空壓機在快速找水打井中的應用

陳鑫發(fā)，牛建設，王珍，張秋冬，張慶偉

（河南省地質礦產勘查開發(fā)局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州450053）

1 引言

2010年3月及2011年2月連續(xù)兩年，我隊在云南省楚雄市抗旱找水打井及在豫西山區(qū)抗旱找水打井項目中，根據(jù)云南省楚雄市南華、姚安、雙柏地層以及豫西西部山區(qū)、基巖地區(qū)缺水的特點，利用現(xiàn)有便利的水井施工設備，根據(jù)其成井孔深不同，云南省楚雄市多為40～70m深的生活用水井，在云南省楚雄市南華、姚安、雙柏配備一臺VHP－300E型中風壓空氣壓縮機；而在豫西西部山區(qū)，因成井孔深多為300～400m，果斷的購置配備一套英格索蘭大型高風壓空氣壓縮機（XHP－1070WCAT型（進口）螺桿式空壓機），合理采用空氣潛孔錘鉆進技術，在云南省楚雄、豫西地區(qū)基巖中找水打井取得了較好的社會效益、經濟效益、鉆井技術工藝方面取得很大的突破。

使用螺桿式空壓機、在云南省楚雄空氣潛孔錘鉆進完成找水打井22眼，進尺1428．06m，單孔涌水量達到36～120m3／日（因在云南楚雄成井管材采用PVC給水塑料管、管徑為110mm）。而在豫西地區(qū)因應用的是大型高風壓空氣壓縮機及空氣潛孔錘鉆進，完成找水打井4眼，進尺1362．08m，單孔涌水量達到240～960m3／日，從兩年的抗旱快速找水打井施工項目實踐看，大大提高鉆速，效率是正常循環(huán)鉆進近百倍，如楚雄市南華縣紅土門村50m深的水井用時不到5小時成井出水，出水量為80m3／日，完全滿足全村近800人的生活用水。在滎陽市崔廟鎮(zhèn)鄭崗村（井位編號：HNGT59）井深356．01m純鉆進72小時終孔成井出水，最高機械鉆進15．80m／h，平均機械鉆速4．95m，最高臺班效率41．50m／臺班的好成績，在同樣的找水打井施工中具有施工成井周期短，生產用水少，材料消耗少，攤銷費用低的優(yōu)點。相對于其它水井鉆探施工工藝和方法具有明顯的優(yōu)勢，地下出水量大小（有沒有水）比較直觀地的反映出來。因此，我們較快、圓滿地解決了當?shù)厝罕姵运y的實際問題。

2 地層特點、概況

云南楚雄市南華、姚安、雙柏地層特點多為風化的紅泥巖在層地質條件不穩(wěn)定，易垮塌，上部0～20m左右地方，易縮徑、井壁坍塌等，采用開孔Ф245mm牙輪鉆頭，鉆至較穩(wěn)定地層，下入Ф219mm保護管護壁，20m以下的主要為泥巖、砂巖，地層比較穩(wěn)定，保護管護壁下入深度一般在20米左右。然后采用空氣潛孔錘鉆進。

豫西山區(qū)覆蓋層極為復雜，多為堆積物地層，卵、礫、漂石、砂礫碎石層，基巖裂隙，基巖構造破碎帶等多層。一般覆蓋層厚度為9～28m，基巖地層多為片巖，片麻巖，片麻狀花崗巖，巖石級別為5～8級，鉆孔主要布置在斷裂破碎帶和風化殼裂隙層中，靜止水位在90～198m之間。動水位在140～238m之間。

3 設備選型、配備

連續(xù)兩年在不同地區(qū)，根據(jù)地層不同的特點，我們選擇了不同設備快速找水打井。

（1）云南楚雄市地區(qū)選用DPP－4E型車裝巖心鉆機2臺（豫西山區(qū)選用SPC－600型紅星水文水井鉆機1臺）。

（2）云南楚雄市地區(qū)選用VHP－300E型中風壓空氣壓縮機1臺（豫西山區(qū)選用XHP－1070WCAT型高風壓空氣縮壓機（螺桿式空壓機）1臺）。

（3）云南楚雄市地區(qū)選用W－150型氣動潛孔錘2套、配備Ф165mm潛孔錘鉆頭 （豫西山區(qū)選用DHD360型氣動潛孔錘2套，配備Ф165mm、Ф203mm潛孔錘鉆頭，CF－8型氣動潛孔錘2套、配備Ф235mm、Ф250mm潛孔錘鉆頭）。

