半合管在粉细砂层取芯技术中的应用浅析

陈　建（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

半合管在粉细砂层取芯技术中的应用浅析

陈建（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

对冲击钻进在粉细砂地层中的应用进行分析，阐述半合管在原理性试验和生产试验中取得的钻探效果，确保取芯质量满足地质分析评价要求，为类似地层钻探提供经验借鉴。

冲击钻进；半合管；粉细砂取芯；爪簧钻头

1　概述

20世纪50年代开始，我院就开展了洞庭湖区堤防勘探。1998年以前，堤防勘探基本是采用冲击钻进、敞口式取土器取芯，遇到粉细砂时一般采用抽筒抽取，取芯率低，且无法判断结构层次，取芯质量差。1998年长江干堤勘察，我院引进北京探矿厂150型回转地质钻机，采用泥浆护壁双管取芯工艺，提高了取芯率、改善了取芯质量，但存在对场地要求较高、工作效率低且对孔内水文地质试验影响很大的问题。2007年以后，我们引进了冲击钻进+水压退芯工艺方法，有效的提高了取芯质量和效率，但当遇到粉细砂层时，由于粉细砂结构松散，不能有效形成水压退芯时需要的活塞效应，常出现芯样被水压冲散、结构被破坏的现象，无法进行地质分析。

针对这种情况，经过反复试验和摸索改进，冲击钻进+半合管工艺能很好地解决粉细砂层取芯问题。本文结合生产试验，对冲击钻进+半合管工艺解决粉细砂层取芯质量难题进行简要分析。

2　半合管设计

所谓半合管，就是将传统的单管钻具取芯器切割成两个半圆管，钻进时拼合为密闭的圆形管，取芯时拆开成两个半圆管，确保芯样在从取芯器中取出时不被破坏。具体设计思路如下：

（1）选用与现有钻机配套使用的φ108mm和φ127mm两种规格的地质管材，加工成强度符合要求、装配方便的半合管；

（2）考虑到粉细砂层松散的特性，为减少提升时掉芯的可能性和对进入半合管芯样的扰动，将原来的普通冲击钻头改造成为符合要求的爪簧式取样钻头；

（3）取样器与钻头、盖头的连接先采用现有的接头进行连接，在试验过程中再考虑进行改进。

工作原理和过程如图1。

图1

根据地层的变化，土体的组成、结构、性状及受力条件等也有很大的区别，半合管受力强度跟半合管的直径、管材壁厚、长度有着密切的关系。短管的强度比长管的强度要大，但尺寸太短会影响工作效率，尺寸太长半合管容易产生变形破坏，因此必须合理选择半合管直径、管材壁厚、长度等参数。

