砂卵石地层金刚石钻进工艺

陈 凯 李庆庆 顾敏智

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司勘察工程分公司，上海 201612)

砂卵石地层金刚石钻进工艺

陈 凯 李庆庆 顾敏智

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司勘察工程分公司，上海 201612)

采用土力学原理和弹性力学的拉梅解答，分析了钻孔孔壁泥浆护壁力学机理，对比硬质合金、钢粒、金刚石钻进工艺，并在此基础上研究了孕镶金刚石钻进的工艺方法、技术参数及泥浆的相关指标参数，同时针对卵石层取芯率低的问题，采用自行焊接的岩芯管进行取芯，结果表明，取芯率达到80%以上。

砂卵石层，金刚石钻进，泥浆护壁，力学机理

0 引言

金刚石钻进是当前钻探工艺中比较先进的钻进方法之一，该工艺具有钻进效率高，钻孔质量好，施工劳动强度轻，钻探成本低等特点。楼日新等[1]采用大口径空气潜孔锤对砂卵石地层进行钻进和取样，并且研发了新的钻进工艺；刘睦峰等[2]采用大口径旋挖钻进方法对砂卵石地层的泥浆护壁及旋挖钻头碎岩机理等相关工艺进行了分析，取得了良好效果；刘德亮等[3]采用孔内定向爆破的方法成功的解决了大口径钻进中钻头随漂卵石回转没有进尺的问题。目前砂卵石地层大口径钻进主要有牙轮钻头钻进、旋挖钻斗成孔、孔内爆破等工艺。但是对于工程勘察中的小口径钻孔的砂卵石地层钻进没有比较系统成熟的工艺方法。本文结合惠州港荃湾港区公共管廊及路堤填海工程场地的工程地质特征，就砂卵石地层的泥浆护壁力学机理、金刚石钻头的碎岩机理、钻进工艺参数方面进行探讨和分析。

1 工程地质特征

根据工勘资料，惠州港荃湾港区公共管廊及路堤填海工程的整个场址地层按力学性质自上而下主要分为3个大层：第①层为软黏性土层，主要为淤泥(约15.4 m)，局部为淤泥质黏性土和淤泥混砂；第②层包括可塑～硬塑的粉质黏土(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层为基岩风化层，包括残积土(1.0 m～2.0 m)、全风化花岗岩(0.4 m～2.3 m)、强风化花岗岩(0.8 m～8.2 m)、中风化花岗岩(层厚未揭穿)。

这种砂卵石、卵石地层进行钻进施工时，主要从以下3个方面考虑钻进施工的工艺：

1)砂卵石层的硬度较高，应从金刚石钻头的碎岩机理方面考虑选用合适的钻具及工艺技术参数。

2)砂卵石钻进取样过程中，岩芯容易脱落，应对岩芯管内部加以设计改进，以获得更高的取芯率。

3)选取合适的泥浆工艺，确保钻孔顺利进行。

该区域的砂卵石层处于半胶结和无胶结状态，当钻头进行回转钻进时，通过比较钻具回转的扭震力(P1)和卵砾石间的挤压力(P2)，以及卵砾石的粒径(D1)和钻头口径(D2)及相对位置关系，得出砂卵石钻进中可能会发生的两种情况：

a.P1>P2，D1

b.P1

2 泥浆护壁的力学机理

为了防止砂卵石地层塌孔，钻进过程中采取泥浆护壁，使得钻孔内壁具有一定径向压力。通过人为调节泥浆的比重，从而控制其对孔壁产生的径向应力。钻孔土压力q0(z)和泥浆压力q1(z)都随深度而变化，在二者的共同作用下，钻孔孔壁的应力边界条件为：

由土力学原理[4，5]和弹性力学[6]的拉梅解答，钻孔孔壁附近土体的水平应力为：

无泥浆护壁时，孔壁应力边界条件：

钻孔孔壁附近土体的水平应力为：

没有泥浆护壁时，如图2所示，钻孔周边不同方向的最大剪切应力为：

环向与径向成45°方向：

轴向与径向成45°方向：

轴向与环向成45°方向：

有泥浆护壁时：钻孔周边不同方向的最大剪切应力为：

环向与径向成45°方向：

轴向与径向成45°方向：

轴向与环向成45°方向：

对比钻孔有无泥浆护壁不同方向的最大剪切应力，泥浆的静水压力很好的缓解了不同方向的剪切应力。钻孔时在孔内保持一定稠度的泥浆进行护壁，使得钻孔内的径向压力增大，降低孔边的最大剪切应力，从而减少塌孔现象的发生。

