砂卵石地層金剛石鉆進工藝

陳 凱 李慶慶 顧敏智

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司勘察工程分公司，上海 201612)

砂卵石地層金剛石鉆進工藝

陳 凱 李慶慶 顧敏智

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司勘察工程分公司，上海 201612)

采用土力學原理和彈性力學的拉梅解答，分析了鉆孔孔壁泥漿護壁力學機理，對比硬質(zhì)合金、鋼粒、金剛石鉆進工藝，并在此基礎(chǔ)上研究了孕鑲金剛石鉆進的工藝方法、技術(shù)參數(shù)及泥漿的相關(guān)指標參數(shù)，同時針對卵石層取芯率低的問題，采用自行焊接的巖芯管進行取芯，結(jié)果表明，取芯率達到80%以上。

砂卵石層，金剛石鉆進，泥漿護壁，力學機理

0 引言

金剛石鉆進是當前鉆探工藝中比較先進的鉆進方法之一，該工藝具有鉆進效率高，鉆孔質(zhì)量好，施工勞動強度輕，鉆探成本低等特點。樓日新等[1]采用大口徑空氣潛孔錘對砂卵石地層進行鉆進和取樣，并且研發(fā)了新的鉆進工藝；劉睦峰等[2]采用大口徑旋挖鉆進方法對砂卵石地層的泥漿護壁及旋挖鉆頭碎巖機理等相關(guān)工藝進行了分析，取得了良好效果；劉德亮等[3]采用孔內(nèi)定向爆破的方法成功的解決了大口徑鉆進中鉆頭隨漂卵石回轉(zhuǎn)沒有進尺的問題。目前砂卵石地層大口徑鉆進主要有牙輪鉆頭鉆進、旋挖鉆斗成孔、孔內(nèi)爆破等工藝。但是對于工程勘察中的小口徑鉆孔的砂卵石地層鉆進沒有比較系統(tǒng)成熟的工藝方法。本文結(jié)合惠州港荃灣港區(qū)公共管廊及路堤填海工程場地的工程地質(zhì)特征，就砂卵石地層的泥漿護壁力學機理、金剛石鉆頭的碎巖機理、鉆進工藝參數(shù)方面進行探討和分析。

1 工程地質(zhì)特征

根據(jù)工勘資料，惠州港荃灣港區(qū)公共管廊及路堤填海工程的整個場址地層按力學性質(zhì)自上而下主要分為3個大層：第①層為軟黏性土層，主要為淤泥(約15.4 m)，局部為淤泥質(zhì)黏性土和淤泥混砂；第②層包括可塑～硬塑的粉質(zhì)黏土(0.6 m～2.4 m)、稍密～中密的砂混卵石(0.4 m～6.1 m)、砂混黏性土(0.3 m～2.4 m)、卵石(0.4 m～5.2 m)；第③層為基巖風化層，包括殘積土(1.0 m～2.0 m)、全風化花崗巖(0.4 m～2.3 m)、強風化花崗巖(0.8 m～8.2 m)、中風化花崗巖(層厚未揭穿)。

這種砂卵石、卵石地層進行鉆進施工時，主要從以下3個方面考慮鉆進施工的工藝：

1)砂卵石層的硬度較高，應從金剛石鉆頭的碎巖機理方面考慮選用合適的鉆具及工藝技術(shù)參數(shù)。

2)砂卵石鉆進取樣過程中，巖芯容易脫落，應對巖芯管內(nèi)部加以設(shè)計改進，以獲得更高的取芯率。

3)選取合適的泥漿工藝，確保鉆孔順利進行。

該區(qū)域的砂卵石層處于半膠結(jié)和無膠結(jié)狀態(tài)，當鉆頭進行回轉(zhuǎn)鉆進時，通過比較鉆具回轉(zhuǎn)的扭震力(P1)和卵礫石間的擠壓力(P2)，以及卵礫石的粒徑(D1)和鉆頭口徑(D2)及相對位置關(guān)系，得出砂卵石鉆進中可能會發(fā)生的兩種情況：

a.P1>P2，D1

b.P1

2 泥漿護壁的力學機理

為了防止砂卵石地層塌孔，鉆進過程中采取泥漿護壁，使得鉆孔內(nèi)壁具有一定徑向壓力。通過人為調(diào)節(jié)泥漿的比重，從而控制其對孔壁產(chǎn)生的徑向應力。鉆孔土壓力q0(z)和泥漿壓力q1(z)都隨深度而變化，在二者的共同作用下，鉆孔孔壁的應力邊界條件為：

