衝擊鑽井介紹及技術分析

蘋果的天 發佈 2022-07-01T23:13:29.526612+00:00

是利用衝擊鑽頭在岩層中反覆衝擊,以打碎和擠動岩層,它的鑽井功能是以排為輔,以擠為主。這就是說在衝擊過程中將大部分硬顆粒岩石擠入較軟的地層中去,而另一部分懸浮在井底泥漿中,用抽筒或其他方法排至地面,這樣的作用下延伸井,構成鑽井。

一、衝擊鑽井的作用

是利用衝擊鑽頭在岩層中反覆衝擊,以打碎和擠動岩層,它的鑽井功能是以排為輔,以擠為主。這就是說在衝擊過程中將大部分硬顆粒岩石擠入較軟的地層中去,而另一部分懸浮在井底泥漿中,用抽筒或其他方法排至地面,這樣的作用下延伸井,構成鑽井。

所以這種鑽進方法,適用於鬆散的覆蓋層,或稱為表土層,如各種土、壤土、砂、礫石、孤石、卵石、漂礫等。由於這種方法有較大的衝擊力,所以鑽進卵石層是非常有效的。唯這種方法的缺點是排渣方法落後,所以鑽進效率較低,近年來日本製造了衝擊反循環鑽井機,型號為KPC-1200型,它既保持衝擊功能又能邊衝擊邊通過反循環排渣,使這種舊的鑽井工藝又獲得新的生命。

之所以不適用基岩鑽井,是因為衝擊鑽頭刃口是很窄的,以十字鑽頭為例,衝擊鑽頭旋轉90°,才能使井底沖鑿一個面,加之鑽機功能有限,目前最大的型衝擊鑽機CZ-30型,鑽頭重量最大為3500公斤,直徑不大於1300毫米,故在基岩鑽進中不採用這種方法。

二、決定衝擊破岩效果的因素

1.衝擊的動能;

2.岩石的硬度,或緻密程度;

3.鑽頭質量;

4.井底清潔和平整情況。

三、決定鑽進效率的幾個條件

1.鑽頭重量;

2.鑽頭的落程;

3.衝擊次數;

4.鑽頭補強質量。

四、衝擊鑽頭

工程井中多解決較小井徑的表土層,尤其是較大粒徑的卵石層,故多選用直徑1300毫米以下的十字形鑽頭。武漢長江大橋及南京長江大橋興建時,由於迴轉鑽井工藝尚未成熟,曾採用過直徑3.6米或更大的十字鑽頭,效果均不佳,進度極慢同時鑽頭重量過大,造成衝擊鑽井機的過早損害。

五、鑽井技術參數

主要參數是鑽頭重量、衝程、沖次及鑽頭轉動角度;

1.鑽頭重量的估算:

如下式:

式中:

Q-鑽頭重量 公斤

D-鑽頭直徑 厘米

h-衝擊時鑽頭嵌入岩石深度 厘米

J-岩石抗阻力 公斤力/

-係數 1.2

K-係數 1.057

H-衝程 厘米

例:鑽頭直徑130厘米,衝擊時嵌入岩石0.9厘米,岩石抗阻力為800公斤力/,=1.2,K=1.057衝程為60厘米,求鑽頭重量。

Q=3561公斤

上式估算與實際用鑽頭重量是很接近的。

2.衝程:指衝擊鑽頭每次下落的高度。其過程是利用機械的搖臂和衝擊杆提升。然後自由下落而構成,衝程的大小受機械性能的限制,一般鋼繩衝擊鑽井機,都具備三個衝程以供選用,地層為鬆散的,易於鬆動的選小衝程,遇大卵石,孤石時選大衝程。

3.沖次:是指每分鐘內鑽頭衝擊井底的次數,合理的沖次應保證鑽頭在井底有充分下落的時間。為達到這一目的,衝擊鑽機設計成慢升,快降的衝擊機構。

沖次選擇,受到鑽機性能的限制,一般鑽井機都設有三個沖次,如40、45、50次/分。

衝程與沖次的選擇,應配合進行。

4.鑽頭轉動角度,鑽頭在井底作功,要求旋轉,這樣使井底平正,使鑽井保持圓形,如轉動角度不足則易鑽成梅花形的井,使井筒失圓。在上述作用下,均勻地衝擊井底,也可以提高鑽井效率。

使鑽頭轉動的方法,一般是在下入鑽頭時,在井口用人工將鑽頭轉動幾周,下到井底工作時可以邊衝擊邊轉動,日本研製的KPC-1200型反循環衝擊鑽井機,設計了圓形中空,雙層鑽頭,這種鑽頭不需要轉動,即可鑽出圓井。

