潛孔錘在砂礫石含水層的水井鉆探應用與優(yōu)勢

核工業(yè)二四三大隊 內(nèi)蒙古 赤峰 024000

0 引言

地下水富含的區(qū)域又可視為含水層,含水層主要集聚在沉積巖層,沉積巖層在我國分布高達77．3%。含水層從空隙類型上分類主要分為孔隙含水層、裂隙含水層和喀斯特含水層。其中孔隙含水層主要是以沉積物為主,隸屬于沉積巖層。將孔隙含水層細分又可分為砂礫石含水層和砂含水層。砂礫石含水層中顧名思義含有礫石和沙土,結構松散,構造復雜,礫石直徑大小不一且堅硬,在水井鉆探鉆進過程中,礫石被剝落但沒有破碎,擁堵在孔底,無法排出和鉆進,并且對孔壁破壞較大。

近些年通過摸索,采用潛孔錘在砂礫石含水層進行鉆進,對礫石沖擊破碎,實現(xiàn)工藝排渣要求,進而實現(xiàn)鉆進的目的,從而使水井的鉆探工藝技術又向前跨進一步。

1 砂礫石含水層的鉆探現(xiàn)狀

目前,砂礫石含水層鉆探由于地質(zhì)結構復雜松散難以鉆進,并且孔底事故頻發(fā),成孔難度較大。為了防止砂礫石含水層中鉆進孔底事故的發(fā)生,主要采用跟管鉆進工藝,即在鉆進的同時實現(xiàn)套管跟進護壁,確?？焖佟踩⒔?jīng)濟的鉆進至設計層位或深度,完成工程內(nèi)容。鉆進的方式包括回轉鉆進、打撈鉆進和沖擊鉆進。當前,沖擊鉆進主要是分為孔口沖擊和孔底沖擊兩種,孔口沖擊是鉆機動力頭帶動鉆具進行沖擊鉆進,孔底沖擊則是采用潛孔錘。利用潛孔錘采用同步跟管的方法實現(xiàn)偏心跟管鉆進或同心跟管鉆進?，F(xiàn)在潛孔錘類型主要分為氣動潛孔錘和液動潛孔錘兩大類。

2 潛孔錘介紹

2．1 潛孔錘開發(fā)的主要國內(nèi)外企業(yè) 潛孔錘跟管鉆進技術出現(xiàn)以來,世界各國都十分重視對這項技術的研究,如瑞典的“ODEX”偏心擴孔鉆進法,德國的“土星”和“海王星”雙回轉鉆進法,英國哈利克斯(HALIFAX)鉆具公司“sim－cas”跟管鉆進系統(tǒng),芬蘭的Symmetrix潛孔錘跟管鉆具,美國英格索蘭公司的雙偏心鉆進方法以及美國NUMA公司的SUPERJAWS跟管鉆具等。國內(nèi)較早有成都探礦工藝所的QG型跟管擴孔鉆具和吉林大學建設工程學院探礦工程研究所研制的偏心擴孔鉆具等,目前有無錫鉆探工具廠、無錫市雙帆鉆鑿設備有限公司、重慶探礦機械廠等生產(chǎn)該種類型鉆具。

2．2 潛孔錘鉆進的優(yōu)點

1)在松散巖層鉆進時鉆速可提高15%－70%,其主要克服了在鉆進過程中被鉆進介質(zhì)在孔底未破碎,在孔底隨鉆頭轉動的問題。通過潛孔錘震動沖擊,實現(xiàn)對被鉆進介質(zhì)的破碎。

2)對比常規(guī)水井施工工藝,在鉆進成本上可節(jié)約鉆進成本15%－20%,具體體現(xiàn)在鉆頭、鉆具消耗的減少,工程時間的也大幅的縮短,降低了材料、人工的消耗和利用。同時減少了孔底事故,降低了鉆探事故的損失;

3)鉆進軌跡與預設吻合率較高、誤差小,直線度較好,形成的孔壁也比較規(guī)整。

2．3 氣動潛孔錘的技術現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外氣動潛孔錘跟管鉆具結構形式很多,基本結構如圖1所示,由沖擊器、鉆頭、套管、套管靴或套管靴加外鉆頭組成。按鉆頭是否改變直徑可分為鉆頭變徑跟管鉆具和鉆頭不變徑跟管鉆具兩大類。

圖1．1所示為鉆頭變徑跟管鉆具,這類鉆具的鉆頭一般稱為跟管鉆頭,其上設有特定的變徑機構,不同結構的變徑機構使得跟管鉆頭的結構不同且差異較大。在鉆進時,跟管鉆頭的直徑可增大到超過套管外徑一定尺寸,以便于套管能順利跟入;提鉆時,跟管鉆頭的直徑可減小到超過套管內(nèi)徑一定尺寸,使鉆頭能隨鉆桿、沖擊器由套管內(nèi)提出。為使套管能隨跟管鉆頭順利跟入,在套管前端設置套管靴,套管靴內(nèi)部設置內(nèi)錐面臺階與鉆頭上設置的外錐面的臺階配合來傳遞一定沖擊能量。采用正循環(huán)的方式排渣,壓縮空氣由鉆桿中心孔輸入驅動沖擊器工作,活塞往復運動產(chǎn)生的沖擊能量經(jīng)鉆頭傳遞給前方的巖土使之破碎,沖擊器工作產(chǎn)生的廢氣將破碎的巖渣從孔壁與套管的間隙帶出鉆孔。由于套管隨跟管鉆頭跟入的過程中不回轉,所以對鉆機的扭矩要求相對較低,鉆具的適應性強。

