论文部分内容阅读
【摘 要】气动潜孔锤钻进技术以其钻进效率高、钻孔质量好等一系列优点已被广泛应用于地质勘探工程领域，为使这一技术能够更好的应用，本文介绍了气动潜孔锤钻进技术在粘土层、破碎坍塌地层以及河床卵砾石地层中的钻进工艺。
【关键词】气动潜孔锤 ；钻进工艺；复杂地层
一、钻进技术根据施工区域的地质情况，钻孔机常采用四种主要的钻孔方法。
a、气动或液压驱动的旋转动力头与冲击设备结合，通过钻杆的顶部传输旋转和冲击能量，通过钻杆中的冲击波传递能量给钻头进行钻孔。仅限于小孔径和深度浅的作业，一般常用于采石场，建筑工地和地下采矿作业。
b、潜孔锤（以下简称DTH）位于钻柱的底部，压缩空气通过钻柱进入DTH，驱动活塞往复运动直接冲击钻头，向岩石传递冲击能量。系统功率损耗不大，特别适用于深孔、直孔和中硬岩石。
c、反循环（RC）钻孔是采用DTH从钻头面收集并输送岩石样品的一种形式，通过DTH的中心管将干燥和未被污染的岩屑装入样品收集装置，为地质分析作准备。
d、由液压或电动马达驱动的齿轮箱形成旋转的动力头，通过钻架上上下移动的进给系统和厚壁钻杆产生下拉力给三牙轮钻头施加足够的进给力。用于较软岩石或强节理硬岩石。
二、气动潜孔锤跟管钻具系统一般主要由潜孔冲击器、导向钻头、环状钻头、扩孔钻头、套管靴及套管组成。
管钻具由钻机提供回转扭矩及推进动力，空压机提供高压空气通过钻杆进入潜孔冲击器使其工作。冲击器冲击跟管钻具的导正器并将冲击波及钻压传给中心钻头及环状钻头破碎孔底岩石。同时钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器带动导正器转动使偏心钻头张开，使扩孔钻头及中心钻头跟随导正器旋转，钻出大于套管外径的孔，使套管在自重作用下隨钻头跟进。当自重小于套筒外壁的摩擦阻力时，内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直至导正器上的凸肩与套管靴的凸肩接触，导正器将部分钻压和冲击波传递给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。导正器及导向钻头中心开有吹岩屑的气孔，周边开有排除岩屑的气槽。压缩空气经冲击器做功后经导正器及中心钻头到达孔底，冲刷岩屑、冷却钻头并携带岩屑经中心钻头及导正器的气槽进入冲击器、钻杆与套筒之间的环状空间排除孔外。待钻至地层预定深度或基岩时，钻具慢速反向旋转，使扩孔钻头收回从而将钻具提出孔外，而套管则留在地层中保护孔壁。
三、气动潜孔锤钻进原理
气动潜孔锤钻进是以压缩空气作为动力，推动潜孔锤工作，利用潜孔锤对钻头的往复冲击作用，来达到破碎岩石的目的，被破碎的岩屑随潜孔锤工作后排出的废气携带到地表。由于用途范围的不断扩大，促进了潜孔锤向多品种（常规式、偏心式、中空式、多种口径）、大口径以及集束式发展。
四、气动潜孔锤钻进的优点
1.适用于极硬、中硬地层中钻进，效率和成孔质量均很高。
2.所需钻压小。一般钻压在10～30kN。
3.钻孔垂直度好。
4.设备损耗小。与回转钻进相比，潜孔锤钻进所需扭矩较小，这样对设备的损耗相对很小。
5.潜孔锤钻进维修费用低，使用寿命长，每米进尺成本比一般回转钻进降低50%。
6.钻进时不用水，有效的解决了干旱缺水地区施工供水困难问题
五、气动潜孔锤在不同地质的应用
1、复杂地层分类
（1）钻进过程中，孔内经常出现各种复杂情况，如涌水、岩石破碎、孔壁坍塌、钻孔直径扩大或缩小等，使钻进工作不能正常进行，严重的会导致孔内事故，被迫停钻，甚至造成钻孔报废。容易出现上述情况的地层称为复杂地层。
