沖擊式取心跟管鉆進(jìn)技術(shù)

沖擊式取心跟管鉆進(jìn)技術(shù)

1地層鉆進(jìn)特征巖心勘探通常發(fā)現(xiàn)復(fù)雜層，如斷裂帶、河床砂礫、第四系覆蓋層，難以挖掘。套管護(hù)壁是解決這類地層的有效技術(shù)措施。然而,由于鉆孔頻繁坍塌、掉塊和縮徑等原因,傳統(tǒng)的下套管護(hù)壁方法難以確保同一級(jí)套管到達(dá)預(yù)定孔深,常常被迫下入多級(jí)套管,這將使鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,增加了管材和其他材料的消耗。而且由于具體地層鉆進(jìn)特征的不可預(yù)見性,必然導(dǎo)致鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性,結(jié)果往往要么因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單給施工帶來較大困難,要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成浪費(fèi)。為解決復(fù)雜地層普遍存在的鉆進(jìn)效率低和鉆孔質(zhì)量差等技術(shù)難題,我所與成都水利水電勘察設(shè)計(jì)院針對(duì)溪洛渡水電站工程勘探的實(shí)際需要,共同承擔(dān)并于2000年完成了“金剛石取心跟管鉆進(jìn)技術(shù)的研究”,研制了一種集跟管、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和采集巖心能力的組合鉆具,首次實(shí)現(xiàn)沖擊取心隨鉆跟管鉆進(jìn),并在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了顯著的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效率。2鉆石法提取中心和主管鉆石2.1提鉆針對(duì)孔厚的裝置如圖1所示,108沖擊式金剛石取心跟管鉆具(簡(jiǎn)稱組合鉆具)由《91mm取心鉆具8、YZ89型液動(dòng)沖擊器7和GJ108型跟管鉆具5組合而成;采用兩級(jí)碎巖原理,具有鉆進(jìn)和升降2種工作狀態(tài),圖1(a)為鉆進(jìn)工作狀態(tài),圖1(b)為升降狀態(tài)。在鉆進(jìn)狀態(tài)下,鉆具下部的取心鉆具和沖擊器執(zhí)行先導(dǎo)鉆進(jìn)(沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)),跟管鉆具承擔(dān)擴(kuò)孔成孔任務(wù),鉆孔直徑110mm,與跟進(jìn)的《108mm套管2同級(jí),為套管憑其重力隨鉆孔深度的增加向孔底延伸提供必要的空間條件;在升降狀態(tài)下,鉆具在其自身重力的作用下處于收縮狀態(tài),其最大直徑為94mm,即比套管小一個(gè)級(jí)別,可自如地在套管內(nèi)升降;提鉆后,可根據(jù)孔深采用傳統(tǒng)的下管方法加長(zhǎng)孔內(nèi)套管,盡量保持孔底裸露孔段最短(在2~5m范圍),而實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn)。組合鉆具工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由GJ108型跟管鉆具的擴(kuò)孔鉆頭張開或收斂來實(shí)現(xiàn)。組合鉆具有以下技術(shù)特點(diǎn)。(1)采用兩級(jí)碎巖原理,兩級(jí)碎巖的碎巖方式和碎巖條件不同,孔底普通金剛石鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭能夠自動(dòng)根據(jù)巖石硬度調(diào)節(jié)和分配鉆進(jìn)壓力,維持鉆進(jìn)速度同步。(2)組合鉆具工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換完全實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控。鉆具是否到位張開取決于水路開通與否,因此通過地面泵壓表的讀數(shù)便可作出正確判斷,從根本上消除了誤判斷和誤操作導(dǎo)致鉆孔縮徑的可能性。(3)鉆具直徑比鉆孔小一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別,提鉆期間鉆具基本上不會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生抽吸破壞作用,可以避免鉆孔垮塌和掉快。