可伸缩扩孔钻头在深厚砂卵砾石层跟管钻进中的应用

2013-12-04李建军陈保国刘宝昌

钻探工程 2013年8期

关键词：孤石孔内外径

李建军，陈保国，郑伟，刘宝昌

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130026;2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京100024;3.长城钻探工程有限公司钻具公司，辽宁盘锦124010)

1 概述

冷达水电站是雅鲁藏布江规划河段推荐的11级开发方案的第9个梯级，位于西藏山南地区加查县境内，初拟装机容量320 MW，年发电量为15.02亿kW·h。

坝址区覆盖层分布广泛，主要为冲洪积漂卵砂砾石层，钻孔揭示最大覆盖层厚度为149 m。见较多的孤石分布，成分以花岗岩和大竹卡砾岩为主，主要从上游丝波绒曲冲积而来，架空明显，结构较松散，厚度大，漏浆塌孔现象较为严重，属于典型的复杂地层。

由于覆盖层较厚，且级配较差，存在严重漏浆、孔壁不稳定等较复杂的情况，为达到理想的护壁效果，套管的跟进深度也随之增加。众所周知，在跟进套管时，孤石是影响跟管深度的最大阻碍因素。由于施工条件所限，不具备办理火工材料的条件;另外为了节约成本和安全方面的考虑，最终决定采用可伸缩扩孔钻头扩孔钻进工艺，以达到打通通道，使套管顺利跟进的目的［1，2］。

2 钻进工艺

2.1 钻进设备及机具

本次钻进采用XY－2型回转钻机，配合SDB系列植物胶双管单动钻具取心，并使用厚壁套管进行护壁。

钻进中，当遇到孤石直径较大，靠锤击套管无法击碎孤石，致使套管跟进受阻时，传统钻进工艺的处理方法是使用炸药进行孔内爆破，将孤石砸碎。或者采用套管钻头回转钻进，钻透孤石，以达到继续跟进套管的目的［3］。但传统孔内爆破方法既危险又繁琐，而套管钻头旋转钻进又存在因扭矩太大而导致套管磨损、断裂等众多问题［4］。针对传统处理方法存在的不足，现采用可伸缩扩孔钻头进行扩孔，将孤石与孔内套管之间扩出一个外径略大于套管外径的环状间隙，使套管顺利跟进，很好地解决工程难题［5，6］。

对孤石的不同处理工艺方法对比见图1。

图1 对孤石不同处理方法

2.2 扩孔钻头结构

2.2.1 钻头结构及工作原理

该扩孔钻头设计规格为扩孔直径范围127～172 mm。根据冷达水电站坝址区覆盖层厚度，岩石可钻性，套管跟进计划深度、规格(内、外径)等因素进行了综合分析研究后，对钻头体结构、尺寸和切削刃的尺寸及参数进行了优化。将切削刃由原来的硬质合金更改为孕镶金刚石，重新设计了水口位置，同时调整切削刃中金刚石的参数，使其更适合坚硬岩石的钻进。

钻头主要由导向端、可伸缩扩孔切削元件(切削翼)、泵压起动机构构成［7，8］。钻头体共安装2支切削翼。外径127 mm，即收翼状态外径为127 mm;两翼完全张开状态下，两翼处外径172 mm。图2为钻头实体图，图3为钻头结构图。

图2 扩孔钻头实体

在整个扩孔钻头心部有一个中心阀杆，阀杆下部与扩孔钻头的可伸缩切削翼相连，当水泵加压时，借助于钻头内腔与环空之间的压降，推动阀杆机构向下运动，从而带动扩孔钻头的可伸缩切削翼向外伸展至一定的设计角度，在钻头回转的同时切削出设计孔径;当压降低于弹簧的作用力时，阀杆依靠弹簧复位，扩孔钻头自动地收回切削翼。这种扩孔钻头采用金刚石刮刀片作为扩孔切削翼，最大伸展角度45°～170°，能够达到不同的设计孔径。其优点是结构简单，传动准确可靠，不需轴承密封和润滑，操作也简单，对地层的适应性较强，对设备要求也较低［3］。

图3 可伸缩扩孔钻头结构

2.2.2 切削刃参数

切削翼的设计参数是结合多年钻进砂卵砾石的宝贵经验，并根据工程区岩石特性，经过现场不断试验而确定的［9］。切削刃参数为:金刚石浓度100%，金刚石目数40～60，胎体硬度HRC50，导向端镶嵌硬质合金，呈十字排布。

