冲击钻进是利用钢丝绳周期性的提动冲击钻具和钻头,以一定的质量和高度冲击孔底,使岩石破碎而获得进尺的一种钻进方法。在每次冲击之后,钻头在钢丝绳的带动下回转一定的角度,从而使钻孔得到规整的圆形断面。当破碎的岩屑和水混合成的岩浆达到一定浓度后,即停止冲击,利用掏砂筒将稠浆掏出,同时向孔内补充一定量液体。如此反复进行直至达到预定井深。

冲击钻进的设备、工具轻便,操作、管理简单,是水文水井和其他工程施工中,钻进大砾石、漂石以及脆性岩层的一种常用的钻进方法。但由于钻进是利用钻具自由下落而破碎岩石的,因而只能钻进垂直的钻孔,且钻孔效率较低,在使用上存在一定的局限性。

冲击钻进所使用的设备有CZ-20,CZ-22,CZ-30及冲击反循环钻机等。

(一)钻具

冲击钻进孔内钻具的连接方式如图4-19所示,它是破碎地层及取样钻进的重要工具。

图4-19 冲击钻具结构图

a:1—钢丝绳;2,6,10—接口;3—振击器;4,5—拧卸方口;7—钻头;8—岩粉槽;9—钻杆;11—绳卡b:1—钢丝绳接头;2—钻杆;3—筒状钻头c:1—钢丝绳接头;2—钻杆;3—钻头

1.钻头

冲击钻头按其刃部形状可分为一字形、工字形、十字形、马蹄形和圆形,可根据岩石的性质进行选用。目前使用较为普遍的是十字形带副刃的钻头,如图4-20所示。十字形钻头底部带有各种刃角的切削刃,用以将冲击力传给岩石。

钻头中部称钻头体。为了减少孔底岩浆对钻头的运动阻力,钻头体上开有流通岩浆的沟槽。

冲击钻头的刃角大小,取决于所钻岩石的软硬程度,一般地层可取100°左右,软岩为65°～80°,中硬岩石可制成90°～110°,硬岩则取110°～120°。为了减少钻头与井壁的摩擦,在切削刃外端保留有4°～8°的间隙角。

冲击钻头上端有连接钻杆的锥形丝扣和打捞钻头用的环形槽。

为了提高钻头刃部的耐磨能力可以进行氰化处理或用合金焊条堆焊。带副刃十字形冲击钻头规格如表4-13所示。

图4-20 带副刃十字形冲击钻头

1—主刃;2—副刃;3—水槽;4—锥形丝扣;5—环形槽;6—扳手卡槽

表4-13 带副刃十字形冲击钻头规格表

2.冲击钻杆

冲击钻杆是为加重钻头质量用实心圆钢制成。钻杆上端有锥形公扣和打捞的环形槽,下端有锥形母扣,用来连接钻头或捞砂筒。两端还备有拧紧钻具的卡槽。

钻杆间的连接方式有丝扣连接和法兰连接,井内钻杆不能过长,以防钻杆摆动和折断。钻杆的结构如图4-21所示;钻杆规格见表4-14所示。

图4-21 冲击钻杆结构图

A—钻杆直径;B—钻杆长度;C—钻杆方头长度;D—钻杆断面边长;E—锥形公扣长度;F—锥形公扣大头直径

钢丝绳接头又称绳卡。它的作用是连接钢丝绳和钻具,并使钻具在钢丝绳扭力作用下,能在钻头冲击一次后自动回转一定的角度。

钢丝绳接头的结构如图4-22所示。钢丝绳通过顶端伸到接头的中空活塞中,活套可以从接头中取出来,伸到活套内的钢丝绳端部,将钢丝回折成鸡心状后插入活套内,并用巴氏合金焊牢。

