地層鋼粒施工實(shí)踐討論

地層鋼粒施工實(shí)踐討論

鋼粒鉆進(jìn)是鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層的另一種主要方法，這種施工方式具有施工設(shè)備簡單，操作工藝易行，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋼粒鉆進(jìn)，裂隙地層，巖溶溶洞地層。

由于切削具硬度及耐磨性的原因，硬質(zhì)合金鉆進(jìn)只適用于中等硬度以下的軟巖層；金剛石鉆進(jìn)可鉆性級別較高，但金剛石產(chǎn)量少，價(jià)格昂貴，普及于日常生產(chǎn)有相當(dāng)?shù)碾y度，并且，金剛石受到太大的沖擊容易破碎，也不適用于裂隙、溶巖溶洞地層鉆進(jìn)。

鋼粒鉆進(jìn)是鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層的另一種主要方法，這種施工方式具有施工設(shè)備簡單，操作工藝易行，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于鋼粒不固定在鉆頭上，在裂隙、巖溶溶洞地層，鋼粒容易大量漏失、流失，使得鉆頭底唇面下沒有足夠的鋼粒破碎巖石，鉆具無法克取巖石取得進(jìn)尺，所以，鋼粒鉆進(jìn)在裂隙、巖溶溶洞地層中的應(yīng)用也受到很大的限制。

我們在淅川水源地裂隙、巖溶溶洞地層鉆井施工中，經(jīng)過技術(shù)分析與攻關(guān)，采用鋼粒鉆進(jìn)工藝，順利完成了施工任務(wù)，在鋼粒鉆進(jìn)裂隙、巖溶溶洞地層方面，取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.概述

工程概況

由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，淅川縣城段水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，超出了國家Ⅳ級飲用水標(biāo)準(zhǔn)，且水量供給日益萎縮。飲用水對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展、人民的日常生活已經(jīng)造成嚴(yán)重的影響。為此，經(jīng)多方論證，開辟、建設(shè)新的、水質(zhì)良好的飲用水水源地，成為必然。

地層情況簡介

水源地位于淅川縣城西北一公里處。地層情況大致如下：

上部第四系坡洪積層，主要為松散中粗砂、砂礫石層、砂質(zhì)粘土，其中賦存豐富的第四系松散巖類孔隙水；該層底部砂礫石層泥質(zhì)含量較高，膠結(jié)較致密，該層不整合覆蓋于寒武—奧陶系老地層之上，為隔水層。

基巖為奧陶、寒武、震旦系巖層，巖層局部為火山角礫巖、砂質(zhì)粘土巖、頁巖、砂巖、泥巖、板巖、灰?guī)r等，含微弱基巖裂隙水，富水性差；地層巖性大部分為白云巖、白云質(zhì)大理巖、灰質(zhì)白云巖等，節(jié)理裂隙及溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，賦存豐富的碳酸鹽巖裂隙巖溶水。碳酸巖層為鉆井取水的主要目的層。

施工設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)井孔數(shù)25眼，單井供水量50噸/小時(shí)；

單井井孔結(jié)構(gòu)為：上部第四系覆蓋層井孔直徑為φ600mm，下φ377×7mm螺旋鋼管；下部基巖：井孔直徑為φ290mm，裸眼成孔。

井孔深度200米左右，具體井深視地層實(shí)際情況而定。

井孔上部第四系松散巖類孔隙水全部封隔，水源地用水主要取下部基巖的碳酸巖裂隙、巖溶溶洞水。

2.鉆進(jìn)工藝

上部第四系地層：一鉆采用φ300mm三翼刮刀鉆頭開孔，二鉆用φ600mm三翼刮刀鉆頭擴(kuò)孔，最后用φ377mm鋼粒鉆頭鉆入基巖2米，下入φ377×7mm螺旋鋼管，止水固井管；

下部基巖：采用φ290×10mm鋼粒鉆頭，一徑鉆至終孔。

鋼粒選擇：選直徑為3mm的鋼粒。

鉆壓：24KN，轉(zhuǎn)速：90rpm，泵量：110L/min，回次投鋼砂量：16Kg。

3.施工生產(chǎn)

前期生產(chǎn)情況

機(jī)臺進(jìn)入工地后，第一眼井的前期，施工順利，鉆進(jìn)至米處鉆穿第四系地層，然后又往下鉆2米基巖，下入φ377×7mm表層套管，止水、固定表層套管后，改用φ290×10mm鋼粒鉆頭鉆進(jìn)基巖。

