绳索取芯钻探施工技术.doc

绳索取芯钻探施工技术武孟元 （河北省水利工程局 河北 石家庄 050021） 摘 要介绍了绳索取芯钻探工艺钻具的结构，并对钻进规程的各种具体参数及报信机构的使用进行了分析，总结了绳索取芯钻探技术的主要优越性及在堆渣层中的应用。关键词 绳索取芯；钻进参数；优越性；堆渣层灌浆绳索取芯钻进是一种先进的岩芯钻探工艺。它采用大直径的钻杆，在钻具里面套装一根取芯管，在钻进过程中，岩芯缓慢地装在取芯管内。当回次进尺终了，岩芯装满取芯管时，采用带绳索的打捞器，从钻杆中把取芯管提出，提取岩芯后，又从钻杆中把取芯管放到孔底，继续钻进。绳索取芯与普通钻进取芯相比，具有控制钻孔偏斜度、提高钻进效率、降低工程成本、提高岩芯采取率、减少孔内事故等优点；尤其在钻穿复杂地层方面，有着其它施工技术无可比拟的优点，因而被广泛应用。1 绳索取芯钻具简介绳索取芯整套钻具分为双管部分和打捞器两大部分。1.1 双管部分双管部分包括外管总成和内管总成。1.1.1 打捞机构 当捞取岩芯时，打捞器上的打捞钩抓住捞矛头，将取芯管提出孔外。1.1.2 弹卡机构内管总成进入外管总成后，实现弹卡自锁，防止由于振动等原因使弹卡并拢而导致内管总成上窜。1.1.3 悬挂机构当内管总成到位后，悬挂环座落在座环上，保证卡簧座与钻头内台阶之间有一定间隙，以便外管单动灵活。1.1.4 到位报信机构内管总成到达预定位置时，地面上水泵压力表的读数突然变化，可以调整水量开始钻进。1.1.5 岩芯满管或堵塞报信机构岩芯满管或堵塞时，导致地面上水泵压力表读数升高，起到报警作用。1.1.6 调节机构调节内管总成中卡簧座与钻头内台阶之间的间隙，保证其间隙量为2-3mm。1.1.7 缓冲机构卡取岩芯时，起缓冲作用来保护内管和卡簧座。1.1.8 单动机构分离内管和外管，实现钻具外管单动，内管相对外管静止。1.1.9 容纳与卡取岩芯机构容纳和卡取岩芯。1.1.10 扶正机构扶正内管，使卡簧座对正钻头内孔，以便岩芯顺利地进入内管，减少岩芯磨损，提高岩芯采取率。1.2 打捞器部分打捞器是绳索取芯钻具中必不可少的专用配套工具。1.2.1 打捞机构打捞钩抓住捞矛头，带动双管部分的打捞机构，将内管总成提升到地面。1.2.2 绳卡机构连接打捞器和绳索取芯绞车。1.2.3 送入机构将脱卡管套在重锺上，用打捞器将内管总成送入孔底。1.2.4 安全脱卡机构使打捞钩松开捞矛头或使安全销折断而实现安全脱卡。2 绳索取芯钻进参数及报信机构在正确选择钻头的情况下，金刚石绳索取芯钻进效率取决于钻进参数的选择，即钻压、钻头转速和冲洗液量三个参数。2.1 钻压实践表明，当加在钻头上的压力高于所钻岩石的压力硬度时，岩石就由表面破碎转到体积破碎；但当压力接近或超过金刚石本身抗压强度时，金刚石开始破损。另外，随着钻压的增加，金刚石的磨损量也增加，因此钻压有一个最优值。绳索取芯钻进规程和普通标准金刚石钻进有所不同，因绳索取芯钻头胎体壁要比标准钻头胎体壁厚2mm，底面积相对较大，而钻杆与孔壁的间隙小，所以钻压应增大。表1列出了两种不同直径绳索取芯钻头所需钻压值。表1 绳索取芯钻头所需钻压表钻头直径(mm)5975钻压(kN)7-1212-152.2 转速转速是影响金刚石钻进速度的重要因素。钻头在某一转速下，金刚石磨损量最小，转速过快或过慢，金刚石磨损量均会增加。