風(fēng)動潛孔錘技術(shù)在軟濕地層鉆井中的運(yùn)用——以云南紅河地區(qū)打井為例

余榮華，張 陵，焦向陽

(1．湖北省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北荊州 434020;2．湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北武漢 430051)

風(fēng)動潛孔錘技術(shù)鉆井施工具有鉆進(jìn)速度快、質(zhì)量好、成本低和突擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，但在中國地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)部緊急啟動的“西南嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查”項(xiàng)目施工初期，由于地層破碎、裂隙、溶洞發(fā)育和地下水即軟濕地質(zhì)因素影響，致使其施工鉆孔偏斜、埋鉆、卡鉆、遇水后排渣困難等時(shí)常發(fā)生，風(fēng)動潛孔錘技術(shù)自身特點(diǎn)不能很好發(fā)揮。經(jīng)過系統(tǒng)分析鉆井施工過程中出現(xiàn)的問題，筆者查找原因、改進(jìn)鉆進(jìn)工藝，成功地解決了在軟濕地層中鉆進(jìn)問題，并在云南抗旱打井找水施工過程中實(shí)踐獲得了較好的效果，對今后在同類地層鉆井施工中具有重要的指導(dǎo)意義。

1 概述

施工區(qū)紅河州地段位于滇南哈尼族彝族自治州。紅河區(qū)塊在南盤江、紅河、藤條江、李仙江的強(qiáng)烈切割下，形成極為雄偉壯觀的山川，高差懸殊大，立體氣候明顯。氣候類型豐富多樣，主要屬北熱帶、北亞熱帶和高原氣候。紅河區(qū)地勢西北高，東南低。施工區(qū)內(nèi)老—新震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系、第四系均有分布［1］。

紅河州實(shí)物總工作量1 620 m，成井9口，單井設(shè)計(jì)深度180 m。井點(diǎn)分布在石屏、建水和瀘西三縣境內(nèi)。施工工期60 d。鉆井施工采用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)工藝，風(fēng)動沖擊器采用湖北宜昌五環(huán)鉆具有限公司生產(chǎn)的高風(fēng)壓潛孔沖擊器，高風(fēng)壓潛孔鉆頭根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)在該廠家定制。重慶探礦廠生產(chǎn)的XY-2B巖心鉆機(jī)兩臺套，鉆塔為自制鐵塔，天車安全載荷12 t，英格索蘭高風(fēng)壓空壓機(jī)兩臺。

2 鉆井技術(shù)

2．1 設(shè)備選型

目前，中國能滿足使用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)的鉆機(jī)型號較多。施工單位可以根據(jù)自身的實(shí)力選配不同型號的施工設(shè)備，鉆機(jī)和鉆塔選擇可根據(jù)不同的井深和井徑，能滿足回轉(zhuǎn)和提升鉆具即可。相比較空壓機(jī)的選擇尤為重要，這是保證鉆井工作能否順利完成的關(guān)鍵。本次施工設(shè)備選型見表1。

表1 風(fēng)動潛孔錘鉆井設(shè)備選型表Table 1 Selecting type of drilling equipment of pneumatic down-the-hole hammer

2．2 鉆具選配

風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)必須采用合理的鉆具級配，特別是復(fù)雜地層，如易坍塌、掉塊、軟濕夾層、巖溶裂隙發(fā)育地帶，容易發(fā)生埋鉆、卡鉆事故。因此鉆井施工過程中，應(yīng)考慮多級井管護(hù)壁。所以，選擇合理的鉆具級配尤其重要(表2)。

表2 風(fēng)動潛孔錘鉆井鉆具和井管級配對照表Table 2 Comparison table of gradation of pneumatic down-the-hole hammer and well pipe

2．3 鉆孔結(jié)構(gòu)

云南紅河州地層復(fù)雜，第四系覆蓋層較厚，基巖上部風(fēng)化嚴(yán)重，含水層多為溶洞裂隙水，采用合理的井孔結(jié)構(gòu)是成井施工成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般情況下井孔結(jié)構(gòu)為:0～40 m深度 Φ273、40～80 m 深度 Φ219、80～120 m深度Φ178、120 m深度以下Φ146。

3 鉆井中常見問題與分析

3．1 鉆孔偏斜

鉆孔偏斜是鉆探工作中常見的問題。在完整基巖采用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)，由于它的鉆進(jìn)機(jī)理不同于普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)主要靠沖擊破碎巖石，需要的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較低，壓力需求不是很大，壓力能克服風(fēng)動沖擊器工作時(shí)的反彈力即可。該機(jī)很好地避免了普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)需要較高轉(zhuǎn)速和壓力，因而產(chǎn)生鉆孔偏斜問題。

