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潛孔沖擊器鉆進在復雜地層中的應用
點擊次數(shù)：3054 發(fā)布時間：2016-1-19
所謂復雜地層是指因受成因、構(gòu)造運動及風化作用和地下水作用等影響，使地層巖石節(jié)理、片理、裂隙發(fā)育；軟硬互層、破碎，膠結(jié)性、穩(wěn)定性、強度等極差，或是遇水膨脹。在這類地層中施工，一旦被鉆孔鉆穿后，其原來的相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)被破壞，使鉆孔孔壁失去約束而產(chǎn)生不穩(wěn)定。常見現(xiàn)象是孔壁坍塌、掉塊、漏失、涌水、縮徑、超徑等。在上列地層中鉆孔時孔壁不穩(wěn)定產(chǎn)生護壁困難；地質(zhì)巖心鉆探時巖心被破碎、沖蝕、溶解，巖礦心采取又成為一個難題；在砂礫石層中含有孤石、漂石，風化層含有風化球、風化核，或巖石軟硬不均，鉆進時不僅效率低，而且很難按設計軌跡成孔，即防斜或提高鉆速又成為一突出問題。
實踐表明，空氣潛孔沖擊器鉆進具有下列優(yōu)點：
1）鉆進效率高。它比鉆探常用的水力沖擊器效率高2～5倍；比金剛石回轉(zhuǎn)鉆進高3～10倍。提率原因是單次沖擊功大，無液柱壓力；排渣風速高，孔底干凈，無二次破碎；改善了孔底碎巖條件；
2）配用的柱齒硬質(zhì)合金鉆頭在堅硬破碎巖石中鉆進，既有利于破巖，又比金剛石鉆頭壽命高；
3）鉆進轉(zhuǎn)速低，離心力小，鉆具對孔壁的撞擊機會小，又兼這種鉆進方法是以高頻對孔底沖擊，減小了對破碎或傾斜地層產(chǎn)生孔斜的影響，從而可提高鉆孔的垂直度，同時也可減少孔壁巖石坍塌；
4）鉆進比回轉(zhuǎn)鉆進所需要鉆壓和扭矩要小得多，這樣可減輕配套鉆機設備重量和能力，為邊坡抗滑加固鉆進在高空排架上作業(yè)創(chuàng)造了有利施工條件；
5）鉆進采用無液體循環(huán)干式作業(yè)，既不污染環(huán)境，又可防止邊坡大巖塊滑動。
其缺點：
1）由于動力介質(zhì)和循環(huán)介質(zhì)采用的是壓縮空氣，對孔壁支擋平衡作用差，護壁十分不利；
2）鉆進不能采用泥漿作循環(huán)介質(zhì)，更無法用護壁處理劑及堵漏材料；
3）破碎巖石是一種動載沖擊，鉆頭在巖石上沖擊振動，更容易使孔壁或巖心產(chǎn)生振動破碎，給護壁和采心工作帶來極為不利條件；
針對潛孔沖擊器鉆進上述缺點，多年以來作者從潛孔沖擊器結(jié)構(gòu)形式、鉆具匹配、鉆頭類型、鉆鑿工藝方法等方面進行了研究，使其適應在復雜地層中鉆進。現(xiàn)就已應用的幾種技術(shù)措施加以介紹。
1 套管隔離護孔法鉆進
1.1 異步跟管鉆進法（常規(guī)下套管方法）
先用潛孔沖擊器破巖鉆進，而后下套管隔離，再換用小一級鉆具在套管內(nèi)繼續(xù)鉆進。這是鉆孔鉆進常用的方法。施工時盡量提高鉆速，快速通過破碎帶，其目的為了縮短外界因素（沖洗液浸泡）作用時間，使孔壁能在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，這樣即可贏得一部分時間，然后再下套管隔離護孔。
作者于1995年在廣東某地進行工程勘察時，曾采用潛孔沖擊器鉆進?？辈旄蹍^(qū)系劈山填海建造，地層上部為拋填土石，中部為殘留淤泥質(zhì)土，下部為陸相沉積巖（圖1）。針對港區(qū)地層主要是拋填石堆積層，巖石破碎堅硬，采用GC-110型潛孔沖擊器配備130 mm鉆頭，裸眼鉆進同一口徑到底，穿過淤泥質(zhì)土層后，即下108 mm套管后進行清孔、取原狀土并進行標貫試驗。
圖1 鹽田港工程勘察地質(zhì)剖面圖
1—花崗巖；2—含泥砂硬拋石；3—淤泥質(zhì)土及淤泥；
4—亞砂土、亞粘土；5—海水
鉆進中出現(xiàn)的問題及對策：（1）鉆進中經(jīng)常會出現(xiàn)塌孔、掉塊現(xiàn)象。故快速成孔，盡量一氣呵成，避免多次提鉆掃孔；（2）鉆進深度達到海水面以下時，回填土、砂與海水混合生成泥包，糊在鉆桿與鉆孔環(huán)狀間隙中，使工作風壓升高，排氣循環(huán)減弱或停止，導致潛孔沖擊器工作效率下降甚至不工作，鉆頭磨損嚴重，使進尺緩慢和不進尺。鉆進中出現(xiàn)這些現(xiàn)象后，向鉆桿內(nèi)灌注一定量泡沫劑（實際用洗衣粉代替）稀釋泥包，即可排除故障，恢復正常工作。