（2）在工程地质及水文地质钻探中，经常遇到的复杂地层主要有：粘土地层、破碎坍塌地层和卵砾石地层。
2、在粘土地层中的钻进
（1）粘土及粘土质页岩地层为高水敏性地层，岩石松软，吸水后膨胀，钻孔缩颈。目前钻进此类地层，大多应用回转钻进的方法。潜孔锤遇此类地层极易出现糊钻，形成泥包或泥环，以致造成卡埋钻事故。通常岩芯钻探对付此类地层的方法为加入各种冲洗液添加剂，如水玻璃、PAM、PHP低固相泥浆等，意在采用优质泥浆护壁，以降低失水。
（2）实践表明：空气潜孔锤钻进粘土层时，进尺仍然很快，但为了避免缩颈造成的提钻困难，应采用减压钻进，且进尺一定深度后应反复上下串动钻具，进行扫孔，等粘土应力基本释放，不再缩颈为止。若一旦发生因缩颈引起的提钻困难，则应采取以下措施：一是提钻，用动力头把钻具提到最高点；二是钻磨，让动力头带动钻具不停地转动；三是上下串动钻具，在原地转动约10分钟后，用动力头上下串动约1分钟。为有效地解决或避免泥包和泥环，防止事故，期间应向孔内加入泡沫，因其比重小，含水少，润滑作用好，可有效地减少粘土对钻具的夹持作用。
3、在破碎坍塌地层中的钻进
（1）通常岩芯钻探中遇到破碎坍塌地层时，除减压钻进、适当降低转速外，着重从护壁材料入手，力图保持孔壁稳定。
（2）空气潜孔锤钻进此类地层应注意：一是钻孔结构设计不宜过于复杂，因变径多势必影响上返风速；二是严格控制钻压和转速，使其低于正常值，即轻压慢转，以免加速地层坍塌，造成卡钻和折钻事故。
（3）若坍塌掉块相当严重，常规方法无法钻进，可考虑提出钻具，灌入水泥浆（一般采用C40以上水泥，以期较高的早期强度）。待水泥浆渗入裂隙将破碎岩石胶结凝固后，再用潜孔锤钻进。
（4）潜孔锤在钻进破碎地层时，高速气流携带较大岩屑上返，反复冲刷粗糙的孔壁，致使孔壁碎块脱落而造成掉块。若掉块较大，而风量不足，就难以将其携带出钻孔，而落至潜孔锤与钻杆变径处，造成卡钻或赌风，使下部岩屑难以上返，同时钻杆扭矩增大，钻杆很容易折断。实践表明，在出现卡钻事故时，钻具可以暂停回转，潜孔锤继续冲击，并同时提动钻具，尽可能用潜孔锤的振动解除卡钻。提动钻具时，先以最低速试回转，待回转正常后，再继续钻进。卡钻严重时，在未采取其他措施前，要维持送风不间断，防止埋钻。
4、在河床卵砾石地层中的钻进
（1）卵砾石地层钻进目前已有多种钻进技术，如传统的跟管、冲击成孔、普通回转方法等，较先进的有孔内预裂爆破、反循环连续取芯、ODEX、双回转跟管等方法。但均存在一定弊端，传统钻进方法速度慢、效率低、质量差，较先进的方法一是成本高，二是不同程度地受到具体条件的限制。
（2）目前在河床卵砾石地层中钻进，国内已有较好的施工方法。例如，重庆南江岩土勘察设计院在嘉陵江大堤勘察施工中采用偏心跟管空气潜孔锤技术，在河床卵砾石层钻探中取得成功。由于偏心潜孔锤的碎岩方法改变了传统的碎岩机理（切削、研磨、压裂），在冲击器做功时产生粗颗粒（2～3cm）的体积破碎，加之套管跟进封闭隔绝了空气在卵石层的泄露，在套管与钻具的间隙产生高速气流（>15cm/s），迅速将岩屑排出孔外，避免了重复破碎。此外，对难以及时破碎的岩石，在回转钻进压力作用下，钻具可将它挤向孔壁，有利于继续向下破碎。
结语
以上所述空气潜孔锤在各种复杂地层中的钻进技术，是对近年来较为成功的实践经验的总结，希望能为广大同仁今后的工作有所帮助
参考文献：
[1]郭绍什.钻探手册武汉：中国地质大学出版社，1993.
