全断面复合片PDC钻头在印尼Jatigede水电站大坝帷幕灌浆工程中的应用

2011-09-10史青松

四川水力发电 2011年4期

史青松

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

1 工程概述

Jatigede水库工程位于印度尼西亚西爪哇省Cimanuk河上，控制流域面积1414 km2，最大坝高110 m，总库容 1062.78 ×106m3，水库正常蓄水位高程260 m，电站装机容量110 MW，多年平均发电量约4.5亿kW·h。大坝钻孔灌浆工程分为大坝主坝混凝土盖板灌浆和灌浆廊道灌浆两部分，帷幕灌浆钻孔深度为20～100 m，帷幕灌浆总计60000 m。

坝址区大部分被表土和基岩风化物质覆盖。钻孔灌浆施工区域内的地层岩性为上第三系上新统(N2)火山角砾岩岩组。该岩组由火山角砾岩、火山砾岩及砂岩组成，倾角平缓。两坝肩下游坝基位于上第三系上新统(N2)火山角砾岩顶部，岩石已风化成含孤块石的砂质粘土，透水性较强。

岩体为坝址区两岸上第三系中新统(N12)粘土岩岩组(可能为HaLang组上段)，该粘土岩位于N2火山角砾岩之下，两者呈不整合接触。该岩组主要为灰绿色蒙脱石粘土岩，少量为砂岩、火山角砾岩、凝灰岩和粉砂岩，厚度大于5 m。砂岩、凝灰岩和粉砂岩大多位于该岩组下部3～9 m。围岩工程地质分类为:粘土岩及风化角砾岩为V类，新鲜角砾岩为Ⅳ类。

基岩灌浆是水利水电工程基础处理领域的重要内容之一，大中型水电站在大坝基础加固和防渗处理方面灌浆工作是必不可少的。一般而言，灌浆工作的特点是工程量大、工期要求短、造孔深度浅及不用提取岩芯等。本工程根据设计施工规范及我部多年积累的施工经验，通过认真分析地质条件，提出了采用全断面不取芯钻头施工工艺。根据国内施工情况，我部在前期针对钻头选择了复合片PDC钻头、小口径牙轮钻头及金刚石牙轮破芯钻头进行了对比试验，采用清水钻进工艺。

2 复合片钻头、牙轮钻头及金刚石牙轮破芯钻头试验

2.1 三种钻头的简介及破岩机理

(1)复合片钻头。

复合片PDC钻头是使用金刚石复合片做切削刃的钻头。该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，为20世纪80年代世界钻孔三大新技术之一。该钻头在软-中硬地层中钻进时具有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳、孔内事故少、孔身质量好等优点。该钻头不但使用时间长，还可以重复利用，返厂修复的金刚石钻头使用起来和出厂的新钻头使用效果差不多，能大量节约钻井成本。

该钻头的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下使岩石处于极高的应力状态，从而使岩石发生岩性转变，由脆性变为塑性。单粒金刚石嵌入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的嵌入深度。这一过程如同“犁地”，故称为金刚石钻头的犁式切削作用。在一些脆性较大的岩石里(如砂岩、石灰岩等)，钻头上的金刚石颗粒在钻压、扭矩的同时作用下，破碎岩石的体积远大于金刚石颗粒的吃入与旋转体积。当压力不大时，只能沿金刚石的运动方向形成小沟槽，加大压力则会使小沟槽深部与两侧的岩石破碎，超过金刚石颗粒的断面尺寸。复合片钻头在地层表面切削范围内形成碎渣，在钻孔液的带动下放排出孔内，形成钻孔。

(2)牙轮钻头。

小口径牙轮钻头由支架体、牙轮、密封滑动轴承等组成，材料主要采用优质硬质合金钢。支架使用镍钢，牙轮采用铬钢。

该钻头的碎岩机理主要为:在牙轮钻头工作时，在一定的钻压以及从钻杆柱获得的旋转作用下，钻头沿顺时针方向公转，而钻头自身的轮自转，牙轮钻头就是依靠自转、公转等多种复合运动产生的冲击压碎和剪切作用破碎岩石。

(3)金刚石牙轮破芯钻头。

金刚石牙轮破芯钻头主要由金刚石钻头及扩孔器内嵌两轮牙轮组成，该钻头对于岩层坚硬的地层进行全断面不取芯钻进具有很大益处。

该钻头的碎岩机理主要是由金刚石钻头首先将岩层切削成柱状岩芯，再由内部的牙轮在压力和旋转力的作用下对柱状体进行切削破碎，以达到不取芯和减少提下钻劳动强度的目的。

2.2 三种钻头的试验情况

本工程采用重庆探矿机械厂生产的XY－2B型地质钻机，钻头均为φ75，复合片钻头采用湖南飞洋钻探工具有限公司生产的金刚石全断面复合片PDC钻头，钻头类型为φ75，三翼;牙轮钻头采用三轮形式，金刚石牙轮破芯钻头采用两轮内嵌式，三种钻头具体的试验效果见表1～3。

3 试验成果分析及性能参数对比

表1 金刚石全断面复合片PDC钻头应用效果表

表2 牙轮钻头应用效果表

表3 金刚石牙轮破芯钻头应用效果表

3.1 钻进效率

通过本项目初期的试验，将小口径牙轮钻头、金刚石牙轮破芯钻头同复合片钻头的应用情况进行对比，单就钻进效率而言，金刚石牙轮破芯钻头在本项目上钻进效率是最低的，每h仅为2 m左右;牙轮钻头的钻进效率平均每h达到了11 m，与复合片钻头的钻进效率(平均每h钻进约14 m)基本相差不大。

3.2 使用寿命

本项目进行初始试验时，对三种钻头的使用寿命进行了对比。但由于金刚石牙轮破芯钻头的钻进效率太低，故只用其造了一个20 m的孔就没有再应用，但其并未损坏;使用牙轮钻头钻进80 m时有一轮掉入孔内，该钻头报废，以后就没有再使用牙轮钻进;复合片钻头一个钻头即可造孔320 m，复合片及钻头磨损严重，钻头报废。

本项目到目前为止，由于施工中严格进行控制，使用了复合片钻头120个，钻进孔深40000余m，平均寿命达到了330 m/个，为项目施工节约了大量成本。

3.3 钻头成本

本项目钻头使用价格(规格均为φ75)为:牙轮钻头人民币890元/个，复合片钻头人民币951元/个，金刚石牙轮破芯钻头价格为人民币1005元/个。很明显，金刚石牙轮破芯钻头价格高，钻进效率低，是不可取的;牙轮钻头根据其使用寿命计算，约合人民币11元/m;复合片钻头合人民币2.9元/m。显然，成本越低，其越能创造效益。

3.4 其他性能对比

材质及制作工艺:牙轮钻头，包括破芯钻头内嵌的牙轮，材质主要是优质合金钢。硬质合金需要韧性强、强度高的钨钴材料，为了提高加工精度和效率，一般需要使用数控机床等，牙轮小轴要进行渗碳处理;另外，牙轮上的球齿焊接技术性要求较高、润滑及密封问题大，这些均影响牙轮钻头的质量;而复合片的技术相对要成熟一些，PDC钻头的材料主要为铸造碳化钨和金刚石复合片，故其寿命长，价值高;该钻头属一体式钻头，整个钻头没有活动的零部件，结构比较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击能力。

由于牙轮钻头的制造材料和工艺上的缺陷，容易出现掉轮现象，致使孔内事故多，从而影响施工进度;复合片钻头一般不会产生这种问题，不会对孔内产生影响。