施工表明：在堆積層采用潛孔沖擊器鉆進時效可達15.6 m/h，zui高達21 m／h；潛孔沖擊器柱齒鉆頭壽命可達80 m／只。雖然港區(qū)拋石堆積層密實度較差，與海水相通，個別孔段存在空洞，但由于空氣潛孔沖擊器鉆進是低密度介質(zhì)，對孔壁壓力小，鉆進中避免了處理漏失所需時間和材料消耗；拋石堆積層雖軟硬不均，但所有鉆孔未發(fā)生孔斜超差；勘察孔雖然地層破碎、坍塌掉塊，極不穩(wěn)定，但由于潛孔沖擊器鉆進效率高，裸眼時間短，都能一徑到底，只需下一層套管成孔，然后取樣或做標貫試驗，簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)。
1997年1月～3月，作者采用潛孔沖擊器在吉林省松花江上游水下復雜地層中鉆鑿爆破孔，工程目的是將松花江底部卵礫石和基巖剝削至5.5 m，形成江水自流到岸邊儲水池引水戽頭和埋設輸水管線基礎(chǔ)。工程總長192 m，寬度分別在82 m～12 m，總孔數(shù)845個。由于江底面起伏不平，水深變化較大。地層自上至下為①夾有25%～30％砂卵礫石層，粒徑平均為0.04 m～0.3 m，zui大1 m以上；②風化玄武巖層，厚0.5 m～0.8 m，裂隙發(fā)育、破碎；③較完整基巖，墨綠色隱晶質(zhì)，可鉆性達8級；④基巖中夾有0.8 m～1.2 m裂隙、含有氣孔的破碎帶；破碎帶以下是堅硬的玄武巖地層（圖2）。
圖2 GC-100型潛孔沖擊器施工設備及地層分布圖
1—副桅桿；2—主桅桿；3—送風膠管；4—動力頭；5—儲氣罐；6—鉆桿；7—空壓機；8—套管；9—套管支撐架；10—潛孔沖擊器；11—江水；12—平臺架；13—鉆機基架；14—動力；15—液壓馬達及操縱臺；16—斜支撐拉手
施工工藝方法：
1）上部采用套管隔離護壁法
該工程采用GC-100（或W-150型）潛孔沖擊器用法蘭與127 mm巖心管連接（圖3）。送風使?jié)摽讻_擊器沖擊再加鉆機加壓，直接將巖心管打入卵礫石層，至不進尺為止；然后再開動鉆機邊回轉(zhuǎn)邊沖擊，至巖心管穩(wěn)固地坐在風化層基巖內(nèi)。此時巖心管下部不再返風，江水中不見氣泡；若遇到大卵礫石即巖心管未到基巖，這時將潛孔沖擊器與巖心管法蘭卸開，再將潛孔沖擊器換成小一級的WC-85型潛孔沖擊器（圖4），在127 mm巖心管內(nèi)鉆進，清除巖心并超前鉆進，將大卵礫石打碎后，繼續(xù)進行取心鉆進，直至巖心管坐在穩(wěn)固基巖為止。將127 mm巖心管留在孔內(nèi)作為套管。
圖3 卵礫石鉆進工具示意圖
1—73 mm鉆桿；2—異徑接頭；3—W-150沖擊器；4—花鍵接頭；
5—法蘭盤；6—127 mm巖心管；7—130mm管靴圖4 基巖鉆進工具示意圖
1—73 mm鉆桿；2—異徑接頭；3—WC-85沖擊器；
4—花鍵接頭；5—100球齒鉆頭
（2）基巖地層鉆進
套管固定后，采用WC-85型潛孔沖擊器配110 mm柱齒鉆頭在套管內(nèi)鉆進，清除卵礫石層及巖心，操作時采用慢轉(zhuǎn)、輕壓、勤提動、大風量規(guī)程，以免巖屑過大，夾在沖擊器和套管環(huán)狀間隙內(nèi)，造成卡鉆事故，或帶動套管拔起或破壞套管穩(wěn)固性。
當沖擊器超過套管底端面0。3m后，采用快速鉆進。再遇地層破碎、裂隙、氣孔發(fā)育時，由于地層內(nèi)串氣、漏失，上返流速降低，為排除巖屑，應勤提動鉆具強吹排粉，保證正常鉆進。
施工表明：氣動潛孔沖擊器鉆進卵礫石層、堅硬破碎、裂隙發(fā)育地層，不僅鉆進效率高，而且鉆頭壽命長，使用壓氣作為沖洗介質(zhì)，解決了因氣溫低（-39℃）而管路凍結(jié)的問題。該項工程不僅總結(jié)出一套水下鉆進經(jīng)驗。并取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。
1.2 潛孔沖擊器同步跟管鉆進法
