空气潜孔锤在灰岩地区水文凿井工程应用中应关注的几个问题

肖明　施涛

【摘 要】空气潜孔锤钻探工艺在云南抗旱救灾地下找水打井工程中的广泛应用，大大缩短了工期，为云南抗旱救灾地下找水打井工程赢得了宝贵时间。文章主要对空气潜孔锤凿井施工中遇到的工程问题及解决方法进行了探讨。

【关键词】空气潜孔锤；灰岩；凿井；施工

0.引言

地下水的开发利用尤其是基岩水井钻凿，是人类可持续发展的重要内容之一。空气潜孔锤钻凿基岩水井是国际上常规钻井方法，但技术和工艺上仍存在不足。其是以压缩空气作为动力来破碎岩石，作为循环介质来洗孔、冷却钻头，将岩屑从孔底带出孔外的钻进方法。它有以下特点：①钻进效率高。产生的主要原因一是纯钻时间比率高，这是由于不需要提钻取芯，减少了频繁上下钻的时间。二是钻孔内无液柱的静压力，使钻头下的岩石在地层的“反压差”效应作用下以最大限度释放残余应力，岩屑呈“爆裂”的形式崩离岩体，从而提高了破碎岩石的钻进效率。

同时，由于空气本身粘度小，又以高速吹洗孔底，使孔底净化程度高，几乎没有重复破碎现象。②能延长钻头使用寿命，一个钻头在灰岩中钻进可超过1000米，钻进过程中对地层几乎没有污染，不但避免反复洗井过程，减少工期，而且到含水层由于汽液混合排出，起到了洗井的作用，出水量相对较大。③钻进过程中几乎用不到冲洗液，避免了在缺水地区施工对水的依赖，减少了水的浪费和对地层的污染。④钻探成本低，大约为常规钻进费用的50%。在干旱缺水地区，采用空气潜孔锤钻进工艺可以提高钻进效率、降低成本、缩短施工周期。

1.空气潜孔锤凿井应用由来

从2009年9月到2012年5月，云南大旱已经持续了近3年之久，云南省遭受了百年未遇的严重旱灾。为打赢抗旱救灾攻坚战，继2010年抗旱打井之后，云南省国土资源厅组织开展了地下找水探采井实证工作。截止2012年2月底，仍在持续的干旱已造成全省13个州市，91个县市区631万人受灾。我院为履行“地下找水，共保民生”的使命，特意购买了一套空气潜孔锤钻探设备加入到抗旱突击行动中，期望能发挥其优越性，共保民生，共抗灾害。

本次购买空气潜孔锤钻探设备参数见下表1.1

表1.1钻探设备参数

2.施工中遇到的工程问题及解决方法

本次潜孔锤钻机所凿的4口井的地层上部为填土、第四系粘土或粉质粘土，厚度为5.2米至32米；下伏厚度超过百米的灰岩或白云岩，其为本次找水的含水层。其中砚山落太邑村这口井在粘土层下还有59.8米厚的板岩，泥岩，其下才是白云岩、灰岩。在本次抗旱打井施工中，潜孔锤凿井的优越性是比较突出的，在严重缺水的地方，解决了没有施工用水的问题。在高效率方面，一个班可以凿60多米。但也碰到了不少问题。

2.1土层较厚带来的施工困难

在昆明七甸施工的一口井，该处0～17米为压实填土，17～32米为粉质粘土，土层较厚，压实填土内存在漏风，回填块石卡钻问题；粉质粘土内存在粘土淤积不排，包裹锤头问题。进尺困难且存在风险，后换搅土钻头采用泥浆正循环钻进，遇到漏水段则回填粘土以封堵，虽然进尺慢，但是安全钻穿土层，下管到位。结合几口井的经验，厚度在15米以内，呈可塑～硬塑状的土层可用潜孔锤直接钻进至预定深度，不过应该时刻关注井口的通风排渣问题，不贪进尺，遇到情况立刻提钻。

