第一章 反井鉆機(jī)選擇

煤礦、金屬礦和非金屬礦、水電站和蓄能電站、人防工程、交通、鐵路和隧道、軍事工程等地下工程施工環(huán)境、工程參數(shù)（深度、直徑和傾角等）、地質(zhì)條件（巖石巖性、硬度、抗壓強(qiáng)度、構(gòu)造等）千差萬(wàn)別；如何正確地配備合適的施工機(jī)具、制定先進(jìn)的施工工藝、合理選擇各種參數(shù)、落實(shí)可靠的安全措施是反井鉆井施工成敗的關(guān)鍵。

第一節(jié) 反井鉆機(jī)選型

1． 設(shè)備選擇的依據(jù)
根據(jù)豎井或斜井施工的綜合條件，在確定采用反井鉆井法施工后，即要開始選擇反井鉆機(jī)和配套設(shè)備及工藝選擇。選擇設(shè)備主要依據(jù)是：
（1） 工程條件。主要包括工程性質(zhì)、用途、主要技術(shù)參數(shù)（井孔深度、終孔直徑、井孔傾角度等）、相關(guān)工程狀況。根據(jù)施工井筒的深度和傾角等要求，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備及市場(chǎng)情況確定鉆機(jī)。
（2） 地質(zhì)條件。包括巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體產(chǎn)狀、主要地質(zhì)構(gòu)造及參數(shù)、水文地質(zhì)條件等。對(duì)于深孔、斜孔，應(yīng)有鉆孔位置的勘探孔資料和地質(zhì)柱狀圖。根據(jù)施工井位的地質(zhì)構(gòu)造及巖性，確定沖洗液為泥漿或清水，從而選擇用泥漿泵或水泵。
（3） 施工條件。運(yùn)輸條件，吊裝條件以及供電、供水情況。根據(jù)井位供電、供水、運(yùn)輸及井位下水平巷道開通情況確定鉆機(jī)的類型。一般在井位處應(yīng)有供電、供水，具有鉆機(jī)工作空間，在下水平巷道開通的情況下，選擇上擴(kuò)法施工，應(yīng)選擇上擴(kuò)類全斷面反井鉆機(jī)。在煤礦多選擇電驅(qū)動(dòng)液壓反井鉆機(jī)。
2． 可行性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
對(duì)工程施工條件進(jìn)行分析，包括上下水平隧道是否形具有運(yùn)輸、出渣、供水、供電、通風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)；
對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行分析，分析圍巖在反井鉆井施工過(guò)程中和擴(kuò)孔期間能否穩(wěn)定，不發(fā)生較大的涌水和塌方，造成鉆孔堵塞和下部設(shè)施淹沒(méi)。因?yàn)樵诜淳┕て陂g，無(wú)法進(jìn)行支護(hù)，若圍巖不能自穩(wěn)，發(fā)生塌方，將會(huì)堵塞鉆孔，造成事故；
對(duì)施工位置安全狀況進(jìn)行分析，包括交通運(yùn)輸、通風(fēng)、隧道支護(hù)情況及穩(wěn)定情況、洪水、有害氣體等是否對(duì)施工人員和設(shè)備傷害程度。
綜合以上分析，以確定是否具有采用反井鉆機(jī)施工可能。
3． 反井鉆機(jī)選擇
3.1 鉆孔參數(shù)的確定
工程本身已確定了鉆孔深度和傾角，還要確定擴(kuò)孔直徑。鉆孔的作用是溜渣、排水、通風(fēng)，因此要有足夠的斷面強(qiáng)。需要再擴(kuò)挖（刷大）的工程，擴(kuò)挖期間不發(fā)生堵塞。擴(kuò)孔直徑太小，除了容易發(fā)生堵塞外，還增加了擴(kuò)挖時(shí)打眼和出渣工作量，降低擴(kuò)挖速度。導(dǎo)井直徑過(guò)大，反井鉆井施工成本增加，因此，鉆孔直徑選擇必須合理，一般鉆孔直徑選擇如表4-1。
表  4-1  鉆孔直徑選擇參考

