潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

19世紀(jì)末，潛孔錘已經(jīng)出版。潛孔錘種類很多,但其共同特點(diǎn)是產(chǎn)生沖擊作用的機(jī)構(gòu)均潛入孔內(nèi),鉆頭破碎巖石是既沖擊又回轉(zhuǎn)。按其動力驅(qū)動的形式分為液動(水力和高油壓)、氣動、機(jī)械式等不同形式。隨著對潛孔錘破碎巖石機(jī)理、各類潛孔錘基礎(chǔ)理論研究、內(nèi)部動力過程研究以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造水平提高,部件材料改進(jìn)以及與其它多種工藝方法相結(jié)合形成潛孔錘多工藝鉆進(jìn)技術(shù),大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。目前潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鉆井工程各個(gè)方面,逐步成為一種常規(guī)鉆進(jìn)方法。近20年來,潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的理論與實(shí)踐方面均取得了突破性進(jìn)展,使其優(yōu)越性得到充分發(fā)揮。1潛孔錘的數(shù)學(xué)模型潛孔錘工作原理及參數(shù)的確定,傳統(tǒng)方法是采用類比法加實(shí)驗(yàn)研究,不斷修整結(jié)構(gòu)參數(shù),使其性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使比較復(fù)雜的潛孔錘工作過程,通過有限差分原理進(jìn)行模擬仿真電算,不僅簡化了人工運(yùn)算分析過程,而且電算結(jié)果科學(xué)可靠,并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對電算程序進(jìn)行擬合,使電算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合,充分揭示活塞運(yùn)動規(guī)律,進(jìn)行潛孔錘性能參數(shù)的優(yōu)化輔助設(shè)計(jì),大大縮短潛孔錘研制周期,降低靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的盲目性,使?jié)摽族N的性能更可靠。以WC系列及GQ貫通式系列風(fēng)動潛孔錘為主要研究對象,它們均屬無閥式,其數(shù)學(xué)模型是以一維氣體流動的氣體狀態(tài)方程、能量平衡方程、活塞運(yùn)動微分方程及氣體流動方程作為電算的理論基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)時(shí)間步長確定了在此微段時(shí)間內(nèi)活塞運(yùn)動距離。活塞在微段內(nèi)的運(yùn)動視為準(zhǔn)靜態(tài)過程,活塞每移動一微段后,認(rèn)為前后氣室內(nèi)的氣體便處于準(zhǔn)靜態(tài)平衡(見圖1)。往復(fù)運(yùn)動的活塞在每個(gè)微段內(nèi),假定前后室內(nèi)的氣體狀態(tài)參數(shù)不變,即保持恒定,活塞在恒定參數(shù)下即恒力作用下運(yùn)行了一微段距離并視氣體參數(shù)的變化與活塞的位移同時(shí)發(fā)生。在微段內(nèi)用不變的氣體狀態(tài)參數(shù),依據(jù)活塞運(yùn)動微分方程,計(jì)算活塞在此時(shí)間步長內(nèi)的加速度、速度和位移,以及前后氣室的容積。利用氣體流動方程,計(jì)算進(jìn)入、排出前后氣室的氣體質(zhì)量,利用氣體能量平衡方程計(jì)算前后氣室內(nèi)的氣體壓力和溫度;最后再由氣體狀態(tài)方程計(jì)算出此微段末的氣體狀態(tài)參數(shù),作為下一時(shí)間步長內(nèi)的氣體參數(shù),進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。這一計(jì)算過程即為有限差分原理。