基于轉盤回轉水井鉆機高風壓潛孔錘的應用

高玉才，王殿棟，董孝仁

（解放軍65643部隊，遼寧 朝陽 122000）

1 引言

氣動潛孔錘在基巖地層用于鉆鑿水井時，具有鉆速快、效率高、成本低、成井質量好、操作人員少、勞動強度低、可實時觀察涌水量等優點，是逐漸被水文水井鉆探行業引進的鉆井新技術。但氣動潛孔錘鉆井工藝一般應基于頂驅回轉式鉆機，而基于轉盤回轉式鉆機配套使用則存在著：加鉆桿需要卸主動鉆桿、回轉轉數固定、不利于事故處理等問題。

我部經過幾年的考察和論證，于2008年引進了高風壓潛孔錘鉆井技術。利用已有的SPC－600T型轉盤回轉式水文水井鉆機，購進兩套氣動潛孔錘設備，經過3年應用，成井48眼，總進尺9261．79m，最深成井325．18m，最淺為100m。2010年向遼寧某公司推薦山東濱州產BZC－350C型車載式水井鉆機，配套高風壓氣動潛孔錘，7個月成井26眼，總進尺3900m，最深孔281．8m，均取得了良好的效果。除個別輔助設備存在需要改進外，所配套的主要裝備器材各項技術參數選擇合理，性能可靠。在硬巖中鉆進，單位進尺效率是回轉泥漿鉆進的40～60倍，成井周期縮短7～10倍，換句話說，用牙輪泥漿回轉鉆進工藝完成一口300m左右的水井所用的時間，改用高風壓氣動潛孔錘鉆進技術可打7～10眼相同結構的水井，而且出水量也比泥漿鉆進增大20%。鉆井每米直接成本比牙輪鉆、合金、鋼粒鉆進降低30～50%，極具推廣價值。

2 潛孔錘鉆進設備配套的基本依據

潛孔錘鉆進設備配套必須根據鉆井深度、鉆孔直徑、克取破碎巖石的性質設計。我部工作區域主要是遼寧的西部和北部山區，根據水文地質條件，設計水井深度多數在300m以內，巖性以砂巖、頁巖、板巖、凝灰巖、礫巖、石灰巖、安山巖、玄武巖、花崗巖、片麻巖等為主?；鶐r成井直徑通常以216、254和311mm為主，最大鉆孔直徑為381mm，最小為152mm。

3 鉆井機

氣動潛孔錘鉆進所用設備及配套器材造價高，而投資大是引進這一技術的門檻。特別是鉆井機，國內外在應用此項技術時，更多考慮的是選用頂驅式動力頭鉆機。目前我國水文水井施工市場存在著大量的回轉式水井鉆機，專門用于潛孔錘鉆井的水井鉆機卻較少。如果通過鉆機的改進和配備潛孔錘鉆井工藝，水井鉆進速度和經濟效益將有巨大突破。我們所采用的鉆機是天津探礦機械廠生產的回轉式SPC－600T型水井鉆機，該鉆機設計鉆井深度為600m，只按完成300m鉆井能力設計配套設備?；剞D方式為轉盤帶動108mm×108mm方鉆桿。轉盤轉速Ⅰ檔為27r／min，適合潛孔錘鉆進10～30r／min的要求。卸管油缸只能滿足Ф89mm鉆桿和鉆鋌擰卸，而不能擰卸潛孔錘，這也是我們當前遇到的難題之一。山東濱州BZC－350C型水井鉆機也是車載轉盤回轉式，鉆進深度為300m，Ⅰ檔轉速21r／min，Ⅱ檔轉速36r／min。兩種鉆機其它功能均能滿足潛孔錘鉆進需要。

4 高風壓空氣壓縮機

空氣壓縮機是潛孔錘做功破碎巖石、沖孔排碴的關鍵設備，在選擇設備機型時必須考慮鉆井深度、孔徑、鉆具與孔壁的環狀間隙等因素。通過對排屑速度的計算及經濟性對比來考慮。目前國產空壓機能夠應用于空氣潛孔錘鉆進用的型號尚不多，但中外合資的國外產品有較好的適應性，我們選擇的是美國壽力公司產品，型號為1150XH－A。柴油發動機為卡特彼勒（Caterpillar）C－15ATAAC，額定功率391kW （525PH），額定排氣壓：2．41MPa，排氣量32．3m3／min。安裝形式為撬裝式，我們將其改裝在解放加長車上。BZC－350C型鉆機配備的是壽力1070XH型空壓機2臺，額定排氣壓力2．41MPa，排氣量：30m3／min。上述兩種規格空壓機，在使用Ф254mm錘頭鉆進時，孔深在150m以內，且地層涌水量不大（10～15m3／h）的情況下還能排碴，如果上部口徑（鉆桿與孔環狀間隙）大，且深度較大時，隨著鉆進深度的增加或涌水量的增大，排碴逐漸困難，孔內巖粉增多，這時需要兩臺空壓機并聯使用才能滿足鉆進風量需要。

