空气潜孔锤钻进技术在深厚砂卵石层中的应用

摘要:通过某水电站厂房减压孔的钻探实践,结合传统的跟管护壁的方法,成功应用空气潜孔锤钻进技术,解决了在含水丰富的深厚砂卵石层中钻进效率低的难题,开拓了空气潜孔锤钻进技术在工程施工中的应用范围。

关键词:空气潜孔锤钻进;深厚砂卵石层;钻进参数;跟管

1工程概况

某水电站坝址区厂房选址段河床覆盖层深厚,最厚处达66.67m,物质组成上部为漂卵砾石夹砂,厚6.60～33.20m,中部为卵砾石夹砂,厚20.31～44.50m,下部为砂夹卵砾石及粉细砂层透镜体,砂层透镜体最大厚度达18m,其下基岩内有岩溶承压水分布。为了厂房基坑开挖的安全与稳定,设计决定对该段内的岩溶承压水进行先期减压处理,共布置减压孔排水孔4个,孔深最大90m。承压水减压排水孔平面位置均位于一期围堰基坑内。由于前期采取砂石骨料,围堰基坑内地表均已进行了不同程度的开挖,致使围堰内地表均位于水下,水深约5～7.50m。为了加快钻孔施工进度,我们采用空气潜孔锤钻进工艺,结合传统的钻探方法,在较短的工期内,圆满地完成了本次钻探施工任务。

2钻孔技术要求

2.1钻孔结构设计

2.1.1覆盖层孔段采用CR-110型空气潜孔锤硬质合金钻头钻进,跟进φ150mm厚壁套管,深度为25m,之后采用CIR-90型空气潜孔锤硬质合金钻头钻进,跟进φ130mm厚壁套管钻穿砂卵石层,跟进深度为65m。接触到基岩面后下入φ108mm套管90m封隔覆盖层与基岩段,进入基岩0.50～1m。

2.1.2基岩孔段采用φ91mm清水金刚石钻进,一径终孔。

2.2钻孔技术要求

2.2.1减压排水孔钻进深度以进入基岩承压水含水层底板为标准,孔深为80～90m。

2.2.2覆盖层要求下入φ127mm套管,无须取芯。

2.2.3基岩孔径≮φ91mm,需采取岩芯。

3钻进工艺和设备的选择

3.1钻进工艺的选择

3.1.1根据该工程勘察期间钻探施工经验,如采用常规的钻探方法,即先采用植物胶金刚石钻进取芯,后跟进厚壁套管护壁的钻进工艺,需要上两台XY-2钻机,才能按期完成钻探施工任务。而且由于河水较深,需搭建两个水上钻探平台,辅助工作量大,钻探施工成本高。

3.1.2为了降低钻探施工成本,提高钻探施工进度,根据地层情况和钻孔技术要求,经过现场技术人员认真的分析研究,决定采用空气潜孔锤钻进技术施工减压排水孔。

3.1.3在砾卵石层钻进可采用空气潜孔锤同步跟管钻进和异步跟管钻进两种方法。

3.1.4根据有关资料表明,采用空气潜孔锤同步跟管钻进工艺,以中风压空机为动力,在卵石层中跟进φ127mm套管,跟管最大深度为29m,无法满足施工要求。为此,该工程我们决定采用空气潜孔锤异步跟管钻进方法,即先用空气潜孔锤破岩扩孔钻进,后跟进厚壁套管护壁,再换用小一级钻具在套管内继续钻进。

3.1.5空气潜孔锤作用机理主要是利用空气所产生的冲击力来使钻头向前嵌进和破岩,此外空气潜孔锤冲锤活塞高频冲击钻头时,也给钻头一定的振动力,破坏了砂卵石层的原状结构。在冲击力、回转力及给进力联合作用下,砂砾和一部分被击碎卵石,在强大风量和风压的作用下,随着孔底涌出水被带出孔外,另一部分卵石则随着钻头向前的嵌进,被挤入地层中,从而达到扩孔钻进的目的,对下一步跟进厚壁套管跟进十分有利。

3.2钻探设备的选择

3.2.1钻机:XY-2型(配低速电机)数量:1台;

3.2.2定量泵:BW-460型数量:1台;

3.2.3空压机:20m³/0.80Mpa数量1台;

3.2.4空气潜孔锤:宣化英格索兰公司产CIR-90型、CR-110型数量:2台;

3.2.5钻头直径:φ90mm、φ110mm冲击器,外径:φ80mm,φ100mm;

3.2.6冲击器全长:855mm、871mm冲击频率:840次/min、820次/min;

3.2.7耗风量:7.20m³/min、12m³/min,工作风压:0.50～0.70Mpa;

3.2.8冲击能:107.30J、178J;

3.2.9钻杆:φ50mm;

3.2.10风管:选用2″、1.50″高压胶管,耐压4～5Mpa;

3.2.11套管:选用φ127×9公母扣直接连接;

3.2.12水上钻探平台:采用油桶筏钻探平台,长×宽=10×6 m²。

4跟管钻进施工

4.1钻进参数的选择

4.1.1风量:根据所选用的空压机和潜孔锤的性能,合理确定风量。本工程考虑到水位较高,负压较大,为确保砂与破碎的卵石能被冲出孔外,我们选择了较大的风量。采用CIR110冲击器时,一般情况为12～13 m3/min,最大时达13.50 m3/min;采用CIR90冲击器时,一般情况为8.50～10m3/min,最大时达12m3/min。