但在實(shí)際施工過程中，地表覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)多為第四系殘坡積層，且多夾塊石、滾石，在平面上構(gòu)成了相對“軟”、“硬”不均地段;含水層部位鉆進(jìn)時(shí)，由于裂隙、構(gòu)造發(fā)育以及地下水的富集構(gòu)成了相對“軟”、“濕”地段，鉆進(jìn)施工過程中極易產(chǎn)生孔斜。在施工建水縣干塘村GT53252403號鉆孔時(shí)，因?qū)Φ貙硬涣私?，在成井時(shí)發(fā)生鉆孔偏斜，導(dǎo)致 Φ219 mm井壁管和Φ168 mm井管下置困難，后雖采用多種方法得到解決，但延誤時(shí)間長達(dá)7 d。經(jīng)查明鉆孔偏斜原因?yàn)?

(1)第四系覆蓋層中粘土夾雜大塊石，地層軟硬不均。鉆進(jìn)時(shí)鉆具向軟處偏移，同時(shí)夾雜的塊石沒有破碎，仍然凸鼓在孔壁上，影響下置井管和井壁管。

(2)潛孔沖擊器、沖擊錘頭和鉆桿之間級配大，鉆孔和鉆桿之間的環(huán)狀間隙過大，在遇到上述地層沒有導(dǎo)向性，極易造成鉆孔偏斜。

(3)鉆進(jìn)速度過快、壓力過大，夾雜在粘土中的塊石沒有完全破碎，孔壁凸出塊石將潛孔沖擊鉆頭擠偏，導(dǎo)致鉆孔偏斜［2］。

3．2 復(fù)雜地層埋、卡鉆

風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)，較普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)更易發(fā)生埋鉆、卡鉆事故。普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)采用泥漿和清水作為沖洗循環(huán)介質(zhì)，鉆孔孔壁在泥漿和清水液柱壓力下可以保持一定的穩(wěn)定。風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，沖擊破碎的巖粉顆粒較粗，需要較高風(fēng)壓、風(fēng)量和風(fēng)速排渣，因而容易破壞鉆孔孔壁的穩(wěn)定。特別是在遇到易破碎、巖溶裂隙發(fā)育并含有泥沙充填的復(fù)雜地層，更容易發(fā)生埋、卡鉆事故。

在施工石屏縣異龍鎮(zhèn)萬家營村GT53252525號井時(shí)，即遇到了類似問題。該井設(shè)計(jì)井深180 m，上部地層為白云灰?guī)r，含水層為斷裂構(gòu)造帶裂隙水。實(shí)際鉆進(jìn)過程中，因地層變化較大，白云灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層較厚，有少量滲水，排出的巖粉呈粗砂和粉末狀，并有一定的濕度?？變?nèi)持續(xù)排出的巖粉量為鉆孔體積理論值3～4倍。鉆孔孔壁破碎、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，在風(fēng)力和孔壁滲水的雙重作用下造成了孔壁坍塌，多次發(fā)生埋鉆事故。雖然采用多級套管護(hù)壁仍然無法滿足要求，施工進(jìn)度緩慢。后改用普通回轉(zhuǎn)取心泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)方法才將該井施工完畢，共耗時(shí)45 d。

3．3 遇水后排渣困難

采用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)鉆井時(shí)，含水層部位由于裂隙、構(gòu)造發(fā)育以及地下水的富集構(gòu)成了相對“軟”、“濕”地段，在由孔底向上高速排渣出孔口的過程中，由于巖粉與水、“氣”的相互粘結(jié)作用易形成“巖粉顆粒”，當(dāng)顆粒的重量超出孔內(nèi)上返氣流的攜渣能力時(shí)，這些“巖粉顆?！睍腋≡诳字行纬伞皯腋r粉顆?！辈灰着懦隹卓凇＜犹徙@桿時(shí)空壓機(jī)停止送風(fēng)，懸浮的粗顆粒會回落孔底，造成埋、卡鉆事故。

