氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)若干問題
摘要:氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)以其鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好等一系列優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用,但在日常應(yīng)用中也存在著諸如鉆進(jìn)效果不盡如人意,所選設(shè)備性能和施工條件不匹配、不適應(yīng)其主要參數(shù),基本操作守則掌握不好等問題。以工程實(shí)踐為依據(jù),參考有關(guān)文獻(xiàn),對氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)中的若干技術(shù)問題進(jìn)行了論述,以期促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:氣動(dòng)潛孔錘;鉆進(jìn);鉆進(jìn)參數(shù);設(shè)備;泡沫劑
前言
氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是當(dāng)代多工藝空氣鉆進(jìn)技術(shù)方法之一,由于它具有鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好等一系列優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用,而且得到了大家的認(rèn)可。我國于20世紀(jì)80年代初期,在基巖水井施工中開始應(yīng)用這一技術(shù)。經(jīng)過幾十年的科研開發(fā)和推廣應(yīng)用,現(xiàn)已取得了非常顯著的成效,從根本上改變了長期存在的鉆進(jìn)效率低、成本高、成井質(zhì)量差、出水量小、使用壽命短等問題。從目前情況看,雖然推廣面逐步擴(kuò)大,技術(shù)領(lǐng)域不斷拓寬,有的鉆進(jìn)效率比鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)、牙輪回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高幾倍到十幾倍,成井率提高80%左右、成本降低50% ,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但在日常應(yīng)用中也存在一些問題和不足,諸如: （ 1）鉆具組合形式單一,應(yīng)用效果不盡如人意; （2）工藝方法簡單,鉆進(jìn)效果不佳; （3）對泡沫劑的使用還不甚了解; （ 4）選用設(shè)備性能和施工條件不匹配、不適應(yīng); （5）進(jìn)行氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí),主要參數(shù)的選取和基本操作守則對鉆進(jìn)效率的提高影響等。必須在原有基礎(chǔ)上不斷加以完善,有針對性地予以解決,以便達(dá)到加深對潛孔錘鉆進(jìn)工藝的理解并合理運(yùn)用,以利于此種技術(shù)的橫向拓寬和縱向發(fā)展。
1 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)問題
1.1 風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)壓
一般認(rèn)為所用壓縮空氣的壓力高,則潛孔錘鉆進(jìn)的效率也高,而且鉆頭的使用壽命也長。供風(fēng)量不僅是保證沖擊器工作的基本條件,也是保證鉆孔是否能正常排粉的重要因素,因?yàn)樵诟煽諝獾你@進(jìn)情況下,排粉效果的好壞,主要是和上返風(fēng)速有關(guān),而風(fēng)速就和供風(fēng)量發(fā)生直接關(guān)系。
風(fēng)量根據(jù)所用沖擊器的性能以及要滿足洗井所需的上返風(fēng)速而確定。因?yàn)閹r屑在氣流介質(zhì)中由于本身的粘度、密度和形狀的不同而具有不同的懸浮速度,因此要使巖屑有效地排出孔外,達(dá)到孔底干凈,就必須采用大于巖屑懸浮速度的上返風(fēng)速。對于反循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)來說不存在此類問題,對于一般正循環(huán)鉆進(jìn),壓縮空氣在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙中的上返流速,不少文獻(xiàn)推薦宜在15 ～30 m / s。有的文獻(xiàn)推薦排除巖屑所需風(fēng)量往往還超過潛孔錘工作風(fēng)量。在鉆桿直徑與鉆頭直徑相差較大時(shí),潛孔錘在低氣壓下運(yùn)轉(zhuǎn),因氣量不足,不能產(chǎn)生足夠的氣流速度,巖屑不能及時(shí)排出孔外而堆積在孔底,這樣容易出現(xiàn)埋鉆,導(dǎo)致孔內(nèi)事故發(fā)生。
