風動潛孔錘技術在軟濕地層鉆井中的運用——以云南紅河地區打井為例

余榮華，張 陵，焦向陽

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

風動潛孔錘技術鉆井施工具有鉆進速度快、質量好、成本低和突擊性強等特點，但在中國地質調查局水環部緊急啟動的“西南嚴重缺水地區地下水勘查”項目施工初期，由于地層破碎、裂隙、溶洞發育和地下水即軟濕地質因素影響，致使其施工鉆孔偏斜、埋鉆、卡鉆、遇水后排渣困難等時常發生，風動潛孔錘技術自身特點不能很好發揮。經過系統分析鉆井施工過程中出現的問題，筆者查找原因、改進鉆進工藝，成功地解決了在軟濕地層中鉆進問題，并在云南抗旱打井找水施工過程中實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意義。

1 概述

施工區紅河州地段位于滇南哈尼族彝族自治州。紅河區塊在南盤江、紅河、藤條江、李仙江的強烈切割下，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。紅河區地勢西北高，東南低。施工區內老—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］。

紅河州實物總工作量1 620 m，成井9口，單井設計深度180 m。井點分布在石屏、建水和瀘西三縣境內。施工工期60 d。鉆井施工采用風動潛孔錘鉆進工藝，風動沖擊器采用湖北宜昌五環鉆具有限公司生產的高風壓潛孔沖擊器，高風壓潛孔鉆頭根據鉆孔結構在該廠家定制。重慶探礦廠生產的XY-2B巖心鉆機兩臺套，鉆塔為自制鐵塔，天車安全載荷12 t，英格索蘭高風壓空壓機兩臺。

2 鉆井技術

2．1 設備選型

目前，中國能滿足使用風動潛孔錘鉆進的鉆機型號較多。施工單位可以根據自身的實力選配不同型號的施工設備，鉆機和鉆塔選擇可根據不同的井深和井徑，能滿足回轉和提升鉆具即可。相比較空壓機的選擇尤為重要，這是保證鉆井工作能否順利完成的關鍵。本次施工設備選型見表1。

表1 風動潛孔錘鉆井設備選型表Table 1 Selecting type of drilling equipment of pneumatic down-the-hole hammer

2．2 鉆具選配

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

表2 風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 鉆孔結構

云南紅河州地層復雜，第四系覆蓋層較厚，基巖上部風化嚴重，含水層多為溶洞裂隙水，采用合理的井孔結構是成井施工成敗的關鍵環節。一般情況下井孔結構為: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。在完整基巖采用風動潛孔錘鉆進，由于它的鉆進機理不同于普通回轉鉆進。風動潛孔錘鉆進時主要靠沖擊破碎巖石，需要的回轉轉速較低，壓力需求不是很大，壓力能克服風動沖擊器工作時的反彈力即可。該機很好地避免了普通回轉鉆進需要較高轉速和壓力，因而產生鉆孔偏斜問題。

但在實際施工過程中，地表覆蓋層鉆進時多為第四系殘坡積層，且多夾塊石、滾石，在平面上構成了相對“軟”、“硬”不均地段;含水層部位鉆進時，由于裂隙、構造發育以及地下水的富集構成了相對“軟”、“濕”地段，鉆進施工過程中極易產生孔斜。在施工建水縣干塘村GT53252403號鉆孔時，因對地層不了解，在成井時發生鉆孔偏斜，導致 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，但延誤時間長達7 d。經查明鉆孔偏斜原因為:

(1)第四系覆蓋層中粘土夾雜大塊石，地層軟硬不均。鉆進時鉆具向軟處偏移，同時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狀間隙過大，在遇到上述地層沒有導向性，極易造成鉆孔偏斜。

(3)鉆進速度過快、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，導致鉆孔偏斜［2］。

3．2 復雜地層埋、卡鉆

風動潛孔錘鉆進復雜地層時，較普通回轉鉆進更易發生埋鉆、卡鉆事故。普通回轉鉆進采用泥漿和清水作為沖洗循環介質，鉆孔孔壁在泥漿和清水液柱壓力下可以保持一定的穩定。風動潛孔錘鉆進時，沖擊破碎的巖粉顆粒較粗，需要較高風壓、風量和風速排渣，因而容易破壞鉆孔孔壁的穩定。特別是在遇到易破碎、巖溶裂隙發育并含有泥沙充填的復雜地層，更容易發生埋、卡鉆事故。

在施工石屏縣異龍鎮萬家營村GT53252525號井時，即遇到了類似問題。該井設計井深180 m，上部地層為白云灰巖，含水層為斷裂構造帶裂隙水。實際鉆進過程中，因地層變化較大，白云灰巖強風化層較厚，有少量滲水，排出的巖粉呈粗砂和粉末狀，并有一定的濕度。孔內持續排出的巖粉量為鉆孔體積理論值3～4倍。鉆孔孔壁破碎、強度低、穩定性差，在風力和孔壁滲水的雙重作用下造成了孔壁坍塌，多次發生埋鉆事故。雖然采用多級套管護壁仍然無法滿足要求，施工進度緩慢。后改用普通回轉取心泥漿護壁鉆進方法才將該井施工完畢，共耗時45 d。

3．3 遇水后排渣困難

采用風動潛孔錘鉆進技術鉆井時，含水層部位由于裂隙、構造發育以及地下水的富集構成了相對“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”的相互粘結作用易形成“巖粉顆粒”，當顆粒的重量超出孔內上返氣流的攜渣能力時，這些“巖粉顆粒”會懸浮在孔中形成“懸浮巖粉顆粒”不易排出孔口。加提鉆桿時空壓機停止送風，懸浮的粗顆粒會回落孔底，造成埋、卡鉆事故。

