沖擊鉆進

沖擊鉆進是利用鋼絲繩周期性的提動沖擊鉆具和鉆頭,以一定的質量和高度沖擊孔底,使巖石破碎而獲得進尺的一種鉆進方法。在每次沖擊之后,鉆頭在鋼絲繩的帶動下回轉一定的角度,從而使鉆孔得到規整的圓形斷面。當破碎的巖屑和水混合成的巖漿達到一定濃度后,即停止沖擊,利用掏砂筒將稠漿掏出,同時向孔內補充一定量液體。如此反復進行直至達到預定井深。沖擊鉆進的設備、工具輕便,操作、管理簡單,是水文水井和其他工程施工中,鉆進大礫石、漂石以及脆性巖層的一種常用的鉆進方法。但由于鉆進是利用鉆具自由下落而破碎巖石的,因而只能鉆進垂直的鉆孔,且鉆孔效率較低,在使用上存在一定的局限性。沖擊鉆進所使用的設備有CZ-20,CZ-22,CZ-30及沖擊反循環鉆機等。(一)鉆具沖擊鉆進孔內鉆具的連接方式如圖4-19所示,它是破碎地層及取樣鉆進的重要工具。圖4-19 沖擊鉆具結構圖a:1—鋼絲繩;2,6,10—接口;3—振擊器;4,5—擰卸方口;7—鉆頭;8—巖粉槽;9—鉆桿;11—繩卡b:1—鋼絲繩接頭;2—鉆桿;3—筒狀鉆頭c:1—鋼絲繩接頭;2—鉆桿;3—鉆頭1.鉆頭沖擊鉆頭按其刃部形狀可分為一字形、工字形、十字形、馬蹄形和圓形,可根據巖石的性質進行選用。目前使用較為普遍的是十字形帶副刃的鉆頭,如圖4-20所示。十字形鉆頭底部帶有各種刃角的切削刃,用以將沖擊力傳給巖石。鉆頭中部稱鉆頭體。為了減少孔底巖漿對鉆頭的運動阻力,鉆頭體上開有流通巖漿的溝槽。沖擊鉆頭的刃角大小,取決于所鉆巖石的軟硬程度,一般地層可取100°左右,軟巖為65°～80°,中硬巖石可制成90°～110°,硬巖則取110°～120°。為了減少鉆頭與井壁的摩擦,在切削刃外端保留有4°～8°的間隙角。沖擊鉆頭上端有連接鉆桿的錐形絲扣和打撈鉆頭用的環形槽。為了提高鉆頭刃部的耐磨能力可以進行氰化處理或用合金焊條堆焊。帶副刃十字形沖擊鉆頭規格如表4-13所示。圖4-20 帶副刃十字形沖擊鉆頭1—主刃;2—副刃;3—水槽;4—錐形絲扣;5—環形槽;6—扳手卡槽表4-13 帶副刃十字形沖擊鉆頭規格表2.沖擊鉆桿沖擊鉆桿是為加重鉆頭質量用實心圓鋼制成。鉆桿上端有錐形公扣和打撈的環形槽,下端有錐形母扣,用來連接鉆頭或撈砂筒。兩端還備有擰緊鉆具的卡槽。鉆桿間的連接方式有絲扣連接和法蘭連接,井內鉆桿不能過長,以防鉆桿擺動和折斷。鉆桿的結構如圖4-21所示;鉆桿規格見表4-14所示。圖4-21 沖擊鉆桿結構圖A—鉆桿直徑;B—鉆桿長度;C—鉆桿方頭長度;D—鉆桿斷面邊長;E—錐形公扣長度;F—錐形公扣大頭直徑鋼絲繩接頭又稱繩卡。它的作用是連接鋼絲繩和鉆具,并使鉆具在鋼絲繩扭力作用下,能在鉆頭沖擊一次后自動回轉一定的角度。鋼絲繩接頭的結構如圖4-22所示。鋼絲繩通過頂端伸到接頭的中空活塞中,活套可以從接頭中取出來,伸到活套內的鋼絲繩端部,將鋼絲回折成雞心狀后插入活套內,并用巴氏合金焊牢。當提升鉆具時,由于活套與整個鋼絲繩接頭連為一體,整個鉆具受鋼絲繩拉伸而扭轉,從而使鉆具轉動一個角度。下放鉆具時活套脫離墊片,鋼絲繩不受力而恢復原來扭緊狀態,連接鋼絲繩的活套在墊片間隙內滑動,使鋼絲繩實現扭緊而不帶動鉆頭轉回。