開挖直徑（m）	通風(fēng)井等偏斜精度要求低的工程	井筒、壓力管道等偏斜精度要求高的工程
<2	一次鉆成	一次鉆成
2~3	一次鉆成、用兩個(gè)小直徑孔代替、導(dǎo)井直徑1m后擴(kuò)挖	導(dǎo)井直徑1m后擴(kuò)挖
3~5	導(dǎo)井直徑1~1.5m后擴(kuò)挖	導(dǎo)井直徑1~1.5m后擴(kuò)挖
5~7	導(dǎo)井直徑1.5~2m后擴(kuò)挖	導(dǎo)井直徑1.5~2m后擴(kuò)挖
>7	導(dǎo)井直徑2m后擴(kuò)挖	導(dǎo)井直徑2m后擴(kuò)挖

3.2 選擇破巖滾刀
反井鉆機(jī)靠滾刀對(duì)巖石的擠壓、刮削和剪切破碎巖石，根據(jù)巖石的礦物構(gòu)成、硬度、磨蝕性以及抗壓、抗拉、抗剪等力學(xué)指標(biāo)來(lái)確定滾刀齒形類型，選擇如下：
巖石的磨蝕性：低→中→高；
硬度：軟→中硬→堅(jiān)硬
齒形：楔齒→錐形→復(fù)合型→球形；
滾刀結(jié)構(gòu)：?jiǎn)稳斜P形滾刀（無(wú)鑲齒）→多刃盤形滾刀（刀刃上鑲齒）→無(wú)刃滾刀（刀體錐面鑲齒）。
反井鉆機(jī)滾刀選擇后，根據(jù)巖石條件在擴(kuò)孔鉆頭合理布置滾刀，也就可以確定，破碎巖石需要的最大鉆壓。
如在抗壓強(qiáng)度100MPa的巖石中，鉆進(jìn)深度200m、直徑1.4m的鉆孔，在擴(kuò)孔鉆頭上需要布置6把中硬巖滾刀，每把滾刀需要約30kN破巖壓力，整個(gè)鉆頭的破巖鉆壓180kN。
3.3 鉆桿選擇
鉆桿包括普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿、接頭鉆桿，選擇鉆桿時(shí)要滿足拉力和扭矩共同作用下的強(qiáng)度、剛度要求，同時(shí)要達(dá)到一定的抗疲勞破壞能力，鉆桿連接絲扣要有通用性和互換性。鉆桿選擇完成后，鉆桿的重量是影響鉆機(jī)選擇的因素。如有效長(zhǎng)度1.0m、外徑182mm的鉆桿，重量約155kg。穩(wěn)定鉆桿和接頭鉆桿外徑，要予導(dǎo)孔鉆頭外徑匹配。
3.4 反井鉆機(jī)的選擇
首先根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對(duì)鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：
實(shí)際工作拉力=動(dòng)力頭重量+擴(kuò)孔鉆頭重量+鉆桿重量+最大鉆壓
實(shí)際工作扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力
如在抗壓強(qiáng)度100MPa的巖石中，鉆進(jìn)深度200m、直徑1.4m的鉆孔，可以初步選擇LM－200型反井鉆機(jī)（其參數(shù)前面以作說(shuō)明），進(jìn)行鉆機(jī)拉力和扭矩驗(yàn)算：
實(shí)際工作拉力＝40kN（動(dòng)力頭及油缸重量）＋25kN（擴(kuò)空鉆頭重量）＋200m×155kg×9.8（重力加速度）/1000＋180kN（鉆壓）＝548.8kN
扭矩
一般要求實(shí)際工作拉力不超過(guò)鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大提升力的60%，扭矩不超過(guò)設(shè)計(jì)最大扭矩的60%。在本例中LM－200型反井鉆機(jī)最大拉力為850kN，實(shí)際工作拉力/最大拉力比是64.5％，LM－200型基本上滿足工程要求，但也可以選擇更大的型號(hào)的反井鉆機(jī)。