[2]耿瑞伦，陈星庆.多工艺空气钻探。北京：地质出版社，1995.
【关键词】气动潜孔锤 ；钻进工艺；复杂地层
一、钻进技术根据施工区域的地质情况，钻孔机常采用四种主要的钻孔方法。
a、气动或液压驱动的旋转动力头与冲击设备结合，通过钻杆的顶部传输旋转和冲击能量，通过钻杆中的冲击波传递能量给钻头进行钻孔。仅限于小孔径和深度浅的作业，一般常用于采石场，建筑工地和地下采矿作业。
b、潜孔锤（以下简称DTH）位于钻柱的底部，压缩空气通过钻柱进入DTH，驱动活塞往复运动直接冲击钻头，向岩石传递冲击能量。系统功率损耗不大，特别适用于深孔、直孔和中硬岩石。
c、反循环（RC）钻孔是采用DTH从钻头面收集并输送岩石样品的一种形式，通过DTH的中心管将干燥和未被污染的岩屑装入样品收集装置，为地质分析作准备。
d、由液压或电动马达驱动的齿轮箱形成旋转的动力头，通过钻架上上下移动的进给系统和厚壁钻杆产生下拉力给三牙轮钻头施加足够的进给力。用于较软岩石或强节理硬岩石。
二、气动潜孔锤跟管钻具系统一般主要由潜孔冲击器、导向钻头、环状钻头、扩孔钻头、套管靴及套管组成。
管钻具由钻机提供回转扭矩及推进动力，空压机提供高压空气通过钻杆进入潜孔冲击器使其工作。冲击器冲击跟管钻具的导正器并将冲击波及钻压传给中心钻头及环状钻头破碎孔底岩石。同时钻机带动钻杆回转，钻杆将回转扭矩传递给冲击器带动导正器转动使偏心钻头张开，使扩孔钻头及中心钻头跟随导正器旋转，钻出大于套管外径的孔，使套管在自重作用下隨钻头跟进。当自重小于套筒外壁的摩擦阻力时，内层跟管钻具继续向前破碎岩石，直至导正器上的凸肩与套管靴的凸肩接触，导正器将部分钻压和冲击波传递给套管靴，迫使套管靴带动套管与钻具同步跟进。导正器及导向钻头中心开有吹岩屑的气孔，周边开有排除岩屑的气槽。压缩空气经冲击器做功后经导正器及中心钻头到达孔底，冲刷岩屑、冷却钻头并携带岩屑经中心钻头及导正器的气槽进入冲击器、钻杆与套筒之间的环状空间排除孔外。待钻至地层预定深度或基岩时，钻具慢速反向旋转，使扩孔钻头收回从而将钻具提出孔外，而套管则留在地层中保护孔壁。
三、气动潜孔锤钻进原理
气动潜孔锤钻进是以压缩空气作为动力，推动潜孔锤工作，利用潜孔锤对钻头的往复冲击作用，来达到破碎岩石的目的，被破碎的岩屑随潜孔锤工作后排出的废气携带到地表。由于用途范围的不断扩大，促进了潜孔锤向多品种（常规式、偏心式、中空式、多种口径）、大口径以及集束式发展。
四、气动潜孔锤钻进的优点
1.适用于极硬、中硬地层中钻进，效率和成孔质量均很高。
2.所需钻压小。一般钻压在10～30kN。
3.钻孔垂直度好。
4.设备损耗小。与回转钻进相比，潜孔锤钻进所需扭矩较小，这样对设备的损耗相对很小。
5.潜孔锤钻进维修费用低，使用寿命长，每米进尺成本比一般回转钻进降低50%。
6.钻进时不用水，有效的解决了干旱缺水地区施工供水困难问题
五、气动潜孔锤在不同地质的应用
1、复杂地层分类
（1）钻进过程中，孔内经常出现各种复杂情况，如涌水、岩石破碎、孔壁坍塌、钻孔直径扩大或缩小等，使钻进工作不能正常进行，严重的会导致孔内事故，被迫停钻，甚至造成钻孔报废。容易出现上述情况的地层称为复杂地层。
（2）在工程地质及水文地质钻探中，经常遇到的复杂地层主要有：粘土地层、破碎坍塌地层和卵砾石地层。
2、在粘土地层中的钻进
