浅谈复合片钻头在灌浆工程中钻孔应用

罗 燚 王望梅

（中国水电建设集团十五工程有限公司，陕西 西安710062）

灌浆工程中，钻孔是非常重要的一道工序，钻孔质量直接影响着灌浆质量；并且钻孔成本占灌浆工程成本的30%-40%。这就需重视钻孔作业，钻孔作业的关键是选择钻进方法，既要到达质量要求，又要考虑经济实用，还要便于操作。钻进方法取决于钻头形式的选择。近年来，随着材料和制造工艺方面的发展，复合片钻头逐渐在灌浆工程中使用，并能满足质量，又经济，操作易掌握，被钻探灌浆工逐渐认可。

1 复合片钻头

复合片钻头是采用人造聚晶金刚石制作的复合片(PDC)作为切削具,钻头体上焊接复合片而成。复合片钻头是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一种新型钻头。

1.1 工作原理

复合片钻头工作原理：切削。

1.2 复合片钻头形式

复合片钻头的形式很多，在灌浆工程中，主要采用复合片取芯钻头和复合片不取芯钻头（无芯钻头、或称全断面钻头）。另外，按钻头切削冠部结构分，常用平底式复合片钻头和阶梯复合片钻头、抛物线复合片钻头。见下图A、B、C、D：

A、B为复合片取芯钻头，C、D复合片不取芯钻头；A、C为复合片平底钻头，B为复合片阶梯钻头，D为抛物线复合片钻头。

1.3 复合片钻头规格

按钻头直径划分：65mm、75mm、94mm、113mm、133mm、153mm。灌浆工程中钻孔直径主要采用59mm、75mm、94mm，对于复合片取心钻头直径，有的产品与金刚石钻头相适应，采用 59mm、75mm、91mm。

1.4 适用范围

最初，复合片钻头钻头只被用于软页岩地层中，后发展用于灰岩、粘土岩、粉砂岩、砂岩等软、中硬地层的钻进，与一般的钻头相比，特别是钻进软岩层，效果尤为显著；新型复合片可以应用到十级硬度的岩层，石英岩、玄武岩、坚固的砾岩、坚固的砂岩、石灰岩都可以使用。

砂卵石地层中，不宜使用复合片钻头，因为在砂卵石地层中极易造成钻头崩片、掉片。

1.5 钻进参数

钻压：复合片钻头钻压按每片复合片施加1kN～1.5kN计算。高转速时，钻压也可采用同径金刚石孕镶钻头钻压（如75mm孕镶钻头钻压为8～12kN）1/3左右的低压。复杂地层或软岩层中钻压根据实际情况还可以降低,降低到0.8～1.0kN。

转速：复合片钻头的线速度为0.6m／s～1.5m／s。根据岩石情况，可低转速钻进，如91mm钻头转速为150-200转/min。钻头直径越小，转速应当变快。

泵量：根据地层和钻头直径选择30～80L/min。

2 工程应用

复合片钻头在陕西鸭儿沟水库二期灌浆工程、贵州黔中大坝灌浆等工程中已经或正在使用，均取得了好的效果。

2.1 复合片钻头在贵州黔中大坝灌浆工程应用

黔中大坝基础主要为灰岩，为中硬地层，趾板帷幕两排，排距1m，孔距3m，1200m高程以下孔深多为100m左右。

开始采用孕镶金刚石钻进，一方面由于该地层岩石研磨性较强，另一方面由于部分钻头只在胎体表层有金刚石微粒，钻头存在质量问题，使得一般钻进10-40m钻头就报废。后在第三单元改用复合片钻头进行钻孔，经过该单元18个孔的施工，钻进效率与孕镶金刚石钻进效率接近，没有明显优势；但钻头消耗量明显降低，复合片钻头一般钻150m左右消耗一个，每个钻头500-800元，平均4.3元/m，而孕镶金刚石钻头270-380元/个，平均13.0元/m，相比使用复合片钻头是相当经济的。

钻孔质量评价主要有：孔位、孔向、孔径、孔深。其中，孔位是按放样的孔位开孔钻进，保证孔位偏差符合要求；孔径是按钻孔结构要求，采用的钻头直径就为实际孔径；孔深按按要求的深度钻进，并采用测绳进行测量；孔向是按要求的角度进行钻进，控制指标为实际孔底与设计孔底之间的偏差值，即孔底偏差（孔斜），是钻孔质量评价的一项重要指标。