第二節(jié) 輔助設(shè)施選擇

1. 導(dǎo)孔鉆頭選擇
 
2. 循環(huán)液選擇
3. 循環(huán)泵選擇
4. 出渣設(shè)備選擇
5. 電控設(shè)備選擇
6. 冷卻系統(tǒng)選擇

反井鉆井施工鉆機(jī)穩(wěn)裝（固定）

反井鉆機(jī)在開鉆前，必須將其固定在基礎(chǔ)上或鉆進(jìn)峒室中，以承受因鉆進(jìn)而產(chǎn)生的推拉力和扭矩，以防止機(jī)器偏移和振動(dòng)，這種對(duì)鉆機(jī)的固定方法稱之為鉆機(jī)穩(wěn)裝。
（1） 技術(shù)要求。選定鉆孔地點(diǎn)后，按主機(jī)基礎(chǔ)圖進(jìn)行基礎(chǔ)施工。該基礎(chǔ)必須水平，而且要有足夠的強(qiáng)度。井字型框架在離擴(kuò)孔直徑的地基上用數(shù)根底腳螺栓緊固，螺栓緊固的形式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石（煤）情況而定，但每根螺栓的錨固力不得低于4t，螺栓與井字框架以及井字框架與鉆機(jī)底腳板的連接必須緊固，基礎(chǔ)混凝土厚度不得小于300mm，強(qiáng)度不得低于25MPa標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度。當(dāng)鉆機(jī)沒(méi)有頂部支撐，則鉆機(jī)的自重及鉆機(jī)在作業(yè)中的反扭矩、反鉆壓全靠基礎(chǔ)承受?；A(chǔ)的施工好壞直接影響成井質(zhì)量，甚至造成鉆機(jī)穩(wěn)裝失效，因此，基礎(chǔ)的浮渣必須徹底清除干凈，澆筑時(shí)必須搗固，仔細(xì)找平。對(duì)于井位是煤層或破碎地層及對(duì)井筒偏斜率要求較高的深井，應(yīng)適當(dāng)加大基礎(chǔ)的面積和厚度，一般可將面積增至3.0m×3.0m，混凝土基礎(chǔ)厚度可增至0.8m以上。
（2） 注意事項(xiàng)。穩(wěn)裝的好壞對(duì)鉆機(jī)工作十分重要。鉆進(jìn)時(shí)，如果穩(wěn)裝失效，往往會(huì)引起鉆機(jī)偏移，機(jī)器振動(dòng)急劇加大，鉆進(jìn)效率顯著降低，嚴(yán)重時(shí)損壞鉆桿、鉆頭以及鉆機(jī)各部件，甚至迫使鉆進(jìn)中斷。實(shí)踐證明，為了不使鉆機(jī)穩(wěn)裝失效，必須做好以下工作：①安裝鉆機(jī)前的鉆機(jī)基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作，必須嚴(yán)格按照鉆機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工，混凝土質(zhì)量符合技術(shù)要求，底腳螺栓質(zhì)量、基礎(chǔ)井字框架質(zhì)量必須在基礎(chǔ)施工前做認(rèn)真的檢查，發(fā)現(xiàn)損壞的應(yīng)及時(shí)更換，決不能敷衍湊數(shù)；②安裝時(shí)，要按規(guī)定將所有緊固件固緊，特別是基礎(chǔ)底腳螺栓與基礎(chǔ)井字框架及基礎(chǔ)井字框架與鉆機(jī)底腳板上螺栓、螺母，一定要逐一檢查緊固；③鉆進(jìn)工作開始后，當(dāng)班輔助工要根據(jù)鉆機(jī)的工作狀況，經(jīng)常注意檢查關(guān)鍵性緊固件，發(fā)現(xiàn)稍有松動(dòng)，務(wù)必及時(shí)緊固處理。
 