即潛孔沖擊器一邊鉆進，套管一邊隨鉆頭下入孔內(nèi)。跟進的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護孔口作用，而且鉆進、排渣和護壁3個工序同時進行，使鉆孔工作得以順利進行。這是一種既發(fā)揮潛孔沖擊器碎巖效率高的優(yōu)點，又設法克服其護壁性能差而采取的一種工藝措施。目前已用于生產(chǎn)的有：
瑞典的“ODEX”偏心擴孔法、德國的“土星”和“海王星”雙回轉(zhuǎn)鉆進法、美國英格索蘭公司的對心擴孔法。作者為解決香港馬鞍山工程研制了單偏心式和雙偏心式兩種偏心擴孔鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖5，圖6。
圖5 單偏心擴孔鉆頭
1—切削齒底唇固定；2—銷；3—擋塊；4—鉆頭體圖6 雙偏心擴鉆頭
1—切削齒板；2—銷軸；3—定位銷；4—擋圈；5—鉆頭體
KD-560／520型及KS-560／520型兩種偏心擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，經(jīng)生產(chǎn)性試驗表明，偏心擴孔鉆頭伸張及收縮動作可靠，使用壽命長。
2 貫通式潛孔沖擊器應用于復雜地層鉆進
為了實現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進，作者于80年代末研制了GQ-200／62、GQ-100/44型兩種貫通式潛孔沖擊器。反循環(huán)連續(xù)取心（樣）貫通式潛孔沖擊器鉆進是集潛孔沖擊器鉆進、反循環(huán)鉆進、連續(xù)取心（樣）鉆進于一體，綜合應用了多種*鉆進工藝。
貫通式潛孔沖擊器反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進原理如圖7。壓氣進入雙通道水，經(jīng)主動鉆桿及雙壁鉆桿到達潛孔沖擊器，驅(qū)動活塞，產(chǎn)生高頻沖擊，鉆具仍由鉆機帶動回轉(zhuǎn)，使鉆頭既有沖擊又有回轉(zhuǎn)作用破碎巖石。反循環(huán)柱齒鉆頭對孔底巖石呈環(huán)狀破碎，從而產(chǎn)生柱狀巖心。經(jīng)過沖擊器工作后的壓氣由鉆頭底噴排氣孔噴出，吹洗孔底巖屑并冷卻鉆頭，再由鉆頭唇部導流作用將氣流引入鉆頭中心孔，然后通過雙壁鉆桿中心通道，攜帶巖心（樣），輸送到雙通道氣水的中心孔，經(jīng)鵝頸管、排心（樣）管進入巖心（樣）采集器。
圖7 貫通式氣動潛孔沖擊器反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進原理圖
1—排心（樣）管；2—雙通道氣水；3—鵝頸彎管；4—進氣膠管； 5—雙壁鉆桿；6—逆止閥；7—心管；8—內(nèi)缸；9—活塞；10—襯套；11—反循環(huán)鉆頭
該鉆進方法特點：主要是利用空氣潛孔沖擊器碎巖效率高，反循環(huán)系統(tǒng)沖洗液上返流速高，攜帶巖心（樣）能力強，采用雙壁鉆桿既輸送壓氣又兼有護壁作用，外環(huán)間隙無沖洗液介質(zhì)及排出物的沖蝕，對孔壁擾動輕微，有效地把碎巖鉆進和提取巖心（樣）這兩項原來分割的工作統(tǒng)一為連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)，成為邊鉆進、邊取心（樣）、邊洗井3種作業(yè)程序同時進行的鉆探新工藝。
該成果已形成系列產(chǎn)品，其中GQ-100／44型潛孔沖擊器經(jīng)河南、寧夏、安徽等地礦局生產(chǎn)性試驗，共進尺2000余m，zui大孔深259。2 m，在堅硬破碎地層中平均時效4。08 m／h，臺月效率1065。17 m，zui大提鉆間隔86 m，與同礦區(qū)金剛石鉆進相比，鉆進效率提高3倍，臺月效率提高5～8倍，成本降低5～8倍。
GQ-200／62型貫通式潛孔沖擊器主要用于水文水井鉆探，經(jīng)河南*水文隊使用，在可鉆性7級灰?guī)r地層時效達9。16 m（僅配一臺風量為10 m3／min空壓機），反循環(huán)取心率100％，一個柱齒鉆頭進尺104。5 m基本無磨損。該鉆具及鉆進方法具有下列優(yōu)點：