根据粉细砂的松散特性，我们采用爪簧对进入钻头内和半合管内的岩土体进行拦阻以防止脱落、减少扰动，因此必须合理选择爪簧的材质、爪簧片厚度、数量等参数。

根据现有的器材，半合管与钻头、盖头的连接先采用套管接头进行连接，其结构包含：盖头、上接头、半合管、下接头、普通冲击钻头。

经过讨论，初步设计制作了φ108mm和φ127mm等，长度分别为1.0m和2.0m的半合管。

主要设计参数对比见表1。

3　试验及成果

现场试验分原理性试验和生产性试验进行，试验目的主要需要了解和解决以下几个问题：

（1）通过试验了解所取芯样的完整性，确定是否能满足地质素描的要求；

（2）了解钻头爪簧片的设计参数，确定不同土层对弹片的片数和材料硬度的要求；

（3）通过现场对所取芯样的观察，定性了解对样品的扰动程度；

（4）了解半合管的材质、长度对强度的影响以及对不同土层的适应性；

表1　主要设计参数对比

图2

图3　半合管取芯

（5）解决半合管取样器的装配和分拆工艺，优化设计、提高装拆效率。

在洞庭湖重点垸采用不同长度和不同直径的取样器对不同地层进行了原理性试验，证明在粉细砂层能够采用半合管取样器取得芯样。同时也发现了以下几个问题：

（1）使用长度为2m的半合管，当土层较紧密时，出现半合管易变形导致撑开而取芯率降低甚至无法取样的情况；

（2）在结构较松散和富水的粉细砂层取样时容易出现掉芯现象，采用现有的全断面爪簧后能够解决掉芯问题，但爪簧片对进入半合管的芯样存在明显扰动现象；

（3）本次试制的半合管为直线剖开，在进行装配时发现半合管连接端容易滑动导致连接困难，影响取样器装配效率。

根据原理性阶段的试验成果我们对半合管取样器进行了以下改进：

为增大半合管强度，选用的地质管材材质从DZ40改为DZ50；

为减少爪簧对芯样的扰动，爪簧从试制的全断面式改为三片式，爪簧材料选用韧度高的锰钢片；

为解决半合管装配时不好定位影响取样器装配效率的问题，在半合管剖开线上设计了半圆形定位卡。

最终选用直径为φ108mm和φ127mm、长度为1.0m、1.5m的试验型半合管取样器，其结构为：盖头、上接头、半合管（带定位卡）、下接头、改进型爪簧冲击钻头。试验现场，取出了完整的圆柱状芯样，完全能满足地质素描与分层的要求。

原理性试验结束后对半合管进行改进，并选择望城烂泥湖垸乔口闸附近进行了生产性试验。经过两个阶段的试验，取得了如下成果：

（1）试验了半合管取芯工艺技术的可靠性。

试验证明在冲击钻进中，可以使用半合管取芯器在粉细砂层取出完整圆柱状芯样，能够满足地质分析要求。

（2）确定了取芯器的结构型式和尺寸。

粉细砂层取样器的结构确定为盖头（内丝）、半合管（带定位卡）、钻头（改进型爪簧式、内丝）；直径确定为φ108mm和φ127mm两种（需取土样时用φ108mm型）；半合管长度确定为1m和1.5m两种规格（采用加大半圆定位卡）；钻头确定为内丝带键槽冲击钻头，配合采用自行加工的三片式锰钢片爪簧；盖头确定为自行加工的内丝盖头。

（3）通过试验，发现了一些可以改进的地方。

可根据不同性状的粉细砂选用不同片数、不同硬度的爪簧片钻头；半合管取样器的连接方式可以进一步改进，提高装配效率；半合管取样器取出的芯样存在一定的压密和扰动，但缺乏定量数据，有待进一步研究确定。

4　结语

粉细砂层钻探取芯是多年来困扰堤防勘探的难点问题。在粉细砂层钻探中，基本目标是要取出完整的原状芯样，在取出原状样的基础上，还要满足现场水文地质试验要求，为了解决这个问题，勘察专业经过长久的努力，已经取得了一定成效，但目前在实现既经济又高质量的取芯方面，还存在一定的技术难度。利用半合管取芯，结合爪簧片钻头设计，基本解决了粉细砂层取芯的工艺难题，为地质素描和详细分析提供了良好的条件，为提高勘察成果质量打下了坚实的基础。

根据试验及成果分析，半合管取芯目前主要存在以下三个方面的问题：

（1）现场只进行了单机单孔试验，采用半合管取样工艺技术可以取到扰动较小的粉细砂原状芯样。但没有进行与回转钻进钻探质量和效率等技术经济性对比试验。

（2）未进行半合管取样器用于其他软土层钻进取样的对比试验，缺乏不同类型软土层取芯效果的对比分析。

（3）使用爪簧钻头钻进时，对于粉细砂的扰动情况，仅根据现场试验时肉眼观察得出“扰动较小”的定性结论，缺乏定量评价数据。

下阶段，我们将结合生产收集更多数据，以便更好的改进半合管加工设计，同时与有关科研院所合作开展半合管取样器对粉细砂层扰动影响的定量评价，进一步研究对不同性状土层的钻探取芯工艺，在不同的软土层中开展取芯和试验。

TU753

A

2095-2066（2016）31-0090-02

2016-10-13

陈 建（1968-），男，助理工程师，大专，主要从事地质勘探工作。