第三節(jié) 反井鉆進(jìn)工藝
一、 反井鉆機(jī)工藝原理
反井鉆進(jìn)工藝（主要說(shuō)明第一類反井鉆機(jī)），包括導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)。反井鉆進(jìn)工藝原理是通過(guò)鉆機(jī)的電機(jī)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，并利用液壓動(dòng)力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆桿及鉆頭旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上的滾刀在鉆壓的作用下，沿井底巖石工作面作純滾動(dòng)和微量滑移。同時(shí)，主機(jī)油缸產(chǎn)生的軸向拉、壓力，也通過(guò)動(dòng)力頭、鉆桿作用在導(dǎo)孔鉆頭或擴(kuò)孔鉆頭上，使導(dǎo)孔鉆頭的滾刀在鉆壓作用下滾動(dòng)，產(chǎn)生沖擊載荷，使?jié)L刀齒對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，破碎巖石。被破碎的巖屑在導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)被正循環(huán)的洗井液沖洗，巖屑沿著鉆桿與孔壁間的環(huán)形空間由洗井液提升到鉆孔外。在擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重直接落到下水平巷道內(nèi)，采用裝巖機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備及時(shí)清理運(yùn)出。導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿不斷加長(zhǎng)，從上水平到鉆透的下水平形成小直徑（200～300mm）的鉆孔。之后將導(dǎo)孔鉆頭卸下，裝上擴(kuò)孔鉆頭。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)不斷拆下鉆桿，直到鉆桿拆完，擴(kuò)孔鉆頭從下水平拉到上水平為止。例如，鉆鑿Φ1.4m的井孔時(shí)，只需先鉆Φ216mm的導(dǎo)孔，直至導(dǎo)孔鉆透下水平巷道，將導(dǎo)孔鉆頭在此卸下，接上Φ1.4m的擴(kuò)孔鉆頭，再由下往上擴(kuò)孔鉆至上水平巷道即可。若需鉆進(jìn)Φ2.0m的井孔，再將Φ1.4m鉆頭下放到下水平巷道拆掉，接上Φ2.0m擴(kuò)孔鉆頭，繼續(xù)由下往上鉆進(jìn)，直至鉆頭露出。
好的反井鉆機(jī)只是鉆成高質(zhì)量反井的必要條件，必須根據(jù)不同的條件確定不同的施工工藝。反井鉆機(jī)功能主要考慮的是滿足反井鉆進(jìn)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的基本要求，以及其它方面的輔助工藝要求，還要由掌握工藝技術(shù)的人員實(shí)施，才能達(dá)到應(yīng)有的效果。
可見，反井鉆機(jī)在地下惡劣的環(huán)境、復(fù)雜的地質(zhì)條件下鉆進(jìn)地下工程，不但需要有可靠的設(shè)備，而且需要有適合的鉆進(jìn)工藝，以便在達(dá)到一定的質(zhì)量要求前提下，安全、高效、快速的完成施工任務(wù)。導(dǎo)孔的作用是將鉆具下放到下水平，以便連接擴(kuò)孔鉆頭。導(dǎo)孔破巖量雖然只占總破巖量的2.5%或更小，但導(dǎo)孔鉆進(jìn)關(guān)系到鉆孔的質(zhì)量，是反井施工的關(guān)鍵。導(dǎo)孔的垂直度決定了鉆孔的偏斜率；導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程也是對(duì)地層探測(cè)的過(guò)程，可以了解巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等，對(duì)擴(kuò)孔鉆頭破巖刀具的選擇及工程支護(hù)方式的選擇都有參考價(jià)值；還可以通過(guò)導(dǎo)孔，對(duì)穩(wěn)定性較差的地層進(jìn)行預(yù)加固處理。導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)一般要求推進(jìn)速度較快、推進(jìn)壓力大（有時(shí)需要上拉）、轉(zhuǎn)速高。反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔施工工藝見圖4-1。
擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程是大量破碎巖石的過(guò)程，需要根據(jù)巖石條件選擇破巖滾刀，布置擴(kuò)孔鉆頭，制定相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)。擴(kuò)孔鉆進(jìn)一般要求推進(jìn)速度較慢、推進(jìn)力大（上拉力大）、轉(zhuǎn)速低，以達(dá)到鉆進(jìn)效率最高。反井鉆機(jī)擴(kuò)孔施工工藝見圖4-2。
 
圖4-1  反井鉆機(jī)導(dǎo)孔工藝
1- 動(dòng)力水龍頭；2- 鉆桿；3- 導(dǎo)孔鉆頭；4- 從泥漿泵壓入的泥漿；
5- 從環(huán)形空間返回的攜帶巖渣泥漿；6- 泥漿循環(huán)池；7- 泥漿泵
 