2.2基岩破碎段

潜孔锤破碎段钻进时，锤头锤击不平稳，钻具旋转阻力也较大，此时应慢转速，减压钻进，这样即保证了破碎段井孔的偏斜，又确保了施工安全。钻进中应少进尺，多提钻通风，直到上下钻都顺利时方可继续钻进。

潜孔锤钻进时，冲击破碎的岩石颗粒较大，反复的排渣冲刷会破坏破碎段岩石的稳定性，极易引发掉块卡钻问题。如在文山大麦冲凿井施工中，在提升钻杆至85米时，发生掉块卡钻，提升十分困难，此时采用加钻杆向下反复活动，加完6米后水流带着岩块冲出，卡钻消除。

2.3溶洞地段

潜孔锤钻进过程中最怕遇到溶洞，溶洞的外硬内软结构极易造成潜孔锤打偏下不了管，且内部结构复杂，漏风，掉块经常存在，当遇到溶洞时候，进尺要求很慢，反复钻进。为控制斜度，钻进时以最慢转速钻进，进入溶洞内可不回转，直到遇见岩石后方可慢速回转钻进。对溶洞的最好处理办法是下套管阻隔，或者是采用水泥浆封堵。溶洞有大有小，有的有充填物，有的充填物已经被地下水带走。当钻进过程中遇到掉钻，井口还能反空气，则说明溶洞小，和外界连通差，还可以继续钻进。当然，也有可能是有充填物的大溶洞，这时要靠返出的物质来判断，若在浅层遇到溶洞，钻井几米后仍有泥土排出，在损失不严重的情况下建议移孔。

2.4孔斜问题

在施工过程中，地表覆盖层多为第四系残坡积层，且多夹有块石，在平面上造成了软硬不均衡段；含水段钻进时，由于岩石节理裂隙发育，构造作用强，造成岩体的破碎不均匀，钻进过程中极易造成孔斜。总结控制钻孔偏斜要点如下：

（1）钻机固定时，塔架应该用水平卡尺来调节垂直，并且每天开工前都应该再次校对，确保塔架的垂直度，当下完套管继续钻进时，可以选择对中下钻。

（2）钻机动力头滑道每天上钙基油润滑，链条每天上机油润滑，滑轮与滑道之间的间隙不能太大，当发现动力头滑块磨碎严重，动力头上下移动摆动较大时，应该更换滑块。

（3）开孔时候不可回转钻具，不管是在基岩上开孔还是在土层上开孔，都应该垂直钻进一定深度后再回转钻进，确保开孔就正。

（4）钻进过程中，无论采用何种钻进方式，钻速，钻压的控制非常重要。潜孔锤钻压以满足冲击器正常工作不反弹为宜，在遇到软层或者破碎段，应该减压小进尺钻进；钻速不应太快，钻进正常时候采用2档慢速93r/min，遇到破碎段，或者钻进深度过百后，宜采用1档快速50r/min。

（5）潜孔锤冲击器（Φ124，Φ136），锤头和钻杆（Φ95）之间直径相差较大，在遇到软硬相间的岩层或者构造发育地段，往往没有导向性，极易造成钻孔的偏斜。采用加导正钻杆作为扶正器来加以控制，在设备孔口处加设限制钻杆摆动的装置来控制了孔斜。

2.5不排渣问题

在钻进过程中，时常会遇到有进尺但不排渣现象，不排渣有两种：一个是漏气不排渣，一个是岩粉含少量水份不排渣。

漏气不排渣很危险，岩粉过多很可能造成埋钻事故。现场操作人员遇到漏气不排渣现场，应及时停止钻进，但须保证通风，仔细查明井口返气大小，返渣情况，若是无风无渣，应及时提杆再做处理；若是稍微漏风，返渣少，可来回多提几次钻杆帮助排渣，看到排渣差不多时可小心继续钻进，尝试一根杆，少进尺多提杆排渣，若排渣仍不顺，应考虑提杆处理。漏风最直接的办法就是下管，实例：丘北树皮乡水井钻进到120米开始有漏风，但可排渣，尝试打至125米后风变小且不返渣，后下Φ168套管至125米，下Φ152锤头可下至115米，通风后岩粉全部排出。

