冲击钻进

冲击钻进是利用钢丝绳周期性的提动冲击钻具和钻头,以一定的质量和高度冲击孔底,使岩石破碎而获得进尺的一种钻进方法。在每次冲击之后,钻头在钢丝绳的带动下回转一定的角度,从而使钻孔得到规整的圆形断面。当破碎的岩屑和水混合成的岩浆达到一定浓度后,即停止冲击,利用掏砂筒将稠浆掏出,同时向孔内补充一定量液体。如此反复进行直至达到预定井深。

冲击钻进的设备、工具轻便,操作、管理简单,是水文水井和其他工程施工中,钻进大砾石、漂石以及脆性岩层的一种常用的钻进方法。但由于钻进是利用钻具自由下落而破碎岩石的,因而只能钻进垂直的钻孔,且钻孔效率较低,在使用上存在一定的局限性。

冲击钻进所使用的设备有CZ-20,CZ-22,CZ-30及冲击反循环钻机等。

(一)钻具

冲击钻进孔内钻具的连接方式如图4-19所示,它是破碎地层及取样钻进的重要工具。

图4-19 冲击钻具结构图

a:1—钢丝绳2,6,10—接口3—振击器4,5—拧卸方口7—钻头8—岩粉槽9—钻杆11—绳卡b:1—钢丝绳接头2—钻杆3—筒状钻头c:1—钢丝绳接头2—钻杆3—钻头

1.钻头

冲击钻头按其刃部形状可分为一字形、工字形、十字形、马蹄形和圆形,可根据岩石的性质进行选用。目前使用较为普遍的是十字形带副刃的钻头,如图4-20所示。十字形钻头底部带有各种刃角的切削刃,用以将冲击力传给岩石。

钻头中部称钻头体。为了减少孔底岩浆对钻头的运动阻力,钻头体上开有流通岩浆的沟槽。

冲击钻头的刃角大小,取决于所钻岩石的软硬程度,一般地层可取100°左右,软岩为65°～80°,中硬岩石可制成90°～110°,硬岩则取110°～120°。为了减少钻头与井壁的摩擦,在切削刃外端保留有4°～8°的间隙角。

冲击钻头上端有连接钻杆的锥形丝扣和打捞钻头用的环形槽。

为了提高钻头刃部的耐磨能力可以进行氰化处理或用合金焊条堆焊。带副刃十字形冲击钻头规格如表4-13所示。

图4-20 带副刃十字形冲击钻头

1—主刃2—副刃3—水槽4—锥形丝扣5—环形槽6—扳手卡槽

表4-13 带副刃十字形冲击钻头规格表

2.冲击钻杆

冲击钻杆是为加重钻头质量用实心圆钢制成。钻杆上端有锥形公扣和打捞的环形槽,下端有锥形母扣,用来连接钻头或捞砂筒。两端还备有拧紧钻具的卡槽。

钻杆间的连接方式有丝扣连接和法兰连接,井内钻杆不能过长,以防钻杆摆动和折断。钻杆的结构如图4-21所示钻杆规格见表4-14所示。

图4-21 冲击钻杆结构图

A—钻杆直径B—钻杆长度C—钻杆方头长度D—钻杆断面边长E—锥形公扣长度F—锥形公扣大头直径

钢丝绳接头又称绳卡。它的作用是连接钢丝绳和钻具,并使钻具在钢丝绳扭力作用下,能在钻头冲击一次后自动回转一定的角度。

钢丝绳接头的结构如图4-22所示。钢丝绳通过顶端伸到接头的中空活塞中,活套可以从接头中取出来,伸到活套内的钢丝绳端部,将钢丝回折成鸡心状后插入活套内,并用巴氏合金焊牢。

当提升钻具时,由于活套与整个钢丝绳接头连为一体,整个钻具受钢丝绳拉伸而扭转,从而使钻具转动一个角度。下放钻具时活套脱离垫片,钢丝绳不受力而恢复原来扭紧状态,连接钢丝绳的活套在垫片间隙内滑动,使钢丝绳实现扭紧而不带动钻头转回。即钻头在提升过程中转动一个角度,而下放过程不转动。因此在钻孔底面得到规整的圆形断面。为避免活套卡死,应经常检查、清洗钢丝绳接头。