這項(xiàng)計(jì)算方法已發(fā)展到液動閥式雙作用潛孔錘、液動射流式潛孔錘、高油壓夯管錘等方面,使?jié)摽族N設(shè)計(jì)在理論上邁進(jìn)了一大步。2復(fù)雜地層潛孔錘鉆具設(shè)計(jì)實(shí)踐證明,氣動潛孔錘鉆進(jìn)是一種效率高、鉆孔質(zhì)量好、成本低的施工方法。但目前氣動潛孔錘鉆進(jìn)仍以全面破碎的非貫通式潛孔錘為主,采用單壁鉆桿正循環(huán)排屑或取樣,地質(zhì)資料可靠性差,因而大多局限用于礦山爆破孔、水井、工程施工等鉆孔鉆進(jìn)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家在破碎復(fù)雜地層中采用潛孔錘雙壁鉆桿反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)(即CSR鉆進(jìn)法),雖然比單壁鉆桿正循環(huán)鉆進(jìn)前進(jìn)了一大步,但仍存在下列比較突出問題:(1)樣品為碎屑狀,不能取出塊狀巖心,不便于分析研究地層的原生結(jié)構(gòu),難以掌握地層變化及巖石物理力學(xué)性質(zhì)。(2)在鉆具的潛孔錘部位仍為正循環(huán),在潛孔錘上部需連接一個(gè)交叉通道接頭(見圖2),使巖樣通過接頭的窗口進(jìn)入鉆桿中心孔,形成反循環(huán),這樣在破碎地層對孔壁沖蝕會造成超徑和樣品混雜、污染、巖樣漏失,樣品層位顛倒。“七五”期間,我校針對水文水井鉆鑿研究了GQ-200/62型貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心(樣)新技術(shù),使水井鉆進(jìn)效率提高了3～4倍,連續(xù)排出的巖心采取率高,獲取及時(shí),品質(zhì)優(yōu)良,水井出水量增大,施工中井口無污染,利于環(huán)境保護(hù)?！鞍宋濉逼陂g又研制了GQ-100/44型貫通式潛孔錘及反循環(huán)鉆具系統(tǒng),經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際試驗(yàn)取得了較好效果。尤其在河南省嵩縣范疙瘩復(fù)雜金礦區(qū)鉆進(jìn)1764m,最大孔深259.20m,水下鉆進(jìn)深度220.9m,平均時(shí)效4.08m,最高時(shí)效46m,一次提鉆長度最高達(dá)86m,在機(jī)械設(shè)備、鉆具系統(tǒng)全部國產(chǎn)化條件下,成功解決了金礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)、護(hù)壁和取心(樣)3個(gè)難題。但是尚存在潛孔錘系列化程度不夠,尤其滿足不了復(fù)雜地層鉆孔結(jié)構(gòu)要求。應(yīng)進(jìn)一步研究提高潛孔錘工作性能,優(yōu)化參數(shù),與空壓機(jī)能力匹配,增大鉆孔深度,延長潛孔錘使用壽命;反循環(huán)專用鉆頭的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)還需提高,使其更為合理且加工方便,工作更可靠,壽命更長。針對上述問題,在中國地質(zhì)調(diào)查局開展國土資源大調(diào)查時(shí),我校申請,專家評審,地調(diào)局批準(zhǔn),從1999年起立項(xiàng)對以下內(nèi)容進(jìn)行研究:適應(yīng)各種不同地層,科學(xué)合理確定各種鉆孔孔徑和系列,研制相應(yīng)的潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng),并盡量與巖心鉆原有系列相匹配;研究計(jì)算機(jī)仿真方法,對潛孔錘進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化以增大鉆孔深度,確定了GQ-200/62、160/60、146/44、127/44、108/44、89/44等系列化產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)見圖3,并要求結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)進(jìn)行示范性實(shí)鉆。貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功,使?jié)摽族N鉆進(jìn)應(yīng)用得到發(fā)展。為使該項(xiàng)技術(shù)配套應(yīng)用復(fù)雜地層固體礦產(chǎn)勘探或水文水井鉆鑿,該技術(shù)關(guān)鍵是:采用小口徑貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)潛孔錘碎巖鉆進(jìn)、反循環(huán)工藝方法及鉆進(jìn)中連續(xù)獲取巖礦心(樣)、泡沫鉆進(jìn)等多種工藝方法相結(jié)合,有效提高鉆進(jìn)效率,提高礦心采取率和質(zhì)量,鉆鑿水井時(shí)增大出水量,維護(hù)孔壁穩(wěn)定,把碎巖鉆進(jìn)和提取巖心(樣)統(tǒng)一為邊鉆進(jìn)、邊排屑、邊取心(樣)3種作業(yè)程序同時(shí)進(jìn)行的鉆探新工藝。3射流式液動錘在石油天然氣鉆井中的應(yīng)用前景展望射流式液動錘是由原長春地質(zhì)學(xué)院等單位于20世紀(jì)70年代研制成功的一種獨(dú)創(chuàng)的新型鉆具,該鉆具曾獲國家發(fā)明獎、原地礦部科技成果獎及國家專利,在我國固體礦產(chǎn)勘探鉆進(jìn)中總進(jìn)尺10萬多m,最大孔深835.5m。鉆進(jìn)實(shí)踐證明它是一種可大幅度提高鉆進(jìn)效率、防止鉆孔彎曲、減輕鉆具磨損、降低鉆孔成本的先進(jìn)技術(shù)。1988年射流式液動錘在原西德克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)深鉆采油研究所(ITE)高壓釜中模擬鉆進(jìn)試驗(yàn),在圍壓40MPa下仍穩(wěn)定工作,并經(jīng)實(shí)鉆試驗(yàn)效率提高0.6～1倍,且鉆頭磨損大幅度減輕,以C·馬克思教授為首的3位鉆井專家專門撰文高度評價(jià),并認(rèn)為在深井鉆中有著良好的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代開始,我們又著手研制用于石油天然氣鉆井用口徑為215.9mm的射流式液動錘,在四川、新疆進(jìn)行了試驗(yàn),最大孔深達(dá)2600m,在硬巖地層中鉆效提高40%～200%,同樣顯示出射流式液動錘用于牙輪鉆頭鉆進(jìn)油氣田井的良好應(yīng)用效果。1997～1998年,長春科技大學(xué)為美國史密斯國際合作公司研制了2套YSC-178型射流式液動錘,于1998年5月在美國史密斯公司本部高壓釜內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn),液動錘工作正常,并與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合。為了進(jìn)一步完善YSC-178型液動錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),考慮到美國的油氣田鉆井采用大鉆壓高泵壓鉆進(jìn)工藝以及機(jī)械加工技術(shù)水平,對部分零件的結(jié)構(gòu)及射流元件性能參數(shù)作了改進(jìn),并提交有關(guān)資料,受到美方專家高度評價(jià)。2000年,中國石化中原油田三公司在云南楚雄用YSC-178型射流式液動錘在井深4000m以深鉆進(jìn)硬質(zhì)巖層,其鉆進(jìn)效率比純牙輪噴射鉆進(jìn)提高30%～40%,取得了顯著效果。液動錘的鉆進(jìn)深度創(chuàng)世界領(lǐng)先水平,為其在中國大陸科學(xué)鉆探工程的使用奠定了基礎(chǔ)。4潛孔錘多工藝鉆進(jìn)技術(shù)隨著潛孔錘本身結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展、工作性能的優(yōu)化、鉆頭類型的改進(jìn)、鉆孔護(hù)壁方式的完善,尤其是與其它工藝方法相結(jié)合,形成了潛孔錘多工藝鉆進(jìn)技術(shù),使人們越來越認(rèn)識到該鉆進(jìn)方法不僅優(yōu)點(diǎn)突出,而且在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)可以解決許多用其它鉆進(jìn)方法無能為力的難題,因而可拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。