圖4-2 反井鉆機(jī)擴(kuò)孔工藝
1- 擴(kuò)孔鉆頭；2- 下水平巷道；3- 擴(kuò)孔自由落下的巖渣
二、 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇
（1） 鉆壓
鉆壓是指鉆機(jī)施加給破巖滾刀上的壓力總和。但有效鉆壓應(yīng)使巖石達(dá)到體積破碎，也就是能夠達(dá)到合理的鉆進(jìn)速度（m/h）。
鉆進(jìn)導(dǎo)孔時(shí)，鉆壓是鉆機(jī)對(duì)鉆具的推力和鉆具的重量之和。為了保證鉆孔的垂直度，要恒壓鉆進(jìn)。開孔時(shí)要以小鉆壓鉆進(jìn)，鉆壓的大小根據(jù)鉆孔直徑、破巖刀具類型、鉆進(jìn)速度和地質(zhì)條件而定。不同類型的巖石所需要的鉆壓也不同，一般情況下，對(duì)松軟地層和過(guò)渡地層巖石抗壓強(qiáng)度低，應(yīng)采用低鉆壓，對(duì)堅(jiān)硬巖石和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓。在導(dǎo)孔快要鉆透時(shí)，應(yīng)逐漸降低鉆壓。施工直徑1.2m和2.0m的鉆孔時(shí)，在不同巖石中，鉆壓和鉆速的關(guān)系，可參照表4-1、表4-2所示。
表4-1  （D2 =1.2m）鉆速與鉆壓的關(guān)系

鉆 速（mm/h） 鉆 壓（kN）   巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）	2500	2000	1500	1000	500	300
20	116.2	103.9	90.0
40		207.8	180.0	146.9
80		311.8	270.0	220.3	155.9
120			450.0	367.4	259.8
160					367.3	281.7

 
表4-2  （D2 =2.0m）鉆速與鉆壓的關(guān)系

鉆 速（mm/h） 鉆 壓（kN）   巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）	2500	2000	1500	1000	500	300
20	205.5	183.8	159.2
40		367.6	318.4	249.0
80			477.5	389.9
120				649.8	459.5
160					643.2	498.3

（2） 轉(zhuǎn)速
為了使巖石從巖體上破碎下來(lái)，必須使刀齒和巖石有足夠的接觸時(shí)間。因?yàn)殂@進(jìn)過(guò)程中，鉆具的受力狀況十分復(fù)雜，刀齒和巖石接觸時(shí)間過(guò)短，破巖鉆壓主要消耗在使巖石發(fā)生變形，而使機(jī)械能損耗掉，只有適當(dāng)?shù)慕佑|時(shí)間，破碎效率才高，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)的需要。導(dǎo)孔鉆進(jìn)鉆孔直徑小，為提高導(dǎo)孔鉆速和鉆孔精度，需要轉(zhuǎn)速高一些，采用三牙輪鉆頭，有相應(yīng)的推薦轉(zhuǎn)速范圍，一般取推薦的下限。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)要考慮邊刀的最大線速度和刀齒破巖需要和巖石接觸的最短時(shí)間，轉(zhuǎn)速要低一些，由于邊刀自轉(zhuǎn)速度限制，其大小主要根據(jù)擴(kuò)孔直徑確定。對(duì)于軟巖滾刀刀齒接觸時(shí)間可取小值，相反則應(yīng)取大值。一般認(rèn)為接觸時(shí)間不快于0.02～0.03s之間比較適宜。對(duì)鑲齒滾刀的轉(zhuǎn)速（n），可用下式求得：

式中   n—轉(zhuǎn)速，（r/min）；
—滾刀大端半徑，（cm）；
—同一排齒上兩齒之間的夾角（°）；
—破巖所需量的接觸時(shí)間，（s）；
Rb—鉆頭半徑，（cm）。
例如，當(dāng)=15cm，Rb=60、70、100cm；=0.02～0.03s，=10°～20°時(shí)，其n值如表4-3：
表4-3  不同鉆頭直徑n值的變化

轉(zhuǎn)速（r/min）     鉆頭半徑（mm）	10°	15°	20°
600	13～20	20～31	27～41
700	11～17	17～26	23～35
1000	8～12	12～18	16～24