表4-14 冲击钻杆规格表

3.掏砂筒

掏砂筒又叫抽筒,主要作用是捞取井内岩粉,也可直接用来钻进砂质、黏土质软地层。掏砂筒形状为一圆筒,上梁连接钢丝绳,下端有活门抽取岩粉。活门可根据地层特点做成球阀式、半球阀式或平板式。掏砂筒形状如图4-23所示,规格如表4-15所示。

图4-22 绳卡结构图

1—保护箍2—垫片3—绳卡体4—活套

图4-23 掏砂筒

A—掏砂筒直径B—进浆口直径C—提浆把高度D—焊接长度E—掏浆筒长度φ—提浆把直径

表4-15 掏砂筒规格表　单位:mm

4.钢丝绳

冲击钻进通常用6×19麻心左向交捻钢丝绳(6×19麻心钢丝绳如表4-16所示)。第一个数字表示有6股子绳,第二个数字表示每股子绳由19根钢丝捻成。钢丝绳规格应根据钻具的最大质量选用,一般取安全系数为10。

表4-16 6×19麻心钢丝绳

(二)冲击钻进规程

冲击钻进的规程参数包括钻具质量、冲击高度(即冲程或行程)、冲击次数和岩粉密度。

1.钻具的质量

冲击钻具的质量是指钻具静止时,钻头质量、钻杆和绳卡等能施加于岩石的钻具总质量,其大小应根据钻进岩石性质而定。采用钻头单位刃长(cm)上钻具相对重力来表示。

在软岩中取250～300N/cm在中硬岩中取350～400N/cm在硬岩中取500～600N/cm在坚硬岩中取650～800N/cm。

根据岩石性质选择钻具的质量是一个原则但同时也应考虑在冲击钻具上留有足够面积的泥浆“通槽”,以保证钻具能自由下降冲击孔底。同时,钻具过长,稳定性就差,消耗的冲击功率也大,导致冲击效果下降。所以在其他条件满足时,钻具长度应尽量减小。

2.冲击高度

冲击高度是指钻具在冲击过程中,钻具被提离孔底的高度,一般冲击钻机可改变的冲击高度为0.6～1.1m。对坚硬岩取小值,软岩取大值。

据试验表明,增加冲击高度较增加其他参数对提高钻进效率有效。但应考虑钻具本身强度的限制。

影响冲击高度的因素是钢丝绳的弹性伸长,所以采用留悬距的办法。悬距的控制是通过控制放绳量来实现的。放绳量要“少而勤”,以保证与井的延伸速度相吻合,而且每次放绳应是压轮到达最高位置的一瞬间。悬距值的大小,应根据岩石而定。钻进软岩时,每次冲击切入岩石的深度大,悬距可以少留甚至不留钻进硬岩时,每次冲击切入岩石的深度小,应适当多留。悬距还与井深有关,井越深,钢丝绳弹性伸长量越大,应适当多留。一般中硬以上岩石约留3～4cm悬距。

3.冲击次数

冲击次数是指钻具每分钟冲击孔底的次数。因为冲击钻进要保证钻具自由下落到井底,才能有效地破碎岩石,故要求钻机的冲击机构在一次循环中,要与钻具下落的时间相吻合。即冲击次数要与冲击高度相配合。配合好的冲击次数称为合理的冲击次数。当钻进中要增加冲击高度时,就应适当减少冲击次数,以避免造成钻具在孔内“打空”。