5 潛孔錘（沖擊器）及潛孔錘鉆頭（沖擊鉆頭）

潛孔錘的功用是在壓縮空氣的作用下，帶動沖擊鉆頭做功，破碎巖石，達到鉆進目的。在空壓機排氣量和排氣壓力固定的前提下，選擇氣動潛孔錘型號時，必須依據鉆井口徑、常用錘頭直徑、氣動潛孔錘的外徑和氣動潛孔錘的內部結構來確定。大多數情況下，氣動潛孔錘外徑與鉆孔尺寸最接近時，鉆進效率最高，更容易排碴和清潔孔底，同時也能大大降低孔內的事故率。但有一點必須考慮的是在氣動潛孔錘的四周應有足夠的環形空間，以保證排除巖屑，這一點在巖石硬度不大，產生巖屑顆粒較粗的地層尤為重要。另外也要充分考慮到地層的巖性和地下水涌量等因素。國產潛孔錘原是用于露天礦打爆破孔用，我國主要生產廠有浙江嘉興、河北宣化、沈陽、吉林通化及山西太原等風動機械設備制造企業生產。我們選擇了美國錄碼（NUMA）6吋（P60型，沖擊頻率為1800次／min，缸徑114mm）、8吋（C80型，沖擊頻率為1850次／min，缸徑102mm）和韓國突破12吋（TD112型，沖擊頻率為1150次／min，缸徑216mm）三種規格。配4種規格的潛孔錘鉆頭，分別是Ф152mm鉆頭（安裝于6吋潛孔錘）、Ф216mm和Ф254mm潛孔錘鉆頭（安裝于8吋潛孔錘）、Ф311m潛孔錘鉆頭（安裝于12吋高壓潛孔錘），通過使用，錄碼鉆頭耐磨，壽命長，但價格昂貴。BZC－350C型鉆機選用的是國產沖擊器及錘頭，價格便宜，使用效果也較好。

6 空氣管匯

空氣管匯是連接空壓機進入鉆桿的壓縮空氣通道，包括空壓機并聯管線，軟管、硬管、由壬、單向閥、壓力表等。選擇規格要滿足壓縮空氣壓力需要，本機配套的金屬管徑規格為ND50標準管件，單向閥和球閥以及三通直角閥承受壓力≥4MPa。2吋高壓膠管額定壓力為8MPa，數量根據需要確定。

7 潛孔錘注油器

注油器與管匯連接，是在鉆進過程中，隨著空氣的流動不斷向工作中的潛孔錘活動部件注入機油潤滑，同時還要降低潛孔錘內部活塞與氣缸高頻運行所產生的高溫，保持有效的高速沖擊頻率，達到快速進尺。我們配備的是香港產品，容量為20L。

8 孔口排渣頭

孔口排渣頭的作用是密封孔口及排除粉塵。采用空氣潛孔錘鉆進，一般情況下上返風速達15m／s以上，故在破碎巖石時產生的巖屑和巖粉被吹出孔口時，四處飛揚，施工現場受到嚴重污染。為此，必須將吹出孔口的巖粉排送到施工現場以外指定地點或將其捕捉，使其不致對現場操作人員和設備造成不良影響和污染環境。我們配備了一臺國產108A型排碴頭，該產品適應于動力頭鉆機在圓鉆桿驅動下使用，在SPC－600T型鉆機的方鉆桿轉盤驅動下，起不到密封作用。鉆進無含水層時，干粉在現場飛揚，只有采取噴水消塵等措施降低粉塵的危害。在鉆到含水層時，水流上噴，也只能采取臨時措施把部分水堵檔在轉盤以下，減輕對操作手的沖擊。用轉盤回轉式水井鉆機實施潛孔錘鉆進，孔口密封和捕捉粉碴，也是必須解決的主要問題之一。