（3） 鉆速
鉆速是指單位時(shí)間內(nèi)鉆進(jìn)長(zhǎng)度，包括導(dǎo)孔鉆速和擴(kuò)孔鉆速。它和鉆機(jī)推進(jìn)和提拉速度不完全相同，與地層條件、排渣有關(guān)。
（4） 鉆孔傾角
鉆孔傾角是指鉆孔軸線和水平面的夾角。反井鉆機(jī)鉆孔傾角也是由工程需要確定，但一般要滿足擴(kuò)孔過(guò)程破碎下來(lái)的巖屑靠自重可以自動(dòng)下落；另一方面，隨著鉆孔傾角的變小，鉆孔精度控制難度也在加大，綜合考慮，一般要求鉆孔傾角大于40°，這也可以滿足一般地下工程需要。但對(duì)于一些市政管網(wǎng)，不能采用其它方法施工時(shí)，反井鉆機(jī)也可以施工近水平孔，但工序復(fù)雜，要采取控制鉆孔精度的特殊設(shè)備，施工成本較高。
（5） 鉆孔偏斜
鉆孔偏斜是指導(dǎo)孔鉆進(jìn)開孔中心點(diǎn)和透孔中心點(diǎn)在垂直于鉆孔設(shè)計(jì)軸線的平面內(nèi)投影的最大偏移距離除以鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的百分比。它是衡量鉆孔精度的重要依據(jù)。工程類型不同，對(duì)鉆孔精度要求也不同，如對(duì)于一些通風(fēng)孔，鉆孔精度可要求低一些，但對(duì)于還要刷大的工程，鉆孔至少要在開挖荒徑內(nèi)，要求鉆孔精度高一些。鉆孔精度與鉆機(jī)和鉆具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)反井施工實(shí)際操作有更重要的關(guān)系，即是衡量鉆機(jī)性能和操作管理水平的重要指標(biāo)。一些反井鉆機(jī)雖然標(biāo)明鉆孔偏斜率，但這并不是一個(gè)限定的指標(biāo)，可作為參考。
 