1）貫通式潛孔沖擊器及雙壁鉆桿中空斷面作為反循環(huán)通道，因斷面小且直徑不變，在有限供風量條件下可增大上返風速，提高排渣能力，避免孔底巖石重復破碎，從而可提高鉆進效率及潛孔沖擊器使用深度；
2）排渣效果不受鉆孔孔徑限制，因而可以一徑成孔，改變了過去“小徑打、大徑擴”的工藝，從而簡化施工程序，提率，縮短工期；
3）可與氣舉反循環(huán)鉆進相結(jié)合，從而實現(xiàn)潛孔沖擊器破巖、泥漿反循環(huán)護壁，可解決砂卵礫石、破碎坍塌地層、覆蓋地層鉆進孔壁不穩(wěn)定的難題；
4）在破碎裂隙發(fā)育地層、漏失地層中由于反循環(huán)穩(wěn)定可靠，不僅可保護孔壁，巖礦心采取率達100％，而且塊度大、質(zhì)量好、判層正確及時；在鉆進過程中不會出現(xiàn)孔內(nèi)漏失或孔口不排渣不返風，避免孔內(nèi)事故發(fā)生；
5）鉆進過程即是洗井過程，不堵塞含水層，增大了水井出水量；
6）鉆進中孔口無任何返出物，無論干孔段、潮濕層或水下鉆進，巖屑粉塵均由出渣管排出，不產(chǎn)生粉塵污染和井噴危害，改善了工作條件。
3 大直徑潛孔沖擊器在孤石、漂石地層中鉆進。
隨機分布于淤泥質(zhì)粘土、流砂等軟層中未風化的大孤石、漂石，由于巖性堅硬致密、表面光滑，可鉆性達9～10級，單個直徑0。5 m～7 m不等，是目前大直徑工程井施工中一大難題。主要問題是巖石堅硬鉆進效率極低，巖石表面光滑，鉆頭導正作用差，孔斜嚴重超差，孔內(nèi)鉆具與巖石摩擦導致鉆桿折斷和掉鉆頭事故（圖8）。
圖8 鉆頭沿巖面下滑
1—鉆桿；2—籠式鉆頭；3—超前導向鉆頭
采用潛孔沖擊器在該類地層中鉆進時，如要獲得理想效果，必須使破碎單位面積巖石上達到足夠沖擊功，因此隨著井徑增大，巖性變硬，必須增大耗風量，所匹配的空壓機就得增多，為節(jié)省能耗和減少一次性投資。
作者對潛孔沖擊器與爆破方法相結(jié)合復合式鉆井工藝進行了試驗研究，鉆進工藝過程有如下幾種。
3.1 探孔預爆法
即在大井原位，用小直徑風動潛孔沖擊器鉆鑿小孔，既是補充詳勘，探明巖性及孤石、漂石分布情況，如遇到大孤石、漂石又可作為裝藥爆破的炮眼，待大巖塊炸碎后再用大直徑潛孔沖擊器直接鉆井。鉆進工藝過程見圖9。探孔預爆法，在原巖中進行預爆，裝藥量可大一些，爆破效果會更好，也不需顧忌孔壁的坍塌問題。此法在長江三峽水利樞紐工程一期圍堰防滲墻施工中，共預爆62個孔，取得十分理想效果。
圖9 探孔預爆法工藝過程示意圖
1—小鉆孔；2—松軟地層；3—zhayao包；4—大孤石、漂石；5—基巖；6—炸碎后的大孤石、漂石；7—大直徑潛孔沖擊器；8—潛孔沖擊器鉆頭；a—預鉆探孔并裝藥；b—炸碎后的大孤石、漂石；c—用大直徑潛孔沖擊器鉆孔
3.2 筒狀鉆頭進行環(huán)槽破碎巖石+爆破+反循環(huán)排渣
鉆進工藝為：潛孔沖擊器用筒狀鉆頭鉆進，形成巖心再從鉆桿中下入zhayao包（礫石彈→炸碎炸裂巖心→再送風使?jié)摽讻_擊器工作由筒狀鉆頭頂部沖碎巖心→再用泵吸反循環(huán)排屑）。這樣反復鉆進成孔，鉆進工藝見圖10。
圖10 沿孔沖擊成巖心——爆破——排渣鉆進工藝圖
1—鉆桿；2—FGC-15型貫通式潛孔沖擊器；3—筒狀鉆頭頂蓋硬質(zhì)合金；4—礫石彈；5—碎塊；6—大漂石
爆破方法很多，主要有打眼爆破及聚能爆破兩種，經(jīng)使用對比各存在如下優(yōu)缺點：
1）打眼爆破法
即在鉆孔鉆進遇到大孤石、漂石時，再在巖塊上鉆一個或多個小孔，在小孔內(nèi)裝藥爆破。這種方法對比探孔預爆法雖可節(jié)省鉆進工作量，但是在大孔內(nèi)鉆小孔必須先下小套管，同樣會產(chǎn)生鉆具偏斜，難于固定套管等問題。在實踐中曾采用小口徑金剛石鉆頭鉆進，由于無法提高轉(zhuǎn)速，結(jié)果不僅效率低，鉆頭壽命短，成本很高，而且實現(xiàn)上述鉆小孔時，必須將孔中大直徑潛孔沖擊器鉆具提出，增加了輔助時間。
2）聚能爆破法
