气动潜孔锤钻进技术在非洲地区供水井施工中的应用

赵海平，金江峰，靳慧洁

(1.河南省地质环境勘查院，河南 郑州 450007;2.河南省地矿局测绘地理信息院，河南 郑州 450006)

据联合国调查报告表明，越来越严重的饮水和卫生危机每年导致非洲数百万人死亡，饮用水不洁问题在非洲地区对于人类的威胁远大于暴力冲突，就目前非洲需要解决的供水问题仍然以农村和小城镇人畜用水为主。虽然非洲部分地区地表水资源比较丰富，但由于气候炎热，病菌及有害微生物在水中能大量繁殖，必须对水质进行处理才能饮用，而处理设备的运营和维护是一个难题，目前解决人畜供水水源的最好办法仍然是采用地下水。

随着改革开放的深入，1997年以来，本单位作为河南省地矿行业水文地质勘察专业队伍，为响应联合国的非洲经济技术援助计划、解决非洲部分地区人畜用水问题，并为河南省地矿行业开辟国际工勘市场，先后在非洲的坦桑尼亚、肯尼亚、乌干达、卢旺达、加纳、几内亚，塞内加尔及南部苏丹等非洲国家，根据当地的地质条件和施工环境，采用气动潜孔锤钻进技术共完成城镇及农村人畜供水井工程施工项目十余个，完成供水井近二千余眼，钻进工作量近十万余米，为解决非洲部分地区人畜用水作出了积极努力，取得了当地民众的高度赞扬和国际社会的普遍认可，并为河南地矿行业开辟国际工勘市场做出了较大贡献，也为我国地矿行业“走出去战略”和河南地矿在非洲国家实施的地质找矿、资源开发战略计划奠定了良好的基础。本文以肯尼亚共和国那库鲁城市供水施工项目和几内亚共和国52眼井供水项目为例，简要介绍本单位采用气动潜孔锤钻进技术在非洲国家人畜供水井施工中的经验与措施，仅供借鉴与参考。

1 项目概况

1.1 项目简介

非洲城镇和乡村人口分布密度的不同，一般供水井共分两类，一类是城镇供水井，另一类是乡村供水井。肯尼亚共和国那库鲁城市供水施工项目是2004年世界银行贷款项目，该项目位于肯尼亚共和国西部那库鲁地区的东非大裂谷断裂带上，共设计供水井12眼，井深120～300 m不等，单井出水量不小于70 m3/h，主要解决纳库鲁市城镇居民生活饮用水问题;几内亚共和国52眼井供水项目是2001年世界银行资金项目，目的是为解决泰勒梅乐、桑格雷地、博凯等省区部分乡村人畜饮水卫生问题，项目共设计供水井52眼，井深60～90 m不等，单井出水量不小于500 L/h。

1.2 地层条件

非洲大陆各时代地层均有发育，以太古界、元古界地层为主，分布范围主要以中、东非和西非南部地区的坦桑尼亚、乌干达、民主刚果、苏丹、几内亚、卢旺达、加纳及尼日利亚、塞内加尔等国为主。地表一般为几米到十几米松散堆积物或风化层，以棕红色粉土及混合土为主，下部为中、弱风化层到完整基岩，基岩岩性主要为一套中深变质的铁镁质—长英质火山岩、火山碎屑岩系。上部风化层基本不含水或含水量很小，且一般水质较差，铁锰质含量较高，下部基岩裂隙及断层带中的地下水补给、径流条件较好，水量丰富、水质良好，是人畜用水的主要供水源。

1.3 主要技术要求

1)供水井结构设计。城镇供水井下泵段钻进孔径不小于Φ300 mm，井管直径不小于 Φ254 mm，终孔孔径不小于Φ155 mm(裸孔段);乡村供水井覆盖层钻进孔径不小于Φ245 mm，基岩段钻进终孔孔径不小于 Φ155 mm，井管直径不小于 Φ140 mm。

2)井深设计。城镇供水井，一般井深120～150 m，部分地区可达300 m;乡村供水井，一般井深60～90 m。

3)成井材料。成井管材为 uPVC井管;砾料采用二氧化硅含量不小于85%、粒径2～3 mm的石英砂。

4)止水固井及抽水试验。距地表5 m左右注入水泥浆至地表固井，防止污水流入。抽水试验采用深井潜水泵或手压、脚踏泵进行，水量计量、水位观测、试验记录等满足国内《水文地质勘查规范要求》。

5)水量。城镇供水井水量一般不小于50 m3/h;乡村供水井水量不小于500 L/h;