2.3 扩孔

2.3.1 扩孔过程

可伸缩扩孔钻头在管底扩孔过程见图4。

第一步:SDB植物胶钻具正常钻进、取心(如图4a所示)。

第二步:根据岩心判断下方地层情况，如果下方遇到孤石直径较大，厚壁套管单靠锤击无法通过孤石时，则下入扩孔钻头至套管管靴与孤石接触处。此时要根据岩心谨慎判断孤石位置，做到准确到位(如图4b所示)。

第三步:利用水泵压力使扩孔钻头切削翼逐渐展开进行扩孔，直到孤石与套管之间扩出要求的环状间隙，环状间隙略大于套管外径，套管跟进将更加通畅(如图4c所示)。

第四步:扩孔结束后，减压、停泵，扩孔钻头切削翼在弹簧的作用下缓慢缩回到钻头体内。将扩孔钻具缓慢、匀速提出孔外，继续贯入护壁套管(如图4d所示)。

2.3.2 扩孔参数及注意事项

扩孔钻进中，钻进参数与正常钻进有所不同，具体的参数为:钻压2～3 kN、转数＜600 r/min、泵量10～20 L/min、泵压0.8～1.2 MPa。

为达到理想的扩孔效果，保证孔内安全和扩孔钻头不被损坏，在操作中，需注意以下事项:

(1)在切削翼磨损严重的情况下，要及时更换新的切削翼，以保证达到要求的扩孔直径。

(2)在扩孔钻头下入孔内前，要在孔口进行加压测试，测试切削翼“伸－缩”状态是否良好。

(3)新钻头下孔后必须进行初磨，即采用轻压力(正常压力的1/3)、慢转速(200～300 r/min)钻进约10 min，然后再采用正常技术参数钻进。

(4)钻头下入孔内，待开通水后方能开车钻进，扩孔初始阶段，要控制低泵压。随着扩孔孔径增大逐渐加大泵压，且要保持低转速，直到切削翼运转平稳后可逐渐提高转速。

(5)扩孔结束后，一定要等待切削翼完全缩回钻头体，再缓慢将钻头提出套管(孔内)。

(6)扩孔完毕后要及时清理钻头内部并给予适当润滑，以提高阀体及销轴的润滑性。

图4 扩孔钻头管底扩孔过程

2.3.3 扩孔效果及切削翼寿命

根据现场实际施工数据记录，该扩孔钻头较好地满足了施工要求，达到了设计的扩孔直径，解决了工程难题。

(2)扩孔效率约为0.4 m/h，与普通金刚石钻进效率相比，效率仍然偏低。

(3)一对切削翼维持保径要求下，扩孔进尺约12 m。

2.4 采用可伸缩扩孔钻头钻进工艺的优势

2.4.1 与孔内爆破工艺对比

(1)工艺简单。随着国家法制化进程，目前对火工材料的管理越来越严格，审批、购买、存放手续日渐规范化，孔内爆破在火工材料审批环节将费时费力。扩孔钻头只需公司批准购买即可投入使用。

(2)操作方便。孔内爆破需要作业人员持证上岗，且要求操作人员经验丰富。孔内水位、冲洗液浓度、孔壁通畅条件等均影响孔内爆破的效果。扩孔钻头扩孔过程中影响因素相对较少。

(3)安全性更高。孔内爆破涉及火工材料，属危险性化学物品，在运输、存放、使用环节均存在危险，安全管理难度较大。另外，爆破的药量、安全距离如果控制不好，将会导致套管被炸裂等严重的孔内事故，施工现场因孔内爆破操作不好导致孔内事故的案例屡见不鲜，且后果大多比较严重。扩孔钻进则相对更加可控，即使操作不当，也不至于出现太大的孔内事故［10］。

2.4.2 与套管钻头工艺相比

(1)节约成本。套管钻头跟管需将计划长度的套管以回转的方式钻入孔内设计深度，近似于单管钻进，一方面在旋转时砂卵砾石对套管磨损严重，造成套管变薄，寿命大大减小，造成成本较高;另一方面在跟进套管时，需要配以冲洗液润滑，相当于二次钻进，造成钻进冲洗液用量较大，费用较高［1］。根据实际测算，二者造成成本上涨至少10%。

(2)安全性较高。套管钻头跟管致使套管磨损大，再加上随着跟进套管增加，扭矩逐渐增大，极易导致套管断裂，轻者需要进行套管打捞，重新更换套管，重者套管无法打捞，只有变径，提前变径对套管能否达到设计深度，是极大的考验。另外在套管磨损严重的情况下，起拔套管时，由于套管强度不够，也容易发生套管断裂的事故。扩孔钻头跟管可配合厚壁套管，强度较高，本身不易断裂。且以锤击的方式贯入，磨损较小，可以很好地避免以上问题［10］。