空气潜孔锤在复杂地层中的钻进
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【摘要】本文介绍了空气潜孔锤钻进技术在粘土层、破碎坍塌地层以及河床卵砾石地层中的钻进工艺。
1. 空气潜孔锤钻进的原理
空气潜孔锤钻进的原理，是用地面的钻机通过钻杆对孔底施加压力和扭矩，用压缩空气驱动潜孔锤对岩石进行冲击碎岩，实现冲击回转钻进，同时利用压缩空气冷却钻头，并将孔底岩屑排出地表。
2. 复杂地层分类
（1）钻进过程中，孔内经常出现各种复杂情况，如涌水、岩石破碎、孔壁坍塌、钻孔直径扩大或缩小等，使钻进工作不能正常进行，严重的会导致孔内事故，被迫停钻，甚至造成钻孔报废。容易出现上述情况的地层称为复杂地层。
（2）在工程地质及水文地质钻探中，经常遇到的复杂地层主要有：粘土地层、破碎坍塌地层和卵砾石地层。
（1）粘土及粘土质页岩地层为高水敏性地层，岩石松软，吸水后膨胀，钻孔缩颈。目前钻进此类地层，大多应用回转钻进的方法。潜孔锤遇此类地层极易出现糊钻，形成泥包或泥环，以致造成卡埋钻事故。通常岩芯钻探对付此类地层的方法为加入各种冲洗液添加剂，如水玻璃、PAM、PHP低固相泥浆等，意在采用优质泥浆护壁，以降低失水。
（2）实践表明：空气潜孔锤钻进粘土层时，进尺仍然很快，但为了避免缩颈造成的提钻困难，应采用减压钻进，且进尺一定深度后应反复上下串动钻具，进行扫孔，等粘土应力基本释放，不再缩颈为止。若一旦发生因缩颈引起的提钻困难，则应采取以下措施：一是提钻，用动力头把钻具提到最高点；二是钻磨，让动力头带动钻具不停地转动；三是上下串动钻具，在原地转动约10分钟后，用动力头上下串动约1分钟。为有效地解决或避免泥包和泥环，防止事故，期间应向孔内加入泡沫，因其比重小，含水少，作用好，可有效地减少粘土对钻具的夹持作用。
4. 在破碎坍塌地层中的钻进
（1）通常岩芯钻探中遇到破碎坍塌地层时，除减压钻进、适当降低转速外，着重从护壁材料入手，力图保持孔壁稳定。
（2）空气潜孔锤钻进此类地层应注意：一是钻孔结构设计不宜过于复杂，因变径多势必影响上返风速；二是严格控制钻压和转速，使其低于正常值，即轻压慢转，以免加速地层坍塌，造成卡钻和折钻事故。
（3）若坍塌掉块相当严重，常规方法无法钻进，可考虑提出钻具，灌入水泥浆（一般采用C40以上水泥，以期较高的早期强度）。待水泥浆渗入裂隙将破碎岩石胶结凝固后，再用潜孔锤钻进。
（4）潜孔锤在钻进破碎地层时，高速气流携带较大岩屑上返，反复冲刷粗糙的孔壁，致使孔壁碎块脱落而造成掉块。若掉块较大，而风量不足，就难以将其携带出钻孔，而落至潜孔锤与钻杆变径处，造成卡钻或赌风，使下部岩屑难以上返，同时钻杆扭矩增大，钻杆很容易折断。实践表明，在出现卡钻事故时，钻具可以暂停回转，潜孔锤继续冲击，并同时提动钻具，尽可能用潜孔锤的振动解除卡钻。提动钻具时，先以最低速试回转，待回转正常后，再继续钻进。卡钻严重时，在未采取其他措施前，要维持送风不间断，防止埋钻。
5. 在河床卵砾石地层中的钻进
（1）卵砾石地层钻进目前已有多种钻进技术，如传统的跟管、冲击成孔、普通回转方法等，较先进的有孔内预裂爆破、反循环连续取芯、ODEX、双回转跟管等方法。但均存在一定弊端，传统钻进方法速度慢、效率低、质量差，较先进的方法一是成本高，二是不同程度地受到具体条件的限制。
（2）目前在河床卵砾石地层中钻进，国内已有较好的施工方法。例如，重庆南江岩土勘察设计院在嘉陵江大堤勘察施工中采用偏心跟管空气潜孔锤技术，在河床卵砾石层钻探中取得成功。由于偏心潜孔锤的碎岩方法改变了传统的碎岩机理（切削、研磨、压裂），在冲击器做功时产生粗颗粒（2～3cm）的体积破碎，加之套管跟进封闭隔绝了空气在卵石层的泄露，在套管与钻具的间隙产生高速气流（>15cm/s），迅速将岩屑排出孔外，避免了重复破碎。此外，对难以及时破碎的岩石，在回转钻进压力作用下，钻具可将它挤向孔壁，有利于继续向下破碎。
6. 结语
以上所述空气潜孔锤在各种复杂地层中的钻进技术，是对近年来较为成功的实践经验的总结，希望能为广大同仁今后的工作有所帮助。
参考文献
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