因此,在進(jìn)行大口徑潛孔錘鉆進(jìn)時(shí),鉆孔直徑和所用鉆桿直徑的級差比大時(shí),就出現(xiàn)了潛孔錘供風(fēng)量不能滿足排渣所需風(fēng)量的問題,所以攜帶孔底巖屑鉆桿直徑與井壁之間的環(huán)狀間隙就顯得尤為重要。供風(fēng)量的選擇與確定,主要是要保證一定的環(huán)空上返風(fēng)速,依下列公式推算（正循環(huán)要大于15 m / s） :
V =（Q ×21220. 66）/（D2-d2）
式中: V ：上返風(fēng)速, m / s; Q ：供風(fēng)量, m3 /min;
D：鉆孔直徑,mm; d：鉆桿直徑,mm。
選擇好風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)壓的技術(shù)關(guān)鍵在于如何掌握好3個(gè)關(guān)系:空氣能量和循環(huán)阻力的關(guān)系;上返速度和清孔效果的關(guān)系;介質(zhì)密度和鉆井條件的關(guān)系。在解決好上述關(guān)系的同時(shí),還要采取相應(yīng)的技術(shù)措施,如:增加供風(fēng)量和供風(fēng)壓力;減小環(huán)流斷面;有條件時(shí)選擇反循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn);合理選用沖擊器型號;調(diào)整介質(zhì)密度,采用氣液兩相介質(zhì)循環(huán),如采用泡沫劑、霧化以及其他充氣介質(zhì)等。通常規(guī)律是其相同條件下風(fēng)壓愈高鉆速愈快。隨孔深的增加所需壓力也增大,如鉆a120 mm的鉆孔,深150 m時(shí)需消耗風(fēng)壓1. 4MPa,深200 m時(shí)需消耗風(fēng)壓1. 7MPa。另外用空氣泡沫鉆進(jìn)消耗風(fēng)壓約比純空氣增大0. 18 MPa,同樣條件下,如孔深200 m時(shí)用空氣泡沫其沖孔風(fēng)壓為2. 21 MPa,而純空氣鉆進(jìn)風(fēng)壓僅為1. 7MPa不同沖孔方法對配備空壓機(jī)能力要求也不同。此外,在有水的情況下鉆進(jìn),背壓對潛孔錘風(fēng)壓每10 m增加0. 1MPa。
為減少巖屑堆積,還可在潛孔錘上部安裝沉淀管的辦法,能取得效果,并使風(fēng)量消耗減輕。
1.2 軸向壓力
從沖擊碎巖原理來看,巖石主要是靠沖擊動(dòng)載作用下破碎的,因此潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低,主要是取決于沖擊功的大小和沖擊頻率的多少,而軸壓是保證沖擊功充分發(fā)揮作用的輔助力,過大過小都會(huì)影響鉆進(jìn)正常進(jìn)行,大則會(huì)引起鉆具的振動(dòng)、鉆頭過早的磨損、硬質(zhì)合金齒掉落、回轉(zhuǎn)困難;過小將會(huì)影響沖擊功的有效傳遞。
表1列出了幾種規(guī)格潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)推薦選用的軸向壓力范圍,如果孔內(nèi)鉆柱自身重力超出其范圍時(shí)應(yīng)采取減壓鉆進(jìn)。
潛孔錘鉆進(jìn)主要靠沖擊器活塞來沖擊鉆頭,而不是靠鉆桿柱加壓提高鉆速,這一點(diǎn)不同于牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。因此,為防止鉆桿劇烈震動(dòng),盡可能選用下限值,鉆壓過高會(huì)損壞沖擊器和鉆頭,使鉆速下降。
1.3 轉(zhuǎn)速
潛孔錘鉆進(jìn)是屬于慢回轉(zhuǎn)的一種鉆進(jìn)方法,合理的轉(zhuǎn)速選擇,對鉆頭壽命乃至鉆進(jìn)成本至關(guān)重要。它主要與沖擊器所產(chǎn)生的沖擊功的大小、沖擊頻率的高低、鉆頭的形式以及所鉆巖石的物理機(jī)械性質(zhì)有關(guān)。潛孔錘鉆進(jìn)以沖擊碎巖為主,所以無需過快的線速度。轉(zhuǎn)速太快,對鉆頭的壽命不利,特別在研磨性強(qiáng)的巖層,轉(zhuǎn)速過快將使鉆頭外圍的刃齒很快磨損和碎裂。
如果轉(zhuǎn)速太慢,則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)（凹坑）重復(fù),導(dǎo)致鉆速下降。常規(guī)是巖石愈硬或鉆頭直徑愈大,愈要求用較低之轉(zhuǎn)速。
在某些嚴(yán)重裂隙性巖層中鉆進(jìn),有時(shí)為防止卡鉆而采用增加轉(zhuǎn)速的辦法。但也要注意有時(shí)卡鉆是因?yàn)殂@頭已過度磨損,而增加轉(zhuǎn)速會(huì)使問題復(fù)雜化。對潛孔錘鉆進(jìn),優(yōu)鉆頭回轉(zhuǎn)速度,應(yīng)以獲得有效的鉆速、平穩(wěn)的操作和經(jīng)濟(jì)的鉆頭壽命作為一般要求,現(xiàn)提出下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)供選擇:覆蓋層為40～60 r /min;軟巖層為30～50 r/min;中硬巖層為20～40 r /min;硬巖層為10～30 r/min。
