沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)是利用鋼絲繩周期性的提動(dòng)沖擊鉆具和鉆頭,以一定的質(zhì)量和高度沖擊孔底,使巖石破碎而獲得進(jìn)尺的一種鉆進(jìn)方法。在每次沖擊之后,鉆頭在鋼絲繩的帶動(dòng)下回轉(zhuǎn)一定的角度,從而使鉆孔得到規(guī)整的圓形斷面。當(dāng)破碎的巖屑和水混合成的巖漿達(dá)到一定濃度后,即停止沖擊,利用掏砂筒將稠漿掏出,同時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)充一定量液體。如此反復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到預(yù)定井深。沖擊鉆進(jìn)的設(shè)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(jìn)大礫石、漂石以及脆性巖層的一種常用的鉆進(jìn)方法。但由于鉆進(jìn)是利用鉆具自由下落而破碎巖石的,因而只能鉆進(jìn)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(jìn)所使用的設(shè)備有CZ-20,CZ-22,CZ-30及沖擊反循環(huán)鉆機(jī)等。(一)鉆具沖擊鉆進(jìn)孔內(nèi)鉆具的連接方式如圖4-19所示,它是破碎地層及取樣鉆進(jìn)的重要工具。圖4-19 沖擊鉆具結(jié)構(gòu)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(jù)巖石的性質(zhì)進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(huán)形槽。為了提高鉆頭刃部的耐磨能力可以進(jìn)行氰化處理或用合金焊條堆焊。帶副刃十字形沖擊鉆頭規(guī)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(huán)形槽;6—扳手卡槽表4-13 帶副刃十字形沖擊鉆頭規(guī)格表2.沖擊鉆桿沖擊鉆桿是為加重鉆頭質(zhì)量用實(shí)心圓鋼制成。鉆桿上端有錐形公扣和打撈的環(huán)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(nèi)鉆桿不能過長,以防鉆桿擺動(dòng)和折斷。鉆桿的結(jié)構(gòu)如圖4-21所示;鉆桿規(guī)格見表4-14所示。圖4-21 沖擊鉆桿結(jié)構(gòu)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(dòng)回轉(zhuǎn)一定的角度。鋼絲繩接頭的結(jié)構(gòu)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(nèi)的鋼絲繩端部,將鋼絲回折成雞心狀后插入活套內(nèi),并用巴氏合金焊牢。當(dāng)提升鉆具時(shí),由于活套與整個(gè)鋼絲繩接頭連為一體,整個(gè)鉆具受鋼絲繩拉伸而扭轉(zhuǎn),從而使鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。下放鉆具時(shí)活套脫離墊片,鋼絲繩不受力而恢復(fù)原來扭緊狀態(tài),連接鋼絲繩的活套在墊片間隙內(nèi)滑動(dòng),使鋼絲繩實(shí)現(xiàn)扭緊而不帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)回。即鉆頭在提升過程中轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,而下放過程不轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在鉆孔底面得到規(guī)整的圓形斷面。為避免活套卡死,應(yīng)經(jīng)常檢查、清洗鋼絲繩接頭。表4-14 沖擊鉆桿規(guī)格表3.掏砂筒掏砂筒又叫抽筒,主要作用是撈取井內(nèi)巖粉,也可直接用來鉆進(jìn)砂質(zhì)、黏土質(zhì)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。活門可根據(jù)地層特點(diǎn)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(guī)格如表4-15所示。