利用藥柱一端孔穴來提高局部破壞作用效應，稱為聚能爆破。影響聚能爆破威力與下列因素有關(guān)：①zhayao性能；②藥柱下端藥型罩的材料、形狀、錐角、壁厚等；③炸高；④藥柱包的殼體及幾何形狀。圖11中（a）是藥柱端部不帶錐形孔穴的罩，爆炸產(chǎn)物沿近似垂直于藥柱表面向四周飛散，作用于底面上的僅僅是從藥柱一端飛散出的zhayao物，約等于藥柱端面面積，所以在底端只炸出一個很淺的凹坑。圖11中（b）藥柱藥量雖然比（a）藥包少，但由于在下端有一錐形孔，爆破后在底部炸出一個較深凹坑；圖11中（c）是藥柱下端錐形孔穴表面嵌裝一個金屬錐形襯套（又稱藥形罩），這種藥包爆炸后在底部炸出一個更深的凹坑。實驗表明：不同底部錐形罩破壞效果不同。大直徑工程井在硬巖、孤石、漂石中采用潛孔沖擊器及聚能爆破相結(jié)合復合式鉆進工藝，既可提高鉆進效率，又可克服大孤石、漂石中容易導致孔斜。是一種工藝簡單，安全易行，節(jié)省能源，成本低的施工方法。
實踐表明，空氣潛孔沖擊器鉆進具有下列優(yōu)點：
1）鉆進效率高。它比鉆探常用的水力沖擊器效率高2～5倍；比金剛石回轉(zhuǎn)鉆進高3～10倍。提率原因是單次沖擊功大，無液柱壓力；排渣風速高，孔底干凈，無二次破碎；改善了孔底碎巖條件；
2）配用的柱齒硬質(zhì)合金鉆頭在堅硬破碎巖石中鉆進，既有利于破巖，又比金剛石鉆頭壽命高；
3）鉆進轉(zhuǎn)速低，離心力小，鉆具對孔壁的撞擊機會小，又兼這種鉆進方法是以高頻對孔底沖擊，減小了對破碎或傾斜地層產(chǎn)生孔斜的影響，從而可提高鉆孔的垂直度，同時也可減少孔壁巖石坍塌；
4）鉆進比回轉(zhuǎn)鉆進所需要鉆壓和扭矩要小得多，這樣可減輕配套鉆機設備重量和能力，為邊坡抗滑加固鉆進在高空排架上作業(yè)創(chuàng)造了有利施工條件；
5）鉆進采用無液體循環(huán)干式作業(yè)，既不污染環(huán)境，又可防止邊坡大巖塊滑動。
其缺點：
1）由于動力介質(zhì)和循環(huán)介質(zhì)采用的是壓縮空氣，對孔壁支擋平衡作用差，護壁十分不利；
2）鉆進不能采用泥漿作循環(huán)介質(zhì)，更無法用護壁處理劑及堵漏材料；
3）破碎巖石是一種動載沖擊，鉆頭在巖石上沖擊振動，更容易使孔壁或巖心產(chǎn)生振動破碎，給護壁和采心工作帶來極為不利條件；
針對潛孔沖擊器鉆進上述缺點，多年以來作者從潛孔沖擊器結(jié)構(gòu)形式、鉆具匹配、鉆頭類型、鉆鑿工藝方法等方面進行了研究，使其適應在復雜地層中鉆進。現(xiàn)就已應用的幾種技術(shù)措施加以介紹。
1 套管隔離護孔法鉆進
1.1 異步跟管鉆進法（常規(guī)下套管方法）
先用潛孔沖擊器破巖鉆進，而后下套管隔離，再換用小一級鉆具在套管內(nèi)繼續(xù)鉆進。這是鉆孔鉆進常用的方法。施工時盡量提高鉆速，快速通過破碎帶，其目的為了縮短外界因素（沖洗液浸泡）作用時間，使孔壁能在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，這樣即可贏得一部分時間，然后再下套管隔離護孔。
作者于1995年在廣東某地進行工程勘察時，曾采用潛孔沖擊器鉆進?？辈旄蹍^(qū)系劈山填海建造，地層上部為拋填土石，中部為殘留淤泥質(zhì)土，下部為陸相沉積巖（圖1）。針對港區(qū)地層主要是拋填石堆積層，巖石破碎堅硬，采用GC-110型潛孔沖擊器配備130 mm鉆頭，裸眼鉆進同一口徑到底，穿過淤泥質(zhì)土層后，即下108 mm套管后進行清孔、取原狀土并進行標貫試驗。
圖1 鹽田港工程勘察地質(zhì)剖面圖
1—花崗巖；2—含泥砂硬拋石；3—淤泥質(zhì)土及淤泥；
4—亞砂土、亞粘土；5—海水
鉆進中出現(xiàn)的問題及對策：（1）鉆進中經(jīng)常會出現(xiàn)塌孔、掉塊現(xiàn)象。故快速成孔，盡量一氣呵成，避免多次提鉆掃孔；（2）鉆進深度達到海水面以下時，回填土、砂與海水混合生成泥包，糊在鉆桿與鉆孔環(huán)狀間隙中，使工作風壓升高，排氣循環(huán)減弱或停止，導致潛孔沖擊器工作效率下降甚至不工作，鉆頭磨損嚴重，使進尺緩慢和不進尺。鉆進中出現(xiàn)這些現(xiàn)象后，向鉆桿內(nèi)灌注一定量泡沫劑（實際用洗衣粉代替）稀釋泥包，即可排除故障，恢復正常工作。