9 泡沫泵

泡沫泵是水文鉆井空氣鉆進實現霧化鉆進和泡沫鉆進的重要配套設備。在無水干燥穩定地層鉆進時被稱作粉塵鉆進，這時注入空氣壓力低，粉塵上返速度快，有利于孔底巖石的破碎和清洗，獲得最高的鉆進速度。如果孔內有漏水時，為防止巖粉的粘附，提高鉆進速度，就應采取霧化鉆進和泡沫鉆進。泡沫泵與管匯連接，使水和泡沫劑混合并混入壓縮空氣中，使之成為霧狀進行鉆進，從而可以防止巖粉（巖屑）粘附，順利排出井外。另外隨著鉆進深度的增加和井內涌水量的增大，鉆進時由于水柱壓力高，壓縮空氣很大一部分用于排水做功，嚴重影響排碴能力和鉆進速度。為了降低能耗，減少空氣損失，可以采取向井內注入泡沫的辦法降低水的比重，以減少風量損失。我們配備的PMB－50型泥漿泵，是一種臥式三缸單作用往復式活塞泵。

10 其它鉆探器材

10．1 鉆桿

利用現有鉆機配套的Φ89mm鉆桿，絲扣要好，保證密封性能良好。

10．2 鉆鋌

為了保證潛孔錘鉆頭有足夠的孔底軸心壓力，必須在潛孔錘上部按規定施加一定的壓力。為防止加壓造成孔斜，不可以通過鉆機的給進加壓油缸加壓，而是用鉆鋌加壓。同時加注鉆鋌有利于緩沖沖擊器高速振動對鉆機和鉆具造成的破壞。鉆鋌采用石油行業管材系列，選用直徑159mm和178mm兩種（聯接形式前者為114內平，后者為140貫眼），其單位重量分別為121．2kg／m和164．3kg／m，長度8～8．5m，數量可根據鉆進所需壓力確定。鉆鋌加壓，對于提高鉆進速度十分重要。如在石灰巖地層，某公司應用BZC－350C型鉆機，沒有使用鉆鋌加壓，僅靠鉆桿自重加壓，單純鉆速為0．22m／min，其進尺速度明顯低于我部按鉆頭面積實施標準加壓，單純鉆速則達到0．7m／min左右的水平。

10．3 變徑接手

由于使用的潛孔錘接頭和鉆鋌需要用變徑接手聯接，至少應配備以下幾種變徑接手：（1）鉆桿鎖接手／鉆鋌；（2）鉆桿鎖接手／扶正器；（3）鉆鋌／扶正器；（4）鉆桿鎖接手／12吋潛孔錘；（5）鉆鋌／12吋潛孔錘；（6）鉆鋌／8吋潛孔錘；（7）鉆桿鎖接手／8吋潛孔錘；（8）鉆桿鎖接手／6吋潛孔錘 。具體規格尺寸可在有關管材規范標準中查找。數量根據需要確定。

10．4 潛孔錘拆卸鉗

潛孔錘在使用過程中，應經常進行維修和保養。由于鉆進時扭矩很大，在拆卸保養和更換鉆頭時，人工擰卸十分困難，在頂驅鉆機上可以安裝專用擰卸設備，而轉盤回轉式水井鉆機結構不利于安裝現有擰卸設備。我們曾使用石油鉆井B型擰卸管鉗，而該管鉗也無法與轉盤回轉式水井鉆機配合使用。由于B型鉗十分笨重，用人工也無法實現擰卸作業，因此我們用千斤頂自制了簡易擰卸工具，配合多種辦法拆卸潛孔錘，效果也不理想。

11 存在的問題及解決途徑

11．1 安全隱患

基于轉盤回轉式水井鉆機，應用潛孔錘鉆井工藝存在著最大的井內安全隱患是埋鉆事故。在處理埋鉆事故時，由于主動鉆桿驅動，加減鉆桿必須缷下主動鉆桿，在鎖接手提出轉盤以上的情況下，如鉆具上下無法竄動，還要切焊鉆桿，往往加重埋鉆程度。因此，鉆進中必須保證孔底清潔。在軟巖層要嚴格控制進尺速度，每進尺2～3m應徹底清碴。如果能盡量避免井內事故，轉盤回轉式水井鉆機完全能適應氣動潛孔錘鉆井工藝。如果能利用現有轉盤回轉式水井鉆改裝成具有轉盤回轉和頂驅回轉兩用鉆機，一方面能夠在有第四系覆蓋地層的水井中發揮牙輪、合金及鋼粒鉆進的優勢，同時又能滿足潛孔錘鉆進動力頭式頂驅的需要。

11．2 環境危害

現場粉塵和噴水對操作手的危害很大。目前國內尚沒有為轉盤鉆機配套的排碴設備，應自行研制適用方鉆桿回轉密封的孔口集塵和排水溢流裝置。

11．3 潛孔錘保養難

當前維修保養潛孔錘的拆卸方法簡單，不但勞動強度大，時間長，如采取方法不當，對潛孔錘內部元件有損害，是亟待解決的問題。拆卸工具應以單獨的動力、液壓驅動，具有大扭矩的專用工具為好。