刍议气动潜孔锤在水井施工中的应用

摘要：介绍了气动潜孔锤工艺在水井施工中的设备选用和钻进参数及在应用中应该注意的问题。

关键词：气动潜孔锤；钻进参数；空压机；水井施工

中图分类号：TE242.6 文献标识码：A

气动潜孔锤钻进是属于空气钻进的一个分支，它是把空压机产生的压缩空气作为动力，通过不断改变冲击器内的进气方向，实现活塞在气缸内的不断往复运动产生冲击功和冲击频率直接作用在钻头上，然后在通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的脉动破碎，同时利用冲击器排出的压缩空气把岩粉携带出孔外的一种冲击回转方法。

1 气动潜孔锤技术优缺点

气动潜孔锤是以压缩空气作为动力介质完成冲击回转钻进，具有空气洗井钻进的特点。较之传统的硬质合金回转钻进有成倍的功效。特别是在高寒地区进行基岩水文钻探作业，对于缩短辅助时间、降低成本具有明显效果。近年来在我国被广泛应用于采矿业凿井和基础工程等各个领域。

1．1 气动潜孔锤钻进的优点

1.1.1 钻进效率高，成井周期短。实践证明，气动潜孔锤钻进比液动潜孔锤钻进效率可提高2～5倍；比硬质合金回转钻进效率提高3～l0倍。效率提高的原因是：单次冲击功大，无液柱压力；排渣风速高，孔底干净，无二次破碎，改善了孔底碎岩条件；成井后可直接下泵抽水，无需洗井，减少了洗井工序。

1.1.2 钻探成本低。气动潜孔锤钻进配用的球齿硬质合金钻头在坚硬破碎岩石中钻进，既有利于破岩，又比普通硬质合金钻头寿命高；该工艺是用空气作为循环介质，施工中只需要极少量的生产用水，在干旱缺少水源的施工现场，可节省生产用水费用，又避免了供水系统的维护和设备运行，特别是在寒冷的冬季施工，大大缩短了辅助时间，降低了运行成本。

1.1.3 钻孔垂直度有保证。气动潜孔锤钻进转速低，离心力小，钻具对孔壁的撞击机会小，此外这种钻进方法是以高频对孔底进行冲击，减小了对破碎或倾斜地层产生孔斜的影响，从而可提高钻孔的垂直度，一般孔斜度≤0.50/100m，同时也可减少孔壁岩石坍塌。

1.1.4 能保证成井质量。因为气动潜孔锤钻进不需要泥浆作循环介质，因此不需要在破碎带和裂隙发育带发生漏浆时采取护壁措施和堵漏材料，同时也减少了泥浆对含水层渗透性的影响。

1．2气动潜孔锤钻进的缺点

1.2.1 由于动力介质和循环介质采用的是压缩空气，对孔壁支挡平衡作用差，护壁十分不利；当护壁管下不到位时经常发生掉块卡钻事故。

1.2.2 钻进不能采用泥浆作循环介质，更无法用护壁处理剂及堵漏材料，当发生井壁事故时，比较难处理。

1.2.3 破碎岩石是一种动载冲击，钻头在岩石上冲击振动，更容易使孔壁或岩心产生振动破碎，给护壁和采心工作极为不利。

2气动潜孔锤钻进所需的设备有：钻机空气压缩机冲击器供风管路钻杆钎头等。

2.1钻机：常规的油压钻机及水文水井钻机，所选的钻机要有要有相匹配的低转速性能，具有较好的加压减压机构，机动性能要好。车载水文钻机和履带式动力头钻机应该优先选用。

2.2 空压机：作为气动潜孔锤钻进工艺的关键设备，其风压既要满足冲击器的工作需要，又要保证能排出岩粉。在选用时应根据冲击器的类型工作性能，钻孔的孔径和钻孔的深度等因素进行综合考虑。

2.3 冲击器：冲击器的性能和结构是实现气动钻进的重点，冲击器的类型按配气方式分为有阀和无阀两种。按工作压力分为低压（0.5-0.7Mpa）中高压（0.7-1.2Mpa）。在水文水井施工中多用无阀的，因为这类冲击器工作压力要求低，冲击功大，在选用相同空压机的前提下，无阀的冲击器钻进效率更高，而且维护方便。