六、護壁與排渣

衝擊鑽井適用於鬆散層,鑽進中就需護壁,通常採用泥漿鑽進既可以護壁,又可以將井底岩渣懸浮起來,以利於鑽頭衝擊,也利於排渣。

排渣的方法有三種形式

1.掏筒排渣:即利用下口為活門的抽筒,下入井底掏取岩渣即衝擊一段時間,將鑽頭提出,利用付卷揚機將抽筒下到井底,多次提升將井底岩渣及濃漿排至地面。這種方法可以將井底較大岩渣及小卵、礫石排至地面,但反覆抽提占用時間較長。

2.正循環沖洗法:是將沖漿管(軟管)固定在衝擊鑽頭上,邊衝擊邊通過往復泵向井底供泥漿,這種方法雖然可以造成井筒內泥漿上升溢出井口,但由於井徑大,截面積大,所供泥漿量只能造成極緩慢的上升流速,不能將岩渣排至地面,不過可以和掏筒法合用,起到更換井底泥漿的作用。

3.反循環排渣:如前所述,日本製造的KPC-1200型衝擊鑽井機,鑽頭為中空圓形,中間有壓氣排渣管的裝置,可以邊鑽進邊排渣,大大提高了鑽進效率,裝置如圖1。

七、鑽井實例

1.在無地下水的粘土,亞粘土中鑽直徑800毫米灌注樁

鑽具:選用沖筒式,單位面積重量達10~20公斤力/。

衝程:由於沖筒可以靠卷揚機提升,不用衝擊機構故衝程達1~2米,沖次利用手把掌握。利用沖筒衝擊底的作用將土裝入,鑽井0.2~0.5米時,提鑽將筒中渣土排掉,這種鑽具是將沖與掏結合在一起,效率較高。

2.在卵石、礫石、漂礫石層中鑽進

井徑900~1000毫米,鑽頭重量700~1000公斤、鑽頭形式,抽筒加筋。井口投入粘土加水,井內造泥漿,並保持一定水頭固壁,其鑽進效率見表1。

地層

水深

(米)

井徑

(mm)

井深

顆粒組成

mm

水量

升/秒

鑽頭

水頭

進尺

(米)

漂礫

23

800

50

粒徑200~550砂4%

30~50

加刃抽筒

1.5

3~4

卵石

1.0

100

24

100~300

砂20%

20~30

加刃抽筒

1.5

5~10

卵石

圓礫

5

500

50

5-60砂30%

10~15

抽筒

5

30

漂石

15

800

60

200~500

10~20

加刃抽筒

1.5

4~6

3.衝擊反循環鑽井:使用鑽井KPC-1200型

(1)某橋樑基樁

地質情況:覆蓋層厚25米,為含漂礫的火山泥流層。漂石成分為安山岩,抗壓強度達1500~2000公斤力/,粒徑300毫米,下部基岩為軟岩。

完成工作量:井徑1.35米,井數105口,總計工作量3285.3米,其中漂礫層389.9米。

效率:

礫石層:2.5米/時,漂礫層:0.6米/時。

工期:鑽105個基樁,包括澆混凝土共用205個工作時。

(2)某公路橋基礎樁

地質情況:為漂礫堆積,條件複雜,地形險峻。上層為人工堆積土,含有礫石;下部為含有塊石的堆積層,塊徑最大的有3~4米,成分為風化或未風化的花崗岩,厚6~10米。

完成工作量,井徑1.2米,井深16米,樁數14個,總工作量224米。

效率:

回填含礫石層:2.2米/時

卵石、礫石層:1.5米/時

塊石層:0.8米/時

風化花崗岩:0.65米/時

花崗岩:0.3米/小時

工期:16個樁占用90個工作日,包括澆混凝土。

八、鑽進中應注意事項

1.檢查泥漿質量,每班至少一次。

2.當使用一字鑽頭時,經常扭動鋼絲繩,使鑽頭轉動,鑽井成圓形。

3.正確掌握松繩量,堅持少松勤松,避免鋼絲繩劇烈彈動;也應避免松繩量過少而形成空打。

4.遇孤石或井壁有探頭石時,應回填塊石,使井底填平,才能正常鑽進。

5.遇坍井、漏失時應首先將鑽頭提起,隨即大量投入粘土或粘土塊,及堵漏材料。

6.掏渣時,掏筒應中速下放和提升,只有接近井底或提離井底時可能快速,這樣才能使岩渣進入掏筒和不至於漏掉。

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