（4）云南楚雄市地區(qū)選用Ф50mm鉆桿（豫西山區(qū)選用Ф89mm鉆桿）。

（5）云南楚雄市地區(qū)選用100W－75／5型井用潛水電泵1套（豫西山區(qū)選用150QJ5－300／42（專用）井用潛水電泵1套）。

4 施工工藝方法

4．1 鉆孔結構

兩地區(qū)均采用了開孔口徑Ф245mm牙輪鉆頭，地表覆蓋層用牙輪鉆開孔，覆蓋層部位護壁用Ф219 mm套管。云南楚雄市地區(qū)終孔口徑Ф165mm，孔深40～70m，而豫西山區(qū)基巖部位開孔Ф203mm，終孔口徑Ф165mm，孔深295～365m。

4．2 成井工藝

采用Ф245mm牙輪鉆頭正常施工鉆進，鉆穿覆蓋層，下入Ф219mm套管護壁，使之居中落在基巖中300～500mm，套管外用粘土圍填封死，以防漏氣。云南楚雄市地區(qū)利用 W－150型氣動潛孔錘，Ф165mm潛孔鉆頭鉆至終孔。豫西山區(qū)利用DHD360型氣動潛孔錘，Ф203mm潛孔鉆頭鉆至200m，再換成Ф165mm潛孔錘鉆頭鉆至終孔。鉆具組合為（自上而下）110×110×7500主動鉆桿＋Ф89mm鉆桿＋變絲接手＋DHD360型氣動潛孔錘＋Ф203mm（或Ф165mm）潛孔錘鉆頭。

同時均選用空壓機優(yōu)先洗井待水清后，再用深井潛水電泵洗井、抽水，抽水試驗三個落程，分別穩(wěn)定4、8、8小時。取水樣進行全分析化驗。

5 鉆進技術參數(shù)

5．1 鉆壓

它主要與鉆頭的直徑、巖石的性質有關，一般每厘米的鉆頭直徑施加1k N左右即可，鉆壓一般取12～19k N，當鉆桿重量達不到推薦壓力時，使用鉆鋌加壓來提高鉆進壓力。

5．2 轉速

主要根據(jù)巖石性質、鉆頭直徑、沖擊器的沖擊功率、沖擊頻率來確定。一般直徑在165～200mm左右的鉆孔，中硬地層20～50r／min、硬巖層15～30r／min、硬巖層32～60r／min．

5．3 風量

它主要與鉆桿和孔壁之間的環(huán)狀間隙有關。為了充分發(fā)揮空氣壓縮機的功效，應盡量縮小鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙。在滿足100W－75／5型、或者150QJ5－300／42井用潛水電泵的情況下，另外加大鉆桿外徑也是減小環(huán)狀間隙的有效途徑。我們在不同地區(qū)所選用的VHP－300E型中風壓空氣壓縮機，最大排氣量可達到8．5m3／min，額定壓力13．8 MPa。

所選用的XHP－1070WCAT螺桿式空壓機高風壓空壓機，最大排氣量可達到30．3m3／min，額定壓力24．1 MPa，1～3mm來不及破碎的粒石，因所采用高（中）風壓壓風機在強大的風壓下立馬會吹出地表面，鉆進順利，效果明顯。能滿足技術上的要求。

5．4 風壓

在潛孔錘鉆進過程中，空壓機的壓力是整個壓縮空氣流動通道中各種壓力損失總和，干孔段潛孔錘鉆進時，供氣壓力是潛孔錘工作壓力與管道壓力損失之和，孔內有水時，它主要由孔內的深度，孔內的水位埋深，出水量決定。根據(jù)所用空壓機和鉆孔結構計算。一般在有水的情況下，供氣壓力為孔深的1．4倍（100 m 孔深為1 MPa），350 m 左右的鉆孔供氣壓力約為5 MPa。我們配用VHP－300E型中風壓空氣壓縮機和XHP－1070WCAT高風壓空壓機，最大風壓可達到13．8～24．1MPa，完全能達到施工的需要。

