水文水井沖擊回轉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

  1 水文水井沖擊回轉正循環(huán)鉆進(jìn)亟待解決的問(wèn)題

 

  基巖水井通?？趶綖棣?60～Φ280mm之間，該口徑硬巖的鉆進(jìn)效率低，成本高，施工周期長(cháng)，成為鉆探界亟待解決的難題。20世紀70年代開(kāi)始，我國已引進(jìn)潛孔錘技術(shù)應用于水井鉆鑿，鉆進(jìn)效率數倍提高，展示了潛孔錘鉆進(jìn)的良好前景。但水井工程，孔深大，背壓高，配套使用的空壓機不但風(fēng)量要求大，風(fēng)太也高，使鉆進(jìn)成本大幅度增高。主要矛盾是滿(mǎn)足排渣屑上返風(fēng)速的要求時(shí)，供風(fēng)量巨大，遠超過(guò)了潛孔錘本身工作的需求。計算不同孔徑條件下滿(mǎn)足上返風(fēng)速15m/s供風(fēng)量的需求，見(jiàn)表1（Φ89鉆桿為例）。表1數據表明，孔徑越大，為滿(mǎn)足排渣屑要求而消耗的能量越大，經(jīng)濟性越差。若實(shí)施反循環(huán)鉆井技術(shù)工藝，則排渣屑所需風(fēng)量大大減小，如表2所示。

 

  2 水文水井沖擊回轉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的原理和特點(diǎn)

 

  針對上述問(wèn)題研制了GQ系列貫通式氣動(dòng)潛孔錘，配以專(zhuān)門(mén)的反循環(huán)也取心鉆頭，實(shí)現了反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)工藝，這一技術(shù)具有國內外先進(jìn)水平。

 

  貫通式氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)原理如圖1所示。壓縮空氣由進(jìn)氣膠管4進(jìn)入氣水龍頭2的進(jìn)氣管，經(jīng)主動(dòng)鉆桿和雙壁5的內外管環(huán)空到達貫通式?jīng)_擊器的逆止閥6，驅動(dòng)沖擊器活塞9產(chǎn)生高頻沖擊。鉆具仍由鉆機帶動(dòng)回轉，使鉆頭在沖擊和回轉的共同作用下破碎巖石，取心鉆頭11在孔底形成環(huán)狀破碎。沖擊器工作壓氣由鉆頭底噴排氣孔噴出，吹洗孔底巖屑和冷卻鉆頭，再由鉆頭唇部導流作用將氣流引入鉆頭中心，然后通過(guò)雙壁鉆桿中心通道，攜帶巖心（樣），輸送到氣水龍頭2的中心孔。經(jīng)鵝頸管3，排樣管1排出，進(jìn)入巖心（樣）收集器。

 

  這種鉆進(jìn)方法的特點(diǎn)主要是利用潛孔錘碎巖，效率高；反循環(huán)系統沖洗介質(zhì)上返流速高，攜帶巖心（樣）能力強；使用雙壁鉆桿既輸送壓縮空氣又有護壁作用。也就是有效的把破巖鉆進(jìn)和提起巖心（樣）這兩項原來(lái)分隔的工作，形成了連續作業(yè)系統，成為邊鉆井、邊洗井、邊取心（樣）三者同時(shí)進(jìn)行的鉆探方法。

 

  3 水文水井沖擊回轉反循環(huán)鉆進(jìn)

 

  技術(shù)應用實(shí)例

 

  3.1 概況

 

  GQ-200/62型貫通式潛孔錘在河南省地礦 廳水文一隊進(jìn)行試驗。試驗分二個(gè)階段：反循環(huán)形成研究階段和生產(chǎn)性試驗階段。在6-8級灰巖、白云質(zhì)灰燧石灰巖、致密灰巖，采用FT-200、250型反循環(huán)鉆頭及SHB-127/87雙壁鉆桿實(shí)行反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)374m。呈短圓餅狀，長(cháng)度20-35mm；取樣率100%。與潛孔錘正循環(huán)相比，平均機械鉆速提高64%；臺月效率提高3.8倍；每米成本降低30%-40%。其中一個(gè)鉆頭在一個(gè)鉆孔中反循環(huán)連續取心104.5米，平均時(shí)效4.05m/h，最高時(shí)效9.6m/h，水下鉆進(jìn)45m時(shí)鉆頭磨損較輕微。

 

  目前氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)主要是不取心鉆進(jìn)，采用單壁鉆桿正循環(huán)排屑。河南水文一隊使用氣動(dòng)潛孔錘鉆鑿基巖水井，取得較為成功的經(jīng)驗。但豫北地區基巖水井一般要求深度及其孔徑較大，其鉆進(jìn)施工方法是：用JG-150潛孔錘一徑到底，再用J-250型沖擊器擴孔，即“小徑打，大徑擴”。這種施工方法不僅麻煩，成井時(shí)間長(cháng)，擴孔時(shí)耗風(fēng)量大，排巖屑及其困難，有時(shí)需采用專(zhuān)門(mén)排屑措施，因而出現潛孔錘鉆進(jìn)機械鉆速雖高，而臺月效率卻提高的不多。此外，在卵礫石地層或復雜的破碎、漏失地層，空氣潛孔錘仍難以鉆進(jìn)，表現出孔壁坍塌，孔口不返風(fēng)，不排屑，極易導致埋鉆、卡鉆等事故的發(fā)生。采用貫通式式潛孔錘實(shí)施反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，可從根本上解決這些難題。

 

