风动潜孔冲击钻探技术在干旱地区水井施工中的应用

潘东懿,杜绪新

（1.山东省煤田地质局第三勘探队,山东 泰安 271000；2.济南华玫矿业有限责任公司,山东 泰安 271613）

1 前言

山西省吕梁市交口县是干旱少雨地区，地下水位埋藏深，水资源严重匮乏，严重影响了居民生活及工业生产。根据当地严重缺水的自然环境，选用了潜孔锤空气钻进技术，成功施工了3眼水源井，总供水量达到240m3/h,较好解决了煤电铝工业园的工业用水和附近居民的生活用水问题。

2 工程地质水文地质概述及钻探工艺选择应参考的主要影响因素

水源井施工对钻探工艺的选择要充分考虑安全、经济和工程质量等几个方面的影响因素。综合论证，无论从施工安全，还是从经济方面考虑，仍采用以冲洗液为主的常规的水井钻探工艺显然是不明智的。因此选用以压缩空气为冲洗介质的潜孔冲击回转钻探工艺更能体现出在干旱少雨地区施工水源井的优越性。

3 风动潜孔冲击钻探的技术特点

潜孔冲击钻探技术是使用压缩气体作为动力介质进行冲击回转的一种钻井方式。主要结构是与钻杆相连的钻具底部的冲击器和钎头，冲击器及钎头部分总称为潜孔锤。该方法可进行不取芯全面钻进，也可进行取芯钻进，但更常用的是不取芯钻进。当钻进中遇到潮湿层和含水层时，可以采取泡沫钻进或雾化钻进。硬岩和坚硬岩石脆性大，使用潜孔冲击钻进更为有效。

4 钻探机具及钻井技术参数优化选择

4.1 钻探机具选配

针对水源地水源井设计和水文地质工程地质情况，配用如下设备和钻探工具：冲击器为J100B-0、J250B-0型和JWD－350 型。钎头直径分别为Φ250mm,Φ350mm,Φ400mm和Φ500mm。钻机选用TSJ2000工程钻机和C750-300S空压机。

4.2 钻井技术参数选择

（1）钻压：风动冲击潜孔钻探技术原理是主要依靠钎头作用在岩石上的冲击动载，JWD－350 型冲击器的钻压采用了9000-14500N，J100B-0冲击器钻进钻压为9000N左右，J250B-0冲击器钻进钻压控制在11000N左右。

（2）转速：在双池镇煤电铝工业园水源地水源井施工中，根据下奥陶系豹皮状灰岩的性质、三种钻孔孔径以及使用三种冲击器钻进，WD350 型风动潜孔冲击钻进时，经过试钻选择了最优转速控制在10～20r／min。

（3）供风量：使用108mm钻杆，经计算在Φ350mm孔径钻进中时，供风量为135.73m3/min；在Φ400mm孔径钻进中，供风量为153.71m3/min。

（4）风压：不同结构的潜孔锤在相同的风压下，其钻进速度不同，有的相差很多。风压要随钻深、风阻的增加而增加，应该根据实际情况及时调整，以稳定钻孔环隙的上返风速。风压的变化与孔内情况的关系及调节：当供风量不足时，不仅钻进效率低，还要频繁提动钻具吹孔，减少了钻头在孔底的钻进时间，增加了钻进的辅助时间。在钻进中遇到潮湿地层，将产生“泥领”或缩径，气压会上升；遇到大裂隙、空洞或地层坍塌，孔径扩大时，由于流速下降，钻屑聚积，气压也会上升，此时应立即处理，以免发生事故。

5 风动潜孔冲击钻探安全辅助技术应用

（1）覆盖层及风化基岩地层跟管钻进。河卵石及灰岩风化带地层的特点是破碎易坍塌，潜孔锤在内钻进中孔壁坍塌、堵塞钻头气路，造成冲击器无法持续工作的现象非常严重。除了在较薄的黄土层内人工开挖造孔外，在河卵石和风化带内钻进时，使用了跟管钻进技术。该技术与常规潜孔锤跟管钻进使用潜孔锤同心跟管技术不同。本工程跟管钻进时选择的井壁管和钻头为分体但同心，即在钻进中先把比井壁管小一级的潜孔锤钻具下到孔内，井壁管套在钻杆上，井壁管在钻进平台上使用导向机构固定，随着潜孔锤钻头的延深，利用钻头的串动尽量扩大孔径，通过专用的振动器的振动把井壁管慢慢冲击进入钻孔，利用导向机构保证井壁管的垂直度。操作中潜孔锤钻头施工的先导孔的直径和垂直度至关重要，必须保证把孔内岩粉吹干净，保证孔壁没有坍塌和掉块，没有探头石存在并保证钻孔的铅垂度，否则要采取措施及时处理。

（2）少量渗水的弱含水层内的泡沫钻进。主要是克服“泥领”糊钻问题。在孔深315m处，遇到了弱含水层，由于孔内有少量水存在，钻进产生的岩粉和岩屑与水混合后，呈粘稠的混凝状，聚积在钻具周围和粗径钻具上方的孔壁上，造成排屑困难甚至终止，钻具回转、提动困难，空压机风压急剧升高严重影响钻进。改用了泡沫钻进，选用了ADF-1型泡沫剂，即由泡沫灌注泵通过送风管路将泡沫剂溶液不断地输入孔内。泡沫剂多用阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂或它们的复合剂配制的。经现场总结，使用泡沫剂进行泡沫钻进，操作工艺是：从孔口或通过钻杆向孔中加入清水或泡沫剂溶液，然后送风并反复活动钻具，稀释并冲开泥领，将钻屑吹出后再继续钻进。如钻屑再积存，再加水或泡沫液吹孔。如此反复操作，应特别注意处理方法，切忌强拉硬扭钻具。

（3）破碎坍塌地层钻进使用高压旋喷工艺固结孔壁。受卵石层帷幕高压旋喷造孔工艺启示，在灰岩内破碎地层中钻进，由于孔壁破碎失稳掉块较多，钻头反复处理效果不好，采用了高压旋喷工艺进行了处理。就是用高压注浆泵把地面配置好的含有速凝剂性质的水泥浆经钻杆输送到钻杆下部的喷射器，水泥浆经喷射器射孔高速高压喷出后渗入到井壁岩块空隙中，快速凝结，把孔壁的破碎岩块固结起来，并达到一定初期强度。这种高压喷射固结工艺有效的解决了井壁不稳定坍塌掉块的问题。使用的水泥浆主要是标号为32.5R的硫铝酸盐水泥浆，水泥浆密度控制在1.3～1.4g/cm3左右。

6 结语

风动潜孔冲击钻进是严重缺水地区水文水井钻探的较好的钻进方法，具有钻速快、成井质量高、钻孔弯曲度小，相对成本较低的特点。

[1]潘光明.潜孔锤快速施工注浆堵水钻孔工艺探讨[J].山东煤炭科技,2006(06):52-54