简述气动潜孔锤在水井施工中主要参数的选择

简述气动潜孔锤在水井施工中主要参数的选择

发表时间：2016-08-23T14:26:21.187Z 来源：《低碳地产》2015年第5期作者：樊留建[导读] 简单叙述了气动潜孔锤工艺在山东抗旱找水项目中的应用实例。

四川省核工业地质调查院四川成都 610061 【摘要】主要阐述了如何在气动潜孔锤施工工艺中选取钻压，风压，风量及风速等主要钻进参数；简要介绍了气动潜孔锤钻进过程中注意事项；简单叙述了气动潜孔锤工艺在山东抗旱找水项目中的应用实例。【关键词】气动潜孔锤；钻进参数；水井 1、前言

空气潜孔锤是以压缩空气为动力的一种风动冲击器。它通过将产生冲击功和冲击频率直接传给钻头，再由钻机带动钻头做慢速的回转运动，进而不断形成对孔底不同扇面的新鲜岩石冲击破碎效果。同时利用冲击器排出的压缩空气，对钻头进行冷却和将破碎后的岩石颗粒排出体外，从而实现了孔底冲击回转钻进的目的。它具有钻进效率高、碎岩能量利用率高等优点。然而实现高效钻进，就必须选择合理的钻进参数。

2、钻进参数的选择

2.1钻压的选择

空气潜孔锤钻进的基本工作过程，是在静压力（钻压）、冲击力和回转力三种力作用下不碎岩的。其钻压的主要作用是为保证钻头齿能与岩石紧密接触，克服冲击器及钻具的反弹力（也称背压），以便有效地传递来自冲击器的冲击功。钻压过小，难以克服冲击器的工作时的背压和反弹力，直接影响冲击功的有效传递。对于潜孔锤全面钻进，一般认为单位直径的压力值在30～90kg/cm，钻压的合理选择应考虑到钻进方式（裸孔或偏心跟管、全面钻进或取心钻进），设备性能、钻具匹配（钻具钻量），以及所选用的冲击器的性能（如低风压还是中高压，因工作压力的不同而背压不同）进行综合考虑，既要达到最佳的钻进效果，还要最大限度地减少钻具及钻头的磨损。钻压的选取可参照表1。

潜孔锤钻进主要靠冲击器活塞来冲击钻头，而不是靠钻杆柱加压提高钻速。如果孔内钻柱自身重力超出其范围时应采取减压钻进。钻压过高会导致钻杆剧烈震动，将会增大回转阻力和使钻头早期磨损，会损坏冲击器，钻孔弯曲和钻速下降等问题。因此，在选取压力参考值是应尽可能取下限值。

2.2转速的选择

潜孔锤钻进是冲击回转钻进并以冲击作为碎岩主要方式的钻进方法。所以无需过快的线速度。一般转速选用每分钟20转左右为好，转速太快，对钻头的寿命不利，特别在研磨性强的岩层，转速过快将使钻头外围的刃齿很快磨损和碎裂。转速过高也会导致钻进效率的降低。由于气功潜孔锤进是冲击碎岩的，回转只为改变钻头合金的冲击破岩位置，避免重复破碎，因此转速的选择主要和冲击器的冲击频率，规格大小以及钻岩的物理机械性质有关。合理的转速应保证在最优的冲击间隔范围之内。最优冲击间隔的确定，多采用两次冲击间隔的转角表示，转速与冲击频率和最优转角的关系式如下： A=n360°/m

式中：A ------ 最优转角（度）； n ------ 钻具转速（r / min）；

m ------ 冲击频率（次/min）；

美国水井学会（N?W?W?A）康伯尔认为在硬岩中两次冲击之间的最优转角为11°，因而主张钻机立轴转速在18～30r/min。通过对各种地层及潜孔锤钻进的不同钻进试验应用，认为钻速选择在20～50转/分是比较合理的，对于硬岩层选用低转速，对于软岩层选用较高转速。

如果转速太慢，则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点（凹坑）重复，导致钻速下降。常规是岩石愈硬或钻头直径愈大，愈要求用较低之转速。在某些严重裂隙性岩层中钻进，有时为防止卡钻而采用增加转速的办法。但也要注意有时卡钻是因为钻头已过度磨损，而增加转速会使问题复杂化。对潜孔锤钻进，最优钻头回转速度，应以获得有效的钻速、平稳的操作和经济的钻头寿命作为一般要求，现提出下列经验数据供选择：覆盖层为4O～6Or／min；软岩为3O～5Or／min；中硬岩层为2O～4Or／min；硬岩层为1O～3Or／min。根据岩石性质、钻头直径、冲击器的冲击功、冲击频率来确定。一般直径在2O0mm左右的钻孔，中硬地层2O～3Or／min、硬岩层10～2Or／min。

2.3风压的选择

潜孔冲击器的冲击频率和冲击功都与空气压力有关，空气压力是决定冲击功的重要因素，因而也是影响机械钻速的主要参数，一般认为所用压缩空气的压力高，则潜孔锤钻进的效率也高，而且钻头的使用寿命也会变长。空气压力应满足管道的压力损失，孔内压力降、潜孔锤压降，以及在有水情况下克服水柱压力，才能正常工作。 P=Q2 L＋Pm＋P锤＋P水