当提升钻具时,由于活套与整个钢丝绳接头连为一体,整个钻具受钢丝绳拉伸而扭转,从而使钻具转动一个角度。下放钻具时活套脱离垫片,钢丝绳不受力而恢复原来扭紧状态,连接钢丝绳的活套在垫片间隙内滑动,使钢丝绳实现扭紧而不带动钻头转回。即钻头在提升过程中转动一个角度,而下放过程不转动。因此在钻孔底面得到规整的圆形断面。为避免活套卡死,应经常检查、清洗钢丝绳接头。

表4-14 冲击钻杆规格表

3.掏砂筒

掏砂筒又叫抽筒,主要作用是捞取井内岩粉,也可直接用来钻进砂质、黏土质软地层。掏砂筒形状为一圆筒,上梁连接钢丝绳,下端有活门抽取岩粉。活门可根据地层特点做成球阀式、半球阀式或平板式。掏砂筒形状如图4-23所示,规格如表4-15所示。

图4-22 绳卡结构图

1—保护箍;2—垫片;3—绳卡体;4—活套

图4-23 掏砂筒

A—掏砂筒直径;B—进浆口直径;C—提浆把高度;D—焊接长度;E—掏浆筒长度;φ—提浆把直径

表4-15 掏砂筒规格表　单位:mm

4.钢丝绳

冲击钻进通常用6×19麻心左向交捻钢丝绳(6×19麻心钢丝绳如表4-16所示)。第一个数字表示有6股子绳,第二个数字表示每股子绳由19根钢丝捻成。钢丝绳规格应根据钻具的最大质量选用,一般取安全系数为10。

表4-16 6×19麻心钢丝绳

(二)冲击钻进规程

冲击钻进的规程参数包括钻具质量、冲击高度(即冲程或行程)、冲击次数和岩粉密度。

1.钻具的质量

冲击钻具的质量是指钻具静止时,钻头质量、钻杆和绳卡等能施加于岩石的钻具总质量,其大小应根据钻进岩石性质而定。采用钻头单位刃长(cm)上钻具相对重力来表示。

在软岩中取250～300N/cm;在中硬岩中取350～400N/cm;在硬岩中取500～600N/cm;在坚硬岩中取650～800N/cm。

根据岩石性质选择钻具的质量是一个原则;但同时也应考虑在冲击钻具上留有足够面积的泥浆“通槽”,以保证钻具能自由下降冲击孔底。同时,钻具过长,稳定性就差,消耗的冲击功率也大,导致冲击效果下降。所以在其他条件满足时,钻具长度应尽量减小。

2.冲击高度

冲击高度是指钻具在冲击过程中,钻具被提离孔底的高度,一般冲击钻机可改变的冲击高度为0.6～1.1m。对坚硬岩取小值,软岩取大值。

据试验表明,增加冲击高度较增加其他参数对提高钻进效率有效。但应考虑钻具本身强度的限制。

影响冲击高度的因素是钢丝绳的弹性伸长,所以采用留悬距的办法。悬距的控制是通过控制放绳量来实现的。放绳量要“少而勤”,以保证与井的延伸速度相吻合,而且每次放绳应是压轮到达最高位置的一瞬间。悬距值的大小,应根据岩石而定。钻进软岩时,每次冲击切入岩石的深度大,悬距可以少留甚至不留;钻进硬岩时,每次冲击切入岩石的深度小,应适当多留。悬距还与井深有关,井越深,钢丝绳弹性伸长量越大,应适当多留。一般中硬以上岩石约留3～4cm悬距。

3.冲击次数

冲击次数是指钻具每分钟冲击孔底的次数。因为冲击钻进要保证钻具自由下落到井底,才能有效地破碎岩石,故要求钻机的冲击机构在一次循环中,要与钻具下落的时间相吻合。即冲击次数要与冲击高度相配合。配合好的冲击次数称为合理的冲击次数。当钻进中要增加冲击高度时,就应适当减少冲击次数,以避免造成钻具在孔内“打空”。

