空气潜孔锤钻进技术返渣影响因素。通过加装钻杆增径器改良设备，以及装备重组等技术整合，找到了有效解决返渣问题最佳处置措施及施工工艺，为空气潜孔锤正循环裸钻大孔径成孔技术的广泛应用提供技术服务。

空气潜孔锤；正循环；钻杆增径器；上返风速

二十世纪后期，大风量、高风压空压机、增压机及高压潜孔锤问世，空气锤钻进技术有了很快发展(赵伟明等，2016；杜绪等，2011)。针对应用中空气潜孔锤正循环裸钻大孔径成孔中存在返渣困难问题（刘家荣等，2010；宋继伟等，2018），从钻进技术设备及组合、施工工艺、参数设置等入手，找出关键因素，通过设备改良，装备重组等技术整合，获得解决返渣问题处置措施及施工工艺，为空气潜孔锤正循环裸钻大孔径成孔技术在地下水机井工程（汤自华，2021）、地质灾害应急处治等工程应用中提供技术服务。

1 潜孔锤钻探技术工艺原理

潜孔锤钻探技术的工艺原理是采用压缩空气作为动力推动气动潜孔锤工作，用机械或油压钻机带动回转，形成冲击回转刻取岩石，其中压缩空气有带出渣土和冷却钻具的作用（图1）（赵建勤等，2008）。主要技术参数包括风量、风压、转速及以及钻进压力、冲击功等。

图1 典型空气潜孔锤钻进系统示意图

风量大小直接影响孔底岩屑排渣效果。风量根据所用冲击器的性能以及要满足洗井所需的上返风速而确定。使岩屑有效地排出孔外，达到孔底干净，必须采用大于岩屑悬浮速度的上返风速，文献推荐宜在15～30m/s（王径宋，2015）。推荐排除岩屑所需风量往往还超过潜孔锤工作风量（许刘万等，2009）。在进行大口径潜孔锤钻进时，因气量不足，岩屑不能及时排出孔外而堆积在孔底，容易出现埋钻，导致孔内事故发生。

供风量确定，保证一定环空上返风速，依下列公式推算（正循环要大于15m/s）（刘家荣等，2010）：

V=（Q×21220.66）/（D2-d2） （1）

式（1）中：V为上返风速，m/s；Q为供风量，m3/min；D为钻孔直径，mm；d为钻杆直径，mm。

关键在于如何掌握好风量、风速和风压3个关系：以空气作介质与水（或泥浆）作介质相比，携带岩粉所需的上返流速要大些。所需风量为：

由上两式可知，影响大口径潜孔锤裸钻成孔排渣的因素是空气流量与环状间隙大小。

2 装置加工及改进过程

在实际施工过程中，增加进风量意味着需要投入更多的大型空压机等设备，经济效益不高。采用减小环状间隙提高上返空气流速，从而实现有效排渣并且成孔。当前通用的采用增大钻杆截面积的方法实现减小环状间隙，在工程实践中存在三个难题：一是钻杆成本太高，不易加工；二是钻杆自身内径过大，需加工成双壁钻杆；三是钻杆过于笨重，操作困难，且钻杆丝扣极易损坏。为此，课题组决定尝试采用在钻杆外面加装轻型管材以达到增加钻杆截面积，从而实现减小环状间隙的目的。结合近年在使用潜孔锤钻进施工微型桩工艺的实践经验，在潜孔锤钻进中采用89mm外平钻杆，其它参数不变，另配一套管材，加在89mm外平钻杆上，减小钻杆与孔壁间的环状间隙，以达到顺利排渣的目的，加装工具如图2所示：

图2 气动潜孔锤加装工具改进示意图

针对不同口径的微型桩可加工不同尺寸的套管，实验加工套管外径型号有194/219/245/273四种型号，套管相关加工参数及结构如下：

1）加工的套管壁厚为2mm，单根（1.5m/根）套管重量控制在100kg以下。

2）在套管与套管间采用插销连接固定套管，防止套管封头钢板与钻杆形成摩擦，磨坏钻杆。

3）DHD380冲击器外部尺寸为187mm，为避免在套管封头钢板底部形成空气流漩涡，采用导向护片在冲击器与套管间形成气流导向。

3 潜孔锤钻探过程中排渣工艺试验及成果

经过改装后的设备效果如何？在成孔过程中，如何确定最佳套管尺寸，操作工艺中会出现什么样问题，为此，开展了现场工艺试验。然后根据工艺试验成果，获得最优钻具组合和最佳施工工艺。