鉆進(jìn)至含水較弱地層不但會出現(xiàn)上述同樣問題，還會因送入孔底的干空氣和沖擊破碎的巖粉以及地層中的水分混合后，經(jīng)鉆桿和孔壁的環(huán)狀間隙上返排渣，易貼附在孔壁和鉆桿接頭處形成泥環(huán)、泥塞，堵塞氣流上返排渣通道，引起泥環(huán)、泥塞的卡、埋鉆事故?，F(xiàn)象嚴(yán)重的可直接導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，給施工單位造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

在石屏縣異龍鄉(xiāng)蒼家寨GT53252526號井施工過程中，該井設(shè)計(jì)井深180 m，在鉆進(jìn)至井深48 m遇到較弱含水層，孔口出水口量3～4 m3/h。因當(dāng)班工人使用技術(shù)措施不當(dāng)，頂水鉆進(jìn)至126 m時(shí)，發(fā)生了泥環(huán)、泥塞卡、埋鉆事故。后因該井出水量已達(dá)到10 m3/h的要求，申請?zhí)崆敖K孔。

4 常見問題處理方法

4．1 孔斜解決方法

鉆孔偏斜問題不論是巖心鉆探還是水井施工，都是需要防范和解決的問題。主要有以下解決方案:

(1)在較完整基巖地層鉆進(jìn)時(shí)，沖擊器和鉆桿之間加裝扶正器。扶正器采用厚壁地質(zhì)管兩頭焊接在鉆桿上，兩頭不封死利于排風(fēng)排渣。加工時(shí)要嚴(yán)格控制鋼管和鉆桿的同心度。扶正器直徑一般要小于沖擊鉆頭直徑。巖石硬度低于Ⅳ級時(shí)(包括Ⅳ級)，扶正器直徑應(yīng)小于鉆頭直徑1～5 cm，長度不低于3 m。巖石硬度大于Ⅴ級時(shí)，扶正器直徑應(yīng)小于鉆頭直徑3～5 cm，長度1．5～3 m。扶正器鋼管上鉆眼鑲焊大八角硬質(zhì)合金，防止扶正器過度磨損，同時(shí)起到光滑孔壁的作用。此方法在相對完整地層導(dǎo)正防斜效果突出，但在復(fù)雜地層效果不明顯。

(2)在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)(如第四系堆積層)時(shí)，粘土中夾雜很多的大塊石，如果采用常規(guī)風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)，不但效率低而且鉆孔極易偏斜。因此，在此類地層中鉆進(jìn)采用偏心跟管潛孔錘鉆進(jìn)，可以從根本上解決井孔偏斜和鉆進(jìn)效率低等問題。此種鉆進(jìn)方法，在建水縣臨安鎮(zhèn)小西湖村GT53252406號井和以后的鉆井過程中得到了很好地驗(yàn)證。GT53252406號井地表覆蓋層為紅粘土夾塊石，下部為灰?guī)r裂隙發(fā)育，且裂隙中充填物為粘土和碎石。該井采用Φ219 mm偏心跟管潛孔錘鉆具開孔鉆進(jìn)到35 m后，改用Φ168 mm偏心跟管潛孔錘鉆具鉆進(jìn)至相對完整穩(wěn)定的基巖，再改用常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)直至終孔。該井設(shè)計(jì)井深180 m，完工用時(shí)4 d，出水量40 m3/h。充分顯示了偏心跟管潛孔錘鉆進(jìn)方法在此類地層中的鉆進(jìn)效率。

(3)在成井鉆進(jìn)過程中，無論采取何種鉆進(jìn)方式，轉(zhuǎn)速、鉆壓的控制同樣非常重要。潛孔錘鉆進(jìn)所需轉(zhuǎn)速不需太高，一般控制在70～126轉(zhuǎn)/min，鉆壓滿足潛孔沖擊器正常工作不反彈為宜。

4．2 復(fù)雜地層埋、卡鉆預(yù)防

復(fù)雜地層鉆進(jìn)，如何有效地防止埋、卡鉆事故發(fā)生尤其重要。特別是使用潛孔錘鉆進(jìn)過程中，高壓空氣對孔壁的影響極易造成埋鉆、卡鉆事故，石屏縣異龍鎮(zhèn)萬家營村GT53252525號井即為典型案例。在后續(xù)的成井過程中，同樣采用了多級偏心跟管潛孔錘鉆進(jìn)方法，很好地解決了因孔壁坍塌造成埋鉆事故的問題。石屏縣寶秀鎮(zhèn)政府GT53252530號井地層與石屏縣異龍鎮(zhèn)萬家營村GT53252525號井的地層類似，上部為強(qiáng)風(fēng)化地層，厚度57 m。采用Φ219 mm和Φ168 mm兩級偏心跟管潛孔錘鉆具鉆進(jìn)至相對完整穩(wěn)定的基巖后，改常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)直至終孔。該井設(shè)計(jì)井深180 m，完工用時(shí)3 d，出水量10 m3/h。

