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DTH錘鉆

水文井中使用的DTH錘,根據驅動底部沖擊器的循環介質不同,可分為液壓DTH錘鉆進(通常簡稱液壓錘)和氣動DTH錘鉆進(通常簡稱DTH錘)。SC-150系列已生產液壓DTH錘,主要用於鉆φ 150 ~ 260 mm基巖水文井,氣動DTH錘是壹種以壓縮空氣為循環介質,同時驅動底部沖擊器的鉆進方法。它被稱為DTH錘鉆。這是壹種高效的鉆井方法。硬巖鉆進的效率比回轉鉆進高幾倍到幾十倍,因此在水文井等鉆探行業發展迅速。

DTH錘鉆需要配備空氣壓縮機、氣動DTH錘、DTH錘鉆頭,風量大,風壓大。

關於DTH錘的種類、結構和工作原理,請參閱本章第六部分第壹節。

①DTH錘鉆頭

DTH錘頭的種類很多,但按硬質合金的形狀可分為兩種,壹種是刃形鉆頭,另壹種是柱齒鉆頭,如圖4-35所示。前者用於壹般軟地層,後者用於硬地層。

圖4-35 DTH錘鉆頭

與常規牙輪鉆頭相比,DTH牙輪鉆頭的井下受力更加復雜,因此其結構也更加復雜。刃邊鉆的刃邊排列壹般為十字形、X形或采用前緣的形式。圓柱形鉆頭的合金幾乎總是通過過盈冷壓來固定。中國目前常用的DTH錘頭直徑為220毫米。國外大直徑超級DTH錘直徑可達762mm,集群式大直徑DTH錘可鉆孔直徑1016 mm

(2)DTH錘鉆規程參數

1.風壓

DTH錘的沖擊頻率和沖擊功與風壓有關。當風壓從0.6MPa提高到1.03MPa時,鉆孔效率可提高壹倍。

目前,國內的DTH錘根據風壓不同分為兩種。低壓DTH錘所需風壓為0.5 ~ 0.7 MPa,高壓DTH錘所需風壓為1.2 ~ 2.2 MPa。

用DTH錘鉆孔時,除了DTH錘正常工作所需的風壓外,隨著鉆孔深度的增加和克服水位以下的水柱壓力,風壓也隨之增加。生產中常用串聯增壓器的方法來增加風壓。

2.風量

DTH錘鉆進速度快,單位時間產生的鉆屑大而重,需要較大的風量才能使孔底幹凈。DTH錘本身也有壹定的額定風量才能正常工作。如W-200 DTH錘的額定風量為10 ~ 20m3/min。

從試鉆情況來看,DTH錘只有在井內向上風速大於15m/s時才能發揮良好的作用,因此需要風量保證井內向上風速大於15m/s

國內大部分生產單位都有9m3/min的空壓機。用這種壓縮機打井,風量不足。兩臺或多臺空壓機經常並聯使用,可以解決風量不足的問題。

3.沖擊頻率

當風量和風壓達到DTH錘要求的額定值時,DTH錘的沖擊頻率壹般為600 ~ 1000次/min。

4.浪擊落水

在DTH錘鉆進中,需要保持鉆頭始終不離開孔底,因此必須施加壹定的底部壓力。但如果鉆壓過高,不但不會提高鉆井速度,反而會加速鉆頭的磨損。如果使用直徑為φ 100 ~ 300mm的DTH錘,當WOB為10 ~ 18kn時,鉆進效率最佳。

5.旋轉次數

由於DTH錘破碎的巖石質量大,所以轉速不需要太高。壹般來說,球齒鉆的磨損與轉數成正比。巖石越硬,研磨性越高,轉數要低壹些。

轉數與DTH錘的最佳旋轉角度和沖擊頻率有關,它們之間的關系如下

地質勘探和鉆井工人:初級工人、中級工人和高級工人。

其中:A為最佳旋轉角度(度);n為鉆具轉數(轉/分);f是沖擊頻率(次/分鐘)。

如果最佳旋轉角度為11,沖擊頻率為600次/分鐘,則可得到鉆具轉數為18r/min。轉數也可以從鉆頭每轉10毫米進尺的經驗關系中獲得。也就是

鉆具轉數/鉆速=1.6 (4-6)

例如,當小時效率為12.2m/h時,鉆具轉數n = 12.2m/h×1.6 = 19.5≈20r/min。

(3)潛孔錘和套管鉆進法

潛孔錘鉆進已用於基巖水井鉆探,並取得了很好的效果。但對於極松散的流砂層、卵石層、回填土層和第四系覆蓋層,不能使用常規的DTH錘鉆進方法。因此,出現了DTH錘鉆管法。

