半合式单动双管在工程地质勘察中的应用研究

邓剑平

（湖南省煤田地质局第三勘探队，湖南 永州 425000）

1 半合式单动双管的结构特点

半合式单动双管由固定组件和转动组件构成。固定组件有沉砂管及其内部过滤芯管、外管接头、外管、扩孔器、钻头等。转动组件有锁紧螺母、可调螺杆、内管接头、半合式内管、卡簧座、卡簧等。其中内管由两片半圆管组成，外表面按等分车削有五道环槽，环槽内有梯形槽缝，由两端带钩的钢抱箍通过环槽及梯形槽缝，将两片半圆管抱紧组成一个圆内管。半圆内管内表面制作光滑，有利于岩心进入。

2 半合式单动双管的组装与拆卸

2.1 半合式双管的组装

组装前，先检查双管单动接头的单动性能，然后将沉砂管组件连接到外管接头上，再分别将组合好的半圆内管和外管接到各自的接头上，安装好定中环和卡簧座，检查内外管的同轴性，此时如果内外管同轴性好，内管转动灵活，则下部连接扩孔器后接钻头。之后检查卡簧座与钻头内台阶之间的间隙，其间隙大小须卸开外管，通过可调螺杆进行调节。

2.2 半合式双管的拆卸

拆卸前，一般在较平坦的地上横向间隔垫上3根～4根方木，将半合式双管置于方木上，便于拆卸操作。先卸下钻头和扩孔器，然后分别从外管和内管接头上卸下外管、内管，再用“一”字螺丝刀将半圆内管外表面环槽中的钢抱箍从梯形缝中撬拆下来，卸下卡簧座和定中环，将半圆内管分开成两个半片，这样就能在扰动较小的情况下取出岩心。

3 半合式单动双管钻探工艺取心方法

把组装好的半合式单动双管上端与钻杆连接，下至距孔底约1m左右，泵入冲洗液。冲洗液通过钻杆、双管上端的沉砂管及其内部过滤芯管，内外管之间间隙、卡簧座与钻头内台阶之间间隙到达钻头底部，然后沿钻具与孔壁间隙返出孔口。待孔口返水后将钻具缓慢放至孔底，通过钻机及钻具传递动力和压力，连续旋转切削岩体，使岩心进入内管。因半合式单动双管中内管相对于外管不转动，减少了对岩心的扰动，且冲洗液经过钻杆内通道、内管上部沉砂管及其内部滤水芯管、内外管之间环状间隙、卡簧座与钻头内台阶间隙流出，避免了对进入内管的岩心造成冲蚀。

每钻完一个回次，提出钻具，取下双管，再先后卸下钻头、外管、内管。然后将内管平放在垫有方木的地面上，用“一”字螺丝刀撬拆下钢抱箍，内管即分开成两片半边管，一片朝上盛放岩心，一片朝下移开。再将内径略大、等长的半圆形PVC管罩到盛有岩心的那半边内管上，轻轻翻转将岩心移至PVC管内，然后把装有岩心的PVC管摆放到岩心箱内。

4 半合式单动双管在实际中的应用

在某铁路隧道工程地质勘察项目中，采用半合式单动双管钻探取心工艺，取得了良好的效果。即使在节理、裂隙极发育，岩体极破碎的地层中，岩心采取率也能达到85%以上，且岩心扰动小，能较好地反映出原地层的构造特征。

4.1 地质概况

该拟建铁路隧道地处云南高原中部，区域构造极为复杂，共布设了8个钻孔，设计孔深在135m～280m，孔位附近都有区域性逆断层通过。预想地层主要为白云质灰岩、长石石英砂岩夹板岩、板岩、断层破碎带。受构造影响，岩体节理极发育，岩体破碎，钻探取心困难。而该工程对钻探质量要求较高，采取率必须在80%以上，且岩心要尽可能少扰动，能基本上反映出原地层节理裂隙等构造发育特征。

4.2 钻探工艺比选

钻探设备采用GY-200型、GY-300型岩心钻机各两台，配套采用BWQ-160、BW150型泥浆泵各两台。

（1）开始时采用50钻杆+普通单岩心管+齿轮式孕镶金刚石钻头，配制钠土粉泥浆作为冲洗液的钻进工艺。可每个回次终了取心时，几乎都采不出岩心，即使有岩心，采取率也是极低，且岩心都呈砂、砾石状。

