钻进卵石层时钻头和钻进参数的选择

2013-04-16李殿文胡俭春

吉林地质 2013年3期

李殿文，胡俭春

吉林省四平地质工程勘察院，吉林四平 136000

1 概述

卵石地层，含有大量的地下水，素有天然地下水库的美称。我省珲春、内蒙古东部昭乌达盟、黑龙江省部分地区，都分布有大量的卵石层。这些卵石层，一些位于河谷两岸，一些位于冲积扇和冰川形成的地层中。上部一般为亚砂土、亚粘土，下部为卵石层。卵石一般直径为30～100 mm，大小不等，大者有的可达300～400 mm。层厚各地不一，但一般都在20～30 m 左右，个别地方有达100 m厚的。在卵石的空隙中，通常都含有砾石、粗砂、细砂、粉土等，填充情况各地不一。

多年来，在卵石层钻进施工，一直都是难题，主要表现在：事故多、消耗大、钻速慢、取心难、费时长、成本高。下面，就卵石层取心钻进施工，谈一谈怎样选择钻头和钻进参数，能更好地克服上述问题，取得较好的效果，获得经济效益。

2 钻头的选择

钻头适当与否，对钻进效果影响非常大。笔者曾经查阅了大量的资料，这方面的论述很少，有的书虽然略有介绍，应用起来很不理想。通过多年的实践，我们逐渐总结出如下一些经验：

2.1 钻头口径尽可能大些

在不影响岩心采取率和设备能力的情况下，钻头口径尽可能大些。钻头口径大，稍大的卵石可套取到岩心管内，减少了刻取岩石的时间及重复破碎所占用的时间，节省了合金，提高了钻速。实践证明，在上述地层中，150 mm 钻头比130 mm 的钻头进尺好，而110 mm 的钻头，其钻速远不如前两种，但钻头也不能太大，否则一旦出现事故，不好处理。

2.2 钻头壁应厚些

钻头壁增厚，增大了破碎岩石的体积，多消耗一部分有效功，但增大了钻头强度。在卵石层中钻进，钻具跳动较厉害，可延长钻头寿命，少出事故；遇到大卵石进行综合钻进时，钻头底部可多压些钢粒，实践证明，可提高钻速。

2.3 钻头长度要适宜

在卵石中钻进，钻具跳动厉害，工作不稳定，钻头过长，容易脱落，造成事故。钻头过短，在投入钢粒进行综合钻进时，钢粒集中在孔底，对岩心管下端丝扣处磨损严重，岩心管浪费很大，同时也容易出现钻头脱落事故。以上两种情况我们都有教训。

2.4 有适宜的外肋骨片

卵石层并非全是卵石，在卵石的空隙中有砾石、粗砂、细砂、粉土等，一旦冲洗液循环不畅或停止循环，就容易出现埋钻及烧钻事故，若钻头上不焊肋骨片，钻具和孔壁的间隙很小，一旦出现严重的埋钻事故，会给用套取法处理事故带来较长扩孔时间，同时扩孔时很不安全，为此，增大钻具和孔壁的间隙是必要的。而且由于加焊了肋骨片，增大了钻头底部的壁厚，遇到大卵石进行钢粒钻进时，能更好地多压住一些有效钢粒，有利于多破碎一些岩石，减少了钢粒对岩心管的磨损，所以钻头上加焊适宜的外肋骨片是合适的。加焊肋骨片较宽，也加大了钻头的壁厚，故会减弱冲击震动，如操作得当，钻头工作就会相对平稳些。肋骨片不宜过长，合金用完后可车去有肋骨片部分重新镶焊使用。为了在钢粒钻进时，使钻头底部磨损均匀，钻头体和肋骨片的钢号应一致，保持同等硬度。

2.5 钻头水口的大小及形式应合理

钻头水口不能过大，在卵石层中钻进，钻具跳动较厉害，水口过大，降低了钻头的使用强度，容易出现损坏钻头事故。水口过小，排粉不畅，致使孔底不干净，容易发生埋钻事故，同时孔底集粉过多，岩粉等细粒物质参与重复破碎，消耗了一部分有效功，降低了钻速，增大了钻具的回转阻力，容易发生事故。

钻头水口的形式应即能满足合金钻进时排水的要求，又能满足在卵石层中钢粒钻进时起到导砂排粉作用的要求，因此应使水口的后边为弧形，这样还能大大减轻钻具的回转阻力，使钻头在孔底工作平稳，减少冲击震动及蹩车现象。

2.6 钻头上的合金出刃和镶焊角度应适应地层条件

在钻卵石层中钻进，容易出现崩刃和合金被打掉现象，故此合金的内、外、底出刃应小些。选择合金镶焊角度应考虑到以下几点：

（1）合金在切入岩石和回转时应有较小的阻力。

（2）合金磨损后与岩石的接触面积不应迅速增大，能继续有效地压入切削岩石。（3）在卵石层中钻进时，应使合金有较小的抗弯力矩，以减少崩刃现象。

（4）排粉好。

2.7 钻头合金排列形式要合理

在钻进过程中，钻头不仅在轴向切削破碎岩石，在径向也切削岩石。由于径向切削岩石比轴向切削破碎岩石困难的多，加之钻头的外圈比内圈线速度大，要破碎的岩石体积也比内圈多，因此，外切削具比内切削具磨损的要快。在卵石中钻进，外切削具的崩刃现象也比内切削具多。实践观察，旧钻头不能再用，多为外切削具磨损严重或崩刃而致。这种局部的早期磨损或崩刃，不仅急剧地降低了钻速，而且也大大地浪费了材料，钻孔口径也会变小，增加了下回次新钻头的扫孔时间，甚至新钻头没扩扫到底，就又使外切削具严重磨损或崩刃了。这种局部早期磨损或崩刃，增加了钻孔弯曲的不利因素，钻进软硬不均匀的卵石层，钻头很容易向软的一方滑斜，造成钻孔弯曲。为此，我们在合金的排列上，不仅要考虑到掏槽使孔底自由面增多的因素，而且在卵石层中钻进要特别考虑到强化外切削具。

