可伸縮擴(kuò)孔鉆頭在深厚砂卵礫石層跟管鉆進(jìn)中的應(yīng)用

李建軍，陳保國，鄭 偉，劉寶昌

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130026;2.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京100024;3.長城鉆探工程有限公司鉆具公司，遼寧 盤錦124010)

1 概述

冷達(dá)水電站是雅魯藏布江規(guī)劃河段推薦的11級開發(fā)方案的第9個梯級，位于西藏山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，初擬裝機(jī)容量320 MW，年發(fā)電量為15.02億kW·h。

壩址區(qū)覆蓋層分布廣泛，主要為沖洪積漂卵砂礫石層，鉆孔揭示最大覆蓋層厚度為149 m。見較多的孤石分布，成分以花崗巖和大竹卡礫巖為主，主要從上游絲波絨曲沖積而來，架空明顯，結(jié)構(gòu)較松散，厚度大，漏漿塌孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，屬于典型的復(fù)雜地層。

由于覆蓋層較厚，且級配較差，存在嚴(yán)重漏漿、孔壁不穩(wěn)定等較復(fù)雜的情況，為達(dá)到理想的護(hù)壁效果，套管的跟進(jìn)深度也隨之增加。眾所周知，在跟進(jìn)套管時，孤石是影響跟管深度的最大阻礙因素。由于施工條件所限，不具備辦理火工材料的條件;另外為了節(jié)約成本和安全方面的考慮，最終決定采用可伸縮擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝，以達(dá)到打通通道，使套管順利跟進(jìn)的目的［1，2］。

2 鉆進(jìn)工藝

2.1 鉆進(jìn)設(shè)備及機(jī)具

本次鉆進(jìn)采用XY－2型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，配合SDB系列植物膠雙管單動鉆具取心，并使用厚壁套管進(jìn)行護(hù)壁。

鉆進(jìn)中，當(dāng)遇到孤石直徑較大，靠錘擊套管無法擊碎孤石，致使套管跟進(jìn)受阻時，傳統(tǒng)鉆進(jìn)工藝的處理方法是使用炸藥進(jìn)行孔內(nèi)爆破，將孤石砸碎?；蛘卟捎锰坠茔@頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆透孤石，以達(dá)到繼續(xù)跟進(jìn)套管的目的［3］。但傳統(tǒng)孔內(nèi)爆破方法既危險又繁瑣，而套管鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)又存在因扭矩太大而導(dǎo)致套管磨損、斷裂等眾多問題［4］。針對傳統(tǒng)處理方法存在的不足，現(xiàn)采用可伸縮擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，將孤石與孔內(nèi)套管之間擴(kuò)出一個外徑略大于套管外徑的環(huán)狀間隙，使套管順利跟進(jìn)，很好地解決工程難題［5，6］。

對孤石的不同處理工藝方法對比見圖1。

圖1 對孤石不同處理方法

2.2 擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)

2.2.1 鉆頭結(jié)構(gòu)及工作原理

該擴(kuò)孔鉆頭設(shè)計規(guī)格為擴(kuò)孔直徑范圍127～172 mm。根據(jù)冷達(dá)水電站壩址區(qū)覆蓋層厚度，巖石可鉆性，套管跟進(jìn)計劃深度、規(guī)格(內(nèi)、外徑)等因素進(jìn)行了綜合分析研究后，對鉆頭體結(jié)構(gòu)、尺寸和切削刃的尺寸及參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。將切削刃由原來的硬質(zhì)合金更改為孕鑲金剛石，重新設(shè)計了水口位置，同時調(diào)整切削刃中金剛石的參數(shù)，使其更適合堅硬巖石的鉆進(jìn)。

鉆頭主要由導(dǎo)向端、可伸縮擴(kuò)孔切削元件(切削翼)、泵壓起動機(jī)構(gòu)構(gòu)成［7，8］。鉆頭體共安裝2支切削翼。外徑127 mm，即收翼狀態(tài)外徑為127 mm;兩翼完全張開狀態(tài)下，兩翼處外徑172 mm。圖2為鉆頭實體圖，圖3為鉆頭結(jié)構(gòu)圖。