多級偏心跟管潛孔錘鉆進(jìn)方法的使用，不但解決了復(fù)雜地層鉆進(jìn)易發(fā)事故的問題，而且大大提高了成井效率。在使用過程中如何發(fā)揮多級偏心跟管潛孔錘鉆進(jìn)方法的功效，合理選擇鉆具級配同樣非常重要。

4．3 遇水后排渣困難施工措施

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，往往還沒有鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深時(shí)，井孔就已經(jīng)開始出水。當(dāng)出水量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，還需繼續(xù)鉆進(jìn)。此時(shí)，常因干空氣和沖擊破碎巖粉遇水混合后，易形成泥環(huán)、泥塞，孔內(nèi)排渣困難，造成埋鉆事故。在瀘西縣中樞鎮(zhèn)阿平村施工GT53252756號井時(shí)，井孔鉆進(jìn)到17 m時(shí)孔內(nèi)開始出水。當(dāng)孔深鉆進(jìn)至45 m時(shí)，出現(xiàn)孔口出風(fēng)不暢提動鉆具困難的現(xiàn)象。隨后將鉆具提出孔口，此時(shí)鉆桿上及鉆桿接頭上已經(jīng)粘附呈初凝的混凝土狀的物體，泥環(huán)、泥塞已開始形成。

為避免石屏縣異龍鄉(xiāng)蒼家寨GT53252526號井的事故發(fā)生，及時(shí)采取了相應(yīng)措施。在井孔內(nèi)排渣困難時(shí)向鉆桿內(nèi)加入一定量的泡沫劑開氣沖孔排除孔底沉渣。因現(xiàn)場沒有專用的泡沫泵，不能連續(xù)向孔底輸送泡沫劑，只有采取簡易的泡沫劑添加方式。即每打完一根鉆桿后將鉆具提離孔底，卸開主動鉆桿，向鉆桿內(nèi)加入一定量的泡沫劑(一般一次0．1～0．3 kg)，再將鉆具放到孔底開氣沖孔排凈孔底沉渣;孔底巖粉沉渣主要是在鉆進(jìn)過程中形成，每加一根鉆桿鉆進(jìn)前也要加入一定量的泡沫劑，每次加入量根據(jù)鉆進(jìn)回次深度確定，一般為0．2～0．5 kg，保證在鉆進(jìn)過程中也能順暢排除孔底沉渣。如果孔內(nèi)沉渣太多時(shí)可往復(fù)數(shù)次直至孔底沉渣排凈。

這種簡單的泡沫劑添加方式，在沒有專門的設(shè)備情況下，安全易行，排渣效果明顯?？變?nèi)排出的巖粉顆粒最大直徑3．5 cm，很好地解決了潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)遇水后易產(chǎn)生泥環(huán)、泥塞問題。該孔采用此方法鉆進(jìn)至183 m終孔，完工用時(shí)5 d。

5 結(jié)語

風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)對應(yīng)巨厚，多夾塊石、滾石的殘坡積覆蓋層而形成相對“軟”、“硬”不均地段以及裂隙、構(gòu)造發(fā)育和地下水富集形成的相對“軟”、“濕”含水層地段，往往易產(chǎn)生孔斜和埋鉆、卡鉆事故致使鉆孔報(bào)廢，但只要認(rèn)真分析問題原因，根據(jù)實(shí)際情況，采取在沖擊器和鉆桿之間加裝扶正器、簡單添加泡沫劑及采用多級偏心跟管潛孔錘等鉆進(jìn)方法，可較好地解決因孔壁坍塌造成孔斜、埋鉆、卡鉆等常見事故。當(dāng)然合理選擇鉆具級配、不同跟管鉆具級配組合、控制好鉆進(jìn)中的轉(zhuǎn)速、鉆壓同樣也非常重要。

［1］ 張陵，武松，李軍，等．西南嚴(yán)重缺水地區(qū)地下水勘查報(bào)告［R］．武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2013．

［2］ 張陵，趙德君，王芳，等．云南抗旱找水打井模式探討［J］．資源環(huán)境與工程，2014，28(6):908-910．