鉆進(jìn)卵石層時鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

李殿文，胡儉春

吉林省四平地質(zhì)工程勘察院，吉林 四平 136000

1 概述

卵石地層，含有大量的地下水，素有天然地下水庫的美稱。我省琿春、內(nèi)蒙古東部昭烏達(dá)盟、黑龍江省部分地區(qū)，都分布有大量的卵石層。這些卵石層，一些位于河谷兩岸，一些位于沖積扇和冰川形成的地層中。上部一般為亞砂土、亞粘土，下部為卵石層。卵石一般直徑為30～100 mm，大小不等，大者有的可達(dá)300～400 mm。層厚各地不一，但一般都在20～30 m 左右，個別地方有達(dá)100 m厚的。在卵石的空隙中，通常都含有礫石、粗砂、細(xì)砂、粉土等，填充情況各地不一。

多年來，在卵石層鉆進(jìn)施工，一直都是難題，主要表現(xiàn)在：事故多、消耗大、鉆速慢、取心難、費(fèi)時長、成本高。下面，就卵石層取心鉆進(jìn)施工，談一談怎樣選擇鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)，能更好地克服上述問題，取得較好的效果，獲得經(jīng)濟(jì)效益。

2 鉆頭的選擇

鉆頭適當(dāng)與否，對鉆進(jìn)效果影響非常大。筆者曾經(jīng)查閱了大量的資料，這方面的論述很少，有的書雖然略有介紹，應(yīng)用起來很不理想。通過多年的實踐，我們逐漸總結(jié)出如下一些經(jīng)驗：

2.1 鉆頭口徑盡可能大些

在不影響巖心采取率和設(shè)備能力的情況下，鉆頭口徑盡可能大些。鉆頭口徑大，稍大的卵石可套取到巖心管內(nèi)，減少了刻取巖石的時間及重復(fù)破碎所占用的時間，節(jié)省了合金，提高了鉆速。實踐證明，在上述地層中，150 mm 鉆頭比130 mm 的鉆頭進(jìn)尺好，而110 mm 的鉆頭，其鉆速遠(yuǎn)不如前兩種，但鉆頭也不能太大，否則一旦出現(xiàn)事故，不好處理。

2.2 鉆頭壁應(yīng)厚些

鉆頭壁增厚，增大了破碎巖石的體積，多消耗一部分有效功，但增大了鉆頭強(qiáng)度。在卵石層中鉆進(jìn)，鉆具跳動較厲害，可延長鉆頭壽命，少出事故；遇到大卵石進(jìn)行綜合鉆進(jìn)時，鉆頭底部可多壓些鋼粒，實踐證明，可提高鉆速。

2.3 鉆頭長度要適宜

在卵石中鉆進(jìn)，鉆具跳動厲害，工作不穩(wěn)定，鉆頭過長，容易脫落，造成事故。鉆頭過短，在投入鋼粒進(jìn)行綜合鉆進(jìn)時，鋼粒集中在孔底，對巖心管下端絲扣處磨損嚴(yán)重，巖心管浪費(fèi)很大，同時也容易出現(xiàn)鉆頭脫落事故。以上兩種情況我們都有教訓(xùn)。

2.4 有適宜的外肋骨片

卵石層并非全是卵石，在卵石的空隙中有礫石、粗砂、細(xì)砂、粉土等，一旦沖洗液循環(huán)不暢或停止循環(huán)，就容易出現(xiàn)埋鉆及燒鉆事故，若鉆頭上不焊肋骨片，鉆具和孔壁的間隙很小，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重的埋鉆事故，會給用套取法處理事故帶來較長擴(kuò)孔時間，同時擴(kuò)孔時很不安全，為此，增大鉆具和孔壁的間隙是必要的。而且由于加焊了肋骨片，增大了鉆頭底部的壁厚，遇到大卵石進(jìn)行鋼粒鉆進(jìn)時，能更好地多壓住一些有效鋼粒，有利于多破碎一些巖石，減少了鋼粒對巖心管的磨損，所以鉆頭上加焊適宜的外肋骨片是合適的。加焊肋骨片較寬，也加大了鉆頭的壁厚，故會減弱沖擊震動，如操作得當(dāng)，鉆頭工作就會相對平穩(wěn)些。肋骨片不宜過長，合金用完后可車去有肋骨片部分重新鑲焊使用。為了在鋼粒鉆進(jìn)時，使鉆頭底部磨損均勻，鉆頭體和肋骨片的鋼號應(yīng)一致，保持同等硬度。

2.5 鉆頭水口的大小及形式應(yīng)合理

鉆頭水口不能過大，在卵石層中鉆進(jìn)，鉆具跳動較厲害，水口過大，降低了鉆頭的使用強(qiáng)度，容易出現(xiàn)損壞鉆頭事故。水口過小，排粉不暢，致使孔底不干凈，容易發(fā)生埋鉆事故，同時孔底集粉過多，巖粉等細(xì)粒物質(zhì)參與重復(fù)破碎，消耗了一部分有效功，降低了鉆速，增大了鉆具的回轉(zhuǎn)阻力，容易發(fā)生事故。