第四節(jié) 反井鉆進(jìn)洗井液
反井鉆進(jìn)洗井液主要用于導(dǎo)孔的鉆進(jìn)，在施工中，應(yīng)根據(jù)不同的地層，選用不同的鉆孔洗井液，如清水、泥漿等。反井鉆進(jìn)一般采用正循環(huán)洗井方式，對(duì)于軟巖和硬巖互層或破碎巖石，水敏性地層，以及部分涌漏水地層，采用泥漿作為鉆孔洗井液，故本節(jié)著重介紹泥漿洗井液。
一、 泥漿洗井液的作用及其類型
1. 泥漿洗井液的作用
（1） 通過(guò)鉆孔洗井液的往復(fù)循環(huán)，將孔底巖屑攜帶到孔外，保持孔底清潔。
（2） 冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具，或水力沖擊松軟地層，提高鉆頭進(jìn)尺。
（3） 形成泥皮，保護(hù)孔壁，確保安全鉆進(jìn)。
（4） 借助孔內(nèi)泥漿柱的壓力，可防止孔內(nèi)坍塌、掉塊、涌漏水等。
2. 泥漿洗井液的類型
反井鉆進(jìn)泥漿洗井液采用水基泥漿，其主要組成部分是粘土、水和化學(xué)處理劑。其中，粘土為分散相，水為分散介質(zhì)。按分散狀態(tài)及應(yīng)用范圍，反井鉆進(jìn)泥漿洗井液屬細(xì)分散鈉基泥漿，也稱淡水泥漿。其中，含鹽量（NaCl）＜1%，含鈣量（Ca2+）＜120mg/L，一般是用純堿作處理劑。有時(shí)對(duì)某些地層還需加入一些有機(jī)處理劑，如降失水劑、增粘劑和稀釋劑。
該種泥漿的特點(diǎn)是固相（粘土）含量高，易分散于水中。它是通過(guò)粘土的分散程度來(lái)調(diào)整泥漿的各種性能，以滿足鉆進(jìn)地層的需要。
二、 泥漿洗井液的基本原料
反井鉆進(jìn)常用的水基泥漿洗井液，其主要基本原料為粘土和水，其中，粘土是重要組成部分，它的性質(zhì)對(duì)泥漿性能的變化及化學(xué)處理的效果有著直接的影響。
1. 造漿粘土
反井鉆進(jìn)泥漿常用膨潤(rùn)土配制，對(duì)膨潤(rùn)土的要求：
（1） 要使用鈉質(zhì)膨潤(rùn)土（可交換性離子，即鈉離子）或鈣土經(jīng)改性處理為人工鈉土。
（2） 蒙脫石的含量高，陽(yáng)離子交換容量大。
（3） 可溶性鹽和非粘土礦物含量少。
（4） 膨脹倍數(shù)大，分散性好，造漿率高。
（5） 配制出的泥漿流變特性好，失水量小。
2. 造漿用水
水是泥漿的重要組成部分，水具有很強(qiáng)的溶解能力，能溶解很多有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。一般水中都含有不同的雜質(zhì)，最多的是鈣、鎂等鹽類。水中這些雜質(zhì)的存在對(duì)泥漿的質(zhì)量有著很大的影響。如果造漿用水含雜質(zhì)較多時(shí)，或礦化度高時(shí)，應(yīng)事先加純堿（Na2CO3）進(jìn)行軟化處理，或造漿后再對(duì)泥漿進(jìn)行處理。
一般均就地取水配制泥漿，如河水、塘水、湖水、地下水等。這些水均含有不同程度的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、氧化物和氫氧化物等鹽堿物質(zhì)。它們能溶于水，呈離子狀態(tài)。高價(jià)離子對(duì)泥漿性能影響很大，其中以鈣鎂離子影響最大。所以水的礦化度要低，中硬度以下的水為好。
三、 泥漿洗井液的性能參數(shù)
反井鉆進(jìn)泥漿洗井液性能主要包括密度、粘度、失水量、含砂量、膠體率和PH值等。這些性能的優(yōu)劣直接影響護(hù)壁堵漏、排除巖粉、潤(rùn)滑鉆具、冷卻鉆頭、鉆進(jìn)效率、成本及安全鉆進(jìn)。在反井鉆進(jìn)過(guò)程中，為了適應(yīng)不同地層對(duì)泥漿洗井液性能的要求，就必須向泥漿內(nèi)加入一定量的化學(xué)處理劑，來(lái)改善泥漿洗井液的性能。這種方法也稱為泥漿的化學(xué)處理，其常用的化學(xué)處理劑主要有：
（1） 碳酸鈉（Na2CO3）。碳酸鈉又稱純堿、蘇打，易溶于水，強(qiáng)堿性。在配制新泥漿時(shí)，若加入適量純堿，就能夠增加鈉離子和碳酸根離子，它可以使粘土改性，從而改變粘土的水化性能，提高泥漿洗井液的質(zhì)量。
（2） 鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）。根據(jù)其溶液粘度的大小，分為高粘度、中粘度和低粘度三種類型。一般多用中粘度型作為泥漿洗井液處理劑，增大泥漿洗井液的粘度，降低泥漿洗井液的失水量，提高泥漿洗井液的膠體率。
（3） 三聚磷酸鈉（Na5P3O10）。它是一種鏈狀的縮合磷酸鹽，極易溶于水，可作為泥漿稀釋劑，能有效降低泥漿粘度、切力，改善泥漿流變性，維持較低的相對(duì)密度；稍降失水量，有利凈化，減少含砂量，減薄泥皮等。在配有三聚磷酸鈉的泥漿中，PH值可保持在最適宜的范圍內(nèi)，即呈中性或弱堿性。反井鉆進(jìn)泥漿性能參數(shù)選擇參考值見表4-4。
表4-4  反井鉆進(jìn)泥漿性能技術(shù)指標(biāo)

相對(duì)密度	粘度 （S）	靜切力 （Pa）	失水量 （mL/30min）	泥皮厚度 （mm）	膠體率 （%）	PH值
1.10～1.20	﹤30	4.9～19.6	10～20	﹤3	100	7～8.5