孕镶钻头的圆周线速度在1.5-3m/s范围内较合适，小直径钻头要采取高转速，大直径钻头则采取较低的转速。表2列出了两种不同直径绳索取芯钻头所需转速值。表2 绳索取芯钻头所需转速表钻头直径(mm)5975转速(r/min)800-1000600-8002.3 冲洗液量在金刚石钻进中，冲洗液除冷却钻头和排除岩粉外，还有调节金刚石钻头胎体正常磨损的作用。表3列出了两种不同直径绳索取芯钻头所需泵量。表3 绳索取芯钻头钻进泵量表钻头直径(mm)5975泵量(L/min)40-6050-75金刚石绳索取芯钻进的钻压、转速、冲洗液量三者相互配合、互相制约，施工中应根据岩性和技术条件，通过试验选择最优的配合关系。2.4 报信机构报信机构是在进水管上安装一根缓冲管，并在缓冲管顶部安装一个压力表，通过压力表读数的变化，了解孔内各种情况。2.4.1 到位报信当内管总成到达外管总成中的预定位置时，悬挂环座落在座环上，冲洗液的环状水路被堵，迫使冲洗液从悬挂接头的孔中流到内、外管之间。由于过水断面减小，阻力变大，此时，泵压表上的压力明显上升，产生0.5-1MPa的压力，表示内管总成已经到位，可以调整泵量，开始钻进。2.4.2 岩芯满管或堵塞报信当岩芯满管或堵塞时，内管受力，向上压缩阀片，于是阀片沿径向胀大，使通水的环状间隙减小，从而引起压力表压力升高，起到报警作用，防止烧钻事故的发生。2.4.3 报信机构压力表压力的选定报信机构压力表压力的大小，与孔深和地层岩性有关。在张河湾抽水蓄能电站坝基帷幕灌浆钻孔施工过程中，对报信机构压力表压力的正常值进行了总结和分析，现列于表4，以供参考。表4 报信机构压力表压力的正常值孔深(m)0-1515-3030-4545-55压力值（Mpa）0.2-0.30.3-0.350.35-0.450.45-0.5当报信压力表压力超出上述范围后，就要考虑处理措施。需要说明的是：该坝基为变质安山岩，岩石的饱和强度为89.39-118.59MPa，坝基可钻性为7-8级（12级分类）。3 绳索取芯的优越性3.1 有效控制钻孔偏斜度钻孔是实现灌浆的先决条件，钻孔方向正确与否，对灌浆效果起到重要作用，只有严格地控制钻孔偏斜度，才能保证灌浆质量。JS59规格的钻杆和钻具外径仅差2mm，提拨稳定，连接起来不易弯折，并且在钻进过程中，钻杆可以起到全孔导向的作用，能够有效地控制钻孔偏斜度。一般情况下，50m左右的钻孔，孔底偏差均在0.5m以内，偏斜率均小于1%。3.2 提高效率、降低成本3.1.1提高施工效率绳索取芯能够实现不提钻而采取岩芯，当岩芯装满岩芯管时，不用提升全套钻杆，而是采用带绳索的打捞器，从钻杆中把取芯管提出来，从而减少了提钻次数，大大减轻了工人的劳动强度。尤其是在回次进尺受到空间限制时，其优越性更加明显。在张河湾抽水蓄能电站帷幕灌浆施工中，50%的灌浆孔在廊道内，且廊道净高3.5m，根据钻机选型，回次进尺仅为1m。以孔深50m计算，采用普通的钻进工艺，每孔提钻次数至少要50次，而采用了绳索取芯工艺，每孔提钻次数一般在5次以下，提钻次数降低了90%。极大提高了钻进效率，减轻了工人的劳动强度。3.5.2 降低工程成本在口上水库帷幕灌浆施工中。