當(dāng)鉆進(jìn)至83米時(shí)，生產(chǎn)出現(xiàn)了兩個(gè)棘手的問題，a：所用的清水沖洗液出現(xiàn)了迅猛的減少，即清水沖洗液大量漏失，導(dǎo)致工地施工所需的清水供不應(yīng)求；b：在沖洗液出現(xiàn)大量漏失的同時(shí)，鉆具也出現(xiàn)了劇烈的“竄動(dòng)”和“阻卡”，致使鉆具難以回轉(zhuǎn)作業(yè)，施工設(shè)備“鱉車”嚴(yán)重。

在這兩個(gè)因素的阻礙下，施工機(jī)臺堅(jiān)持運(yùn)行2天，基本不能取得進(jìn)尺。生產(chǎn)被迫停頓。

原因分析

就施工所出現(xiàn)的問題結(jié)合具體地質(zhì)情況，我們判斷沖洗液的漏失與鉆具的“阻卡”、“竄動(dòng)”現(xiàn)象，都是鋼粒鉆頭鉆至裂隙、巖溶溶洞地層的反應(yīng)：

a:經(jīng)測量，井孔內(nèi)的靜水位相對地面高度為-米；循環(huán)池內(nèi)沖洗液液面高度為-米。井孔內(nèi)液面高度比循環(huán)池內(nèi)沖洗液面高度低米。當(dāng)泥漿泵將清水沖洗液打入井孔后，沖洗液柱就在循環(huán)管路中形成負(fù)壓，負(fù)壓將清水沖洗液快速的由循環(huán)池吸入井孔內(nèi)，井孔內(nèi)又由于裂隙、大溶洞的存在，進(jìn)入井孔內(nèi)的循環(huán)液從裂隙、溶洞漏失。最終循環(huán)池內(nèi)的沖洗液大量被吸入井孔內(nèi)流失，導(dǎo)致工地清水沖洗液供應(yīng)不及，不能持續(xù)供應(yīng)生產(chǎn)的需求。

b:當(dāng)沖洗液大量流失時(shí)，恰好說明施工鉆到了大裂隙、溶洞地層，在沖洗液大量流失的同時(shí)，鋼粒也大量的漏失或被沖走。這種情況使得沒有足夠的鋼粒被壓在鉆頭唇面下面破碎巖石，導(dǎo)致鋼粒鉆頭唇面直接與巖石相接觸；大裂隙、巖溶溶洞地層處的井孔底部又凹凸起伏、參差不平，致使鉆具劇烈的“竄動(dòng)”和“阻卡”，無法回轉(zhuǎn)作業(yè)。

解決方案

就生產(chǎn)中遇到的問題，我們進(jìn)行了各種各樣的嘗試。

a:對于沖洗液大量漏失的問題，在保證滿足鋼粒鉆進(jìn)所需沖洗液量的前提下，控制流入井孔內(nèi)的沖洗液量，使得沖洗循環(huán)液以一定的流量源源不斷的被輸送入井孔內(nèi)。

我們在泥漿池的進(jìn)水管上安裝一個(gè)閥門和水表，控制、測量流入循環(huán)池的進(jìn)水量；在高壓管的前端安裝一個(gè)球型高壓閥門，用以控制進(jìn)入井孔內(nèi)的循環(huán)液量。每一回次，當(dāng)水泵將循環(huán)水少量打入井孔后，即關(guān)閉水泵，利用循環(huán)液在井孔內(nèi)、外的高差，讓循環(huán)液自然被吸入井孔內(nèi)，同時(shí)，利用高壓管前端的球型閥門，控制流入井孔內(nèi)的循環(huán)液量；再利用泥漿池進(jìn)水管的水表，在保證泥漿池液面穩(wěn)定的情況下，檢測進(jìn)入井孔內(nèi)的循環(huán)液量，使得流入井孔內(nèi)的循環(huán)液量即不太大，又能滿足施工生產(chǎn)工藝要求。