鉆頭水口的形式應(yīng)即能滿足合金鉆進(jìn)時排水的要求，又能滿足在卵石層中鋼粒鉆進(jìn)時起到導(dǎo)砂排粉作用的要求，因此應(yīng)使水口的后邊為弧形，這樣還能大大減輕鉆具的回轉(zhuǎn)阻力，使鉆頭在孔底工作平穩(wěn)，減少沖擊震動及蹩車現(xiàn)象。

2.6 鉆頭上的合金出刃和鑲焊角度應(yīng)適應(yīng)地層條件

在鉆卵石層中鉆進(jìn)，容易出現(xiàn)崩刃和合金被打掉現(xiàn)象，故此合金的內(nèi)、外、底出刃應(yīng)小些。選擇合金鑲焊角度應(yīng)考慮到以下幾點：

（1）合金在切入巖石和回轉(zhuǎn)時應(yīng)有較小的阻力。

（2）合金磨損后與巖石的接觸面積不應(yīng)迅速增大，能繼續(xù)有效地壓入切削巖石。（3）在卵石層中鉆進(jìn)時，應(yīng)使合金有較小的抗彎力矩，以減少崩刃現(xiàn)象。

（4）排粉好。

2.7 鉆頭合金排列形式要合理

在鉆進(jìn)過程中，鉆頭不僅在軸向切削破碎巖石，在徑向也切削巖石。由于徑向切削巖石比軸向切削破碎巖石困難的多，加之鉆頭的外圈比內(nèi)圈線速度大，要破碎的巖石體積也比內(nèi)圈多，因此，外切削具比內(nèi)切削具磨損的要快。在卵石中鉆進(jìn)，外切削具的崩刃現(xiàn)象也比內(nèi)切削具多。實踐觀察，舊鉆頭不能再用，多為外切削具磨損嚴(yán)重或崩刃而致。這種局部的早期磨損或崩刃，不僅急劇地降低了鉆速，而且也大大地浪費(fèi)了材料，鉆孔口徑也會變小，增加了下回次新鉆頭的掃孔時間，甚至新鉆頭沒擴(kuò)掃到底，就又使外切削具嚴(yán)重磨損或崩刃了。這種局部早期磨損或崩刃，增加了鉆孔彎曲的不利因素，鉆進(jìn)軟硬不均勻的卵石層，鉆頭很容易向軟的一方滑斜，造成鉆孔彎曲。為此，我們在合金的排列上，不僅要考慮到掏槽使孔底自由面增多的因素，而且在卵石層中鉆進(jìn)要特別考慮到強(qiáng)化外切削具。

2.8 為防止巖心堵塞和便于取心，鉆頭內(nèi)壁上端應(yīng)有一定的錐度

綜上所述我們認(rèn)為，在卵石層中進(jìn)行綜合鉆進(jìn)的鉆頭，用如下的參數(shù)較為合理：

鉆頭本體外徑150 mm 和130 mm 兩種，壁厚8～10 mm，鉆頭長250～300 mm。外肋骨三片，肋骨片厚7～10 mm，材料與鉆頭體相同。在一字形排列的合金前面約20 mm 處的肋骨片上鑲焊一顆大八角合金，內(nèi)、外出刃為1～1.5 mm，底出刃1.5～2.0 mm，鑲焊角度為90°，其它合金的型號視具體條件而定，水口高為30～40 mm。底寬為40 mm，水口的前邊為斜線或直線，頂端為圓弧型，后邊為弧形，而盡量將后邊開在后肋骨片的前棱。

3 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

鉆進(jìn)參數(shù)要根據(jù)卵石層、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具、及所用設(shè)備等情況進(jìn)行選擇，盡可能使參數(shù)控制在最佳范圍內(nèi)。

3.1 鉆壓

鉆壓對鉆速和合金壽命有很大影響，從理論上講，當(dāng)鉆壓大于巖石的臨界抗壓強(qiáng)度，處于體積破碎的范圍內(nèi)，巖石呈體積破碎狀態(tài)，鉆速增加，合金的磨損不但不增加，反而有所下降，此時鉆壓可稱為最優(yōu)鉆壓。

但是，我們所要對付的是軟硬不均勻的卵石層，鉆壓太大，不但會產(chǎn)生崩刃，或使鉆頭合金過早磨損，鉆速急劇下降，而且容易出現(xiàn)蹩車和折斷鉆具事故。同時在地表加壓的情況下，鉆桿彎曲嚴(yán)重碰打孔壁，不但會使不穩(wěn)定的孔壁更加不穩(wěn)定，而且鉆具失去了垂直狀態(tài)，鉆頭很容易沿光滑的卵石斜面向軟方向滑斜，造成孔斜。鉆壓過小，一則，只能使巖石產(chǎn)生表面破碎或疲勞破碎，鉆速上部去，同時鉆頭合金磨損嚴(yán)重，降低鉆頭壽命。二則，因壓力不足，有時壓不住孔底的卵石，致使卵石和鉆頭一起回轉(zhuǎn)，造成長時間不進(jìn)尺。