圖4-22 繩卡結(jié)構(gòu)圖1—保護(hù)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(jìn)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(guī)格表　單位:mm4.鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)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(gè)數(shù)字表示有6股子繩,第二個(gè)數(shù)字表示每股子繩由19根鋼絲捻成。鋼絲繩規(guī)格應(yīng)根據(jù)鉆具的最大質(zhì)量選用,一般取安全系數(shù)為10。表4-16 6×19麻心鋼絲繩(二)沖擊鉆進(jìn)規(guī)程沖擊鉆進(jìn)的規(guī)程參數(shù)包括鉆具質(zhì)量、沖擊高度(即沖程或行程)、沖擊次數(shù)和巖粉密度。1.鉆具的質(zhì)量沖擊鉆具的質(zhì)量是指鉆具靜止時(shí),鉆頭質(zhì)量、鉆桿和繩卡等能施加于巖石的鉆具總質(zhì)量,其大小應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)巖石性質(zhì)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(jiān)硬巖中取650～800N/cm。根據(jù)巖石性質(zhì)選擇鉆具的質(zhì)量是一個(gè)原則;但同時(shí)也應(yīng)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(shí),鉆具過長,穩(wěn)定性就差,消耗的沖擊功率也大,導(dǎo)致沖擊效果下降。所以在其他條件滿足時(shí),鉆具長度應(yīng)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(jī)可改變的沖擊高度為0.6～1.1m。對堅(jiān)硬巖取小值,軟巖取大值。據(jù)試驗(yàn)表明,增加沖擊高度較增加其他參數(shù)對提高鉆進(jìn)效率有效。但應(yīng)考慮鉆具本身強(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(yīng)是壓輪到達(dá)最高位置的一瞬間。懸距值的大小,應(yīng)根據(jù)巖石而定。鉆進(jìn)軟巖時(shí),每次沖擊切入巖石的深度大,懸距可以少留甚至不留;鉆進(jìn)硬巖時(shí),每次沖擊切入巖石的深度小,應(yīng)適當(dāng)多留。懸距還與井深有關(guān),井越深,鋼絲繩彈性伸長量越大,應(yīng)適當(dāng)多留。一般中硬以上巖石約留3～4cm懸距。3.沖擊次數(shù)沖擊次數(shù)是指鉆具每分鐘沖擊孔底的次數(shù)。因?yàn)闆_擊鉆進(jìn)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(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)在一次循環(huán)中,要與鉆具下落的時(shí)間相吻合。即沖擊次數(shù)要與沖擊高度相配合。配合好的沖擊次數(shù)稱為合理的沖擊次數(shù)。當(dāng)鉆進(jìn)中要增加沖擊高度時(shí),就應(yīng)適當(dāng)減少?zèng)_擊次數(shù),以避免造成鉆具在孔內(nèi)“打空”。適用于目前沖擊鉆機(jī)的沖擊高度與沖擊次數(shù)的配合參數(shù),可參考表4-17所示的規(guī)定。表4-17 沖擊高度與沖擊次數(shù)關(guān)系表4.巖粉密度沖擊鉆進(jìn)孔內(nèi)應(yīng)有一定密度的巖粉漿,起懸浮巖屑和保護(hù)井壁的作用。我們將單位體積的巖粉漿中所含巖粉的質(zhì)量,稱為巖粉密度,單位是kg/L。井內(nèi)巖粉密度值大小將直接影響鉆進(jìn)效率。當(dāng)巖粉密度過小時(shí),鉆具下降的速度大,在鉆具行程終了時(shí)將受到運(yùn)動(dòng)緩慢的壓輪的限制,沖擊功不能充分發(fā)揮碎巖作用,鉆進(jìn)效率降低;當(dāng)巖粉密度過大時(shí),鉆具下降的速度小,將形成鉆具尚未到達(dá)孔底壓輪已經(jīng)回升,造成鉆具不能有效地沖擊孔底,甚至出現(xiàn)“打空”現(xiàn)象。