即鉆頭在提升過程中轉動一個角度,而下放過程不轉動。因此在鉆孔底面得到規整的圓形斷面。為避免活套卡死,應經常檢查、清洗鋼絲繩接頭。表4-14 沖擊鉆桿規格表3.掏砂筒掏砂筒又叫抽筒,主要作用是撈取井內巖粉,也可直接用來鉆進砂質、黏土質軟地層。掏砂筒形狀為一圓筒,上梁連接鋼絲繩,下端有活門抽取巖粉?；铋T可根據地層特點做成球閥式、半球閥式或平板式。掏砂筒形狀如圖4-23所示,規格如表4-15所示。圖4-22 繩卡結構圖1—保護箍;2—墊片;3—繩卡體;4—活套圖4-23 掏砂筒A—掏砂筒直徑;B—進漿口直徑;C—提漿把高度;D—焊接長度;E—掏漿筒長度;φ—提漿把直徑表4-15 掏砂筒規格表　單位:mm4.鋼絲繩沖擊鉆進通常用6×19麻心左向交捻鋼絲繩(6×19麻心鋼絲繩如表4-16所示)。第一個數字表示有6股子繩,第二個數字表示每股子繩由19根鋼絲捻成。鋼絲繩規格應根據鉆具的最大質量選用,一般取安全系數為10。表4-16 6×19麻心鋼絲繩(二)沖擊鉆進規程沖擊鉆進的規程參數包括鉆具質量、沖擊高度(即沖程或行程)、沖擊次數和巖粉密度。1.鉆具的質量沖擊鉆具的質量是指鉆具靜止時,鉆頭質量、鉆桿和繩卡等能施加于巖石的鉆具總質量,其大小應根據鉆進巖石性質而定。采用鉆頭單位刃長(cm)上鉆具相對重力來表示。在軟巖中取250～300N/cm;在中硬巖中取350～400N/cm;在硬巖中取500～600N/cm;在堅硬巖中取650～800N/cm。根據巖石性質選擇鉆具的質量是一個原則;但同時也應考慮在沖擊鉆具上留有足夠面積的泥漿“通槽”,以保證鉆具能自由下降沖擊孔底。同時,鉆具過長,穩定性就差,消耗的沖擊功率也大,導致沖擊效果下降。所以在其他條件滿足時,鉆具長度應盡量減小。2.沖擊高度沖擊高度是指鉆具在沖擊過程中,鉆具被提離孔底的高度,一般沖擊鉆機可改變的沖擊高度為0.6～1.1m。對堅硬巖取小值,軟巖取大值。據試驗表明,增加沖擊高度較增加其他參數對提高鉆進效率有效。但應考慮鉆具本身強度的限制。影響沖擊高度的因素是鋼絲繩的彈性伸長,所以采用留懸距的辦法。懸距的控制是通過控制放繩量來實現的。放繩量要“少而勤”,以保證與井的延伸速度相吻合,而且每次放繩應是壓輪到達最高位置的一瞬間。懸距值的大小,應根據巖石而定。鉆進軟巖時,每次沖擊切入巖石的深度大,懸距可以少留甚至不留;鉆進硬巖時,每次沖擊切入巖石的深度小,應適當多留。懸距還與井深有關,井越深,鋼絲繩彈性伸長量越大,應適當多留。一般中硬以上巖石約留3～4cm懸距。3.沖擊次數沖擊次數是指鉆具每分鐘沖擊孔底的次數。因為沖擊鉆進要保證鉆具自由下落到井底,才能有效地破碎巖石,故要求鉆機的沖擊機構在一次循環中,要與鉆具下落的時間相吻合。即沖擊次數要與沖擊高度相配合。配合好的沖擊次數稱為合理的沖擊次數。當鉆進中要增加沖擊高度時,就應適當減少沖擊次數,以避免造成鉆具在孔內“打空”。適用于目前沖擊鉆機的沖擊高度與沖擊次數的配合參數,可參考表4-17所示的規定。表4-17 沖擊高度與沖擊次數關系表4.巖粉密度沖擊鉆進孔內應有一定密度的巖粉漿,起懸浮巖屑和保護井壁的作用。