為配合生產(chǎn)中用含鋼粒的粘土球施工鉆進(jìn)生產(chǎn)，防止水流太大沖蝕含鋼粒的粘土球，控制流入井孔內(nèi)的循環(huán)液量減少為60L/min。

b:對于鋼粒大量漏失、流失問題，我們做了如下嘗試：①在大裂隙、巖溶溶洞地層井孔段，舍棄鋼粒鉆進(jìn)法，采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)。結(jié)果不理想，不能取得進(jìn)尺，且鉆具“蹦跳”、“阻卡”更為嚴(yán)重；②試用液壓控制連續(xù)投砂器進(jìn)行連續(xù)投砂法施工，結(jié)果也不甚理想。由于裂隙、溶洞比較大，投進(jìn)井孔內(nèi)的鋼粒幾乎都漏失或被循環(huán)液沖走，鉆具依然“蹦跳”、“阻卡”嚴(yán)重；③我們在粘土球的啟發(fā)下，利用稍微干些的粘土泥和鋼粒進(jìn)行攪拌，最后制成含有鋼粒的粘土球。粘土球直徑大致為φ40mm，粘土泥與鋼粒的體積比例大致為7:3，然后在每一回次鉆具放入井孔前，將粘土球投入井孔內(nèi)，往井孔內(nèi)輸送的供水量降至60L/min，轉(zhuǎn)速90rpm。施工運(yùn)行結(jié)果相對比較理想。鉆具回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，進(jìn)尺也較為理想。缺點(diǎn)是正常鉆進(jìn)的時(shí)間不長，只能維持25分鐘左右，就需要重新往井孔內(nèi)投含鋼粒的粘土球，較為繁瑣。

c:在裂隙比較小、溶洞比較小的地層，只要鋼粒漏失、流失的少，還是采用由鉆具內(nèi)徑一次投砂法或者結(jié)合投砂法，輸送井孔循環(huán)液量110L/min，鉆進(jìn)效率與完整地層鋼粒鉆進(jìn)效率基本相同，比較理想。

施工效果

經(jīng)過分析和嘗試，在裂隙、巖溶溶洞地層，采用鋼粒鉆進(jìn)時(shí)，控制循環(huán)液輸入井孔流量，并且制取粘土與鋼粒比例為7:3的粘土球，采用一次投球或者結(jié)合投球法進(jìn)行施工，施工效果還是比較理想的。

施工進(jìn)度由前期的常規(guī)施工2天沒進(jìn)尺，改變?yōu)槊刻炷苋〉?米左右的進(jìn)尺。并且，由于施工工藝改進(jìn)后，施工設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械故障大為減少。

施工工藝改進(jìn)前后各2天的施工主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)情況。

施工鋼粒施工純鉆輔助機(jī)械待水平均單位進(jìn)尺鋼粒

進(jìn)尺用量時(shí)間時(shí)間時(shí)間事故時(shí)間鉆速消耗量

改進(jìn)前

改進(jìn)后

由上表可以看出：施工工藝經(jīng)過改進(jìn)后，進(jìn)尺、純鉆時(shí)間、平均鉆速都得到很大的提高，而鋼粒等材料消耗卻大幅下降，單位進(jìn)尺鋼粒消耗量趨于正常值，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)械事故也減少了；由于供水“細(xì)水長流”，能夠滿足施工需水供應(yīng)，待水時(shí)間降為0。

由此說明，施工工藝改進(jìn)后，效果是顯著的。工藝改進(jìn)是成功的。

在隨后24眼井的施工中，一直沿用了上述施工工藝，施工非常順利。各方面均取得了滿意的效果。我們圓滿完成了全部施工任務(wù)。

4.結(jié)語

鋼粒鉆進(jìn)是一種比較老的鉆進(jìn)施工方式，針對比較堅(jiān)硬的巖層，具有成本低廉、工藝簡單、事故率低等很多優(yōu)點(diǎn)。但是，由于其本身工藝特點(diǎn)，在大裂隙、溶巖溶洞地層，這種施工工藝的應(yīng)用受到了很大的限制。本文從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，采用鋼粒鉆進(jìn)工藝在大裂隙、巖溶溶洞地層施工，總結(jié)出了以下方法與經(jīng)驗(yàn)：

①發(fā)生循環(huán)液大量漏失時(shí)，在供水管路上安裝一個(gè)高壓閥門，利用高壓閥門控制循環(huán)液輸送流量，使進(jìn)入循環(huán)管路的沖洗液量既滿足施工工藝要求，又不大量漏失。論文格式。使生產(chǎn)能持續(xù)地進(jìn)行。我們工地經(jīng)現(xiàn)場測試，循環(huán)液供應(yīng)量降低至平常施工生產(chǎn)時(shí)的五分之三，即60L/min。

②當(dāng)所施工地層存在大裂隙、溶蝕溶洞情況，導(dǎo)致鉆粒