總之，氣動潛孔錘鉆進要求高風壓、大風量、低轉速、小鉆壓力。我們這樣科學的配套，全部達到施工工藝的要求。

6 操作要點

①使用螺桿式空壓機保證管路清潔、暢通、密封，防止管路或鉆桿內的巖屑等雜物落入沖擊器內，加速沖擊器磨損或卡死活塞。有時會打不開空壓機，鉆具絲扣聯(lián)接處須涂絲扣油，防止管路漏風跑風。因空壓機風風壓高、風量大會因鉆具絲扣聯(lián)接處不緊刺壞鉆具絲扣，鉆進效果不明顯。

②沖擊器要定期拆開檢查、清洗。裝配時，要確保各結合部位的間隙的調整。正常鉆進時，每班至少通過鉆桿向沖擊器內注入一次機油，每次注入量約為0．3～0．6kg，使沖擊器內潤滑充分，延長沖擊器使用時間，減少提鉆頻次。

③保持孔底清潔，如孔底落入金屬等物時，嚴禁將沖擊器下入孔內。

④沖擊器即將下至孔底時，應先送風，邊送風邊將沖擊器下至孔底；停鉆時不得先停風，需先將鉆具稍微提離孔底，將孔底殘余巖屑全部排出孔口，待主動鉆桿提出孔口后，才能停止送風。防止因突然停風，造成孔內巖屑下降而發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

⑤鉆進時，需隨時注意孔內情況及風壓變化，如發(fā)現(xiàn)風壓突然增大或沖擊器在孔內工作不正常時要立即處理。處理無效則需及時提鉆檢查。

⑥正常鉆進過程中需采取少鉆勤提間歇沖孔的辦法，即每鉆進30～500mm后，將鉆頭提離孔底，強力吹孔一次。這樣可以防止憋風和巖粉堵塞，保證施工鉆進安全。

7 實鉆應用效果

7．1 斷裂破碎帶地層中實鉆效果

如：在滎陽市崔廟鎮(zhèn)鄭莊村（井位編號：HNGT302）布置在大斷裂破碎帶地層上，主要巖層為破碎片巖、片麻破碎，可鉆性級別為5～6級。于2011年4月18日開鉆，鉆穿覆蓋層，下入26m，Ф219mm套管護壁后，開鉆后進尺很快，317．60m之前的進尺只用了102小時，而且排巖正常，孔內干凈，但是鉆至孔深317．60m后，在空氣潛孔錘鉆進時遇到基巖裂隙，基巖構造破碎帶，由于地層嚴重破碎，巖屑、坍塌物不能順利排出孔外，造成孔內開始坍塌，空壓機氣體從下面的裂隙中跑了，跑風漏氣，無法正常進行鉆進，此時，需要采用正常護壁方法對孔壁進行固結堵漏，采取了打撈筒進行打撈，打撈出了大量坍塌物，但是孔內繼續(xù)坍塌，沉淀物達十米多。又采取了向孔內注水，下出水管和風管并列式空壓機沖孔的方法，吹出的坍塌物達1立方米之多，吹出的最大巖塊粒徑達30mm。拔出管子后，孔內沉淀還是6米多，潛孔錘鉆進初試受阻 ，后又經過回填充紅膠土、水泥、注水、被迫改用泥漿護壁、合金鋼?；旌香@進方法鉆進等方法、2011年5月20日被迫終孔，終孔孔深365m。這孔的施工由于地層復雜，加之在摸索中經驗不足，效率很低，是其它3口水井施工、成井的時間2～3倍，費用也高了不少。在這中情況下，再全部依靠空壓機鉆進使用效果不好，進尺不太快。