我們將單位體積的巖粉漿中所含巖粉的質量,稱為巖粉密度,單位是kg/L。井內巖粉密度值大小將直接影響鉆進效率。當巖粉密度過小時,鉆具下降的速度大,在鉆具行程終了時將受到運動緩慢的壓輪的限制,沖擊功不能充分發揮碎巖作用,鉆進效率降低;當巖粉密度過大時,鉆具下降的速度小,將形成鉆具尚未到達孔底壓輪已經回升,造成鉆具不能有效地沖擊孔底,甚至出現“打空”現象。同時,沖擊鉆進要利用巖粉漿懸浮被破碎的巖石顆粒,如果巖粉密度不適合,會在孔底形成一層巖粉墊,這將減弱鉆頭在孔底的沖擊作用。這種巖粉墊嚴重時可使鉆進效率為零。實際操作中控制巖粉密度的辦法,一是控制回次撈砂間隔,二是控制撈砂時的撈砂量,所以規程中有“勤掏少掏”的規定。經驗證明,利用抽筒撈砂時,抽筒應在井底巖粉漿密度最高的“巖粉柱”范圍內活動,抽筒提動距離有20～50mm即可,抽筒活動次數以3～4次為合適。沖擊鉆進各技術參數的配合,主要根據地層條件,可參照表4-18選用。(三)沖擊鉆進應用沖擊鉆進方法雖然古老,但由于自身的特點,目前在大直徑供水井、大口徑的基樁孔的施工中仍有一定優勢。因此,了解沖擊鉆進在某些巖層中的鉆進方法是必要的。1.大卵石、大漂石等地層鉆進這類地層膠結性差,比較松散,且卵石硬而表面光滑,井壁不穩定,易發生坍塌、井斜和漏失。采用沖擊鉆進可取得較好的效果。表4-18 沖擊鉆進規程參數表鉆進這類地層應采用大沖擊高度、低沖擊次數,適當加大鉆具質量。如果漏失不大,可采用泥漿護壁;如果漏失嚴重,可投入黏土球擠入井壁,并配合稠泥漿護壁。當遇到大漂石時,可采用“高拉猛沖”以砸碎漂石并擠入井壁的鉆進方法。當井身發生孔斜時,可將脆的塊石填入孔內傾斜段,重新采用小規程進行鉆進,待鉆孔糾正后,再繼續正常鉆進。另外,在操作上應加強鉆具的回轉,采用大刃角防止鉆頭磨損過快,經常檢查鉆具,及時補修鉆頭,防止鉆孔縮小而夾鉆。2.黏土層鉆進這類地層黏性大,透水性差,孔內造漿性較大。鉆進中易發生縮徑、糊鉆,但井壁穩定。故進尺、護壁不是問題,重要的是防止事故。一般可采用小沖擊高度,較輕鉆具質量,適當減少沖擊次數、勤換漿、少放繩和較短的回次進尺,并注意向孔內補充一定量稀泥漿。當遇到塑性較大并具有彈性的地層時,可向孔內投入磚塊或軟碎石,以增加碎巖的“切削具”。當遇到黏土質砂層時,可用掏砂筒鉆進,以提高鉆進效率。3.砂層鉆進砂層鉆進,主要是保護井壁,應采用優質泥漿護壁。較薄的流砂層,可投入黏土球以增加護壁能力,很厚的流砂層可選用跟管鉆進。4.石灰巖地層鉆進石灰巖的裂隙較為發育,鉆進中易發生掉塊而卡、夾鉆具。如處理不當,會將鋼絲繩拉斷造成事故。鉆進灰巖地層,鉆頭的間隙角要大,使鉆頭與孔壁的間隙在30～50mm范圍。鉆頭的刃角也要大,一般用帶側刃的十字形鉆頭。操作上應力求減小鉆具的擺動,掌握好懸距。放繩要小而勤、沖擊高度與沖擊次數要配合適當。當地層特別破碎時,可投入黏土球,并擠壓入裂隙,以增加井壁的穩定性。鉆頭要采用硬材料補焊,并準備2～3個鉆頭輪換使用?？刹捎脙炠|泥漿懸浮巖屑,勤掏少掏。在有溶洞的地方應注意操作以防井斜。
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。