3.1 现场工艺试验设计及开展

3.1.1试验场地确定

试验选取四川地区最具代表性地层，即上部为块碎石土，下部为基岩的地层。公司马头山仓库附近就属此类地层，方便试验的开展和顺利进行。试验场地内覆盖层为第四系残坡积层（Q4del），主分布于坡体表层，成分为粉质粘土夹碎石，颜色呈棕黄-黄色，湿润，胶结程度一般。碎石含量随斜坡地形从上至下依次递增，约25%～65%，块石直径20～60cm，次棱角状。碎石母岩岩性紫红色的砂岩、泥岩。下覆基岩为侏罗系遂宁组（J2sn）砂泥岩互层，泥岩比例占70%，紫红色，强-弱风化。

3.1.2试验内容及方法

试验选取320mm口径和400mm口径两种大小的钻孔，采用89mm钻杆，分别加装194mm、219mm、245mm、273mm四种型号套管。空压机型号：阿特拉斯976。钻机型号：SL600。钻具组合形式：钻头+φ89钻杆+套管装置，冲击器+钻头2m，机高0.7m。共施工钻孔10个，钻孔深度2.8～10.3m。其中400mm孔径+89mm钻杆组合施工钻孔孔深2.8m，320mm孔径+89mm钻杆组合施工钻孔孔深5.8m，其余组合施工钻孔孔深均为10.3m。施工中记录孔深、进尺、上返风速、纯钻进时间，并描述对应地层和钻进情况。

图3 φ320mm与φ400mm两种孔径返风速度与返风断面面积关系

图4 φ320mm孔径纯钻进时间与返风速度关系

图5 φ400mm孔径纯钻进时间与返风速度关系

3.2 试验结果分析

3.2.1 上返风速与返风断面尺寸关系

由公式（1）可知，当供风量一定时，上返风速与返风断面尺寸成反比关系，返风断面尺寸越小，上返风速越大。返风断面尺寸由钻孔孔径和钻杆直径决定，当钻孔孔径一定时，钻杆直径越大则返风间隙空间越小。试验中发现，无论是320mm孔径还是400mm孔径，随着套管直径增加，空气回返间隙减小，上返风速均呈明显增大趋势（图3）。

3.2.2 纯钻进时间与上返风速关系

随着上返风速增加，成孔渣土能较好被排出，缩短钻进时间，从而提高钻孔效率。试验中发现，对于孔径为320mm钻孔，纯钻进时间随上返风速增大而快速减小（图4），规律较为明显。而对于孔径为400mm钻孔，纯钻进时间随上返风速的变化如图5所示，没有规律性，通过对钻进过程的分析，其主要原因在于受地层影响，场地上部以残坡积粉粘土为主，不宜采用空气潜孔锤钻进，而直接采用螺旋钻进穿过粘土层后，再改用空气潜孔锤钻进，这时再加装套管，但是由于之前的黏土颗粒未清除，造成孔内堵塞，提钻清除孔内黏土堆积时影响了钻进速度。

4 结论与建议

1）提高成孔过程上返风速是确保空气潜孔锤大孔径裸钻成孔排渣的核心，通过改进钻杆外形，加装钻杆增径器，减小钻杆与钻孔孔壁间环状空间断面，可以有效提高上返风速。

2）在320mm孔径钻进实验中，上述规律较明显，在400mm孔径钻进实验中，纯钻进时间与上返风速间不具显著相关性，表明除上返风速外，施工工艺等因素对钻进效率也有较大影响。

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A Study of the Key Technology of Air DTH Hammer Positive Circulation Large Diameter Bare Drilling and Slag Discharge

XIAO Chun-yang SHEN Ce WU Hong

(The 909th Hydrogeological and Engineering Geological Team, BGEEMRSP, Mianyang, Sichuan 621000)

This paper has a discussion on influence factors of returning slag in air DTH hammer drilling technology in view of returning slag difficulty of air DTH hammer forward circulation bare drilling large bore hole in the engineering practice. The problem of the returning slag is solved successfully by means of equipment reconfiguration and equipment improvement with installing drill pipe augmenter.

air DTH hammer; forward circulation; drill pipe augmenter; upwind speed

2020-05-25

肖春阳（1970— ），男，四川兴文人，探矿专业高级工程师，长期从事水文水井钻探和工程地质钻探

P634.5

A

1006-0995（2021）02-0330-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.02.030