适用于目前冲击钻机的冲击高度与冲击次数的配合参数,可参考表4-17所示的规定。

表4-17 冲击高度与冲击次数关系表

4.岩粉密度

冲击钻进孔内应有一定密度的岩粉浆,起悬浮岩屑和保护井壁的作用。我们将单位体积的岩粉浆中所含岩粉的质量,称为岩粉密度,单位是kg/L。

井内岩粉密度值大小将直接影响钻进效率。当岩粉密度过小时,钻具下降的速度大,在钻具行程终了时将受到运动缓慢的压轮的限制,冲击功不能充分发挥碎岩作用,钻进效率降低当岩粉密度过大时,钻具下降的速度小,将形成钻具尚未到达孔底压轮已经回升,造成钻具不能有效地冲击孔底,甚至出现“打空”现象。同时,冲击钻进要利用岩粉浆悬浮被破碎的岩石颗粒,如果岩粉密度不适合,会在孔底形成一层岩粉垫,这将减弱钻头在孔底的冲击作用。这种岩粉垫严重时可使钻进效率为零。

实际操作中控制岩粉密度的办法,一是控制回次捞砂间隔,二是控制捞砂时的捞砂量,所以规程中有“勤掏少掏”的规定。经验证明,利用抽筒捞砂时,抽筒应在井底岩粉浆密度最高的“岩粉柱”范围内活动,抽筒提动距离有20～50mm即可,抽筒活动次数以3～4次为合适。

冲击钻进各技术参数的配合,主要根据地层条件,可参照表4-18选用。

(三)冲击钻进应用

冲击钻进方法虽然古老,但由于自身的特点,目前在大直径供水井、大口径的基桩孔的施工中仍有一定优势。因此,了解冲击钻进在某些岩层中的钻进方法是必要的。

1.大卵石、大漂石等地层钻进

这类地层胶结性差,比较松散,且卵石硬而表面光滑,井壁不稳定,易发生坍塌、井斜和漏失。采用冲击钻进可取得较好的效果。

表4-18 冲击钻进规程参数表

钻进这类地层应采用大冲击高度、低冲击次数,适当加大钻具质量。如果漏失不大,可采用泥浆护壁如果漏失严重,可投入黏土球挤入井壁,并配合稠泥浆护壁。当遇到大漂石时,可采用“高拉猛冲”以砸碎漂石并挤入井壁的钻进方法。当井身发生孔斜时,可将脆的块石填入孔内倾斜段,重新采用小规程进行钻进,待钻孔纠正后,再继续正常钻进。另外,在操作上应加强钻具的回转,采用大刃角防止钻头磨损过快,经常检查钻具,及时补修钻头,防止钻孔缩小而夹钻。

2.黏土层钻进

这类地层黏性大,透水性差,孔内造浆性较大。钻进中易发生缩径、糊钻,但井壁稳定。故进尺、护壁不是问题,重要的是防止事故。一般可采用小冲击高度,较轻钻具质量,适当减少冲击次数、勤换浆、少放绳和较短的回次进尺,并注意向孔内补充一定量稀泥浆。当遇到塑性较大并具有弹性的地层时,可向孔内投入砖块或软碎石,以增加碎岩的“切削具”。当遇到黏土质砂层时,可用掏砂筒钻进,以提高钻进效率。

3.砂层钻进

砂层钻进,主要是保护井壁,应采用优质泥浆护壁。较薄的流砂层,可投入黏土球以增加护壁能力,很厚的流砂层可选用跟管钻进。

4.石灰岩地层钻进

石灰岩的裂隙较为发育,钻进中易发生掉块而卡、夹钻具。如处理不当,会将钢丝绳拉断造成事故。

钻进灰岩地层,钻头的间隙角要大,使钻头与孔壁的间隙在30～50mm范围。钻头的刃角也要大,一般用带侧刃的十字形钻头。操作上应力求减小钻具的摆动,掌握好悬距。放绳要小而勤、冲击高度与冲击次数要配合适当。当地层特别破碎时,可投入黏土球,并挤压入裂隙,以增加井壁的稳定性。钻头要采用硬材料补焊,并准备2～3个钻头轮换使用。可采用优质泥浆悬浮岩屑,勤掏少掏。在有溶洞的地方应注意操作以防井斜。