金刚石单管钻具施工每个台班进尺3m左右，每个钻头进尺5m左右，绳索取芯施工，每个台班进尺为4m左右，每个钻头进尺7.5m左右。绳索取芯与单管钻具施工工艺比较，钻进效率提高了33%，钻头寿命延长了50%。钻进每100m岩石，金刚石单管钻具工艺消耗20个钻头(75mm)，单价为300元/个，用时35个台班；绳索取芯工艺消耗13个钻头(75mm)，单价为350元/个，用时25个台班，地质钻机台班费（300型）为180.66元。由以上数据可以计算出使用绳索取芯每米降低的工程成本，即180.66(35-25)/100+(20300-13350)/100=32.57元/m。3.3 提高岩芯采取率绳索取芯施工工艺钻进中外管单动，内管相对静止。其特点是钻进中不仅避免了冲洗液直接冲刷岩芯，同时还避免了机械力对岩芯的破坏作用。岩芯装在取芯管内不再磨损，并可随时用打捞器将取芯管提出孔外，岩芯采取率可以达到95%以上。3.4 减少孔内事故由于配备了各种监控装置，并且能及时报警，因此，可以将故障排除在萌芽状态，另外钻杆和钻具外径仅差2mm，钻杆可以起到全孔护壁的作用。钻进中可以避免埋钻，夹、卡钻事故的发生，减少孔内事故，有利于孔内安全。3.5 配合孔底磨钻头技术使用金刚石钻头钻进坚硬地层时，经常会出现钻进“打滑”现象，即孕镶金刚石钻头胎体底唇面被“抛光”，钻进不进尺。遇到这种情况时，普通钻进工艺需要提钻换钻头，或提钻后对钻头在孔底进行一次研磨，操作起来，不仅增加很长的辅助时间，还增加了钻头消耗量；采用绳索取芯工艺，不需要提出全套钻杆，只需用打捞器将内管提出，将石英砾一粒一粒沿钻杆通道相继投入孔内，再投入内管，对钻头进行研磨。使孔底磨钻头变得简便易行，可以随时随地地使用，尤其是遇到浅薄的坚硬地层且埋深较深时，效果更加明显。因此，绳索取芯工艺能很好地适应孔底磨钻头技术，保证孕镶金刚石钻头胎体及时出刃，维护正常钻进。4 绳索取芯在堆渣层灌浆中的施工在砂砾石地层或者堆渣层填筑的坝体灌浆时，一般采用套管灌浆法（也可采用其他方法）。边钻进，边跟着下入护壁管，直到套管下至最终孔深，然后冲洗干净后，下入灌浆管，起拨套管至第一灌浆段的顶部，对第一段进行灌浆。第一段灌完后，将灌浆管提至第二灌浆段顶部，而后起拨套管，进行第二段灌浆，如此循环自下而上逐段灌浆。这种工艺虽然完全消除了塌孔及埋钻事故，但浆液易沿套管外壁向上流动，甚至地表冒浆，并且灌浆时间长，浆液水泥含量高时，会胶结套管，造成套管起拨困难。在承德市老虎沟水库坝体堆渣层灌浆施工中，利用绳索取芯的外管作为护壁管，虽没有完全解决塌孔的问题（因有时一个钻头钻不至设计孔深，提钻换钻头时，有塌孔情况），但完全消除了埋钻事故。当灌浆时间长时，可以用钻机转动几圈外管，解决了浆液胶结护壁管的问题。5 结束语我局于2002年引进了绳索取芯钻探工艺，经过几年的应用，在地质钻探，岩石基础钻孔和砂砾石地层造孔灌浆方面，均取得了一些经验，收到了很好的效果，获得了良好的经济效益和社会效益。绳索取芯工艺钻具结构简单，性能可靠，使用方便，并且使用范围较广，尤其是在狭小的空间，复杂地层的施工中，具有普通钻进工艺无法比拟的优越性，绳索取芯在水利水电地基处理施工中有很广阔的发展前景。【主要参考文献】1 孙志峰.钻探灌浆工M 郑州：黄河水利出版社1995.2 汤风林岩芯钻探学M 武汉：中国地质大学出版社1997.