施工表明：在堆積層采用潛孔沖擊器鉆進時效可達15.6 m/h，zui高達21 m／h；潛孔沖擊器柱齒鉆頭壽命可達80 m／只。雖然港區(qū)拋石堆積層密實度較差，與海水相通，個別孔段存在空洞，但由于空氣潛孔沖擊器鉆進是低密度介質(zhì)，對孔壁壓力小，鉆進中避免了處理漏失所需時間和材料消耗；拋石堆積層雖軟硬不均，但所有鉆孔未發(fā)生孔斜超差；勘察孔雖然地層破碎、坍塌掉塊，極不穩(wěn)定，但由于潛孔沖擊器鉆進效率高，裸眼時間短，都能一徑到底，只需下一層套管成孔，然后取樣或做標貫試驗，簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)。
1997年1月～3月，作者采用潛孔沖擊器在吉林省松花江上游水下復雜地層中鉆鑿爆破孔，工程目的是將松花江底部卵礫石和基巖剝削至5.5 m，形成江水自流到岸邊儲水池引水戽頭和埋設輸水管線基礎(chǔ)。工程總長192 m，寬度分別在82 m～12 m，總孔數(shù)845個。由于江底面起伏不平，水深變化較大。地層自上至下為①夾有25%～30％砂卵礫石層，粒徑平均為0.04 m～0.3 m，zui大1 m以上；②風化玄武巖層，厚0.5 m～0.8 m，裂隙發(fā)育、破碎；③較完整基巖，墨綠色隱晶質(zhì)，可鉆性達8級；④基巖中夾有0.8 m～1.2 m裂隙、含有氣孔的破碎帶；破碎帶以下是堅硬的玄武巖地層（圖2）。
圖2 GC-100型潛孔沖擊器施工設備及地層分布圖
1—副桅桿；2—主桅桿；3—送風膠管；4—動力頭；5—儲氣罐；6—鉆桿；7—空壓機；8—套管；9—套管支撐架；10—潛孔沖擊器；11—江水；12—平臺架；13—鉆機基架；14—動力；15—液壓馬達及操縱臺；16—斜支撐拉手
施工工藝方法：
1）上部采用套管隔離護壁法
該工程采用GC-100（或W-150型）潛孔沖擊器用法蘭與127 mm巖心管連接（圖3）。送風使?jié)摽讻_擊器沖擊再加鉆機加壓，直接將巖心管打入卵礫石層，至不進尺為止；然后再開動鉆機邊回轉(zhuǎn)邊沖擊，至巖心管穩(wěn)固地坐在風化層基巖內(nèi)。此時巖心管下部不再返風，江水中不見氣泡；若遇到大卵礫石即巖心管未到基巖，這時將潛孔沖擊器與巖心管法蘭卸開，再將潛孔沖擊器換成小一級的WC-85型潛孔沖擊器（圖4），在127 mm巖心管內(nèi)鉆進，清除巖心并超前鉆進，將大卵礫石打碎后，繼續(xù)進行取心鉆進，直至巖心管坐在穩(wěn)固基巖為止。將127 mm巖心管留在孔內(nèi)作為套管。
圖3 卵礫石鉆進工具示意圖
1—73 mm鉆桿；2—異徑接頭；3—W-150沖擊器；4—花鍵接頭；
5—法蘭盤；6—127 mm巖心管；7—130mm管靴圖4 基巖鉆進工具示意圖
1—73 mm鉆桿；2—異徑接頭；3—WC-85沖擊器；
4—花鍵接頭；5—100球齒鉆頭
（2）基巖地層鉆進
套管固定后，采用WC-85型潛孔沖擊器配110 mm柱齒鉆頭在套管內(nèi)鉆進，清除卵礫石層及巖心，操作時采用慢轉(zhuǎn)、輕壓、勤提動、大風量規(guī)程，以免巖屑過大，夾在沖擊器和套管環(huán)狀間隙內(nèi)，造成卡鉆事故，或帶動套管拔起或破壞套管穩(wěn)固性。
當沖擊器超過套管底端面0。3m后，采用快速鉆進。再遇地層破碎、裂隙、氣孔發(fā)育時，由于地層內(nèi)串氣、漏失，上返流速降低，為排除巖屑，應勤提動鉆具強吹排粉，保證正常鉆進。
施工表明：氣動潛孔沖擊器鉆進卵礫石層、堅硬破碎、裂隙發(fā)育地層，不僅鉆進效率高，而且鉆頭壽命長，使用壓氣作為沖洗介質(zhì)，解決了因氣溫低（-39℃）而管路凍結(jié)的問題。該項工程不僅總結(jié)出一套水下鉆進經(jīng)驗。并取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。
1.2 潛孔沖擊器同步跟管鉆進法
即潛孔沖擊器一邊鉆進，套管一邊隨鉆頭下入孔內(nèi)。跟進的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護孔口作用，而且鉆進、排渣和護壁3個工序同時進行，使鉆孔工作得以順利進行。這是一種既發(fā)揮潛孔沖擊器碎巖效率高的優(yōu)點，又設法克服其護壁性能差而采取的一種工藝措施。目前已用于生產(chǎn)的有：
瑞典的“ODEX”偏心擴孔法、德國的“土星”和“海王星”雙回轉(zhuǎn)鉆進法、美國英格索蘭公司的對心擴孔法。作者為解決香港馬鞍山工程研制了單偏心式和雙偏心式兩種偏心擴孔鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖5，圖6。