同時(shí),沖擊鉆進(jìn)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(huì)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(yán)重時(shí)可使鉆進(jìn)效率為零。實(shí)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(shí)的撈砂量,所以規(guī)程中有“勤掏少掏”的規(guī)定。經(jīng)驗(yàn)證明,利用抽筒撈砂時(shí),抽筒應(yīng)在井底巖粉漿密度最高的“巖粉柱”范圍內(nèi)活動(dòng),抽筒提動(dòng)距離有20～50mm即可,抽筒活動(dòng)次數(shù)以3～4次為合適。沖擊鉆進(jìn)各技術(shù)參數(shù)的配合,主要根據(jù)地層條件,可參照表4-18選用。(三)沖擊鉆進(jìn)應(yīng)用沖擊鉆進(jìn)方法雖然古老,但由于自身的特點(diǎn),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(yōu)勢。因此,了解沖擊鉆進(jìn)在某些巖層中的鉆進(jìn)方法是必要的。1.大卵石、大漂石等地層鉆進(jìn)這類地層膠結(jié)性差,比較松散,且卵石硬而表面光滑,井壁不穩(wěn)定,易發(fā)生坍塌、井斜和漏失。采用沖擊鉆進(jìn)可取得較好的效果。表4-18 沖擊鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)表鉆進(jìn)這類地層應(yīng)采用大沖擊高度、低沖擊次數(shù),適當(dāng)加大鉆具質(zhì)量。如果漏失不大,可采用泥漿護(hù)壁;如果漏失嚴(yán)重,可投入黏土球擠入井壁,并配合稠泥漿護(hù)壁。當(dāng)遇到大漂石時(shí),可采用“高拉猛沖”以砸碎漂石并擠入井壁的鉆進(jìn)方法。當(dāng)井身發(fā)生孔斜時(shí),可將脆的塊石填入孔內(nèi)傾斜段,重新采用小規(guī)程進(jìn)行鉆進(jìn),待鉆孔糾正后,再繼續(xù)正常鉆進(jìn)。另外,在操作上應(yīng)加強(qiáng)鉆具的回轉(zhuǎn),采用大刃角防止鉆頭磨損過快,經(jīng)常檢查鉆具,及時(shí)補(bǔ)修鉆頭,防止鉆孔縮小而夾鉆。2.黏土層鉆進(jìn)這類地層黏性大,透水性差,孔內(nèi)造漿性較大。鉆進(jìn)中易發(fā)生縮徑、糊鉆,但井壁穩(wěn)定。故進(jìn)尺、護(hù)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(zhì)量,適當(dāng)減少?zèng)_擊次數(shù)、勤換漿、少放繩和較短的回次進(jìn)尺,并注意向孔內(nèi)補(bǔ)充一定量稀泥漿。當(dāng)遇到塑性較大并具有彈性的地層時(shí),可向孔內(nèi)投入磚塊或軟碎石,以增加碎巖的“切削具”。當(dāng)遇到黏土質(zhì)砂層時(shí),可用掏砂筒鉆進(jìn),以提高鉆進(jìn)效率。3.砂層鉆進(jìn)砂層鉆進(jìn),主要是保護(hù)井壁,應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁。較薄的流砂層,可投入黏土球以增加護(hù)壁能力,很厚的流砂層可選用跟管鉆進(jìn)。4.石灰?guī)r地層鉆進(jìn)石灰?guī)r的裂隙較為發(fā)育,鉆進(jìn)中易發(fā)生掉塊而卡、夾鉆具。如處理不當(dāng),會(huì)將鋼絲繩拉斷造成事故。鉆進(jìn)灰?guī)r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(cè)刃的十字形鉆頭。操作上應(yīng)力求減小鉆具的擺動(dòng),掌握好懸距。放繩要小而勤、沖擊高度與沖擊次數(shù)要配合適當(dāng)。當(dāng)?shù)貙犹貏e破碎時(shí),可投入黏土球,并擠壓入裂隙,以增加井壁的穩(wěn)定性。鉆頭要采用硬材料補(bǔ)焊,并準(zhǔn)備2～3個(gè)鉆頭輪換使用。可采用優(yōu)質(zhì)泥漿懸浮巖屑,勤掏少掏。在有溶洞的地方應(yīng)注意操作以防井斜。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。