（2）之后改用50钻杆+整体式单动双管+扩孔器+齿轮式孕镶金刚石钻头，配制钠土粉泥浆作为冲洗液的钻进工艺。但由于岩体节理极发育，地层破碎，要么采取率低，要么从整体式双管中取出岩心时，敲击岩心管产生的震动及落入岩心箱的过程中，使得岩心都碎裂成了角砾，不能满足质量要求。

（3）为了满足勘察质量要求，最后选用半合式单动双管钻探工艺取心钻进。

钻具组合：采用50钻杆+半合式单动双管+扩孔器+齿轮式孕镶金刚石钻头。组装半合式双管时，首先检查内管灵活性、单动性、对中性，并调节卡簧座与钻头内台阶之间间隙约1mm～1.5mm。

泥浆配置：水、植物胶、钠土粉按重量比100:10-12:10，火碱为植物胶重量的2%左右。首先在搅拌桶中加入一定量的清水，然后按比例边缓缓加入植物胶边搅拌，再按比例加入火碱、钠土粉，高速搅拌制成泥浆，泥浆漏斗粘度40s左右，PH值为9～10，用筛网过滤后放入泥浆池中备用。

钻进参数：钻机转速一般为300r/min～500r/min，钻压基本保持在5KN～8KN，泵量一般在15L/min～30L/min，泵压在0.2mm～0.5m之间，具体要根据地层软硬和完整程度及时调节。钻进过程中，如果通过软弱、破碎地层进尺变快时，要减小钻压至低值，泵量也减少到以孔口稍有泥浆液返出，能起到润滑和冷却钻头作用即可。

取心效果：采用半合式单动双管后，取心质量得到很大提高，不但岩心采取率能达到85%以上，而且岩心能基本反映出原地层构造特征，能直观地判定地层、了解岩体节理发育情况。采取的岩心效果对比见图1～图4。

图2 采用半合式单动双管采取的岩心

图3 采用整体式单动双管采取的岩心

图4 采用半合式单动双管采取的岩心

4.3 采用半合式单动双管钻探工艺应注意的事项

（1）组装半合式单动双管时，要求内管对中性要好，内管连接轴承灵活性强，能保证单动性能良好，否则内管跟着外管一起转动，岩心被扰动破碎后难以卡取，这样不但取不出能反映地层构造特征的岩心，即使采取率也难以保证。

（2）调节好卡簧座与钻头内台阶的间隙。为了保证冲洗液既能顺利循环流动冷却润滑钻头，又不对岩心造成冲蚀影响，尤其是在钻进松散、软弱夹层、破碎地层时，半合式双管卡簧座与钻头内台阶之间的间隙大小，对岩心采取率有着很大关系。在冲洗液对岩心冲蚀影响较大的地层中钻进时，间隙不能太大，一般不超过1.5mm；而在冲洗液对岩心冲蚀影响小的地层中钻进，间隙则可以略大，一般在2mm～4mm。

（3）控制好泥浆的含砂量。因半合式单动双管内外管壁之间、卡簧座与钻头内台阶之间间隙较小，对泥浆的含砂量要求较严格。如果含砂量稍大，既容易导致内外管被卡死，造成内管跟着外管转动，又容易使卡簧座与钻头内台阶之间间隙被堵，泥浆循环不畅而憋泵。因而在钻进过程中，泥浆循环槽要设置沉淀池；同时每钻进20m～30m，要对双管上部的沉砂管进行清洗，保证沉砂管能起到良好的沉砂作用。当泥浆中含砂量过大而引起频繁憋泵时，则须更换新的泥浆。

（4）内管由两片半圆管通过钢抱箍组合而成，钢抱箍的装配及拆卸繁琐，耗时较长。为了节省时间，一般需配置两根内管，轮换使用。且频繁拆卸内管易致钢抱箍损伤，钻进中如果钢抱箍断裂，内管裂开，泥浆进入内管后会冲蚀岩心；同时内管裂开后也容易导致内管外壁与外管内壁贴紧后失去了单动性能，因而需准备多个钢抱箍备用，对钢抱箍要勤检查，发现问题及时更换。

5 结语

通过对半合式单动双管结构特点、组装与拆卸方法、工作原理的介绍，并在具体的工程地质勘察实践应用中与其他钻进工艺进行对比分析和研究，半合式单动双管不但极大地提高了岩心采取率，而且采取的岩心扰动少，既便于鉴定岩性、判定地层，又能较好地反映原地层节理裂隙等构造发育特征，极大地提高了工程地质勘察质量。