(4)鉆具懸空時(shí)(掃孔工序),沖擊器的液流通道呈開通狀態(tài),鉆具張開所需泵壓與沖擊器無關(guān),此時(shí)沖擊器不工作,不影響鉆具的掃孔和擴(kuò)孔功能。2.2擴(kuò)孔鉆頭的收斂跟管鉆具的結(jié)構(gòu)類型屬擴(kuò)孔翼張斂式,既可直接用來進(jìn)行跟管鉆進(jìn),也可在套管下進(jìn)行擴(kuò)孔接力跟管;主要由張斂機(jī)構(gòu)和張開報(bào)信系統(tǒng)組成;張斂機(jī)構(gòu)采用楔形張斂原理,主要通過水壓作用,使張斂軸相對(duì)裝有擴(kuò)孔鉆頭的鉆頭架下移,依靠斜面驅(qū)動(dòng)擴(kuò)孔鉆頭張開呈鉆進(jìn)狀態(tài)并維持其穩(wěn)定;升降鉆具時(shí),依靠鉆具的重力使鉆頭架相對(duì)張斂軸下移,自動(dòng)使鉆頭轉(zhuǎn)為收斂狀態(tài)并保持穩(wěn)定。報(bào)信系統(tǒng)采用液壓閥式,當(dāng)鉆具處于收斂狀態(tài)或非完全張開狀態(tài)的情況下,報(bào)信閥始終處于水路關(guān)閉位置,見圖2,如果出現(xiàn)擴(kuò)孔鉆頭不能完全張開的故障,必將出現(xiàn)憋泵信號(hào)(報(bào)警壓力)Pa,只有當(dāng)開泵送水后泵壓達(dá)到鉆具張開報(bào)信值Pm,并且水壓驅(qū)動(dòng)擴(kuò)孔鉆頭完全張開后,報(bào)信閥才呈水路開通狀態(tài)。2.3提高綜合鉆進(jìn)效率采用沖擊器的主要目的是提供高頻振動(dòng),避免巖心堵塞,通過提高巖心采取率和鉆進(jìn)回次長(zhǎng)度的技術(shù)途徑,提高綜合鉆進(jìn)效率。針對(duì)復(fù)雜地層鉆進(jìn)的地層和工藝條件都十分惡劣的特點(diǎn),比較國(guó)內(nèi)現(xiàn)有各種沖擊器,采用YZ89型液動(dòng)沖擊器。該沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能在低固相泥漿環(huán)境下工作,并且泵量和泵壓都較小,啟動(dòng)容易,其工藝條件與復(fù)雜地層鉆進(jìn)比較接近,可以滿足沖擊式金剛石取心跟管鉆進(jìn)技術(shù)的工藝要求。2.4心理工具采用?89mm普通單動(dòng)雙管取心鉆具。2.5主噴射檢測(cè)技術(shù)見表13管道安裝和擴(kuò)孔連接技術(shù)3.1worm管道的鉆孔3.1.1鉆進(jìn)狀態(tài)及馬克思恩格斯見圖1,采用常規(guī)下鉆方法將處于圖1(b)所示升降狀態(tài)的鉆具從套管內(nèi)下到孔底后,開泵送水使鉆具在套管下張開至圖1(a)所示的鉆進(jìn)狀態(tài),此時(shí)鉆具進(jìn)行金剛石取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆孔直徑與套管同級(jí);鉆進(jìn)回次結(jié)束后開始提鉆的瞬間,鉆具憑重力自動(dòng)收斂(復(fù)位)處于升降狀態(tài),鉆具通過套管提到地表后,根據(jù)回次進(jìn)尺長(zhǎng)度加長(zhǎng)相應(yīng)長(zhǎng)度的套管并控制其向孔底延伸;然后下鉆繼續(xù)鉆進(jìn)。3.1.2運(yùn)營(yíng)規(guī)則3.1.2.孔內(nèi)鉆具工作狀態(tài)判斷孔口試驗(yàn):首次使用跟管鉆具,應(yīng)先在孔口作鉆具張開報(bào)信試驗(yàn),測(cè)定具體的報(bào)信壓力值Pm和報(bào)警壓力Pa,以作為判斷孔內(nèi)鉆具工作狀態(tài)的依據(jù)?？變?nèi)鉆具工作狀態(tài)的判斷:將鉆具下到孔底,開泵送水后,當(dāng)泵壓上升到報(bào)信壓力Pm并保持基本穩(wěn)定,表明鉆具張開呈鉆進(jìn)工作狀態(tài),可以進(jìn)行掃孔和鉆進(jìn);如果泵壓大于Pa(出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象),說明鉆具仍處于收斂狀態(tài),此時(shí)可活動(dòng)鉆具并觀察泵壓,憋泵現(xiàn)象仍不能解除,應(yīng)提鉆檢查、排除鉆具的張斂故障。3.1.2.2.選擇直徑，打開導(dǎo)向孔換用組合式跟管鉆具之前,用帶有?108mm扶正管的普通?91mm鉆具鉆進(jìn)2m左右。然后采用組合鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。3.1.2.3.測(cè)量參數(shù)見表23.1.2.4-worm方法采用間歇式回次跟管。提鉆后,根據(jù)孔深和孔內(nèi)套管深度確定增加套管的長(zhǎng)度,用常規(guī)方法將增加的套管下入孔內(nèi)。3.1.2.