孔底偏差经过钻孔孔斜测量，最小孔底偏差为0.30m，最大为1.32m。质量要求：孔底偏差不大于1.5m。通过18个孔的施工，钻孔质量均满足要求，说明复合片钻头适用于该地层，在孔斜方面能保证钻孔质量。

2.2 复合片钻头在陕西鸭儿沟水库二期灌浆工程应用

鸭儿沟水库基础主要为泥岩，岩石属于软岩。开始采用XY-2PC地质钻机配硬质合金钻头或孕镶金刚石钻进，虽然是软岩，但钻进效率特低，5m灌浆段需要4小时左右。

后改用陕西乾县一个钻头厂生产的复合片钻头进行钻孔，主要采用75mm孔径。转速采用三档，转速298转/min（采用四档后，钻具稳定性变差），钻压1.0kN，泵量60L/min，5m灌浆段需要钻进1.5小时左右，效率提高了2.6倍。

另外，复合片钻头在泥岩中十分耐用，记得2200多米消耗了4个钻头，还是钻头复合片掉片造成钻头报废。在该工程中，采用复合片钻头钻孔是非常经济实用的。

3 操作

经过上述工程的应用，在操作上有以下几点认识：

3.1 便于操作

复合片钻头钻进可参照金刚石钻进要求进行施工，但比金刚石钻进的要求低些，便于司钻掌握操作。

在不同地层中，采用的钻进参数范围较大，如转速，可低速钻进，岩石条件好时，可采用较高的转速进行钻进。

采用复合片不取芯钻头钻进时，由于钻头寿命长，可以连续钻进，减少提、下钻工作，大大减少了劳作强度，既经济又操作方便。

3.2 操作要点措施

1）改善钻具稳定性的措施

（1）使用直的机上钻杆，轻便水龙头和轻型高压胶管；

（2）钻具、钻杆弯曲度不要超过规定要求，连接后的同心度要好；

（3）钻压与转速要适当，不要盲目提高钻压或转速。

2）预防烧钻的措施

（1）保证钻具水路畅通，孔内水量满足钻具润滑作用；

（2）每次下钻，不得将钻具直接下到孔底，在接上机上主动钻杆后开泵送水，然后慢慢下到孔底；

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（3）在软硬互层或遇软弱夹层时，增大泵量钻进；

（4）严禁用复合片钻头进行干钻。

3）避免钻头非正常损坏的措施

（1）孔底保持清洁，当发现有金属块、脱落岩心及孔壁掉块时采用冲、捞、抓、磨、等方法加以清除，防止磕掉复合片；

（2）钻具通过换径、探头石、孔壁掉块等部位以及在斜孔和干孔中下钻时，必须放慢下降速度，防止磕掉、墩掉复合片；

（3）地层由硬变软时应减压并控制钻进速度。

3.3 注意事项

1）做好复合片钻头的选型，更好发挥其高效作用。

3）在软岩中钻进，尽量采用低钻压，高转速，大泵量进行钻进。在硬岩中钻进，尽量采用较高的钻压，高转速，泵量适量进行钻进，但要保证钻孔岩粉充分清洗和钻头充分冷却。

4）根据地层，要及时调整钻进参数，防止采用固定参数钻至终孔，使钻进参数尽量与地层匹配合理，这样既能提高钻孔质量，又能提高钻孔效率。

5）提钻后，加强对复合片钻头磨损检查分析，判断孔内情况，查找非正常磨损原因，并采取调整措施，减少钻头非正常磨损。

6）采用复合片不取芯钻头钻进时，加强孔斜测量，同时司钻要精细操作，防止岩层变化处发生孔斜变化过大。

4 结论

经过不同工程的应用，采用复合片钻头钻孔，有以下优点：

4.1 适用不同硬度的岩石，使用范围广，完全满足钻孔质量标准

4.2 复合片钻头具有超强的耐磨性，使用寿命比其他钻头长（耐用、经济）

4.3 复合片钻头钻进便于司钻掌握操作，并且操作方便

复合片钻头具有上述钻孔质量可靠、经济实用、便于操作的优点，因此在灌浆工程钻孔施工中，复合片钻头钻进是值得推广的一种钻进方法。