2 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)
2.1 氣動(dòng)沖擊器
沖擊器是潛孔錘鉆進(jìn)的主要鉆具,其性能優(yōu)劣直接影響鉆進(jìn)效率。國外十分注重對沖擊器性能的研究,解決了許多技術(shù)關(guān)鍵問題,使沖擊器的性能有了很大的提高。如阿特拉斯、美國壽力開發(fā)的系列產(chǎn)品就很多,有適合深孔的,低耗、低氣量的中高風(fēng)壓的等。大部分為無閥結(jié)構(gòu),內(nèi)部零件少,結(jié)構(gòu)簡單,堅(jiān)固而好用。從發(fā)展趨勢看是向高風(fēng)壓和大孔徑發(fā)展。國內(nèi)一些廠家也很重視對沖擊器的研究,產(chǎn)品的性能已接近國際先進(jìn)水平。從近年來的生產(chǎn)應(yīng)用看,基本滿足了工程需要,而且價(jià)格還比國外的便宜。另外,提高風(fēng)壓就可提高鉆進(jìn)效率,這也是國內(nèi)外致力于發(fā)展高風(fēng)壓沖擊器的原因。對施工單位來說選購高壓還是低壓沖擊器要因?qū)嶋H情況而定, 條件許可時(shí)盡可能選配高壓的,但同規(guī)格的沖擊器高壓和低壓的價(jià)格差異較大,選配時(shí)一定要注意。
國內(nèi)外有關(guān)廠家氣動(dòng)沖擊器見表2。
2.2 鉆頭
沖擊器所產(chǎn)生的能量是通過鉆頭破碎巖石的,所以巖石要受沖擊和研磨雙重作用。這就要求對鉆頭進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、制造和使用,保證鉆頭的高效、耐磨和長壽命。這也是提高鉆進(jìn)效率的重要因素之一。
目前國外對潛孔錘鉆頭除了合理設(shè)計(jì)選用不同形狀硬質(zhì)合金柱齒外,鉆頭底唇面造型及合理布齒都至關(guān)重要。常規(guī)用的大致分為以下4 種底面造型,適用于不同巖層和工況條件下選擇（如圖1 所示） 。
2.2.1平底型
這是一種通用型設(shè)計(jì),用于較軟或硬的巖層。在破碎和裂隙性以及巖性多變的巖層中鉆進(jìn)有良好的效果。但不宜在特別軟的和覆蓋層中使用。
2.2.2凸底型
設(shè)計(jì)用于鉆速比鉆孔垂直更重要的硬、研磨性強(qiáng)的巖層鉆進(jìn)。其凸形表面相對克取巖層表面較小,能產(chǎn)生較大的沖擊功,并獲得高的鉆速。但鉆孔垂直度比其他鉆頭要差一些。
2.2.3凹底型
設(shè)計(jì)有一個(gè)向內(nèi)凹的錐形面,能起到減少地面設(shè)備震動(dòng)和保持鉆孔垂直的作用。為提高碎巖效果,其柱齒呈交錯(cuò)排列,在許多巖層中的鉆速較高。此型鉆頭適用于軟和硬的巖層,而且鉆頭壽命長。
2.2.4擴(kuò)孔釬頭
專門設(shè)計(jì)用于特殊情況下擴(kuò)大孔徑。鉆頭體下部同牙輪擴(kuò)孔鉆頭底部,有一與前導(dǎo)孔直徑匹配的導(dǎo)正部分,共分兩次鉆鑿,這種方法解決了一次成孔存在的許多不利因素,而且成孔垂直度高,效率也相對較高。
除了上述鉆頭底面造型外,日常還會(huì)碰到有中空式鉆頭,跟管鉆進(jìn)用的其它形式鉆頭。
2.3 鉆桿柱
氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)用鉆桿柱與其它回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比,不承受大的扭矩和高轉(zhuǎn)速,鉆具質(zhì)量輕,所以,實(shí)踐證明鉆桿有較長的壽命。從正循環(huán)鉆進(jìn)來說,加大鉆桿外徑,減小壁厚,鉆桿質(zhì)量增加不大,但截面系數(shù)增大了,有利于提高上返速度,又使鉆桿剛度增大,對深孔鉆進(jìn)顯得尤為重要,既提高了鉆速又減少了鉆孔的偏差。為減少孔內(nèi)事故發(fā)生,建議用外平鉆桿比較適宜。具體鉆桿柱的連接,潛孔錘上加扶正器以及鉆鋌,這必須要因地制宜,根據(jù)操作者的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)而定。
但對反循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘而言,鉆桿柱連接比較簡單,小直徑鉆孔均為外平式雙壁鉆桿,大直徑鉆孔常規(guī)式雙壁鉆桿,內(nèi)外管均采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工。與氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用雙壁鉆桿有明顯區(qū)別,而且地面配套與正循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘都不一樣。此工藝方法正在推廣階段,用途及范圍也在不斷擴(kuò)大。
