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)
59
75
钻压(kN)
7-12
12-15
2.2 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)
59
75
转速(r/min)
800-1000
600-800
2.3 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)
59
75
泵量(L/min)
40-60
50-75
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)
0-15
15-30
30-45
45-55
压力值（Mpa）
0.2-0.3
0.3-0.35
035-0.45
0.45-0.5
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(ф75mm)，单价为300元/个，用时35个台班；绳索取芯工艺消耗13个钻头(ф75mm)，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+(20×300-13×350)/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.