3 金刚石钻进工艺

3.1 钻具的选择

该场地的卵石层位于淤泥层下，呈棱角～亚圆形，成分为花岗岩和凝灰岩，粒径在20mm～70mm之间，卵石空隙间充填泥沙及砂砾，对于此种卵石层的结构特征，如果用硬质合金钻进，由于卵石层的结构松散和卵石块大小不一的特征，硬质合金钻头在回转切削过程中将承受极不平衡的扭转阻力，在巨大的冲击载荷作用下钻头外出刃磨损严重或者崩落，导致无法获得进尺；若采用钢粒钻进，钢粒会钻进卵石空隙中，导致钻头唇面直接和卵石接触，磨料消耗太大，钻进效率低下；金刚石钻头能够克服较大的回转阻力和冲击力，采用合适的技术参数及操作方法是可以很好的钻进卵石层。采用孕镶金刚石钻头，以慢钻慢压的方式碎岩钻进。综合王发明[7]对孕镶金刚石钻头的试验研究，选择钻头参数为：金刚石目数60～ 80混合目；金刚石浓度100%；金刚石品级JR4；胎体硬度40。

3.2 泥浆的选择

3.3 取芯工艺

卵石层取芯过程中容易掉芯，为了获得更好的取芯率，将破开的钢丝绳焊在距离岩芯管底部水口上方8cm～10cm处，在焊接钢丝绳的时候需要将其焊成网状，这样卵石进入岩芯管中在提钻的过程中不易掉落。每个回次控制在0.5m左右，回次钻进时间控制在1h～1.5h之间，这样可以有效的减少对焊接钢丝绳的损坏。钻进回次结束，为了使得岩芯管内的卵石块和焊接钢丝绳很好的缠绕在一起，将泵量调至最小，继续回转一些时间，这样会更有利于提取岩芯。

4 工程实例

4.1 钻探设备选择

钻机：HGY-200型；泥浆泵：BW-150型；钻塔：A型两脚式钻塔。

4.2 钻具、钻速和钻压的应用

1)根据施工现场地层及孔深情况选择钻具如下：在钻进上部较软粘土层时采用φ108硬质合金钻头钻进，逐步跟进φ127mm×9mm厚壁套管，遇到下部卵石层时改用φ91孕镶金刚石钻头钻进，捞取卵石岩芯时用改进的岩芯管。

2)钻进过程中发现有蹩车或者钻具激烈的跳动，不得强行钻进，减压同时将钻头提起，待钻速稳定再将钻具缓慢压入孔底继续钻进。

3)在砂卵石层中钻进时，如果钻具声音突然减小即进尺加快，应适当降低泵量控制钻具进尺，确保取芯率。

4)根据金刚石钻头的碎岩机理及现场的实际情况，钻机钻速控制在142r/min～285r/min，钻压6kN～7kN，取得了较好的碎岩和取芯效果，取芯率达到了80%以上。

4.3 泥浆使用效果

现场具体的泥浆参数如表1所示。通过制定详细的泥浆作业指导书，并且调配专门的泥浆调配人员，确保泥浆的相关参数基本达到表1要求，从而保证施工的正常进行。泥浆调配员与现场施工班组的密切配合，使得钻探工作得以顺利进展，并且取得了很好的效果。

表1 泥浆性能参数

5 结语

1)泥浆的护壁作用主要表现在泥浆的静水压力，且随着泥浆密度的增加，孔壁稳定性增加。

2)砂卵石层是影响成孔质量和施工工期的重要因素，在施工时不同地层采用不同钻进工艺，应及时更换钻头。

3)采用孕镶金刚石钻头配以自行焊制的岩芯管在砂卵石钻进，取芯率大幅提高。

4)钻探工艺是一门实践性很强的学科，对于不同地区的砂卵石层可能有不同的钻探施工方法，如何通过理论和实践相结合，找到最快、最经济的钻探施工方法也是我们今后需要考虑和完善的。

[1] 楼日新，李子章，苏 宁.砂卵石层大口径空气浅孔锤钻进与取样技术[J].地质与勘探,2003,39(2)：91-94.

[2] 刘睦峰，彭振斌，王建军，等.砂卵石层泥浆护壁与旋挖钻进工艺[J].中南大学学报(自然科学版),2010,41(1):265-271.

[3] 刘德亮，李 琦.漂卵石地层钻进工艺研究及孔内爆破试验[J].施工技术,2013(3)：174-175.

[4] 陈希哲.土力学地基基础[M].第4版.北京:清华大学出版社,2004.

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

[6] 徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[7] 王发明.适合坚硬地层孕镶金刚石钻头优化设计研究[D].北京:中国石油大学,2009.

[8] 张兴国，刘崇建，杨远光，等.水泥浆体系稳定性对水泥浆失重的重要影响[J].西南石油学院学报,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

陈 凯(1987- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)11-0076-03

TU452

A