4.1.2风压:潜孔锤的冲击频率和冲击功能与风压有密切关系。在空气潜孔锤钻进时,除正常工作所需风压外,还要加上孔深时沿程压及克服水位以下的水柱压力。本工程风压一般情况为0.65～0.85Mpa最大时达1Mpa。

4.1.3钻压:从潜孔锤破碎岩石的原理来看,岩石主要靠冲击动载作用下破碎的,潜孔锤钻进效率的高低,主要取决于冲击功的大小和冲击功率的多少,而钻压是保证冲击功率并发挥作用的辅助力,施工中冲击器的轴压最低以冲击器工作时不产生反跳为宜。钻压过大,会加速钻头的磨损。本工程钻压一般情况为0.50～0.60Mpa。

4.1.4转速:为了使空气潜孔锤的冲击功率有效的传到孔底,钻具转数应按潜孔锤的冲击频率和所钻岩石的性质确定。转数与最优转角、冲击频率之间的关系:

N=A·f/360

式中:N-转数,r/min;

A-最优转角11度;

f-冲击频率,840次/min;

可以求得N=25.67r/min

本工程因选用的是XY-2型钻机,在采用低速电机的情况下,一档转数为85r/min。钻孔施工过程中,随着钻孔深度的变化和地层情况的变化需要随时改变空气潜孔锤钻进参数,特别是要注意风量和风压的控制,以确保空气潜孔锤发挥出最优性能,同时确保砂砾及被击碎的卵石颗粒被冲出孔外。

4.2 跟管钻进的方法

4.2.1 钻进方法①由于河水较深(5～7.50m),开孔时先跟进φ150mm厚壁套管作为导向管,然后采用φ110mm空气潜孔锤硬质合金钻头钻进,提钻后继续再跟进φ150mm厚壁套管,主要起导向和保护下一级套管的作用;之后采用φ90mm空气潜孔锤硬质合金钻头钻进,跟进φ130mm厚壁套管护壁到基岩。②钻进回次进尺控制在0.70～0.80m,以确保冲击器上部保持在套管内。避免被垮塌的砂卵石淹埋,而影响空气潜孔锤的冲击钻进提钻后跟进1次厚壁套管,长度约0.50～0.70m,然后采用φ90mm空气潜孔锤硬质合金钻头,只用冲击器的冲击功破碎套管中的卵石,并将一部分卵石冲出套管,挤入地层中;待钻头冲出管脚后再采用空气潜孔锤冲击回转钻进。如此反复进行。基岩钻进采取φ91金刚石清水钻进。

4.2.2 跟管方法一般在空气潜孔锤钻进0.70～0.80m,提钻后用200kg的吊锤跟进一次厚壁套管,长度约0.50～0.70m。为了确保厚壁套管的顺利跟进,在地层稳定性较差的孔段,应使用空气潜孔锤反复冲击扩孔钻进。在φ150mm厚壁套管跟进25m后,应视地层和跟进速度,一般回次跟进深度控制在0.40～0.60m,切忌盲目提高吊锤高度跟进厚壁套管,以免造成管脚损坏,而影响钻探施工。

4.3 钻进技术要点

4.3.1钻进技术措施①严格按照空气潜孔锤钻进技术参数作业,不能盲目追求进尺而加大钻压,防止钻杆折断、钻头掉齿和断齿等事故的发生;②钻进中要随时注意观察气压表压力的变化。如发现压力急剧上升或下降,应立即提钻,查明原因,排除故障;③钻进中经常注意空气潜孔锤冲击响声。如发现冲击频率变低或不稳定等异常情况,应立即提钻进行处理;④钻进中如发现钻杆抖动厉害,应立即提动钻具,再慢慢下放,并降低压力进行钻进;⑤定期向钻杆内加入少量机械油,确保空气潜孔锤充分润滑和高效能,延长使用寿命;⑥下钻时,应边回转边下放。当钻具接近孔底时,应放慢下放速度;⑦下钻前,要在地表对空气潜孔锤进行试验,看其工台是否正常,否则要立即拆卸清洗、涂油,防止活塞与缸套的磨损加剧而损坏钻具。

4.3.2空气潜孔锤不工作的原因和处理方法①空压机风量与风压过小,没有达到正常工作值。处理方法:增加空压机风量与风压,使空气潜孔锤正常工作。②空气潜孔锤内部进入异物,机构被卡死。处理方法:拆洗潜孔锤,使空气潜孔锤正常工作。③内部元件损坏。处理方法:更换潜孔锤内部损坏的元件,使空气潜孔锤正常工作。

5总结

①采用空气潜孔锤钻进技术,结合常规跟管钻进,在含水丰富的深厚砂卵石地层中取得成功,改变了空气潜孔锤只能在干燥或湿润的环境中使用,拓展其使用的范围。②在砂卵石层钻进,因空气潜孔锤冲击功较大,易发生钻杆接头折断事故,建议提高钻杆接头的材质和丝扣加工质量或采用外接箍钻杆接头。③应用效果:本次共施工减压排水孔钻孔4个,使用空气潜孔锤异步跟管钻进砂卵石层总进尺212m,综合台效达8.70m/台班,比采用常规植物胶金刚石钻进效率提高近3倍,直接节约成本约180元/m。

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