圖5 單偏心擴孔鉆頭
1—切削齒底唇固定；2—銷；3—擋塊；4—鉆頭體圖6 雙偏心擴鉆頭
1—切削齒板；2—銷軸；3—定位銷；4—擋圈；5—鉆頭體
KD-560／520型及KS-560／520型兩種偏心擴孔鉆頭結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，經(jīng)生產(chǎn)性試驗表明，偏心擴孔鉆頭伸張及收縮動作可靠，使用壽命長。
2 貫通式潛孔沖擊器應用于復雜地層鉆進
為了實現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進，作者于80年代末研制了GQ-200／62、GQ-100/44型兩種貫通式潛孔沖擊器。反循環(huán)連續(xù)取心（樣）貫通式潛孔沖擊器鉆進是集潛孔沖擊器鉆進、反循環(huán)鉆進、連續(xù)取心（樣）鉆進于一體，綜合應用了多種*鉆進工藝。
貫通式潛孔沖擊器反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進原理如圖7。壓氣進入雙通道水，經(jīng)主動鉆桿及雙壁鉆桿到達潛孔沖擊器，驅(qū)動活塞，產(chǎn)生高頻沖擊，鉆具仍由鉆機帶動回轉(zhuǎn)，使鉆頭既有沖擊又有回轉(zhuǎn)作用破碎巖石。反循環(huán)柱齒鉆頭對孔底巖石呈環(huán)狀破碎，從而產(chǎn)生柱狀巖心。經(jīng)過沖擊器工作后的壓氣由鉆頭底噴排氣孔噴出，吹洗孔底巖屑并冷卻鉆頭，再由鉆頭唇部導流作用將氣流引入鉆頭中心孔，然后通過雙壁鉆桿中心通道，攜帶巖心（樣），輸送到雙通道氣水的中心孔，經(jīng)鵝頸管、排心（樣）管進入巖心（樣）采集器。
圖7 貫通式氣動潛孔沖擊器反循環(huán)連續(xù)取心（樣）鉆進原理圖
1—排心（樣）管；2—雙通道氣水；3—鵝頸彎管；4—進氣膠管； 5—雙壁鉆桿；6—逆止閥；7—心管；8—內(nèi)缸；9—活塞；10—襯套；11—反循環(huán)鉆頭
該鉆進方法特點：主要是利用空氣潛孔沖擊器碎巖效率高，反循環(huán)系統(tǒng)沖洗液上返流速高，攜帶巖心（樣）能力強，采用雙壁鉆桿既輸送壓氣又兼有護壁作用，外環(huán)間隙無沖洗液介質(zhì)及排出物的沖蝕，對孔壁擾動輕微，有效地把碎巖鉆進和提取巖心（樣）這兩項原來分割的工作統(tǒng)一為連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)，成為邊鉆進、邊取心（樣）、邊洗井3種作業(yè)程序同時進行的鉆探新工藝。
該成果已形成系列產(chǎn)品，其中GQ-100／44型潛孔沖擊器經(jīng)河南、寧夏、安徽等地礦局生產(chǎn)性試驗，共進尺2000余m，zui大孔深259。2 m，在堅硬破碎地層中平均時效4。08 m／h，臺月效率1065。17 m，zui大提鉆間隔86 m，與同礦區(qū)金剛石鉆進相比，鉆進效率提高3倍，臺月效率提高5～8倍，成本降低5～8倍。
GQ-200／62型貫通式潛孔沖擊器主要用于水文水井鉆探，經(jīng)河南*水文隊使用，在可鉆性7級灰?guī)r地層時效達9。16 m（僅配一臺風量為10 m3／min空壓機），反循環(huán)取心率100％，一個柱齒鉆頭進尺104。5 m基本無磨損。該鉆具及鉆進方法具有下列優(yōu)點：
1）貫通式潛孔沖擊器及雙壁鉆桿中空斷面作為反循環(huán)通道，因斷面小且直徑不變，在有限供風量條件下可增大上返風速，提高排渣能力，避免孔底巖石重復破碎，從而可提高鉆進效率及潛孔沖擊器使用深度；
2）排渣效果不受鉆孔孔徑限制，因而可以一徑成孔，改變了過去“小徑打、大徑擴”的工藝，從而簡化施工程序，提率，縮短工期；
3）可與氣舉反循環(huán)鉆進相結(jié)合，從而實現(xiàn)潛孔沖擊器破巖、泥漿反循環(huán)護壁，可解決砂卵礫石、破碎坍塌地層、覆蓋地層鉆進孔壁不穩(wěn)定的難題；
