吳家莊水庫繩索取心金剛石鉆探技術(shù)

王家強(qiáng)

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 太原 030024）

1 吳家莊水庫金剛石鉆探概況

吳家莊水庫可研階段中的地質(zhì)勘察階段，在壩址和庫區(qū)進(jìn)行了30多個(gè)鉆孔總計(jì)約5 000 m的金剛石巖心鉆探，施工中經(jīng)歷了鉆速低、不進(jìn)尺、孔內(nèi)掉塊、不返水等故障，經(jīng)過一年的施工摸索，順利完成任務(wù)，在金剛石鉆探方面取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

鉆探施工區(qū)位于黎城縣與襄垣縣交界處，地層主要是砂土及砂卵石覆蓋層、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、鮞狀灰?guī)r、石英砂巖等。要求全孔采芯，作注壓水試驗(yàn)。

2 施工策劃

為了能提高巖心采取率作好注水和壓水試驗(yàn)，提高鉆進(jìn)效率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，該方法相對于傳統(tǒng)的鉆進(jìn)工藝，由于其機(jī)具在結(jié)構(gòu)上比普通鉆具先進(jìn)，可以不提鉆取巖心，當(dāng)一個(gè)鉆次終結(jié)，需要將進(jìn)入內(nèi)管的巖心從孔底提到地面時(shí)，不必象普通鉆進(jìn)那樣，把鉆桿一根一根地從孔內(nèi)提出，而是借助于系在一根細(xì)鋼絲繩上的打撈器將裝有巖心的內(nèi)管從鉆桿內(nèi)提出取心。此時(shí)，整個(gè)鉆桿柱和外管留在孔內(nèi)，當(dāng)需繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)只需將內(nèi)管投入鉆桿內(nèi)就可以繼續(xù)鉆進(jìn)了。

3 施工設(shè)備

鉆機(jī) 立軸液壓式XY—2型鉆機(jī)，重慶探礦機(jī)械廠出品

水泵 BW-150型

鉆塔 高15 m三角架鋼塔

鉆具 S75繩索取心鉆具

S75C繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆具

4 施工工藝

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)的合理，有利于提高效率，減少事故，降低成本。吳家莊水庫鉆探的地質(zhì)情況是基巖較堅(jiān)硬完整，只有局部破碎。因此設(shè)計(jì)Ф127 mm開孔下Ф130 mm套管至基巖面，然后改用89合金鉆頭鉆穿風(fēng)化基巖層至新鮮完整基巖，下89套管至孔口，拔掉130套管，用黏土或沙土將89套管四周搗實(shí)，再換用75的繩索取心鉆具金剛石鉆進(jìn)到終孔。

由于89套管的內(nèi)徑與75鉆具外徑間隙很小，為了實(shí)現(xiàn)順利起降這就要求鉆塔安裝穩(wěn)固周正，89套管安裝豎直，不能因?yàn)槭┕ふ饎?dòng)而發(fā)生偏移致鉆具不能進(jìn)入套管。

采用89套管雖然安裝精細(xì)，但與75鉆具間隙小配合好，減少了鉆桿在孔內(nèi)的彎曲，減少了震動(dòng)，此外循環(huán)水回水速度快，攜帶巖粉能力強(qiáng)，孔底干凈，為深孔鉆進(jìn)打好了基礎(chǔ)。若采用108的套管雖然安裝精度低了，但效果并不好，打淺孔還可以。

安裝好89套管后下75鉆具前要先用磁力打撈器把孔內(nèi)的金屬碎屑先清理干凈，防止影響金剛石鉆頭的使用。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

施鉆選用的鉆頭為金剛石孕鑲鉆頭，該鉆頭主要通過高速回轉(zhuǎn)研磨巖石而進(jìn)尺，所以轉(zhuǎn)數(shù)為主要鉆進(jìn)參數(shù)，選用800～1 000 r/min.鉆壓：8-12 kN，泵量：46～70 L/min.

金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)為鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量和泵壓，它們既是獨(dú)立的又是相互關(guān)聯(lián)的。操作者要統(tǒng)籌兼顧，才能達(dá)到效率高、質(zhì)量好、成本低、事故少，收到最佳經(jīng)濟(jì)效益。鉆壓與轉(zhuǎn)速的乘積與消耗功率成正比，機(jī)械輸出功率只能基本保持一個(gè)常值。在一般情況下，首先要保證鉆壓，然后再調(diào)整轉(zhuǎn)速。鉆壓與轉(zhuǎn)速還間接與泵量與泵壓有關(guān)系，加大鉆壓與轉(zhuǎn)速的同時(shí)也應(yīng)增大泵量與泵壓。

S75繩索取心金剛石鉆進(jìn)在灰?guī)r地層及部分白云巖地層鉆進(jìn)的速度很快，單個(gè)臺(tái)班可達(dá)8～10 m，但是遇到堅(jiān)硬的石英砂巖就不進(jìn)尺，單個(gè)臺(tái)班不到0.5 m，鉆頭打滑，胎體金剛石顆粒不出刃，這時(shí)就要在單純的回轉(zhuǎn)研磨破巖的基礎(chǔ)上增加沖擊破巖，這是充分利用巖石抗壓強(qiáng)度高而抗沖擊強(qiáng)度低這種特性，從而保持切削具的破巖能力，即采用S75C型繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，它是通過循環(huán)水帶動(dòng)重錘將沖擊功作用在鉆頭上，既回轉(zhuǎn)又沖擊復(fù)合破巖。其鉆進(jìn)參數(shù)與S75基本一樣，只是泵壓要求高，達(dá)到2.0～2.5 MPa，這也要求循環(huán)水管路系統(tǒng)需要耐高壓。