4.1鉆頭鉆進(jìn)效率低、成孔嚴(yán)重,不能成孔巖心在堆積覆蓋層、砂卵礫石、堅(jiān)硬破碎的原生地層中勘探鉆孔時(shí),主要問題是巖石堅(jiān)硬、破碎,采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí),鉆頭壽命極短,鉆進(jìn)效率低,孔壁塌坍、掉塊、漏失嚴(yán)重,甚至無法成孔和提取巖心。采用貫通式潛孔錘實(shí)現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心(樣)或附加泡沫或同步跟套管鉆進(jìn),經(jīng)幾千米進(jìn)尺表明,完全可順利解決上述問題。4.2鉆孔難題的解決在復(fù)雜地層施工工程勘察孔時(shí),存在2大技術(shù)難題:一是樣品質(zhì)量及采取率很難滿足樣品分析要求;二是不能為原位測試提供較為規(guī)則的鉆孔。即使是采用貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)砂卵礫石地層,也容易產(chǎn)生樣品分選或原狀結(jié)構(gòu)破壞,為此我們曾研制貫通式潛孔錘氣力噴反鉆具系統(tǒng)。經(jīng)3個(gè)鉆孔進(jìn)尺20余m試驗(yàn),解決了砂卵礫石樣品采取率低、鉆孔不規(guī)則的難題。樣品采取率達(dá)100%,鉆孔孔壁穩(wěn)定完整,而且機(jī)械鉆速提高65%。4.3增大單井出水量空氣潛孔錘鉆鑿水文水井以優(yōu)質(zhì)、高效享譽(yù)全世界,其主要優(yōu)點(diǎn)是:鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長、回次進(jìn)尺長,而且不堵塞含水裂隙,可增大單井出水量。山西省第二地質(zhì)工程勘察院為解決山西老區(qū)、山區(qū)人畜吃水及工業(yè)用水問題,于1994～1997年采用潛孔錘共成井16眼,進(jìn)尺7220.15m,單井最深為712m,最高臺月效率1626m/臺月,最高回次進(jìn)尺220.11m,平均時(shí)效4.05m/h,最高時(shí)效42.03m/h,創(chuàng)國內(nèi)鉆鑿水井的新記錄,獲得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。4.4巖土工程的功能近年來,巖土錨固工程的發(fā)展尤為迅速,幾乎已觸及工程施工領(lǐng)域的各個(gè)角落,如礦山井巷、隧道硐室,巖土邊坡加固、抗滑治理,壩址基礎(chǔ)加固,深基坑支撐。可以預(yù)料,錨固工程將以獨(dú)特的效應(yīng)、簡便的工藝、廣泛的用途、經(jīng)濟(jì)的造價(jià),在巖土工程領(lǐng)域中顯示旺盛的生命力。錨固工程按地層分為土層錨桿和巖石錨桿。巖石錨桿采用潛孔錘鉆進(jìn)成孔,實(shí)際使用表明具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)不用沖洗液,可避免流體浸入巖體裂隙導(dǎo)致滑動。(2)由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)采用的規(guī)程參數(shù)是壓力小、轉(zhuǎn)速低,因而選用的鉆機(jī)質(zhì)量及負(fù)荷都較小,便于在邊坡臺架上施工。(3)潛孔錘在巖石中鉆進(jìn)不僅效率高,而且孔壁粗糙,提高了錨桿的抗拔力。土層錨桿采用潛孔錘沖擊擠密不排土成孔,優(yōu)點(diǎn)是:孔壁光滑、平直、且無殘?jiān)?成孔質(zhì)量好;孔壁周圍土層擠壓密實(shí),土的物理力學(xué)性能得到改善,提高了孔壁阻力,增加了錨桿抗拔力。4.5uh-400型油壓建筑的進(jìn)線壓非開挖施工方法包括頂管法、水平定向鉆進(jìn)法、微型隧道、沖擊矛(潛孔錘)、夯管錘(沖擊錘)等。