4）在破碎裂隙發(fā)育地層、漏失地層中由于反循環(huán)穩(wěn)定可靠，不僅可保護孔壁，巖礦心采取率達100％，而且塊度大、質(zhì)量好、判層正確及時；在鉆進過程中不會出現(xiàn)孔內(nèi)漏失或孔口不排渣不返風，避免孔內(nèi)事故發(fā)生；
5）鉆進過程即是洗井過程，不堵塞含水層，增大了水井出水量；
6）鉆進中孔口無任何返出物，無論干孔段、潮濕層或水下鉆進，巖屑粉塵均由出渣管排出，不產(chǎn)生粉塵污染和井噴危害，改善了工作條件。
3 大直徑潛孔沖擊器在孤石、漂石地層中鉆進。
隨機分布于淤泥質(zhì)粘土、流砂等軟層中未風化的大孤石、漂石，由于巖性堅硬致密、表面光滑，可鉆性達9～10級，單個直徑0。5 m～7 m不等，是目前大直徑工程井施工中一大難題。主要問題是巖石堅硬鉆進效率極低，巖石表面光滑，鉆頭導正作用差，孔斜嚴重超差，孔內(nèi)鉆具與巖石摩擦導致鉆桿折斷和掉鉆頭事故（圖8）。
圖8 鉆頭沿巖面下滑
1—鉆桿；2—籠式鉆頭；3—超前導向鉆頭
采用潛孔沖擊器在該類地層中鉆進時，如要獲得理想效果，必須使破碎單位面積巖石上達到足夠沖擊功，因此隨著井徑增大，巖性變硬，必須增大耗風量，所匹配的空壓機就得增多，為節(jié)省能耗和減少一次性投資。
作者對潛孔沖擊器與爆破方法相結(jié)合復合式鉆井工藝進行了試驗研究，鉆進工藝過程有如下幾種。
3.1 探孔預爆法
即在大井原位，用小直徑風動潛孔沖擊器鉆鑿小孔，既是補充詳勘，探明巖性及孤石、漂石分布情況，如遇到大孤石、漂石又可作為裝藥爆破的炮眼，待大巖塊炸碎后再用大直徑潛孔沖擊器直接鉆井。鉆進工藝過程見圖9。探孔預爆法，在原巖中進行預爆，裝藥量可大一些，爆破效果會更好，也不需顧忌孔壁的坍塌問題。此法在長江三峽水利樞紐工程一期圍堰防滲墻施工中，共預爆62個孔，取得十分理想效果。
圖9 探孔預爆法工藝過程示意圖
1—小鉆孔；2—松軟地層；3—zhayao包；4—大孤石、漂石；5—基巖；6—炸碎后的大孤石、漂石；7—大直徑潛孔沖擊器；8—潛孔沖擊器鉆頭；a—預鉆探孔并裝藥；b—炸碎后的大孤石、漂石；c—用大直徑潛孔沖擊器鉆孔
3.2 筒狀鉆頭進行環(huán)槽破碎巖石+爆破+反循環(huán)排渣
鉆進工藝為：潛孔沖擊器用筒狀鉆頭鉆進，形成巖心再從鉆桿中下入zhayao包（礫石彈→炸碎炸裂巖心→再送風使?jié)摽讻_擊器工作由筒狀鉆頭頂部沖碎巖心→再用泵吸反循環(huán)排屑）。這樣反復鉆進成孔，鉆進工藝見圖10。
圖10 沿孔沖擊成巖心——爆破——排渣鉆進工藝圖
1—鉆桿；2—FGC-15型貫通式潛孔沖擊器；3—筒狀鉆頭頂蓋硬質(zhì)合金；4—礫石彈；5—碎塊；6—大漂石
爆破方法很多，主要有打眼爆破及聚能爆破兩種，經(jīng)使用對比各存在如下優(yōu)缺點：
1）打眼爆破法
即在鉆孔鉆進遇到大孤石、漂石時，再在巖塊上鉆一個或多個小孔，在小孔內(nèi)裝藥爆破。這種方法對比探孔預爆法雖可節(jié)省鉆進工作量，但是在大孔內(nèi)鉆小孔必須先下小套管，同樣會產(chǎn)生鉆具偏斜，難于固定套管等問題。在實踐中曾采用小口徑金剛石鉆頭鉆進，由于無法提高轉(zhuǎn)速，結(jié)果不僅效率低，鉆頭壽命短，成本很高，而且實現(xiàn)上述鉆小孔時，必須將孔中大直徑潛孔沖擊器鉆具提出，增加了輔助時間。
2）聚能爆破法
利用藥柱一端孔穴來提高局部破壞作用效應，稱為聚能爆破。影響聚能爆破威力與下列因素有關(guān)：①zhayao性能；②藥柱下端藥型罩的材料、形狀、錐角、壁厚等；③炸高；④藥柱包的殼體及幾何形狀。圖11中（a）是藥柱端部不帶錐形孔穴的罩，爆炸產(chǎn)物沿近似垂直于藥柱表面向四周飛散，作用于底面上的僅僅是從藥柱一端飛散出的zhayao物，約等于藥柱端面面積，所以在底端只炸出一個很淺的凹坑。圖11中（b）藥柱藥量雖然比（a）藥包少，但由于在下端有一錐形孔，爆破后在底部炸出一個較深凹坑；圖11中（c）是藥柱下端錐形孔穴表面嵌裝一個金屬錐形襯套（又稱藥形罩），這種藥包爆炸后在底部炸出一個更深的凹坑。實驗表明：不同底部錐形罩破壞效果不同。大直徑工程井在硬巖、孤石、漂石中采用潛孔沖擊器及聚能爆破相結(jié)合復合式鉆進工藝，既可提高鉆進效率，又可克服大孤石、漂石中容易導致孔斜。是一種工藝簡單，安全易行，節(jié)省能源，成本低的施工方法。