下鉆時(shí)的下鉆(1)每回次應(yīng)檢查鉆具張斂動(dòng)作是否靈活,水路是否暢通。(2)下鉆時(shí),必須將鉆具(指擴(kuò)孔鉆頭)下到套管以下的裸孔中才能開泵送水。(3)提鉆時(shí)如果鉆具在套管腳受阻,轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿便可解除阻力,嚴(yán)禁強(qiáng)力提拔。3.2擴(kuò)孔工藝及操作要點(diǎn)3.2.1接力跟管原理在已經(jīng)下入套管并換徑鉆進(jìn)的鉆孔,因遇到鉆進(jìn)故障需要將原套管加深,為滿足這種其他鉆進(jìn)方法無法實(shí)現(xiàn)的特殊工藝要求,可單獨(dú)采用GJ108型跟管鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔接力跟管。具體方法是:先將孔內(nèi)套管提離始擴(kuò)孔深0.5~1.0m,在地表用套管夾板夾緊,再將鉆具下入擴(kuò)孔處,開泵送水使鉆具張開并進(jìn)行擴(kuò)孔,擴(kuò)至一定孔深后,將鉆具提離鉆孔,根據(jù)擴(kuò)孔孔深加長(zhǎng)套管,完成一擴(kuò)孔回次的擴(kuò)孔接連跟管。如此周而復(fù)始,直至將套管下到要求孔深。3.2.2鉆具配置擴(kuò)孔鉆具由GJ108型跟管鉆具和長(zhǎng)為1.5~2.0m的?89mm單管鉆具組成。3.2.3孔口報(bào)信壓力測(cè)試與孔內(nèi)鉆具工作狀態(tài)的判斷3.2.4擴(kuò)孔工藝將前期下入鉆孔的?108mm套管拔離始擴(kuò)位置0.5~1.0m,為跟管鉆具的張開提供空間條件;將GJ108型鉆具下到始擴(kuò)位置與套管腳之間的裸露孔段;開泵送水使鉆具張開,先采用小規(guī)程參數(shù)擴(kuò)孔0.2~0.4m,再根據(jù)地層選擇適宜的擴(kuò)孔規(guī)程參數(shù)擴(kuò)孔。3.2.5操作要領(lǐng)(1)每次下鉆(包括加單根鉆桿),應(yīng)準(zhǔn)確將鉆具(具體指擴(kuò)孔鉆頭)下到擴(kuò)孔位置與套管腳之間,確認(rèn)無誤后才能開泵;(2)需要倒桿時(shí),嚴(yán)禁將鉆具頂離擴(kuò)孔位置,避免因鉆具頻繁張開和收斂增加不必要的判斷(鉆具狀態(tài))以及造成失誤;(3)擴(kuò)孔規(guī)程參數(shù)見表2;(4)為避免鉆孔縮徑和保證孔壁規(guī)則,擴(kuò)孔速度不宜快(每小時(shí)控制在2m左右),尤其在軟硬懸殊的地層應(yīng)高度重視,并且維持勻速擴(kuò)孔。3.2.6跟管每當(dāng)累計(jì)擴(kuò)孔進(jìn)尺5~10m或根據(jù)孔壁情況,及時(shí)提鉆加長(zhǎng)套管。4多個(gè)鉆孔的推廣1999年在溪洛渡電站XH21和ZK31等鉆孔試驗(yàn)后,隨后在多個(gè)鉆孔進(jìn)行了推廣應(yīng)用,均取得滿意的跟管鉆進(jìn)技術(shù)效果。以下是溪洛渡電站左岸開關(guān)站XH21鉆孔(典型復(fù)雜地層)的使用情況。4.1第四系堆積層XH21鉆孔設(shè)計(jì)孔深為175m,終孔直徑為77mm。地層情況為:0~130m為第四系堆積層,其中上部為洪積的碎石土層,中部為冰積、冰水積的漂卵石層,下部為宣威組地滑堆積,巖石膠結(jié)性很差,松散且破碎,見圖3,可鉆性2~8級(jí),全孔漏失;130~175m為宣威組砂巖。4.2設(shè)備XY-2型鉆機(jī);BW-150型水泵;9m高四腳鐵塔鉆塔;《50mm鉆桿。4.3巖心鉆孔施工困難1999年10月,XH21鉆孔開孔后就出現(xiàn)頻繁垮塌,被迫采用在孔底爆破地面錘擊方法跟?127mm套管,鉆孔施工很困難,而且難以保證巖心采取質(zhì)量。因此,于11月決定采用?108mm沖擊式金剛石取心跟管鉆具進(jìn)行跟管鉆進(jìn),鉆具自52.1m鉆進(jìn)至145.2m,穿過堆積層并進(jìn)入基巖(孔深141m),然后換?91mm普通鉆具鉆至175m(終孔)。4.4鉆具性能可靠(1)跟管鉆具共鉆進(jìn)142個(gè)回次,進(jìn)尺93.1m,平均回次進(jìn)尺0.66m;純鉆進(jìn)時(shí)間80.7h,時(shí)效1.15m;巖心采取率85%;跟進(jìn)?108mm套管43根共計(jì)142.45m。(2)組合鉆具性能可靠,張斂成功率100%;鉆具張開報(bào)信和張開遇阻報(bào)警及時(shí)準(zhǔn)確,從根本上防止錯(cuò)誤操作。跟管工藝可行,跟管技術(shù)效果好,有效地解決了鉆孔施工中孔壁垮塌、掉塊等困難。(3)在地層和孔深等條件相同的情況下,XH21鉆孔的綜合鉆進(jìn)效率比采用常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)的XH20鉆