圖2 擴(kuò)孔鉆頭實體

在整個擴(kuò)孔鉆頭心部有一個中心閥桿，閥桿下部與擴(kuò)孔鉆頭的可伸縮切削翼相連，當(dāng)水泵加壓時，借助于鉆頭內(nèi)腔與環(huán)空之間的壓降，推動閥桿機(jī)構(gòu)向下運動，從而帶動擴(kuò)孔鉆頭的可伸縮切削翼向外伸展至一定的設(shè)計角度，在鉆頭回轉(zhuǎn)的同時切削出設(shè)計孔徑;當(dāng)壓降低于彈簧的作用力時，閥桿依靠彈簧復(fù)位，擴(kuò)孔鉆頭自動地收回切削翼。這種擴(kuò)孔鉆頭采用金剛石刮刀片作為擴(kuò)孔切削翼，最大伸展角度45°～170°，能夠達(dá)到不同的設(shè)計孔徑。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，傳動準(zhǔn)確可靠，不需軸承密封和潤滑，操作也簡單，對地層的適應(yīng)性較強(qiáng)，對設(shè)備要求也較低［3］。

圖3 可伸縮擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)

2.2.2 切削刃參數(shù)

切削翼的設(shè)計參數(shù)是結(jié)合多年鉆進(jìn)砂卵礫石的寶貴經(jīng)驗，并根據(jù)工程區(qū)巖石特性，經(jīng)過現(xiàn)場不斷試驗而確定的［9］。切削刃參數(shù)為:金剛石濃度100%，金剛石目數(shù)40～60，胎體硬度HRC50，導(dǎo)向端鑲嵌硬質(zhì)合金，呈十字排布。

2.3 擴(kuò)孔

2.3.1 擴(kuò)孔過程

可伸縮擴(kuò)孔鉆頭在管底擴(kuò)孔過程見圖4。

第一步:SDB植物膠鉆具正常鉆進(jìn)、取心(如圖4a所示)。

第二步:根據(jù)巖心判斷下方地層情況，如果下方遇到孤石直徑較大，厚壁套管單靠錘擊無法通過孤石時，則下入擴(kuò)孔鉆頭至套管管靴與孤石接觸處。此時要根據(jù)巖心謹(jǐn)慎判斷孤石位置，做到準(zhǔn)確到位(如圖4b所示)。

第三步:利用水泵壓力使擴(kuò)孔鉆頭切削翼逐漸展開進(jìn)行擴(kuò)孔，直到孤石與套管之間擴(kuò)出要求的環(huán)狀間隙，環(huán)狀間隙略大于套管外徑，套管跟進(jìn)將更加通暢(如圖4c所示)。

第四步:擴(kuò)孔結(jié)束后，減壓、停泵，擴(kuò)孔鉆頭切削翼在彈簧的作用下緩慢縮回到鉆頭體內(nèi)。將擴(kuò)孔鉆具緩慢、勻速提出孔外，繼續(xù)貫入護(hù)壁套管(如圖4d所示)。

2.3.2 擴(kuò)孔參數(shù)及注意事項

擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)參數(shù)與正常鉆進(jìn)有所不同，具體的參數(shù)為:鉆壓2～3 kN、轉(zhuǎn)數(shù)＜600 r/min、泵量10～20 L/min、泵壓0.8～1.2 MPa。

為達(dá)到理想的擴(kuò)孔效果，保證孔內(nèi)安全和擴(kuò)孔鉆頭不被損壞，在操作中，需注意以下事項:

(1)在切削翼磨損嚴(yán)重的情況下，要及時更換新的切削翼，以保證達(dá)到要求的擴(kuò)孔直徑。

(2)在擴(kuò)孔鉆頭下入孔內(nèi)前，要在孔口進(jìn)行加壓測試，測試切削翼“伸－縮”狀態(tài)是否良好。

(3)新鉆頭下孔后必須進(jìn)行初磨，即采用輕壓力(正常壓力的1/3)、慢轉(zhuǎn)速(200～300 r/min)鉆進(jìn)約10 min，然后再采用正常技術(shù)參數(shù)鉆進(jìn)。

(4)鉆頭下入孔內(nèi)，待開通水后方能開車鉆進(jìn)，擴(kuò)孔初始階段，要控制低泵壓。隨著擴(kuò)孔孔徑增大逐漸加大泵壓，且要保持低轉(zhuǎn)速，直到切削翼運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后可逐漸提高轉(zhuǎn)速。

(5)擴(kuò)孔結(jié)束后，一定要等待切削翼完全縮回鉆頭體，再緩慢將鉆頭提出套管(孔內(nèi))。

(6)擴(kuò)孔完畢后要及時清理鉆頭內(nèi)部并給予適當(dāng)潤滑，以提高閥體及銷軸的潤滑性。

圖4 擴(kuò)孔鉆頭管底擴(kuò)孔過程

2.3.3 擴(kuò)孔效果及切削翼壽命

根據(jù)現(xiàn)場實際施工數(shù)據(jù)記錄，該擴(kuò)孔鉆頭較好地滿足了施工要求，達(dá)到了設(shè)計的擴(kuò)孔直徑，解決了工程難題。