6)抽水装备(水泵)。城镇供水井配用深井潜水电泵;乡村供水井配用手压、脚踏泵。各类抽水设备技术性能必须符合国际标准。

1.4 施工条件

1)地层条件复杂，基岩一般为火山岩，岩石可钻性级别一般在8级以上;基岩裂隙不发育，含水量偏小。

2)非洲地区地广人稀、井位分布凌乱，单井距离较远，地表覆盖层松软，施工道路狭小，大型设备运移和材料运输困难。

3)电力匮乏，无施工电源和施工供水水源。

2 设备、机具选型

为适应当地施工环境和道路条件，便于设备搬迁和运输，选用的钻机为:双驱动太脱拉车载式SPC-300H型钻机;英格索兰(Engersoll-Rand)750/900型空压机，根据井深、井径采用单机或双机并联使用;采用 DHD系列、J系列冲击器及与之匹配的 Φ300 mm、Φ250 mm、Φ165 mm、Φ155 mm 合金球齿钻头;单根长度6 m的89 mm或114 mm钻杆;其他附属设备及运输车辆若干。

3 钻进工艺措施

3.1 工艺方法选择

开孔松散层和不稳定的基岩风化破碎带采用合金回转、泥浆护壁钻进，下入临时性护壁管;下部基岩采用采用气动潜孔锤钻进。

3.2 主要工艺措施

3.2.1 覆盖层回转钻进

城镇供水井开孔采用Φ377 mm三翼合金或压轮钻头清水自然造浆护壁钻进至完整基岩，下入Φ325 mm临时性护壁井管(下完井管后拔出);基岩下泵段钻进孔径 Φ300 mm至设计深度，下入 Φ254钢管;下部基岩钻进孔径不小于Φ155 mm，裸孔。

乡村供水井开孔采用Φ245 mm三翼合金或压轮钻头清水自然造浆护壁钻进至完整基岩，下入Φ200 mm临时性护壁井管;下部基岩钻进孔径Φ155mm或Φ165 mm至终孔，

3.2.2 潜孔锤钻进

城镇供水井基岩下泵段钻进采用J250B型冲击器配的Φ300 mm合金球齿钻头钻进，下部至终孔采用 DHD360或JG150型冲击器配 Φ155 mm或 Φ165 mm合金球齿钻头钻进。

乡村供水井基岩段钻进采用DHD360或JG150型冲击器配用Φ155 mm或Φ165 mm合金球齿钻头钻进至终孔。

钻进规程参数的选择:钻压 3.5～5.0 kN;转速 25～30 r/min;供风量 20～40 m3/min，使空气上返风速不小于 15 m/s;空压机额定风压 2.0～2.4 Mpa;以满足冲击器冲击碎岩、清洗孔底、携带岩屑的需要。

基岩潮湿层段钻进:每钻进3 m左右向孔内加2～3桶水，启动空压机向孔内送风后反复提拉钻具，使之产生井喷将孔内岩屑带出地表，可有效清洗孔底，提高钻进效率，预防孔内岩粉糊、埋、卡钻事故的发生。

基岩水下段钻进时，岩屑随水流同时返出地表。形成气、液、固三项流，保证了孔底清洁。气动潜孔锤水下钻进的过程也既洗井的过程，有利于预防岩粉堵塞含水层通道，较大幅度提高了单井出水量。

4 成井工艺措施

管材选择:选用Φ254钢管和Φ140 mmuPVC井管及滤水管。.钢管壁厚不小于7 mm，滤水管孔隙率不小于30%;uPVC井管壁厚不小于5 mm;滤水管为缝隙式，孔隙率不小于25%。

下管方法:井管单根间连接采用丝扣连接，利用钻机自身功能采用起吊法下管。

采用人工投砾法投砾，砾料采用二氧化硅含量不小于85%、粒径2～3 mm的石英砂。

洗井:潜孔锤钻进过程即洗井过程，一般钻进终孔后即可转入抽水试验。

抽水试验:城镇供水井采用深井潜水泵，乡村供水井采用手压、脚踏泵。一般手压、脚踏泵抽水2～3 h水位即趋于稳定。根据单井出水量因地制宜采用量桶法、堰板法计算单井出水量，采用电子水位计测量水位。

5 固井和抽水设备安装

由于非洲地表多为风化混和土及粉土，渗透性较好，地表水易于渗漏，且uPVC井管重量轻，耐腐蚀性强，但强度相对钢管偏低，所以回填至距地面3～5 m时用水泥浆固井，一是防止地表污水渗入，二是防止uPVC井管破碎。手压、脚踏泵主要由泵头、泵座、泵管及泵芯组成，泵与井台的安装见图1，泵座嵌入井台中，使其牢固可靠。深井潜水泵的安装与国内安装方法相同。