  ３．２配套設備及器具

 

  鉆機：SPC-300H型黃河鉆一臺；空壓機：W-10/60型一臺或LGYII-10/7二臺；雙壁鉆桿：SHB-127/87或SHB-114/70；貯氣罐：0.2-1.0m3一臺；沖擊器：GQ-200型二套；鉆頭：直徑Φ200、Φ250mm各2個(gè)。  試驗分別采用高、低壓兩種壓風(fēng)機單獨進(jìn)行，即淺孔或干孔段用低壓空壓機；深孔或水下鉆進(jìn)用W－10/60空壓機，試驗場(chǎng)地的設備分布、管線(xiàn)連接等見(jiàn)圖2。

 

  ３．３鉆進(jìn)技術(shù)參數選擇在空壓機、沖擊器和鉆頭性能及質(zhì)量保證的前提下，要想提高反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)效果，還應做到合理操作，選用合適的鉆進(jìn)技術(shù)參數。

 

  （1）風(fēng)量和風(fēng)壓  供風(fēng)量除滿(mǎn)足GQ-200型貫通式氣動(dòng)潛孔錘的工作參數外，還應符合反循環(huán)中心通道空氣上返速度攜帶巖心（樣）的要求。一般取樣鉆進(jìn)，供風(fēng)量6-8m3/min即可；而取心鉆進(jìn)可適當地增大供風(fēng)量（8-10m3/min），這樣中心通道上返風(fēng)速可達20-40m/s。風(fēng)壓隨鉆孔深度，孔內水柱高度的變化而變化，一般為0.45-2.20MPa。

 

  （2）鉆壓  選用8-12KN。

 

  （3）轉速  最優(yōu)轉速為20-25r/min。還應說(shuō)明一點(diǎn)，實(shí)施貫通式潛孔錘反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)工藝，偶然也產(chǎn)生短暫的巖心卡堵現象，表現在排屑管突然停止排屑。分析其原因，一是此種工藝方法的巖心與巖屑上返速度不一致；二是使用的雙壁鉆具結構不合理，內管接頭插接方向倒置。壓氣沿其內外管間隙送入，遇內管母接頭端面阻擋，局部渦流及增加壓力降，巖心（樣）反循環(huán)時(shí)，又遇內管公接頭端面阻擋，端面處產(chǎn)生渦狀環(huán)流，使局部流體參量改變，巖心（樣）易于堵塞，產(chǎn)生卡堵。 一般情況下，隔幾秒或幾十秒后，排屑管突然大量排屑，表明由于沖擊器高頻沖擊震動(dòng)自動(dòng)解卡。應立即停止進(jìn)尺，即停止鉆具回轉，只沖擊，不再產(chǎn)生新的巖心（樣），依靠沖擊器原位震動(dòng)，都能順利解除卡堵。

 

  ３．４ 試驗效果

 

  貫通式潛孔錘與雙壁鉆桿實(shí)行反循環(huán)連續取心（樣）鉆進(jìn)，主要是利用潛孔錘破巖效率高；反循環(huán)系統洗井介質(zhì)上返流速高，攜帶能力強，可及時(shí)排除巖屑或巖心；用雙壁鉆桿輸送壓縮空氣和護壁，能有效地使碎巖鉆進(jìn)、提取巖心（樣）和洗井護壁三者形成同時(shí)作業(yè)的鉆探系統，這種鉆進(jìn)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

 

  ３．４．１水文地質(zhì)鉆探中的優(yōu)點(diǎn)

 

  （1） 能量大限度地減少提鉆取心（樣）作業(yè)時(shí)間，大幅度提高純鉆進(jìn)時(shí)間；

 

  （2） 地質(zhì)效果好，不公能有效地提高巖礦層的采取率，而且無(wú)污染、無(wú)分選、取心（樣） 及時(shí)，代表性好、品質(zhì)高；

 

  （3） 有利于解決破碎和不穩定地層的孔壁坍塌、漏氣、孔口不排屑等給鉆進(jìn)工作帶來(lái)的難題。

 

  ３．４．２ 大口徑水井鉆中的優(yōu)點(diǎn)

 

  （1） 潛孔錘及雙壁鉆桿的中空斷面作為反循環(huán)通道，因斷面積小且直徑不變，在有限空 壓機供風(fēng)量條件下，可增大上返風(fēng)速，提高排渣能力，避免孔底重復破碎，從而提高鉆進(jìn)效率及增大孔深和孔徑；同時(shí)也不用經(jīng)常提拉鉆具吹孔，保持了鉆進(jìn)的連續性；

 

  （2） 連續取心（樣）鉆進(jìn)，排屑效果不受鉆孔口徑限制，因而可以一徑成井，可改變過(guò) 去小徑打、大徑擴的施工方法，從而簡(jiǎn)化了工序，提高了效率，縮短了工期；

 

  （3） 貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)，反循環(huán)排屑管可放在隨意位置，避免了干孔段粉塵揚及 水下鉆進(jìn)井噴的污染，改善了孔口工人的工作條件；

 

  （4） 水下鉆進(jìn)可實(shí)現沖擊器碎巖、泥漿護壁、氣舉反循環(huán)排屑（不受深沒(méi)比限制）綜合 效能，為解決目前我國卵礫石地層鉆進(jìn)難的問(wèn)題，提供了科學(xué)的工藝方法；

 

  （5） 反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程，又是抽水洗井過(guò)程，避免巖粉堵塞含水層通道，提高了成井質(zhì)量 和單井出水量。