(2)擴(kuò)孔效率約為0.4 m/h，與普通金剛石鉆進(jìn)效率相比，效率仍然偏低。

(3)一對切削翼維持保徑要求下，擴(kuò)孔進(jìn)尺約12 m。

2.4 采用可伸縮擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢

2.4.1 與孔內(nèi)爆破工藝對比

(1)工藝簡單。隨著國家法制化進(jìn)程，目前對火工材料的管理越來越嚴(yán)格，審批、購買、存放手續(xù)日漸規(guī)范化，孔內(nèi)爆破在火工材料審批環(huán)節(jié)將費時費力。擴(kuò)孔鉆頭只需公司批準(zhǔn)購買即可投入使用。

(2)操作方便?？變?nèi)爆破需要作業(yè)人員持證上崗，且要求操作人員經(jīng)驗豐富?？變?nèi)水位、沖洗液濃度、孔壁通暢條件等均影響孔內(nèi)爆破的效果。擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔過程中影響因素相對較少。

(3)安全性更高?？變?nèi)爆破涉及火工材料，屬危險性化學(xué)物品，在運輸、存放、使用環(huán)節(jié)均存在危險，安全管理難度較大。另外，爆破的藥量、安全距離如果控制不好，將會導(dǎo)致套管被炸裂等嚴(yán)重的孔內(nèi)事故，施工現(xiàn)場因孔內(nèi)爆破操作不好導(dǎo)致孔內(nèi)事故的案例屢見不鮮，且后果大多比較嚴(yán)重。擴(kuò)孔鉆進(jìn)則相對更加可控，即使操作不當(dāng)，也不至于出現(xiàn)太大的孔內(nèi)事故［10］。

2.4.2 與套管鉆頭工藝相比

(1)節(jié)約成本。套管鉆頭跟管需將計劃長度的套管以回轉(zhuǎn)的方式鉆入孔內(nèi)設(shè)計深度，近似于單管鉆進(jìn)，一方面在旋轉(zhuǎn)時砂卵礫石對套管磨損嚴(yán)重，造成套管變薄，壽命大大減小，造成成本較高;另一方面在跟進(jìn)套管時，需要配以沖洗液潤滑，相當(dāng)于二次鉆進(jìn)，造成鉆進(jìn)沖洗液用量較大，費用較高［1］。根據(jù)實際測算，二者造成成本上漲至少10%。

(2)安全性較高。套管鉆頭跟管致使套管磨損大，再加上隨著跟進(jìn)套管增加，扭矩逐漸增大，極易導(dǎo)致套管斷裂，輕者需要進(jìn)行套管打撈，重新更換套管，重者套管無法打撈，只有變徑，提前變徑對套管能否達(dá)到設(shè)計深度，是極大的考驗。另外在套管磨損嚴(yán)重的情況下，起拔套管時，由于套管強(qiáng)度不夠，也容易發(fā)生套管斷裂的事故。擴(kuò)孔鉆頭跟管可配合厚壁套管，強(qiáng)度較高，本身不易斷裂。且以錘擊的方式貫入，磨損較小，可以很好地避免以上問題［10］。

3 結(jié)語

(1)與傳統(tǒng)的鉆進(jìn)工藝相比，可伸縮擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔跟管鉆進(jìn)工藝對設(shè)備的適應(yīng)性更強(qiáng)，且工藝操作簡單，安全性更高，還可節(jié)約成本。

(2)經(jīng)過現(xiàn)場使用，可伸縮擴(kuò)孔鉆頭的擴(kuò)孔鉆進(jìn)與正常金剛石鉆進(jìn)相比，雖然可以解決工程難題，但效率不如后者。需繼續(xù)對鉆頭體結(jié)構(gòu)、切削刃結(jié)構(gòu)以及金剛石鑲結(jié)方式等設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使其效率更高、壽命更長。

(3)擴(kuò)孔鉆頭對擴(kuò)孔孔徑的控制準(zhǔn)確度仍有待于提高。由于本次使用只是為達(dá)到設(shè)計的最大直徑進(jìn)行擴(kuò)孔，所以效果較好。但是如果要控制在中間某一直徑，準(zhǔn)確度會較差。只有通過更換相應(yīng)尺寸的切削翼方可達(dá)到相應(yīng)的擴(kuò)孔直徑。

(4)綜合考慮安全性、成本、使用的方便性等因素，可伸縮擴(kuò)孔鉆頭可利用前景廣闊，值得在行業(yè)內(nèi)廣泛推廣使用。

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