图1 手压泵和井台剖面图

6 主要事故预防及处理措施

(1)潮湿层段粘钻、糊钻事故:发生事故后，首先必须保持孔内钻具具有一定的上下活动余地不得拉死，保持钻具系统供风通畅，然后采用从孔口倒入一定量的泡沫溶液对粘附在钻具上的岩渣、岩粉进行稀释，并进行数次强力憋压吹空、排渣，缓解处理岩粉粘糊钻事故。对该类事故的预防措施有以下几种:

①确保供风量，提高空气上返速度，使上返风速达到15～25 m/s，以实现清洁孔底、预防糊钻、快速钻进突破潮湿层段。供风量的确定可根据下式计算:

式中:V为空气上返速度，m/s;Q为空压机额定供风量，m3/min;D为钻孔直径，m;d为钻杆外径，m;K1为孔深修正系数，孔深 100 ～200 m 时，K1=1.05—1.1;孔深 500 m 时，K1=1.25～1.3;随孔深增加而增加。K2为孔内涌水时的风量增加系数，中、小涌水量时，K2=1.5，随涌水量的增加而递增。

②采用空气泡沫或湿式空气钻进法钻进，以稀释岩粉、岩渣对钻具粘糊。空气泡沫或湿式空气钻进法遵循空气泡沫、湿式钻进的配比要求和操作规程。

③加强间歇性停止回转、憋压排渣。即每钻进2 m左右就进行一次保持钻头在孔底的停止回转憋压，当气压憋到一定程度时，提动钻具瞬时释放达到井喷排渣的效果，可有效清除孔底沉渣，消除岩粉、岩渣粘糊钻杆，达到快速钻进潮湿层段的目的。

(2)孔壁掉块、岩渣卡、埋钻事故处理措施:遇钻具回转阻力大且具有憋车现象、气压表压力升高、孔口返风量及排渣不正常时，应及时停止进尺上提钻具，上提钻具遇阻时，不得强力提拔，防止将钻具拉死，上下活动钻具，活动钻具期间增大供风量进行冲孔排渣。钻具活动开后根据具体情况可采用灌注泡沫或憋压井喷等方式进行专项排渣，孔内清洁后再进行钻进。遇较大孔段破碎带且严重塌孔、掉块时，可根据钻孔类型、条件和钻孔目的，分别采取终孔、水泥封孔、技术套管封隔等处理措施。

(3)冲击器折断事故:一般情况该类事故没有专用的冲击器打捞工具，常采用的方法为扩孔套捞的方式进行处理。预防措施为:下钻时仔细检查冲击器外缸上下端接口处是否有裂缝，如有裂缝应及时更换外缸;钻进中密切观察气压表变化和冲击器工作状态(声音和孔口返风量)，发现异常应及时停风提钻检查。

(4)工具及其他物件掉入孔内的事故处理措施:应根据钻孔情况和落入物品的类型及尺寸，可选择套捞、钩抓、磁吸打捞或磨削消灭等方法处理。

(5)其他钻杆事故则采用常规的处理方式。

7 结论与建议

(1)气动潜孔锤钻进在基岩地层钻进效率高，成井质量好，施工成本低，非常适应于在非洲地区浅、中深的基岩地层供水井施工。最高钻进效率达到37 m/h;一般井深60 m左右深的井，10～12 h即可竣工一眼。

(2)成井质量好:空气钻进过程即洗井过程，大幅度减少了泥浆、岩屑对含水层的堵塞，可有效降低洗井时间，大幅提高单井出水量。

(3)优化设备配置。采用性能可靠、机动性强的车载式钻机，实现了空压机、钻杆、成井材料全部车载化的装备配套方案，大幅度降低了搬迁、运输和钻进辅助时间及单井施工周期，提高了综合经济效益。

(4)为解决非洲部分地区人畜用水作出了积极努力，取得了当地民众的高度赞扬和国际社会的普遍认可，并为河南地矿行业开辟国际工勘市场做出了较大贡献，也为我国地矿行业“走出去战略”和河南地矿在非洲国家实施的地质找矿、资源开发战略计划奠定了良好的基础。

(5)专用uPVC井管具有重量轻、使用寿命长、耐腐蚀性强、下管工艺简单快捷、成本低等优势，在水文水井浅井施工中具有广阔的推广应用价值，值得引进推广。

[1]刘三意，等.我国钻掘设备的发展趋势及几种最新机型.探矿工程(岩土挖掘工程).2007，34(6).

[2]许刘万，等.中国水文水井钻探技术及装备应用现状.探矿工程(岩土挖掘工程).2007，34(1).

[3]孙丙伦.应用气举反循环钻进工艺成功解决钻井施工疑难问题.探矿工程(岩土挖掘工程).2007，34(6).

[4]靳双喜，等.气动潜孔锤钻进试验报告.1989.