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 米 |
顆粒組成 mm |
水量 升/秒 |
鑽頭 |
水頭 米 |
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。