2.4 空壓機(jī)
合理選用空壓機(jī)是保證潛孔錘高效鉆進(jìn)的基礎(chǔ)。目前進(jìn)入中國市場的國外空壓機(jī)種類也很多,除了向國內(nèi)銷售外,還面向用戶租賃。施工單位可按工程實(shí)情咨詢選配。有關(guān)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)常用空壓機(jī)見表3。
2.5 鉆機(jī)
鉆機(jī)作為配合潛孔錘鉆進(jìn)的主要設(shè)備,它是驅(qū)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)的動(dòng)力。選用性能和潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)要求適應(yīng)的鉆機(jī),是保證潛孔錘鉆進(jìn)正常進(jìn)行的又一重要條件。有些鉆機(jī)性能是不適應(yīng)的,主要反映在鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速偏高。近年來我國進(jìn)口的全液壓動(dòng)力頭車裝鉆機(jī)劇增,同時(shí)國內(nèi)有些廠家也在研制生產(chǎn)此種類型鉆機(jī),而且鉆進(jìn)工藝主要采用氣動(dòng)潛孔錘方法,其大優(yōu)越性是機(jī)械化程度高和無級變速,現(xiàn)已成為了適合氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)的鉆機(jī)。目前這方面常用的各種類型鉆機(jī)見表4。
3 注入泡沫劑的功效
潛孔錘鉆進(jìn)注入泡沫劑是必不可少的一種工藝方法。它是在輸送空氣的同時(shí)通過泡沫泵向空氣流中注入一定量的發(fā)泡劑,使洗井介質(zhì)在循環(huán)中產(chǎn)生大量的穩(wěn)定泡沫,因?yàn)榭諝馀菽拿芏缺人〉枚?span style="padding-bottom:0px;margin:0px;padding-left:0px;padding-right:0px;font-size:10pt;padding-top:0px;">,再加上活性物質(zhì)的其它性能,對解決潛孔錘鉆進(jìn)過程中排巖屑、撲塵、降低水柱壓力、增浮和潤滑鉆具都有良好的作用。一般進(jìn)口鉆機(jī)上基本都配有注入泡沫劑泵,我國一些車裝鉆機(jī)也開始向這方面完善,以利于發(fā)揮注入泡沫劑的功效。但對于散裝鉆機(jī)施工,需要自配泡沫劑泵。
3.1 適用范圍
（1）干旱缺水地區(qū)空氣泡沫潛孔錘鉆鑿基巖水井;
（2）氣動(dòng)潛孔錘施工錨固孔、孔、震源孔除塵處理;
（3）冰凍地層鉆進(jìn)空氣泡沫洗井;
（4）干旱缺水地區(qū)各種工程孔（市政工程、交通、礦山）空氣鉆進(jìn)潮濕層、漏失層、涌水層的泡沫洗井,快速通過復(fù)雜地層;
（5）充氣泡沫泥漿鉆進(jìn)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔的漏失地層;
（6）油田低壓油、氣層空氣泡沫負(fù)壓鉆井;
（7）油田修井作業(yè)中漏失井的泡沫沖砂負(fù)壓洗井;
（8）油田自噴井的泡沫誘噴,延長自噴周期;
（9）油田含水氣井泡沫排除井底積液,泡沫化排作業(yè),預(yù)防氣井水淹停產(chǎn)。
3.2 用法與用量
一般情況下, ADF泡沫劑的使用濃度為011%～014% ,也可以根據(jù)地層的水質(zhì)、液、產(chǎn)油量調(diào)整泡沫劑使用濃度。當(dāng)?shù)貙右毫枯^大,地層水礦化度較高時(shí),可適當(dāng)提高使用濃度?，F(xiàn)場使用時(shí),用計(jì)量泵將稀釋后的泡沫劑直接注入井內(nèi)即可。
4 結(jié)語
（1）氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝的一系列優(yōu)點(diǎn),已在鉆探施工許多領(lǐng)域所證實(shí)。它和其它方法配合使用,可以有效地推行綜合式分層鉆進(jìn)技術(shù),達(dá)到全面提高生產(chǎn)效率,降低鉆探成本的目的。
（2）該技術(shù)不僅適合淺而無水的鉆進(jìn)條件,而且當(dāng)風(fēng)壓能夠克服孔內(nèi)水柱阻力的情況下,也能在深而有水孔中鉆進(jìn)。
（3）該工藝適合于干旱缺水、供水困難的甚巖井施工,可大幅度提高鉆進(jìn)效率,減少供水設(shè)備和費(fèi)用,保證施工能正常進(jìn)行。
（4）對于初次采用的單位來說,一定要先學(xué)習(xí)掌握此項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)知識,不能急于求成。