圖1．2所示為鉆頭不變徑跟管鉆具,這類鉆具的內(nèi)鉆頭同沖擊器相連接,內(nèi)鉆頭直徑固定,外鉆頭與套管靴相連接或外鉆頭與套管直接相連接。鉆具的外套管通過內(nèi)管沖擊鉆頭帶動回轉,外套管為左螺紋,沖擊鉆頭通過錐面配合將潛孔錘的沖擊力傳給外套管。外套管在回轉力和振動力的作用下與內(nèi)管鉆頭同步跟進。鉆到預定深度后,反轉內(nèi)管一圈,使跟管鉆頭從外鉆頭中脫離出來,從內(nèi)管中提出,外管起護壁作用。這種鉆具在工作時,內(nèi)外管同速回轉,易造成內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住,造成內(nèi)管反轉失靈,內(nèi)外管無法分離,這種方法需要大扭矩回轉鉆機。

圖1 潛孔錘跟管鉆進基本結構

2．4 液動潛孔錘基本結構 液動潛孔錘跟管鉆進機具,屬于鉆頭不變徑跟管鉆具,鉆具采用內(nèi)鉆頭同沖擊器相連接,內(nèi)鉆頭直徑固定,套管鉆頭與套管靴相連接。鉆具的外套管通過內(nèi)管沖擊鉆頭帶動回轉,外套管為左螺紋,沖擊鉆頭通過錐面配合將潛孔錘的沖擊力傳給外套管。外套管在回轉力和振動力的作用下與內(nèi)管鉆頭同步跟進。鉆到預定深度后,反轉內(nèi)管一定角度,使跟管鉆頭從外鉆頭中脫離出來,從內(nèi)管中提出,外管起護壁作用。這種鉆具在工作時,內(nèi)管回轉沖擊鉆進的同時外套管只跟進不回轉,解決應歸內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙,易被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住,造成內(nèi)管反轉失靈,內(nèi)外管無法分離等問題。

液動潛孔錘采用雙作用閥式的結構,其工作原理如圖2所示:

當鉆具到達孔底時,由于鉆機動力頭提供少量鉆壓,使活接頭f被壓緊到外套上的g處,這時工作腔d處的液流,分別作用在活閥2和塔形沖錘活塞6上,由于活閥上下端的壓差,迫使活閥上移到最上位置;由于沖錘活塞上、下兩端面積不同而產(chǎn)生的壓力差,迫使其也向上移動;當沖錘活塞上行到與活閥接合時,通道d1被關閉,沖錘活塞與活閥便一起急速下行,當下行h時,活閥被支撐座4限止,沖錘活塞與活閥分離,借助慣性作用繼續(xù)下行,下行到s時,沖擊砧子9;由于沖錘活塞中心通道被打開,液流又恢復循環(huán),在液流壓力作用下,活閥急劇上升,沖錘活塞也急劇上行,周而復始進行。

圖2 雙作用液動潛孔錘工作原理圖

2．5 潛孔錘鉆進技術優(yōu)勢 根據(jù)巖石破碎的彈性理論,在一定預壓下的巖石沖擊破碎強度要比無預壓情況下低50%～80%。潛孔錘鉆進比無預壓下的鋼絲繩沖擊鉆進效率高3～5倍以上。潛孔錘跟管鉆進跟進的套管,具有穩(wěn)定孔壁和保護孔口的作用,而且鉆進、排渣和護壁同時進行,可以很好地解決砂卵石等復雜地層鉆進中護壁難的問題。在鉆孔完成后,潛孔錘可以從套管中順利提出,套管留在孔內(nèi),待完成濾水管鋪設等工作后,套管從鉆孔中提出或永久留在孔內(nèi)。

3 潛孔錘在水井鉆探應用

目前在水井鉆探采用的潛孔錘技術,主要是空氣潛孔錘,它的主要是以空氣作為驅動、冷卻和排渣介質(zhì)。在我國的干旱地區(qū),采用該種辦法屬于首選辦法?？捎行p少在鉆井過程中對水的需要,但對空壓機的技術水平要求較高,空壓機要保證一定的壓力和流量要求,從設備成本上所占比重也較大。

就我國現(xiàn)有國內(nèi)技術情況而言,潛孔錘主要有空氣潛孔錘、空氣泡沫潛孔錘,但由于動力介質(zhì)的缺陷的因素,促使研發(fā)人員在液動潛孔錘技術的進一步摸索,并且在近些年也有較大的發(fā)展,同時我國也是液動潛孔錘技術發(fā)展較為先進的國家之一。盡管其不具備空氣類潛孔錘的優(yōu)勢,但其功率更高,冷卻、效果更好,由于排渣介質(zhì)采用的是液體,憑借液體的浮力和粘性,攜渣能力更強,更利于深孔鉆進和較大孔徑的成孔,以及定向孔的鉆進,這也將大幅促進輻射井的工藝技術進步。

圖3 雙作用液動潛孔錘工作流程示意圖

4 結論

潛孔錘雖然不是水井鉆探的唯一技術裝備,但憑借其針對性和技術優(yōu)勢在未來的水井鉆探中將會發(fā)揮重要作用,其技術優(yōu)勢在其他鉆探領域也得到了充分的驗證。未來無論是氣動潛孔錘還是液動潛孔錘其加工工藝、使用工藝都會得到大幅度的技術提升。