根據(jù)幾年來的施工情況看，在卵石層進(jìn)行鉆進(jìn)時,若鉆頭直徑150 mm 或170 mm，其孔底壓力在7～9 kN 范圍內(nèi)為好。鋼粒鉆進(jìn)時，其單位壓力在2.5～3 MPa 范圍為好。

3.2 轉(zhuǎn)速

確定最優(yōu)轉(zhuǎn)速不但要考慮轉(zhuǎn)速問題，而且要考慮到孔深、孔徑、管材質(zhì)量和設(shè)備能力的影響。增大轉(zhuǎn)速會使鉆桿嚴(yán)重彎曲，容易折斷鉆桿，對孔壁的穩(wěn)定不利。轉(zhuǎn)速高，合金對巖石的作用短，影響切入深度，合金磨損快，使鉆速降低。在卵礫石層中不管是合金鉆進(jìn)和鋼粒鉆進(jìn)，其轉(zhuǎn)速保持在120～180 n/min 范圍內(nèi)較宜。

3.3 泵量

從理論上看，在合金鉆進(jìn)時，增大泵量對提高轉(zhuǎn)速有一定好處，但泵量增大，在正循環(huán)的情況下，一則易沖毀卵石層中的充填物，降低巖心質(zhì)量，二則會降低壓力，使轉(zhuǎn)速下降。故此在卵石層中進(jìn)行合金鉆進(jìn)時，在保證孔內(nèi)干凈的情況下，泵量不宜過大。在進(jìn)行鋼粒鉆進(jìn)時，其泵量要視孔內(nèi)所投鋼粒的多少而定，一般單位鉆頭直徑的泵量控制在3.0～3.5 L/s.cm 范圍內(nèi)。若泵量不好控制，就應(yīng)使泵量大些，也不能過小，防止巖粉及鋼粒卡埋鉆具。若排粉不很理想，泵量又大些，鉆頭底部工作一段時間后有可能壓不住鋼粒，這時可提動一下鉆具，讓鋼粒落到孔底一部分再進(jìn)行鉆進(jìn)，這樣循環(huán)工作，是可以順利穿過大卵石層的。

3.4 投砂量與投砂方法

投砂太多，一則擠到孔壁一部分，混進(jìn)取上得巖心中，造成浪費(fèi)，二則孔內(nèi)不安全。其原因是：在堅硬的卵石層中，合金鉆進(jìn)換為鋼粒為主的鉆進(jìn)，由于孔徑小，砂量多，開始鉆進(jìn)時，一旦泵量調(diào)不適當(dāng)，就會發(fā)生鋼粒擠卡肋骨片的想象，使回轉(zhuǎn)阻力增大，甚而出現(xiàn)卡鉆事故，另一方面，回次終了投球干鉆取心時，也會由于孔內(nèi)鋼粒多而擠卡鉆頭，以致造成卡鉆、埋鉆事故。在不連續(xù)用鋼粒鉆進(jìn)為主的孔段，其投砂量不能過大。投砂太多進(jìn)尺也不好，在卵石中用合金鉆進(jìn)遇到進(jìn)尺很慢或不進(jìn)尺時，就證明鉆頭底部遇到比鉆頭直徑大的堅硬的卵石，或是壓住大卵石的一半，或是同時壓住幾個大卵石的一半，孔底漏掉的鋼粒就不會很多。若投砂過多，開始鉆進(jìn)時，鉆頭底部壓住幾層鋼粒，造成鋼粒之間的相對運(yùn)動而摩擦，而不能直接有效地破碎孔底巖石，從而會造成一段時間內(nèi)進(jìn)尺不好。投砂太少，擠到孔壁卵石間隙中一部分，沖洗液懸浮一部分，致使鉆頭底部壓住的有效鋼粒太少，鉆速降低，根據(jù)幾年來的實踐看，遇到大卵石時可投入2～3 kg 鋼粒進(jìn)行鋼粒鉆進(jìn)，鉆進(jìn)一段時間后，若感到孔底鉆頭壓住鋼粒不足，進(jìn)尺不好，這時可提動鉆具，讓鋼粒落到孔底一部分，再進(jìn)行鉆進(jìn)，隨著孔內(nèi)鋼粒的不斷消耗，提動鉆具的次數(shù)應(yīng)逐漸增多，要充分利用孔底所有能活動的鋼粒，這樣循環(huán)工作，可順利通過大卵石層，若下部仍然是大卵石，可及時補(bǔ)充鋼粒。

4 小結(jié)

在卵石層鉆進(jìn)施工，鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇，是卵石層鉆進(jìn)中諸多問題最重要的兩個方面。多年來，我院總結(jié)了大量在卵石層鉆進(jìn)的施工經(jīng)驗，這些經(jīng)驗都是從多次的失敗中總結(jié)得來的。近幾年，由于能很好地選擇鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)，才能多次順利完成在卵石層鉆探施工任務(wù)，并取得了不錯的成績。

[1] 張祖培，等.巖土鉆鑿工程新技術(shù) [M].北京：地質(zhì)出版社，2003.

[2] 李世忠.鉆探工藝學(xué)[M]北京：地質(zhì)出版社，1994.