4.3 沖洗液的使用

金剛石鉆進(jìn)沖洗液的作用有冷卻鉆頭、攜帶巖粉、潤滑鉆具、作沖擊動(dòng)力。該工程鉆進(jìn)過程中只要保證循環(huán)水暢通，冷卻鉆頭就能保證，鉆具與孔壁間隙小，巖石研磨的粉末又細(xì)，攜帶巖粉也能保證。鉆進(jìn)實(shí)行高速回轉(zhuǎn)震動(dòng)和磨擦成為選擇沖洗液的關(guān)鍵。為此選用既經(jīng)濟(jì)又易操作的皂化液作為沖洗液，它是一種水包油型的乳狀液，通過管路循環(huán)在鉆具與孔壁、鉆桿與套管之間形成薄膜，減少摩擦而潤滑機(jī)具。減少了鉆具的震動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的高轉(zhuǎn)數(shù)。

沖洗液的循環(huán)依靠水泵的推動(dòng)完成，采用臥式三缸單作用泵BW-150型，其流量穩(wěn)定，相對于單缸和雙缸泵，脈沖性小，更有利于鉆進(jìn)平穩(wěn)，降低沖刷有利于保護(hù)巖心、保持孔壁穩(wěn)定，有利于壓水試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。鉆機(jī)操作者要密切關(guān)注管路壓力表指針的變化，它反映了沖洗液循環(huán)情況，如果遇到燒鉆、埋鉆、巖心堵塞等指針突然增大，如遇不泵水、鉆具折斷、沖洗液漏失等指針就降低，一旦發(fā)生變化立即停車處理，防止事故擴(kuò)大。

4.4 鉆探技術(shù)

1）每次下鉆，不得將鉆具直接下到孔底，應(yīng)接上主動(dòng)鉆桿后開泵送水，輕壓慢轉(zhuǎn)掃到孔底。防止金剛石胎體破裂；新鉆頭下到孔底后必須進(jìn)行初磨，即輕壓（1/3鉆壓）、慢轉(zhuǎn)（1/3轉(zhuǎn)速）10 min后再換用正常參數(shù)鉆進(jìn)。2）每次起下鉆應(yīng)檢查鉆桿、鉆具磨損情況和連接情況，用游標(biāo)卡尺測量鉆桿和接頭的壁厚，若一側(cè)壁厚磨損量達(dá)3 mm就應(yīng)更換。3）當(dāng)鉆進(jìn)遇到石英砂巖時(shí)，鉆頭出現(xiàn)打滑，即使使用S75C沖擊鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)尺也很少，這時(shí)就要在鉆頭上想辦法，首先選用金剛石品級高、粒度細(xì)和濃度低的鉆頭，同時(shí)胎體硬度較低或胎體耐磨性低的鉆頭，這樣有利于提高金剛石的自銳性，其次適當(dāng)提高鉆壓、減低轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_洗液量或在沖洗液中加入研磨顆粒，促進(jìn)自銳。4）升降鉆具應(yīng)平穩(wěn)，鉆頭下降受阻時(shí)，應(yīng)用鉗子回轉(zhuǎn)，嚴(yán)禁礅撞。換徑處可用錐形鉆頭修整換徑平臺(tái)。5）回次進(jìn)尺根據(jù)巖心管的長度控制在2.5 m左右，發(fā)現(xiàn)巖心堵塞及時(shí)提鉆，一是防止燒鉆事故發(fā)生，二是避免巖樣磨損。6）S75C沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的沖擊效率可通過調(diào)整泵量大小來達(dá)到最佳狀態(tài)。7）鉆完基巖段做壓水試驗(yàn)時(shí)，需把鉆桿提升一個(gè)試驗(yàn)段的高度，將充氣栓塞從孔口鉆桿柱內(nèi)投入，沿著鉆桿內(nèi)壁下到實(shí)驗(yàn)段上部，栓塞上緣卡在鉆頭胎體上懸掛住栓塞，從鉆桿內(nèi)給水加壓。該法試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，效率高。

5 結(jié)語

自從水電系統(tǒng)全面推廣小口徑金剛石鉆進(jìn)技術(shù)以來，鉆孔質(zhì)量有了明顯的提高，繩索取心金剛石鉆進(jìn)技術(shù)雖然與小口徑金剛石鉆進(jìn)同屬金剛石鉆進(jìn)、雙層單動(dòng)取心的范疇，但是，繩索取心在鉆進(jìn)方式、取心方法、水文地質(zhì)試驗(yàn)、鉆進(jìn)參數(shù)的選擇以及機(jī)具結(jié)構(gòu)和材質(zhì)要求等方面不同于常規(guī)的小口徑金剛石鉆探，這些特點(diǎn)決定了繩索取心鉆進(jìn)不僅是鉆進(jìn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，主要是巖心采取質(zhì)量高，消耗少成本低，有利于復(fù)雜地層的鉆進(jìn)，有利于水文地質(zhì)試驗(yàn)和物探測井工作。通過吳家莊水庫繩索取心鉆探的實(shí)踐，逐漸掌握了它的使用方法和規(guī)律，認(rèn)識(shí)和體會(huì)到繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)越性，為今后的水電地質(zhì)鉆探積累了完整有益的經(jīng)驗(yàn)。