鉆進至含水較弱地層不但會出現上述同樣問題，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，經鉆桿和孔壁的環狀間隙上返排渣，易貼附在孔壁和鉆桿接頭處形成泥環、泥塞，堵塞氣流上返排渣通道，引起泥環、泥塞的卡、埋鉆事故。現象嚴重的可直接導致鉆孔報廢，給施工單位造成嚴重經濟損失。

在石屏縣異龍鄉蒼家寨GT53252526號井施工過程中，該井設計井深180 m，在鉆進至井深48 m遇到較弱含水層，孔口出水口量3～4 m3/h。因當班工人使用技術措施不當，頂水鉆進至126 m時，發生了泥環、泥塞卡、埋鉆事故。后因該井出水量已達到10 m3/h的要求，申請提前終孔。

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時，沖擊器和鉆桿之間加裝扶正器。扶正器采用厚壁地質管兩頭焊接在鉆桿上，兩頭不封死利于排風排渣。加工時要嚴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(包括Ⅳ級)，扶正器直徑應小于鉆頭直徑1～5 cm，長度不低于3 m。巖石硬度大于Ⅴ級時，扶正器直徑應小于鉆頭直徑3～5 cm，長度1．5～3 m。扶正器鋼管上鉆眼鑲焊大八角硬質合金，防止扶正器過度磨損，同時起到光滑孔壁的作用。此方法在相對完整地層導正防斜效果突出，但在復雜地層效果不明顯。

(2)在復雜地層中鉆進(如第四系堆積層)時，粘土中夾雜很多的大塊石，如果采用常規風動潛孔錘鉆進，不但效率低而且鉆孔極易偏斜。因此，在此類地層中鉆進采用偏心跟管潛孔錘鉆進，可以從根本上解決井孔偏斜和鉆進效率低等問題。此種鉆進方法，在建水縣臨安鎮小西湖村GT53252406號井和以后的鉆井過程中得到了很好地驗證。GT53252406號井地表覆蓋層為紅粘土夾塊石，下部為灰巖裂隙發育，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到35 m后，改用Φ168 mm偏心跟管潛孔錘鉆具鉆進至相對完整穩定的基巖，再改用常規潛孔錘鉆進直至終孔。該井設計井深180 m，完工用時4 d，出水量40 m3/h。充分顯示了偏心跟管潛孔錘鉆進方法在此類地層中的鉆進效率。

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

4．2 復雜地層埋、卡鉆預防

復雜地層鉆進，如何有效地防止埋、卡鉆事故發生尤其重要。特別是使用潛孔錘鉆進過程中，高壓空氣對孔壁的影響極易造成埋鉆、卡鉆事故，石屏縣異龍鎮萬家營村GT53252525號井即為典型案例。在后續的成井過程中，同樣采用了多級偏心跟管潛孔錘鉆進方法，很好地解決了因孔壁坍塌造成埋鉆事故的問題。石屏縣寶秀鎮政府GT53252530號井地層與石屏縣異龍鎮萬家營村GT53252525號井的地層類似，上部為強風化地層，厚度57 m。采用Φ219 mm和Φ168 mm兩級偏心跟管潛孔錘鉆具鉆進至相對完整穩定的基巖后，改常規潛孔錘鉆進直至終孔。該井設計井深180 m，完工用時3 d，出水量10 m3/h。

多級偏心跟管潛孔錘鉆進方法的使用，不但解決了復雜地層鉆進易發事故的問題，而且大大提高了成井效率。在使用過程中如何發揮多級偏心跟管潛孔錘鉆進方法的功效，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

在實際鉆進過程中，往往還沒有鉆進至設計孔深時，井孔就已經開始出水。當出水量達不到設計要求時，還需繼續鉆進。此時，常因干空氣和沖擊破碎巖粉遇水混合后，易形成泥環、泥塞，孔內排渣困難，造成埋鉆事故。在瀘西縣中樞鎮阿平村施工GT53252756號井時，井孔鉆進到17 m時孔內開始出水。當孔深鉆進至45 m時，出現孔口出風不暢提動鉆具困難的現象。隨后將鉆具提出孔口，此時鉆桿上及鉆桿接頭上已經粘附呈初凝的混凝土狀的物體，泥環、泥塞已開始形成。

為避免石屏縣異龍鄉蒼家寨GT53252526號井的事故發生，及時采取了相應措施。在井孔內排渣困難時向鉆桿內加入一定量的泡沫劑開氣沖孔排除孔底沉渣。因現場沒有專用的泡沫泵，不能連續向孔底輸送泡沫劑，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過程中形成，每加一根鉆桿鉆進前也要加入一定量的泡沫劑，每次加入量根據鉆進回次深度確定，一般為0．2～0．5 kg，保證在鉆進過程中也能順暢排除孔底沉渣。如果孔內沉渣太多時可往復數次直至孔底沉渣排凈。

這種簡單的泡沫劑添加方式，在沒有專門的設備情況下，安全易行，排渣效果明顯。孔內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時遇水后易產生泥環、泥塞問題。該孔采用此方法鉆進至183 m終孔，完工用時5 d。

5 結語

風動潛孔錘鉆進對應巨厚，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、構造發育和地下水富集形成的相對“軟”、“濕”含水層地段，往往易產生孔斜和埋鉆、卡鉆事故致使鉆孔報廢，但只要認真分析問題原因，根據實際情況，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。當然合理選擇鉆具級配、不同跟管鉆具級配組合、控制好鉆進中的轉速、鉆壓同樣也非常重要。

［1］ 張陵，武松，李軍，等．西南嚴重缺水地區地下水勘查報告［R］．武漢:湖北省地質環境總站，2013．

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