沖擊矛及夯管錘的沖擊機(jī)構(gòu)都與潛孔錘相類似,它是一種機(jī)構(gòu)簡單、使用廣泛、費(fèi)用低的非開挖鋪管施工設(shè)備。沖擊矛分有鉆桿給進(jìn)和無鉆桿鉆進(jìn)2種。無鉆桿給進(jìn)又稱自行式,它由壓氣驅(qū)動活塞沖錘作往復(fù)運(yùn)動,沖擊鉆頭打入地層,靠外殼與土層摩擦力作用向前或后退,將土排向周圍并壓密,形成一管道孔,也可根據(jù)需要逐級擴(kuò)孔形成大直徑水平孔,電纜線或管道便可直接拉入。一般適用于>30～250mm、長度10～100m的管線鋪設(shè)。夯管錘實(shí)質(zhì)上是一個(gè)低頻、大沖擊功的沖擊錘。在夯管過程中夯管錘不進(jìn)入孔內(nèi),夯管錘產(chǎn)生較大的沖擊力,直接作用于鋼管后端,通過鋼管傳遞到前端的管鞋上,切割土體,并克服地層與管體的摩擦力,使鋼管不斷進(jìn)入土層中,隨著鋼管抵達(dá)目標(biāo)后,取下管鞋,將管中的土心排出、鋼管留在孔內(nèi)。夯管錘鋪管只能用于鋪鋼管,鋼管間的聯(lián)接由現(xiàn)場焊接來完成,鋪管直徑為200～2000m,視地層和夯管錘的不同,一次性鋪管長度達(dá)40～60m。按其驅(qū)動介質(zhì)又分為氣動和高油壓2種。我校研制的UH-3000型油壓夯管錘其沖擊能量轉(zhuǎn)化率高,能量恢復(fù)系數(shù)可達(dá)50%～70%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣動夯管錘,錘內(nèi)所有零件均浸于油液中,潤滑性好、磨損小,運(yùn)行可靠,使用壽命長。在硬質(zhì)土層中夯管速度一般在5～20m/h。4.6高壓水輸送海底沖擊取樣器近海域海底沖擊取樣裝置,是液動潛孔錘一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,它不用配套鉆機(jī)和鉆桿,只需用軟膠管將高壓水輸給海底沖擊取樣器,驅(qū)動潛孔錘和抽吸泵工作,完成鉆進(jìn)取樣工作,從而不需專門的鉆探船,也免去了作業(yè)中對船體定位和鎖定等輔助裝置(參見圖4)。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單,取樣效率高、質(zhì)量好,起拔取樣筒容易。烏克蘭國立頓涅茲克工業(yè)大學(xué)已取得較為成功的經(jīng)驗(yàn)。我國正在開展此項(xiàng)研究工作。4.7加固和駁岸工程無論是工程基礎(chǔ)的加固,地下水的帷幕隔離,還是豎井坑道及大型民用建筑基礎(chǔ)的預(yù)處理等都要進(jìn)行工程灌漿鉆孔施工。尤其是水電站的大壩和堤岸加固及帷幕隔離(如三峽水電樞紐工程圍堰防滲工程)都是關(guān)系到百年大計(jì)的工程。又如在填海拋石層上進(jìn)行樁基工程施工,可采用潛孔錘成孔后旋噴成復(fù)合樁體,見圖5。這些工程中遇到堅(jiān)硬巖層、大塊石、卵礫石層和破碎巖層時(shí),鉆進(jìn)極為困難。目前普遍使用金剛石鉆進(jìn),不僅效率低、鉆頭壽命短,而且成本高,成孔質(zhì)量差,況且這些鉆孔不必取心,鉆孔深度又小,采用風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)極為適用。4.8潛孔錘+爆破方法相結(jié)合的復(fù)合鉆進(jìn)工藝隨機(jī)分布于淤泥質(zhì)粘土、流砂等軟層中未風(fēng)化的大孤石、漂石,由于巖性堅(jiān)硬致密、表面光滑,可鉆性達(dá)9～10級,單個(gè)直徑0.5～7m不等,是目前大直徑工程井施工中一大難題。主要問題是鉆進(jìn)效率極低,巖石表面光滑,鉆頭導(dǎo)正作用差,孔斜嚴(yán)重超差,孔內(nèi)鉆具與巖石摩擦導(dǎo)致鉆桿折斷和掉鉆頭事故。采用潛孔錘在該類地層中鉆進(jìn)時(shí),如要獲得理想效果,必須使破碎單位面積巖石上達(dá)到足夠沖擊功。因此隨著井徑增大,巖性變硬,必須增大耗風(fēng)量,所匹配的空壓機(jī)就必須增多。為了節(jié)省能耗和減少一次性投資,有關(guān)單位曾研究了潛孔錘與爆破方法相結(jié)合的復(fù)合鉆進(jìn)工藝。即在大井原位用小直徑風(fēng)動潛孔錘鉆鑿小孔,既是