空气潜孔锤在地热勘探中的应用

尹 欧 隆 威

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083;2.湖南省地质调查院，湖南长沙 410000)

潜孔锤钻进是利用空压机提供的压缩空气，带动潜孔锤缸体内的活塞做轴向反复运动，使潜孔锤体端部的刀头在旋转的同时，产生冲击效能，从而对岩土施以粉碎破坏，达到入岩功能［1，2］。

该工艺是施工钻进技术在破岩方法上的改进，是用途广泛而先进的钻探技术［3］。其施工的主要优点包括以下几方面:1)钻进效率高，比普通钻探设备钻进效率提高数倍到数十倍［8］;2)施工适用地层范围广，在碎屑岩、花岗岩等弱含水层或裂隙发育一般的碳酸盐岩类坚硬岩层均适用;3)施工难度小，在施工过程中，岩芯破碎后以粉尘形式排出，不需取芯起钻等费事费力的操作;4)见效快，由于施工进度迅速，钻探找水可当天确定水量;5)成井质量高，由于钻进过程以垂向压力向下施工，压力大，确保井深垂直，避免孔斜造成无法下井口管材。

1 工程概况

湖南省某著名温泉是全国三大著名高温复合泉之一，堪称“华中第一高温复合泉”，水温高达88.0℃ ～91.2℃，含氡、偏硅酸、锂、锶、锌等对人体有益的微量元素和组分，是中南地区珍贵的医疗矿泉水资源地和疗养胜地［4］。鉴于该温泉长期开发，水位逐年下降，同时目前温泉旅游市场火热，温泉开发力度大，热水资源需求量大等特点，为合理开发利用绿色能源，急需采用回灌技术补充地下热水;因此，该温泉管理处决定采用回灌技术对该温泉地下热水资源进行补救，实现区内的地热资源可持续开发利用。针对该矿区的现场施工情况以及地质条件，采用沿断层破碎带就近勘探施工回灌孔，探采地下热水资源。

前期采用常规的千米机型水文地质钻探设备进行施工勘探，但由于口径要求大、施工深部地层破碎，卡钻、掉块等现象致使钻机无法继续施钻，项目工期及质量均无法保证。充分考虑施工难度及进度的条件下，项目部技术论证后，调配潜孔锤钻探设备入场。充分考虑施工现场施工水源缺乏及基于区内已知的地层条件和钻孔技术要求，设计潜孔锤施工成井开口口径400 mm，进入完整基岩段口径为330 mm，断层破碎带段(地下热水含水层)孔径270 mm，通过断层破碎带拟采用口径192 mm，以提高钻进效率和降低成本并保证钻孔一定的垂直度。最后仅施工10 d即完成钻孔，同时利用潜孔锤的动力迅速下井口管材，圆满完成项目施工工程，既节省了工期又得到了甲方的高度赞赏。

2 矿区地质概况

2.1 地层岩性

矿区内出露的地层自上而下有:1)第四系(Q):冲积层分布在乌江及河溪两侧的冲积阶地上。上部为亚砂土、亚粘土或粘土，厚1 m～5 m;下部为砂砾石层，厚0.5 m～5 m，含中等丰富的孔隙水。2)白垩系上统戴家坪组砂砾岩:主要分布于矿区的西南部，面积在40 km2以上，岩石呈紫红色、棕红色，砂砾石成分主要为风化强烈的花岗岩，次为板岩，基底式胶结，胶结物为铁泥质及钙质等。该层受胶结物影响，为隔水层，仅在浅部风化带中含贫乏的风化裂隙水，泉水流量0.05 L/s～0.5 L/s。3)花岗岩矿区北部和东部出露有大片燕山期花岗岩，出露面积近20 km2。依据以往钻孔资料，钻孔揭露第四系、白垩系地层之下全为花岗岩。岩性为正长黑云母斑状花岗岩和斜长黑云母斑状花岗岩。岩体中岩脉发育，有石英脉，伟晶岩脉，细晶岩脉等，以石英脉最为发育。

2.2 构造特征

矿区位于区内构造体系中的复合部位，受应力来源及边界条件的不同，应力转化的影响，区内构造复杂，致使下伏花岗岩体断裂构造发育。区内主控导水构造为NW75°的F2断层，该断层倾向NE，倾角40°～53°，破碎带穿越花岗岩及白垩系砂砾岩。花岗岩中的破碎带，张开裂隙发育，未被充填，成为矿区热水段的导热、导水的主要通道，是储水、储热的主空间，含丰富的热水资源［5］。

据以往矿区勘探及水文地质试验查明，该区地下热水受断裂和上白垩系底板埋深控制，热水赋存在白垩系砂砾岩之下，主次断裂交会带的破碎花岗岩裂隙内。现矿区所见热水的井孔，水量都很丰富，水力联系密切。

3 施工工艺特征

3.1 施工工艺选取

根据项目工程钻孔设计书以及场地工程地质、水文地质条件，本次施工设备选用DZ200型钻机，配ZW-1205W型空压机，其可以在各种软硬地层、碎石层、坚硬岩层等复杂条件下施工钻进成孔，同时施工场地也不受限制，仅需10 m2的场地。在施工过程中由于上部第四系粉质粘土层较松散，特别是表层的耕植土及下部的砂砾石层，易产生缩径塌孔、垮孔等现象，为防止钻孔塌孔产生，上部第四系土层采用跟管钻进工艺，即钻进工程采用外径为390 mm的无缝钢管跟进护壁至10 m，达到稳定基岩，确保后期开发及利用过程中不进行二次施工，同时确保第四系松散岩孔隙水(砂砾层)不渗漏进入孔内。