1.DTH錘同步跟隨套管鉆具的作用原理

這種鉆具的鉆頭能在套管底部鉆壹個大於套管外徑的孔,使套管能順利跟隨;鉆孔時,可以方便地收回擴孔鉆頭,從而將整個鉆具提出套管。圖4-36所示為套管鉆井鉆具裝配圖。它由潛孔錘、扶正器、偏心擴孔鉆頭、中心鉆頭、偏心護套、砂層牙輪鉆頭和套管鞋組成。根據需要,可增加扶正器、取粉管和排粉罩,或使用帶封隔器的雙壁鉆桿進行中心取樣鉆井。

鉆遇軟硬夾層地層時,鉆具組合如下:

1)外層。排粉罩-套管-套管鞋。

2)內層。鉆桿和扶正器-DTH錘-扶正器-偏心擴孔鉆頭-中心鉆頭。為了防止因風量不足,不能吹出粒徑較大的鉆屑而造成卡鉆,在DTH錘上方安裝了取粉管。

圖4-36套管鉆具裝配圖

1—鉆桿;2—排粉罩;3-扶正器;4—外殼;5-取粉管;6—DTH·哈默;7-矯直裝置;8—套管鞋;9—偏心擴孔鉆頭;10-中心位;11—砂土層牙輪鉆頭;12—偏心套筒膨脹;13—雙壁鉆桿;14-打包機;15-正極和負極連接器

用雙壁鉆桿鉆孔進行中心取樣時,增加了帶封隔器的正反接頭,取消了排粉罩和取粉管。鉆孔時,空氣或泡沫從鉆桿進入DTH錘使沖擊器工作,沖擊器活塞沖擊導向器,導向器的偏心軸上套有偏心擴孔鉆頭,前端通過螺紋與中心鉆頭連接。當鉆具正轉時,偏心擴孔鉆頭由於慣性力和壁面摩擦而張開,張開到最大位置後受到矯直器上擋塊的限制。沖擊力從導向器傳遞到中心鉆頭和偏心擴孔鉆頭,使孔底巖石破碎。偏心擴眼鉆頭擴大了壹個大於套管外徑的通道,使套管可以通過而不受井底巖石的阻礙。當套管外壁的摩擦阻力過大,套管停止跟隨時,內部鉆具繼續向前破碎巖石,直到矯直器上的肩部接觸套管鞋上的肩部。此時,扶正器將DTH錘的部分沖擊力施加到套管鞋上,WOB迫使套管鞋帶動整個套管柱與鉆具同步跟進,從而保護已鉆段的井壁。

導流板的表面開有用於鉆孔和吹切屑的氣孔,與DTH錘殼體底部接觸的地方也開有氣孔,這樣在吹孔時大量的空氣可以從殼體內部回流,夾在這部分的粘土可以被清除。偏心軸上的風口可以冷卻偏心擴孔鉆頭,防止切屑堵塞擴孔鉆頭;大部分壓縮空氣通過中心鉆的風道,直接從中心孔沖洗孔底破碎的巖屑。鉆屑通過導流板表面的空氣槽進入套管,並被向上的高速氣流或泡沫帶出井眼。

鉆具工作時,矯直器和臺肩表面的通孔分別被套管鞋內表面和DTH錘底部封閉,大量空氣進入鉆頭工作區域,冷卻和清潔孔底;當鉆頭被提起以進行鉆孔時,肩部上的通孔被打開。由於孔底空氣阻力大,大部分空氣會從臺肩上的通孔把套管內的巖屑吹起來。當鉆具再次上提時,矯直器表面的氣孔也被打開,套管內的巖屑被氣流強力吹走。通過排粉罩排出套管或通過正反接頭進入雙壁鉆桿的中心管排出鉆進。

鉆孔後需要提鉆時,應稍微反轉鉆具,使擴孔鉆頭靠與孔底的摩擦阻力縮回。因此,整個鉆具的外徑小於套管的內徑,鉆具可以提出井眼或與鉆桿和套管配合。

鉆粘土和砂層時,可用偏心擴孔鉆頭代替中心鉆頭,利用高頻振動下土層的“液化”現象,切割地層,隨管而行。

2.潛孔錘和套管鉆井技術

1)使用DTH錘跟套管時,最好使用動力頭鉆壹次跟較長的套管。

2)為保證鉆孔平直,第壹根套管不得傾斜,套管垂直度控制在2‰以內(允許偏差為3mm/m)。套管應采用左旋螺紋連接或焊接,以防止套管脫落。

3)最好使用泡沫鉆井,利用其潤滑性能使套管順利跟進。

4)鉆進時轉速應為18 ~ 25r/min,不允許高轉速;WOB應根據地層來確定。最好保持鉆速穩定。