從實鉆來看，潛孔錘鉆進無護壁功能，而且對孔壁具有一定的破壞作用，所以我們認為使用螺桿式空壓機、應用潛孔錘鉆進不適應在極破碎的地層中鉆進。

7．2 較完整地層中實鉆效果

巖層為片麻巖、片麻狀花崗巖，可鉆性級別為7～8級。在這里布置的鉆孔有 HNGT47、HNGT59、HNGT81、HNGT302、四個鉆孔。這四個鉆孔于2011年2月23日開鉆，5月30日結束，實際施工26天，進尺1362．08m，使用螺桿式空壓機、應用潛孔錘鉆進進行的較順利，鉆進能力最大孔深達到365m，鉆入水下160m，此時空壓機壓力劇增，氣流循環(huán)中斷，潛孔錘停止工作。從實效來看，遇到的問題有：一是潛孔錘鉆進到潮濕弱含水層時，鉆屑形成泥團，難以返上來，此時應勤提動鉆具強風吹孔，從供風道路中送水或泥漿液進行鉆進，使巖屑充分排出。當鉆進到大厚度含水層后，排巖屑就不成問題了，鉆進中孔內的水攜帶巖屑能一起排出孔口。二是在潛孔錘鉆進中，沖擊器發(fā)生堵塞時，會嚴重影響鉆進效率。其主要原因是孔內鉆粉過多，其次是操作不當造成。我們采取的措施是：①保持孔內干凈；②下鉆前檢查清除鉆桿內鉆屑及雜物；③停風一定要緩慢?；卮谓Y束后，將主動鉆桿提出孔口再緩慢停風，以防沖擊器倒吸鉆粉；④停風后待1～2分鐘再卸主動鉆桿，可避免鉆桿內壓力驟降引起沖擊器倒吸鉆粉。三是隨著孔深的增加，孔內涌水量的增大，鉆速將逐漸下降。2010年3月，我們在云南省楚雄市姚安縣紅梅村水井施工時，因使用小風量的空壓機產生了上述狀況，但是我們這次在豫西抗旱找水打井施工中選配的XHP－1070型螺桿式空壓機完全可以解決上述問題。

8 使用螺桿式空壓機、應用潛孔錘鉆進技術的特點

8．1 成井周期短、生產費用低

因這樣選配，其使用此技術及成井工藝優(yōu)勢明顯，在競爭中體現(xiàn)出科技含量的重要性，施工周期短，施工效率高，可以在短時間內完成項目施工任務，更快地帶來效益，解決問題。因施工周期短，施工效率高，人員工資、只有部分柴油消耗，單孔柴油消耗4～5萬元，經濟收益高；比常規(guī)成井快的諸多優(yōu)點。給施工單位及施工人員帶來更多經濟利益，各方面積極性大為提高。

8．2 施工用水少

使用螺桿式空壓機、應用潛孔錘鉆進工藝是采用空氣作為循環(huán)介質，在施工中，除覆蓋層用少部分水外，基巖部分幾呼不用水，特別是嚴重缺水的地方施工，用水要到很遠的地方去拉，嚴重缺水的地區(qū)水比油都貴，在此條件下施工空氣潛孔錘鉆進技術工藝具有很大不可相比優(yōu)勢，僅用水這一項單孔節(jié)約水費15～20萬元，加上其它泥漿材料節(jié)約的費用會更高。

8．3 直觀性強

使用螺桿式空壓機、應用潛孔錘鉆進工藝最大的特點是地下有沒有水，出水量大小能夠比較直觀的反映出來，不象正常施工鉆進哪樣，要進行多次物探測井。在嚴重缺水地區(qū)更顯出其優(yōu)越性。而且潛孔錘鉆進節(jié)省了洗井時間，成井質量也好，縮短施工周期，提高了經濟效益。

9 結論

（1）使用螺桿式空壓機、應用空氣潛孔錘鉆進工藝技術的發(fā)展為豫西嚴重缺水地區(qū)打井找水，它適應于在較為完整的基巖地層中快速、高效的鉆進，效率較高，更顯示出快速找水打井的優(yōu)越性，而在極破碎地層中鉆進需要研究解決護壁問題，才能充分應用好這項技術。

（2）使用螺桿式空壓機、應用空氣潛孔錘鉆進，省去了攪拌泥漿用大水量，維修水泵等輔助時間，提高了純鉆進時間，縮短了施工周期，從而大大降低了成井成本。

（3）依靠科技進步，科學選配、配備施工設備、應用鉆井新技術、新成井工藝，是大力發(fā)展生產力的重要途徑，使用螺桿式空壓機、采用空氣潛孔錘鉆進技術在抗旱找水打井施工項目中的應用是成功的，它使鉆進效率成倍提高，鉆探成本大幅下降，成井質量明顯提高，綜合經濟效率、社會效益顯著。

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