适用于目前冲击钻机的冲击高度与冲击次数的配合参数,可参考表4-17所示的规定。

表4-17 冲击高度与冲击次数关系表

4.岩粉密度

冲击钻进孔内应有一定密度的岩粉浆,起悬浮岩屑和保护井壁的作用。我们将单位体积的岩粉浆中所含岩粉的质量,称为岩粉密度,单位是kg/L。

井内岩粉密度值大小将直接影响钻进效率。当岩粉密度过小时,钻具下降的速度大,在钻具行程终了时将受到运动缓慢的压轮的限制,冲击功不能充分发挥碎岩作用,钻进效率降低;当岩粉密度过大时,钻具下降的速度小,将形成钻具尚未到达孔底压轮已经回升,造成钻具不能有效地冲击孔底,甚至出现“打空”现象。同时,冲击钻进要利用岩粉浆悬浮被破碎的岩石颗粒,如果岩粉密度不适合,会在孔底形成一层岩粉垫,这将减弱钻头在孔底的冲击作用。这种岩粉垫严重时可使钻进效率为零。

实际操作中控制岩粉密度的办法,一是控制回次捞砂间隔,二是控制捞砂时的捞砂量,所以规程中有“勤掏少掏”的规定。经验证明,利用抽筒捞砂时,抽筒应在井底岩粉浆密度最高的“岩粉柱”范围内活动,抽筒提动距离有20～50mm即可,抽筒活动次数以3～4次为合适。

冲击钻进各技术参数的配合,主要根据地层条件,可参照表4-18选用。

(三)冲击钻进应用

冲击钻进方法虽然古老,但由于自身的特点,目前在大直径供水井、大口径的基桩孔的施工中仍有一定优势。因此,了解冲击钻进在某些岩层中的钻进方法是必要的。

1.大卵石、大漂石等地层钻进

这类地层胶结性差,比较松散,且卵石硬而表面光滑,井壁不稳定,易发生坍塌、井斜和漏失。采用冲击钻进可取得较好的效果。

表4-18 冲击钻进规程参数表

钻进这类地层应采用大冲击高度、低冲击次数,适当加大钻具质量。如果漏失不大,可采用泥浆护壁;如果漏失严重,可投入黏土球挤入井壁,并配合稠泥浆护壁。当遇到大漂石时,可采用“高拉猛冲”以砸碎漂石并挤入井壁的钻进方法。当井身发生孔斜时,可将脆的块石填入孔内倾斜段,重新采用小规程进行钻进,待钻孔纠正后,再继续正常钻进。另外,在操作上应加强钻具的回转,采用大刃角防止钻头磨损过快,经常检查钻具,及时补修钻头,防止钻孔缩小而夹钻。

2.黏土层钻进

这类地层黏性大,透水性差,孔内造浆性较大。钻进中易发生缩径、糊钻,但井壁稳定。故进尺、护壁不是问题,重要的是防止事故。一般可采用小冲击高度,较轻钻具质量,适当减少冲击次数、勤换浆、少放绳和较短的回次进尺,并注意向孔内补充一定量稀泥浆。当遇到塑性较大并具有弹性的地层时,可向孔内投入砖块或软碎石,以增加碎岩的“切削具”。当遇到黏土质砂层时,可用掏砂筒钻进,以提高钻进效率。

3.砂层钻进

砂层钻进,主要是保护井壁,应采用优质泥浆护壁。较薄的流砂层,可投入黏土球以增加护壁能力,很厚的流砂层可选用跟管钻进。

4.石灰岩地层钻进

石灰岩的裂隙较为发育,钻进中易发生掉块而卡、夹钻具。如处理不当,会将钢丝绳拉断造成事故。

钻进灰岩地层,钻头的间隙角要大,使钻头与孔壁的间隙在30～50mm范围。钻头的刃角也要大,一般用带侧刃的十字形钻头。操作上应力求减小钻具的摆动,掌握好悬距。放绳要小而勤、冲击高度与冲击次数要配合适当。当地层特别破碎时,可投入黏土球,并挤压入裂隙,以增加井壁的稳定性。钻头要采用硬材料补焊,并准备2～3个钻头轮换使用。可采用优质泥浆悬浮岩屑,勤掏少掏。在有溶洞的地方应注意操作以防井斜。