2.8 为防止岩心堵塞和便于取心，钻头内壁上端应有一定的锥度

综上所述我们认为，在卵石层中进行综合钻进的钻头，用如下的参数较为合理：

钻头本体外径150 mm 和130 mm 两种，壁厚8～10 mm，钻头长250～300 mm。外肋骨三片，肋骨片厚7～10 mm，材料与钻头体相同。在一字形排列的合金前面约20 mm 处的肋骨片上镶焊一颗大八角合金，内、外出刃为1～1.5 mm，底出刃1.5～2.0 mm，镶焊角度为90°，其它合金的型号视具体条件而定，水口高为30～40 mm。底宽为40 mm，水口的前边为斜线或直线，顶端为圆弧型，后边为弧形，而尽量将后边开在后肋骨片的前棱。

3 钻进参数的选择

钻进参数要根据卵石层、钻孔结构、钻具、及所用设备等情况进行选择，尽可能使参数控制在最佳范围内。

3.1 钻压

钻压对钻速和合金寿命有很大影响，从理论上讲，当钻压大于岩石的临界抗压强度，处于体积破碎的范围内，岩石呈体积破碎状态，钻速增加，合金的磨损不但不增加，反而有所下降，此时钻压可称为最优钻压。

但是，我们所要对付的是软硬不均匀的卵石层，钻压太大，不但会产生崩刃，或使钻头合金过早磨损，钻速急剧下降，而且容易出现蹩车和折断钻具事故。同时在地表加压的情况下，钻杆弯曲严重碰打孔壁，不但会使不稳定的孔壁更加不稳定，而且钻具失去了垂直状态，钻头很容易沿光滑的卵石斜面向软方向滑斜，造成孔斜。钻压过小，一则，只能使岩石产生表面破碎或疲劳破碎，钻速上部去，同时钻头合金磨损严重，降低钻头寿命。二则，因压力不足，有时压不住孔底的卵石，致使卵石和钻头一起回转，造成长时间不进尺。

根据几年来的施工情况看，在卵石层进行钻进时,若钻头直径150 mm 或170 mm，其孔底压力在7～9 kN 范围内为好。钢粒钻进时，其单位压力在2.5～3 MPa 范围为好。

3.2 转速

确定最优转速不但要考虑转速问题，而且要考虑到孔深、孔径、管材质量和设备能力的影响。增大转速会使钻杆严重弯曲，容易折断钻杆，对孔壁的稳定不利。转速高，合金对岩石的作用短，影响切入深度，合金磨损快，使钻速降低。在卵砾石层中不管是合金钻进和钢粒钻进，其转速保持在120～180 n/min 范围内较宜。

3.3 泵量

从理论上看，在合金钻进时，增大泵量对提高转速有一定好处，但泵量增大，在正循环的情况下，一则易冲毁卵石层中的充填物，降低岩心质量，二则会降低压力，使转速下降。故此在卵石层中进行合金钻进时，在保证孔内干净的情况下，泵量不宜过大。在进行钢粒钻进时，其泵量要视孔内所投钢粒的多少而定，一般单位钻头直径的泵量控制在3.0～3.5 L/s.cm 范围内。若泵量不好控制，就应使泵量大些，也不能过小，防止岩粉及钢粒卡埋钻具。若排粉不很理想，泵量又大些，钻头底部工作一段时间后有可能压不住钢粒，这时可提动一下钻具，让钢粒落到孔底一部分再进行钻进，这样循环工作，是可以顺利穿过大卵石层的。

3.4 投砂量与投砂方法

投砂太多，一则挤到孔壁一部分，混进取上得岩心中，造成浪费，二则孔内不安全。其原因是：在坚硬的卵石层中，合金钻进换为钢粒为主的钻进，由于孔径小，砂量多，开始钻进时，一旦泵量调不适当，就会发生钢粒挤卡肋骨片的想象，使回转阻力增大，甚而出现卡钻事故，另一方面，回次终了投球干钻取心时，也会由于孔内钢粒多而挤卡钻头，以致造成卡钻、埋钻事故。在不连续用钢粒钻进为主的孔段，其投砂量不能过大。投砂太多进尺也不好，在卵石中用合金钻进遇到进尺很慢或不进尺时，就证明钻头底部遇到比钻头直径大的坚硬的卵石，或是压住大卵石的一半，或是同时压住几个大卵石的一半，孔底漏掉的钢粒就不会很多。若投砂过多，开始钻进时，钻头底部压住几层钢粒，造成钢粒之间的相对运动而摩擦，而不能直接有效地破碎孔底岩石，从而会造成一段时间内进尺不好。投砂太少，挤到孔壁卵石间隙中一部分，冲洗液悬浮一部分，致使钻头底部压住的有效钢粒太少，钻速降低，根据几年来的实践看，遇到大卵石时可投入2～3 kg 钢粒进行钢粒钻进，钻进一段时间后，若感到孔底钻头压住钢粒不足，进尺不好，这时可提动钻具，让钢粒落到孔底一部分，再进行钻进，随着孔内钢粒的不断消耗，提动钻具的次数应逐渐增多，要充分利用孔底所有能活动的钢粒，这样循环工作，可顺利通过大卵石层，若下部仍然是大卵石，可及时补充钢粒。