式中：P -----空气压力（Mpa）

Q2-----每米干孔的压力降（一般为0.0015Mpa/m）；

L------钻杆柱长度（m）；

Pm-----管道压力损失（Pm=0.1～0.3Mpa）；

P锤-----潜孔锤压力降（Mpa）；

P水-----钻孔内水柱压力（Mpa）；

从上式可以看出，随着钻杆柱长度的增加，所需空气压力就越大，钻进深度也越大。

2.4风速和风量的选择

空气钻进中空气清耗量是根据气动潜孔冲击器的性能参数及为清除孔内岩屑的最低上返速度而确定。在进行大口径潜孔锤钻进时，钻孔直径和所用钻杆直径的级差比大时，就出现了潜孔锤供风量不能满足排渣所需风量的问题，所以携带孔底岩屑钻杆直径与井壁之间的环状间隙就显得尤为重要。供风量的选择与确定，主要是要保证一定的的环空上返风速，保证清除和携带孔底岩屑。一般的，取心钻进时，上返速度V=10～15m/s，全面钻进时V=20～25m/s。为满足上述要求对空气量的计算，一般采用下式： Q=47.1K1K2（D2－d2）V

式中：Q--------钻进时所需空气量（m3/min）；

K1--------孔深损耗系数，孔深100～200m以内取1.0～1.1；

K2-------孔内涌水时，风量增加系数，其值与涌水量有关，中等和入涌水量成K2=1.5； D--------钻孔直径（m）；

d--------钻杆外径（m）；

V--------环状间隙气流上返速度；

选择好风量、风速和风压的技术关键在于如何掌握好３个关系：

a.空气能量和循环阻力的关系；

b.上返速度和清孔效果的关系；

c.介质密度和钻井条件的关系。

在解决好上述关系的同时，还要采取相应的技术措施，如：增加供风量和供风压力；减小环流断面；为减少岩屑堆积，还可在潜孔锤上部安装沉淀管的办法，能取得效果，并使风量消耗减轻。

总之，钻进技术参数的选择应考虑到岩石的机械特性，冲击器的性能，钻孔深度，孔内水柱压力，钻孔口径等诸多因素，在取得最佳的钻速同时，避免更多的动力及成本消耗。

3、气动潜孔锤钻进注意事项

（1）冲击器的润滑

冲击器一般都工作比较恶劣的环境下，高速循环介质流经冲击器也会不停的带走冲击器内部的润滑油，因此要时常的加注润滑油以保证冲击器的正常运行和延长冲击器的使用寿命。一般每隔一段时间就应在下钻前向冲击器加注润滑油。当钻进不正常或潜孔冲击器工作不稳定时，应检查拆洗冲击器，保持其良好的工作状态。

（2）管路的密封

循环管路要保持良好的密封性能，以保证风压风量的稳定，这也是潜孔锤钻进工程中十分重要的保障工作。空压机与钻机之间的管路要求采用双层钢丝高压管并且用丝扣连接。要求及时更换掉不能良好密封的钻杆及密封件。

（3）钻头的检查

潜孔钻头承担着钻进中主要的负荷，因此要定期检查是否有裂纹和破损，有则及时更换，以免断钻头。钻头也是钻进过程中直接的碎岩工具，保持其高效的工作，就要随时检查钻头合金齿的磨损和损坏情况，做必要的打磨，修补和更换。

（4）检查钻具，预防钻具事故

采用空气潜孔冲击器取心钻进，由于钻具受着冲击，回转扭矩及静压等复杂的应力作用，应当十分重视对钻具连接丝扣，钻具磨损，冲击器连接部位的检查，发现总是及时采取更换，修复等措施。

（5）吹井：

下钻到底钻进前，应当强力“吹井”，钻进中根据进尺速度，孔口排屑情况情况，适当停钻“吹井”，要始终保持孔内清洁。下钻接上主动钻杆应供风，采心后起钻时徐徐关风，提钻遇阻，切忌强力提钻，应及时供风，上下活动钻具再停风提钻。

4、工程实例

自2010年9月以来，我国北方地区遭遇50年一遇（局部地区为100一遇）的罕见旱灾，山东省自2010年9月23日以来，全省平均降水量仅12毫米，比常年偏少85%。为应对日益严重的春旱，四川省核工业地质局受四川省国土资源厅委派和山东省国土资源厅的安排独立承担了泰安新泰市抗旱找水打井工作。

（1）地质条件

新泰市境内地层自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露，基岩出露的面积约占全区的2/3以上，多沿各断块呈北西—南东向展布，第四系主要分布于新泰—楼德山间盆地一带。另在放城、石莱两镇有零星分布，属于泗河流域支流谷地。各地目的层主要岩性为灰岩。

（2）设备配置

本次施工钻机主要有：SL800S型、SLY600型、SL500型、SZ500型四种履带式气动潜孔钻机。，该类型钻机具备20r/min~40r/min的低转速档，具有较好的加压、减压机构，给进行程大、可车载和自行，机动性能好。

配备了三种空压机：PD5J750S型空气压缩机，工作压力21.1大气压，风量21m3/s；SM18BL20型空气压缩机，工作压力20大气压，风量18m3/s。LVY215-21型空气压缩机，工作压力21.5大气压，风量21 m3/s。

选用中频、大冲击功的冲击器配硬质合金球齿钻头，配备规格有：φ380、φ360、φ340、φ273、φ219、φ168几种。 φ219凸底状硬质合金柱齿，此类型钻头适合用于钻进速度要求较高的硬、研磨性强的岩层钻进。其凸形表面相对克取岩层表面较小，能产生较大的冲击功，并获得高的钻速。但钻孔垂直度比其他钻头要差一些；