在本次抗旱过程中，一些以前是主要含水层的地段，由于水位的下降，岩溶水疏干枯竭，在起初钻进时由于有风压机提供一定温度的风冲刷井孔，很难看出有水的痕迹，但当第二天下钻时候，往往能够排出5～10升水来，润湿孔壁，在继续钻进过程中，由于岩粉与水结合形成岩粉颗粒或者岩粉块，当颗粒的重量超出了上返气流的携带能力，这些岩粉颗粒就会悬浮于孔中或者附着在孔壁上，造成缩颈或者是埋钻。不排渣是由于含有少量水造成的，并非漏风问题，所以向孔内加足够量的水，把岩粉块软化，在空压机工作下足够把岩粉排出，但是处理要及时，且必须是孔内不漏风，否则可溶岩胶结后，加水反而适得其反。实例：丘北县树皮乡矣得村水井在下套管至125米，往下钻进过程中，未遇到漏风现象，但是岩粉排出量明显不足，后决定提杆通风多吹，在提至套管内被卡死，上下不能，观察井口通风正常，于是决定向井内灌水直到井口，开空压机通风后水流带着岩粉排出，卡钻消除。

针对排渣困难问题，可以尝试添加泡沫剂，对排渣困难问题应该会有所改善。

2.6下套管

潜孔锤打出的水井比起传统水井来说，下套管很困难。一个原因在于孔壁不光滑，另一个原因在于孔的斜度难以控制。

针对以上难题，我们采取的办法是，在尽量控制孔斜度的基础上，我们用大口径锤头开孔，尽量大口径向下打，以大口径下小套管，且在下套管前，用6～7米长的钻具先修孔，再下套管。用此方法，往往都能顺利下到位。实例：丘北县树皮乡矣得村水井，在保证孔正的基础上，0～41米用Φ305开孔，41～110米用Φ254，110～125米用Φ216，未用钻具修孔，直接下Φ168套管顺利到位，孔壁以岩粉混砂填密实，未出现漏风现象。

对于下套管，还应该注意一些问题。潜孔锤所打的井，孔壁的光滑度与垂直度都不太乐观，所以下套管应该以套管的自由下落和小角度的旋转来下管，采取暴力强硬下管，往往会造成工程事故。

3.工程中的注意事项

（1）钻进过程中应该时刻关注孔内情况：岩石的岩性，裂隙发育，破碎程度，含水多少；孔内返风排渣情况。做到时刻关注，及时处理。

（2）对管井结构要提前有所规划，并根据工程实际情况加以调整。

（3）保持钻具内孔清洁，以防将潜孔锤活塞卡住而不能工作，防止过快磨损内缸套和活塞；钻孔较深时，由于锤头外侧的空气还有一定压力，卸钻杆丝扣时应该慢慢松丝扣放气，以防泥沙倒拥堵入冲击器内造成堵塞。

（4）加钻杆后，先探明井内沉渣，如超过0.5m时，要先送风清渣，然后再正常钻进。

（5）每回次结束，要及时检查潜孔锤，如丝扣连接部位及钻头卡销等关键部位，以防潜孔锤零部件脱落井内；钻杆丝扣要上油，不用的钻杆要油封保护；钻机，空压机空气滤芯要每天清理，设备要每天清洁维护。

4.结语

潜孔锤井相比传统凿井设备在钻进效率、钻井成本等方面具有较大优势，特别是在缺水地区施工优越性更明显。在利用潜孔锤在灰岩地区凿井过程中，潜孔锤凿井的确存在不少的弊病。使我们碰到了很多的问题，但通过总结经验教训，找出解决方法，不断改进，我们认为潜孔锤凿井在云南干旱缺水的灰岩地区值得多加应用。