由土力學原理[4，5]和彈性力學[6]的拉梅解答，鉆孔孔壁附近土體的水平應力為：

無泥漿護壁時，孔壁應力邊界條件：

鉆孔孔壁附近土體的水平應力為：

沒有泥漿護壁時，如圖2所示，鉆孔周邊不同方向的最大剪切應力為：

環(huán)向與徑向成45°方向：

軸向與徑向成45°方向：

軸向與環(huán)向成45°方向：

有泥漿護壁時：鉆孔周邊不同方向的最大剪切應力為：

環(huán)向與徑向成45°方向：

軸向與徑向成45°方向：

軸向與環(huán)向成45°方向：

對比鉆孔有無泥漿護壁不同方向的最大剪切應力，泥漿的靜水壓力很好的緩解了不同方向的剪切應力。鉆孔時在孔內(nèi)保持一定稠度的泥漿進行護壁，使得鉆孔內(nèi)的徑向壓力增大，降低孔邊的最大剪切應力，從而減少塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。

3 金剛石鉆進工藝

3.1 鉆具的選擇

該場地的卵石層位于淤泥層下，呈棱角～亞圓形，成分為花崗巖和凝灰?guī)r，粒徑在20mm～70mm之間，卵石空隙間充填泥沙及砂礫，對于此種卵石層的結(jié)構(gòu)特征，如果用硬質(zhì)合金鉆進，由于卵石層的結(jié)構(gòu)松散和卵石塊大小不一的特征，硬質(zhì)合金鉆頭在回轉(zhuǎn)切削過程中將承受極不平衡的扭轉(zhuǎn)阻力，在巨大的沖擊載荷作用下鉆頭外出刃磨損嚴重或者崩落，導致無法獲得進尺；若采用鋼粒鉆進，鋼粒會鉆進卵石空隙中，導致鉆頭唇面直接和卵石接觸，磨料消耗太大，鉆進效率低下；金剛石鉆頭能夠克服較大的回轉(zhuǎn)阻力和沖擊力，采用合適的技術(shù)參數(shù)及操作方法是可以很好的鉆進卵石層。采用孕鑲金剛石鉆頭，以慢鉆慢壓的方式碎巖鉆進。綜合王發(fā)明[7]對孕鑲金剛石鉆頭的試驗研究，選擇鉆頭參數(shù)為：金剛石目數(shù)60～ 80混合目；金剛石濃度100%；金剛石品級JR4；胎體硬度40。

3.2 泥漿的選擇

3.3 取芯工藝

卵石層取芯過程中容易掉芯，為了獲得更好的取芯率，將破開的鋼絲繩焊在距離巖芯管底部水口上方8cm～10cm處，在焊接鋼絲繩的時候需要將其焊成網(wǎng)狀，這樣卵石進入巖芯管中在提鉆的過程中不易掉落。每個回次控制在0.5m左右，回次鉆進時間控制在1h～1.5h之間，這樣可以有效的減少對焊接鋼絲繩的損壞。鉆進回次結(jié)束，為了使得巖芯管內(nèi)的卵石塊和焊接鋼絲繩很好的纏繞在一起，將泵量調(diào)至最小，繼續(xù)回轉(zhuǎn)一些時間，這樣會更有利于提取巖芯。

4 工程實例

4.1 鉆探設(shè)備選擇

鉆機：HGY-200型；泥漿泵：BW-150型；鉆塔：A型兩腳式鉆塔。

4.2 鉆具、鉆速和鉆壓的應用

1)根據(jù)施工現(xiàn)場地層及孔深情況選擇鉆具如下：在鉆進上部較軟粘土層時采用φ108硬質(zhì)合金鉆頭鉆進，逐步跟進φ127mm×9mm厚壁套管，遇到下部卵石層時改用φ91孕鑲金剛石鉆頭鉆進，撈取卵石巖芯時用改進的巖芯管。