3.2 设备配备

施工机械设备配备详见表1。

3.3 主要技术参数

工作区内地层较为简单，潜孔锤施工难度不大，钻进技术参数的选择是潜孔锤钻进的一项关键问题，其是否合理直接影响钻进的效率和经济效益［6］。潜孔锤主要钻进技术参数包括风量、风压、钻压和转数等。空压机的操作是施工钻探中的核心部分，操作的重点是风量及风压，而钻探设备操作钻压及转速，依据地层坚硬程度及含水量进行动态操作。

1)风量。岩粉及少量地下裂隙水的排除是钻探过程中的关键，钻杆和孔壁环状间隙之间的最低上返风速是保证钻进效率的关键。有效的上返风速既保证岩石碎屑及时排除，又确保地下水及时的疏干，保证施工能正常进行［8］。本区内的地层主要为泥质粉砂岩、砂砾岩等、底部的中细粒花岗岩，以及含水层段的断层角砾岩，破碎后均属于粉细颗粒，因此，本次根据地层结构、孔径大小等参数，确定风量为钻孔200 m深度内200 m/min～400 m/min;钻孔200 m～400 m深度调整为400 m/min～600 m/min。

表1 机械设备参数

2)风压。风压是潜孔锤施工过程中关键的一个参数，因此，在空压机运行前应重点检测风压，在施工过程中施工人员一般根据出风口的情况均能初步估计孔内风压的变化情况。风压能够牵引潜孔锤的冲击频率和冲击功，它们与风压均有密切关系［9］。通常情况下，潜孔锤的钻速与风压成正比，风压增加，施工钻进压力可以随之加大，当然，风压应与潜孔锤钻进设备适当的配套。本次施工采用的潜孔锤为中压潜孔锤，在泥质粉砂岩施工过程中，所需风压为0.8 MPa～1.0 MPa，进入含水层段(断层角砾岩)适当的调高风压，所需风压1.2 MPa ～1.5 MPa。

3)钻压。从潜孔锤的碎岩机理来看，岩石主要是在冲击功作用下破碎的［10］。钻压是保证冲击功率并发挥作用的辅助力。合理的钻压选取，能确保施工进度，本次施工过程钻压设置主要有针对性的进行，在较为干燥的泥质粉砂岩中，钻压宜控制在9.0 kN～10.0 kN，而进入底部较硬的花岗岩则适当的提高钻压，钻压控制在12.0 kN～14.0 kN，确保对硬质岩的破碎，当钻进至地下含水段附近时，钻探过程受到一定的影响，排渣量减少，应及时减缓钻进频率。

4)转数。施工过程为使潜孔锤的冲击功有效地传到孔底，潜孔锤钻具的转数应按冲击频率和所钻岩石的性质来决定，它存在最优冲击间隔［13］。钻具有转数和冲击频率的配合，应使切削具在最优冲击间隔的条件下工作。美国水井学会(NWWA)康柏尔认为:潜孔锤回转存在着最优转角，最优转角、转数与冲击频率之间的关系为:

其中，A为最优转角，(°);n为钻具转数，r/min;t为冲击频率，次/min。

本次施工200 m内的地层岩性属于较硬岩，而200 m以下的地层属于坚硬岩，根据施工地层条件，潜孔锤的最优转角取110°，在200 m深度内选取冲击频率为600次/min，转数为18 r/min;200 m以下选取冲击频率为1 000次/min，转数为31 r/min。经过断层角砾岩的过程中，施工受地下水的影响，及时调整了转速，本次施工主要设置为10 r/min～15 r/min。

潜孔锤施工场景见图1。

图1 潜孔锤施工场景

4 结语

空气潜孔锤在钻孔施工过程能完成普通钻机无法实施的工作任务，对特殊工程地质、水文地质条件具有很强的适应性和针对性，本项目施工过程充分对比了两种施工工艺的优缺点，作为一种先进的钻进施工工艺，在复杂条件施工中表现出优质高效的特点，不仅具有费用低，程控效率高的特点［9］，而且能快速的钻进硬、脆、破碎地层，是坚硬类基岩钻进工艺的先进技术突破，将在地热资源勘探中得到广泛的应用。

［1］苏尚文，张喜峰.空气潜孔锤钻进工艺在大同煤田勘探项目的应用［J］.西部探矿工程，2003(9)：123-126.

［2］刘景辉，谭效林，路庆海，等.空气潜孔锤钻进是提高钻进效率的有效途径［J］.中国煤炭地质，2009(3)：63-65.

［3］孟 波，石金鹏.空气潜孔锤钻进技术在地源热泵钻探工程中的应用［J］.科技信息，2012(23)：331-366.

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［12］张泽业，唐雪云.影响空气潜孔锤跟管钻进速度和跟管深度因素的分析［J］.西部探矿工程，1997(5)：64-65.

［13］魏孔明.钻探工程［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.