2.4 供风管路：采用高压胶管，管路的承压强度要高于空压机额定压力的2-3倍，采用丝扣连接。

2.5 钻杆：在满足工作强度和密封性好的前提下，以选用较粗钻杆为宜。在选用反循环潜孔锤时要配备双壁钻杆和双通道水龙头。

3 钻进参数

气动潜孔锤钻进技术不同于普通的切削与研磨原理，它是将空压机产生的压缩空气的能量通过冲击器，对需要破碎的岩石产生高频的冲击能量，当这个能量（冲击功）达到岩石的临界破碎功时，便产生体积破碎，同时工作后的气体在一定的风速条件下将岩石颗粒排出孔外以实现钻进的目的，因此合理的选用钻进参数是取得理想钻进效果的基本条件。

3.1 转速：转速的高低主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及所钻岩石的物理机械性质有关，一般直径在200mm 左右的钻孔，软岩层30-50r/min，中硬地层20-40r/min，硬岩层10-20r/min。转速过高会加大钻头的磨损，转速过低会造成孔内的重复破碎效率降低，因此转速应控制在合理的范围内。

3.2 钻压：钻压的主要作用是为了保证钎头球齿能与岩石紧密接触，克服冲击器的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。一般直径200mm左右的孔钻压力范围在15-18KN。

3.3 钻进供气量：主要与钻杆和孔壁之间的环状间隙和所用冲击器的性能（耗气量）及清除孔内岩屑的最低上返速度有关，一般采用下式计算

Q＞VK（D₂-d₂）π/4

Q- 供气量m3/min

D- 孔径M

D- 钻杆直径M

V- 上返风速，一般取大于15m/s

K- 孔深损耗风量增加系数，一般取1.3

为了充分发挥空压机的功效。应尽量缩小钻杆和孔壁的环状间隙。在满足安装抽水机具的情况下，尽量缩小孔径间隙。在空压机不变的情况下也可以加大钻杆的外径来减小环状间隙。以使用89mm钻杆为例，钻进直径200mm左右的钻孔，供气量应该在25m3/min左右。

3.4、供气压力：在潜孔锤钻进过程中，空压机的的压力是整个压缩空气流动通道中各种压力损失的总和。干孔段潜孔锤钻进时，供气压力为潜孔锤的工作压力及管道压力损失之和。孔内有水时，它主要由孔的深度，孔内水位埋深和出水量决定。一般在有水的情况下，供气压力为孔深（100m孔深为1MPa）的1.3倍。100m左右的钻孔供气压力为1.3MPa左右。

4钻进过程中应注意的问题

4.1在钻进过程中，正确的使用潜孔锤才能取得满意的钻进效果，要保证冲击器在工作中的良好润滑，在连接管路中要油雾润滑器，并定期加油。

4.2下钻前要检查冲击器和钎头的连接，特别是低风压冲击器多采用花键和横销连接，一定要检查横销的磨损情况。

4.3在钻进过程中一定要注意进尺速度孔口排渣情况，如果进尺过快就要适当增加停钻排渣的次数，在每次加钻杆前一定要把孔内钻渣排净。

4.4提钻加钻杆前要慢停风，如果提钻遇阻，切忌强力提钻，应及时供风，上下活动钻具或着停风采用慢转转动几分钟，把大颗粒岩屑甩入孔底，然后在提钻。

4.5在钻进松散破碎地层时经常出现漏风、塌孔、返渣率低，上返气流小、大颗粒吹不上来，加杆困难、埋钻等现象，可将粘性空气泡沫液用于空气潜孔锤钻探工艺，由于泡沫液由液相、气相构成，比重轻，具有一定的结构内聚力，能有效清除孔底，携带岩粉，特别是在破碎松散孔段，护壁堵漏作用明显。泡沫液的注入时机，根据进尺快慢和钻机回转阻力大小而定，不必全时段注入。在破碎漏水含水地层，采用粘性空气泡沫液用于潜孔锤钻探工艺可以获得很好的钻进效果。

5 结语

虽然气动潜孔钻探工艺受关键设备空压机的风量、风压制约较大，但随着高风压空压机、大直径冲击器和反循环冲击器的出现，气动潜孔锤工艺在成孔口径和钻进深度方面有所突破，必然会在水文水井施工方面发挥更大的优势。

参考文献

[1]林祥.气动潜孔锤钻进[J].煤炭科学技术，1989年04期.

[2]吴金生.气动潜孔锤钻进中的新型防卡钻具[J].西部探矿工程，2005年11期.

[3]刘金保.空气泡沫气动潜孔锤钻进技术在非洲的应用[J].河北建筑科技学院学报，2005年01期.

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