（1）粘土及粘土质页岩地层为高水敏性地层，岩石松软，吸水后膨胀，钻孔缩颈。目前钻进此类地层，大多应用回转钻进的方法。潜孔锤遇此类地层极易出现糊钻，形成泥包或泥环，以致造成卡埋钻事故。通常岩芯钻探对付此类地层的方法为加入各种冲洗液添加剂，如水玻璃、PAM、PHP低固相泥浆等，意在采用优质泥浆护壁，以降低失水。
（2）实践表明：空气潜孔锤钻进粘土层时，进尺仍然很快，但为了避免缩颈造成的提钻困难，应采用减压钻进，且进尺一定深度后应反复上下串动钻具，进行扫孔，等粘土应力基本释放，不再缩颈为止。若一旦发生因缩颈引起的提钻困难，则应采取以下措施：一是提钻，用动力头把钻具提到最高点；二是钻磨，让动力头带动钻具不停地转动；三是上下串动钻具，在原地转动约10分钟后，用动力头上下串动约1分钟。为有效地解决或避免泥包和泥环，防止事故，期间应向孔内加入泡沫，因其比重小，含水少，润滑作用好，可有效地减少粘土对钻具的夹持作用。
3、在破碎坍塌地层中的钻进
（1）通常岩芯钻探中遇到破碎坍塌地层时，除减压钻进、适当降低转速外，着重从护壁材料入手，力图保持孔壁稳定。
（2）空气潜孔锤钻进此类地层应注意：一是钻孔结构设计不宜过于复杂，因变径多势必影响上返风速；二是严格控制钻压和转速，使其低于正常值，即轻压慢转，以免加速地层坍塌，造成卡钻和折钻事故。
（3）若坍塌掉块相当严重，常规方法无法钻进，可考虑提出钻具，灌入水泥浆（一般采用C40以上水泥，以期较高的早期强度）。待水泥浆渗入裂隙将破碎岩石胶结凝固后，再用潜孔锤钻进。
（4）潜孔锤在钻进破碎地层时，高速气流携带较大岩屑上返，反复冲刷粗糙的孔壁，致使孔壁碎块脱落而造成掉块。若掉块较大，而风量不足，就难以将其携带出钻孔，而落至潜孔锤与钻杆变径处，造成卡钻或赌风，使下部岩屑难以上返，同时钻杆扭矩增大，钻杆很容易折断。实践表明，在出现卡钻事故时，钻具可以暂停回转，潜孔锤继续冲击，并同时提动钻具，尽可能用潜孔锤的振动解除卡钻。提动钻具时，先以最低速试回转，待回转正常后，再继续钻进。卡钻严重时，在未采取其他措施前，要维持送风不间断，防止埋钻。
4、在河床卵砾石地层中的钻进
（1）卵砾石地层钻进目前已有多种钻进技术，如传统的跟管、冲击成孔、普通回转方法等，较先进的有孔内预裂爆破、反循环连续取芯、ODEX、双回转跟管等方法。但均存在一定弊端，传统钻进方法速度慢、效率低、质量差，较先进的方法一是成本高，二是不同程度地受到具体条件的限制。
（2）目前在河床卵砾石地层中钻进，国内已有较好的施工方法。例如，重庆南江岩土勘察设计院在嘉陵江大堤勘察施工中采用偏心跟管空气潜孔锤技术，在河床卵砾石层钻探中取得成功。由于偏心潜孔锤的碎岩方法改变了传统的碎岩机理（切削、研磨、压裂），在冲击器做功时产生粗颗粒（2～3cm）的体积破碎，加之套管跟进封闭隔绝了空气在卵石层的泄露，在套管与钻具的间隙产生高速气流（>15cm/s），迅速将岩屑排出孔外，避免了重复破碎。此外，对难以及时破碎的岩石，在回转钻进压力作用下，钻具可将它挤向孔壁，有利于继续向下破碎。
结语
以上所述空气潜孔锤在各种复杂地层中的钻进技术，是对近年来较为成功的实践经验的总结，希望能为广大同仁今后的工作有所帮助
参考文献：
[1]郭绍什.钻探手册武汉：中国地质大学出版社，1993.
[2]耿瑞伦，陈星庆.多工艺空气钻探。北京：地质出版社，1995.