 
第四節(jié) 鉆頭及刀具的選擇
一、 導(dǎo)井鉆頭的選擇
導(dǎo)孔鉆頭本身及導(dǎo)孔鉆頭與地層的匹配關(guān)系，對(duì)鉆井的偏斜和鉆進(jìn)速度影響很大。軟巖鉆頭采用較小夾角的長(zhǎng)楔齒或碳化鎢一字形鑲齒；硬巖鉆頭則采用較大夾角的短楔齒或碳化鎢半球形鑲齒。此外，軟巖楔齒或鑲齒之間的間距比硬巖楔齒或鑲齒之間的間距大。理想的反井導(dǎo)孔鉆頭應(yīng)具有硬巖鉆頭設(shè)計(jì)的大多數(shù)特性，以獲得最小的鉆頭移步量和最大的邊刀強(qiáng)度。同時(shí)還應(yīng)具有中等范圍的內(nèi)列切割結(jié)構(gòu)，以便在低鉆壓下能夠獲得最大的鉆進(jìn)速度。
近年來(lái)鉆頭設(shè)計(jì)甚至是軟巖鉆頭設(shè)計(jì)都趨向于采用碳化鎢鑲齒刀具，如選用碳化鎢半球形鑲齒短型球齒的導(dǎo)井鉆頭，既滿足了鉆頭和地層的匹配關(guān)系，又減少了鉆頭本身的移步量。
反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆頭一般為三牙輪鉆頭，三牙輪鉆頭可分為銑齒鉆頭和鑲齒鉆頭。銑齒鉆頭主要用在低抗壓強(qiáng)度、高可鉆性巖層或沖積層到半磨蝕性巖層中，反井鉆機(jī)一般不采用。鑲齒鉆頭主要用在磨蝕性強(qiáng)的高抗壓強(qiáng)度的巖層中。導(dǎo)孔鉆頭的選擇，應(yīng)根據(jù)工程巖石情況，比廠家推薦的鉆頭適用范圍高一級(jí)使用。
二、 擴(kuò)孔鉆頭的選擇
擴(kuò)孔鉆頭由刀具、刀盤體、中心管、穩(wěn)定器、冷卻裝置等部分組成。根據(jù)擴(kuò)孔方式分為一次擴(kuò)孔鉆頭和分次擴(kuò)孔鉆頭。反井?dāng)U孔鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。
擴(kuò)孔鉆頭應(yīng)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度來(lái)選擇，有鑲齒滾刀、盤形滾刀，可參照表4-4選用。
 
表4-4  滾刀類型表

滾刀類型	適應(yīng)巖石類型	巖石單向抗壓強(qiáng)度（MPa）
盤型滾刀  鑲齒滾刀 （ZY）	鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，堅(jiān)固的頁(yè)巖、堅(jiān)固的泥灰?guī)r、砂眼、泥灰質(zhì)石灰?guī)r、致密灰?guī)r、片麻巖	≤110
盤型滾刀  鑲齒滾刀 （Y）	堅(jiān)固的石灰?guī)r、堅(jiān)固的砂質(zhì)頁(yè)巖、石灰質(zhì)膠結(jié)的致密砂巖、白云巖	110～160
鑲齒滾刀	花崗巖、石英巖、輝綠巖、玄武巖等	160～200

三、 破巖滾刀
破巖滾刀是反井鉆井技術(shù)的關(guān)鍵工具，特別是硬巖反井破巖滾刀。在大部分水電站，壩址巖石堅(jiān)硬，如山東泰安抽水蓄能電站、四川自一里水電站、吉林白山水電站、福建穆陽(yáng)溪水電站等，多為花崗巖地層，巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到310MPa，這類巖石石英、長(zhǎng)石等磨粒性強(qiáng)的礦物含量在70%以上。如在泰安抽水蓄能電站使用普通滾刀，其壽命只有5～10m，工效非常低，破巖刀具費(fèi)用達(dá)到1萬(wàn)元/m以上，這樣必將限制了反井鉆機(jī)作為工程設(shè)備的推廣應(yīng)用。為此，北京中煤礦山工程有限公司，對(duì)硬巖反井破巖滾刀進(jìn)行了專項(xiàng)研究，研制出特殊的極硬巖滾刀，在泰安工程應(yīng)用時(shí)其壽命達(dá)到125m以上，并經(jīng)多個(gè)水電站不同巖石條件應(yīng)用實(shí)踐，硬巖滾刀可以滿足不同工程需要，解決了硬巖地層中鉆進(jìn)反井的難題，使反井鉆機(jī)能夠較高效地破碎巖石，提高了反井鉆機(jī)功效，降低了工程成本。
 
圖4-3  反井?dāng)U孔鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖
a - Ф1.4m中間孔擴(kuò)孔鉆頭; b -Ф2.0m中間孔擴(kuò)孔鉆頭
1- 中心管；2- 滾刀；3- 刀盤體；4- 穩(wěn)定器；5- 冷卻水軟管

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