2)鉆進過程中發(fā)現(xiàn)有蹩車或者鉆具激烈的跳動，不得強行鉆進，減壓同時將鉆頭提起，待鉆速穩(wěn)定再將鉆具緩慢壓入孔底繼續(xù)鉆進。

3)在砂卵石層中鉆進時，如果鉆具聲音突然減小即進尺加快，應適當降低泵量控制鉆具進尺，確保取芯率。

4)根據(jù)金剛石鉆頭的碎巖機理及現(xiàn)場的實際情況，鉆機鉆速控制在142r/min～285r/min，鉆壓6kN～7kN，取得了較好的碎巖和取芯效果，取芯率達到了80%以上。

4.3 泥漿使用效果

現(xiàn)場具體的泥漿參數(shù)如表1所示。通過制定詳細的泥漿作業(yè)指導書，并且調(diào)配專門的泥漿調(diào)配人員，確保泥漿的相關(guān)參數(shù)基本達到表1要求，從而保證施工的正常進行。泥漿調(diào)配員與現(xiàn)場施工班組的密切配合，使得鉆探工作得以順利進展，并且取得了很好的效果。

表1 泥漿性能參數(shù)

5 結(jié)語

1)泥漿的護壁作用主要表現(xiàn)在泥漿的靜水壓力，且隨著泥漿密度的增加，孔壁穩(wěn)定性增加。

2)砂卵石層是影響成孔質(zhì)量和施工工期的重要因素，在施工時不同地層采用不同鉆進工藝，應及時更換鉆頭。

3)采用孕鑲金剛石鉆頭配以自行焊制的巖芯管在砂卵石鉆進，取芯率大幅提高。

4)鉆探工藝是一門實踐性很強的學科，對于不同地區(qū)的砂卵石層可能有不同的鉆探施工方法，如何通過理論和實踐相結(jié)合，找到最快、最經(jīng)濟的鉆探施工方法也是我們今后需要考慮和完善的。

[1] 樓日新，李子章，蘇 寧.砂卵石層大口徑空氣淺孔錘鉆進與取樣技術(shù)[J].地質(zhì)與勘探,2003,39(2)：91-94.

[2] 劉睦峰，彭振斌，王建軍，等.砂卵石層泥漿護壁與旋挖鉆進工藝[J].中南大學學報(自然科學版),2010,41(1):265-271.

[3] 劉德亮，李 琦.漂卵石地層鉆進工藝研究及孔內(nèi)爆破試驗[J].施工技術(shù),2013(3)：174-175.

[4] 陳希哲.土力學地基基礎(chǔ)[M].第4版.北京:清華大學出版社,2004.

[5] Soil Mechanics Work Team At Hohai University.Soil Mechanics[M].北京：人民交通出版社,2004.

[6] 徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[7] 王發(fā)明.適合堅硬地層孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)化設(shè)計研究[D].北京:中國石油大學,2009.

[8] 張興國，劉崇建，楊遠光，等.水泥漿體系穩(wěn)定性對水泥漿失重的重要影響[J].西南石油學院學報,2004,26(3):68-71.

Diamond drilling technology in sand and gravel

Chen Kai Li Qingqing Gu Minzhi

(CCCCThirdHarborConsultantsCo.,Ltd,InvestigationEngineeringDivision,Shanghai201612,China)

Using the principle of soil mechanics and Lame solutions of elastic mechanics, mechanics mechanism of slurry wall of borehole were analyzed. This research contrasts carbide drilling, steel grains drilling and diamond drilling. The process of diamond drilling method, technical parameters and mud performance were discussed. For the problem of poor core recovery rate, the research uses welded core barrel of its own design to drill. The results indicate that core recovery rate is more than 80%.

sand and gravel, diamond drilling, slurry wall, mechanics mechanism

2015-02-05

陳 凱(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)11-0076-03

TU452

A