绳索取心钻进技术在水平钻孔中应用

2014-12-25许启云牛美峰方意平

钻探工程 2014年12期

许启云，牛美峰，方意平，陈斌

(浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州310030)

1 概述

随着钻探技术的进步以及勘察要求不断提高，在水利水电工程地质钻探中经常会遇到水平钻孔。为获取详细地质以及试验资料，此类钻孔往往要求取心，深度在30～50 m之间，常见于地应力或弹模试验钻孔中。当钻孔超过50 m时，通常采用不取心潜孔锤钻进成孔，而超过100 m要求取心的，实际上是非常少见。

按常规水电勘察钻孔，开孔直径范围为75～150 mm，而常用的钻杆规格有42 mm配57 mm锁接头螺纹、43 mm配44 mm特梯形方牙螺纹、50 mm配65 mm锁接头螺纹等规格，因此无论选择哪种钻孔直径，孔壁与钻杆之间均存在一定间隙，如水平钻孔选择75 mm，匹配65 mm锁接头的50 mm钻杆，当钻进遇到破碎岩层，钻具钻穿并超过钻具长度后，由于钻具外径大钻杆外径尺寸小，在连接处形成台阶，破碎岩石受自重作用，就会使破碎岩石掉出孔壁外，当碎块岩石粒径＞10 mm时，就会导致钻具卡在孔内成为事故，并且由于处理方法受限，往往处理起来既耗时又费事。例如，在锦屏辅助洞内超埋深岩体应力研究钻孔中，在水平孔中采用常规的钻进方法，导致孔内卡钻频繁，事故处理之后，还存在孔径偏大的问题。为此，我们对水平孔绳索取心钻进工艺进行了试验研究。

2011年，西部某电站在公路内侧陡壁山体，原计划布置深100 m探洞，由于地处陡坡以及急转弯地段，给探洞施工带来困难。为获取区域地质资料，要求布置深110 m水平钻孔来代替探洞施工。我公司于1993年从苏州探矿工具厂引进绳索取心钻进技术，使用至今已有20余年，在垂直钻孔中其钻进技术已经非常成熟。但针对水平钻孔，如何捞取岩心是问题。为满足取心要求以及防止掉块，经过技术人员会同钻探工人一起对绳索取心打捞器结构原理进行研究，将打捞器中的钢丝绳改为硬管，实践证明其方法可行。原计划工期1个月，实际施工工期为19天，且孔内未发生一起事故。

2012年，浙江某抽水蓄能电站在工程地质钻探期间，在截面3.0 m×3.0 m、深780 m处的地下厂房主洞某支洞内遇到断层，为进一步了解支洞断层地质构造情况，也要求通过主洞与断层垂直交叉布置深100 m取心水平钻孔来获取地质资料。采用上述方法，同样也没有发生孔内事故，而且所取岩心质量非常好，达到了地质勘探目的，得到了现场地质工程师的好评。

上述2个工程实例证明，在某些特殊条件进行水平孔钻进，常规钻进方法困难的情况下，绳索取心钻进技术具有明显的技术优势。笔者结合工程实践，总结在水平孔绳索取心钻进技术。

2 主要设备选择

水平孔施工一怕孔斜，二怕孔内掉块事故，为防止万一需要处理孔内事故，在设备选择时，应选择扭矩较大的钻机，并从钻机平稳性好、安装方便、动力较大、适用强等进行综合考虑，为此，通常选择XY－2型钻机，配套BW－150型泥浆泵，75 mm绳索取心钻具和钻杆。

3 钻进技术及要点措施

众所周知，水平钻孔施工难点是预防钻孔倾斜及掉块，因此无论是机具选型、还是设备安装、成孔方法，都要紧紧围绕预防措施而开展，为使水平钻孔施工顺利进行，前期准备工作要充分，并着重把握好如下钻进技术及要点措施。

(1)安装钻机要稳固扎实。由于水平孔钻机受力变成水平方向，为防止钻机前后以及左右晃动，应按钻机地脚螺孔预埋地脚螺栓，使地面、机台木以及钻机之间形成整体，并用水平尺使钻机前后均在同一水平面上。钻孔方向控制:结合水平孔在自重作用下容易向下倾斜的特点，立轴角度应向上漂1°，其方法用地质罗盘与万能角度尺结合，使钻机立轴方向与钻孔方向取得一致。同时，为了钻机在钻进过程中水平加压以及起钻需要，钻机和山体岩石之间用钢丝绳松紧扣固定拉紧，以及用短方木做好必要的横向支撑，同时，在钻机操作的一侧附近地面也设置预埋钢钎做锚固点，用钢丝绳松紧扣与钻机固定拉紧，另在钻孔反向延长上固定一个滑轮，以满足起钻时使用。

(2)水平钻孔钻杆选择。水平钻孔施工导致倾斜的原因很多。当所用钻杆与孔径尺寸相差较大时，钻进加压会使局部钻杆弯曲，是导致钻孔向下或向上偏移常见的原因之一，为此，选用75 mm绳索取心钻具及所配71 mm钻杆，使孔壁间隙较小，使粒径＞3 mm的碎块岩石无法掉入孔外而引起卡钻，此外，在钻进加压过程中也不容易使钻杆弯曲。

(3)水平钻孔开孔。水平孔钻进，由于钻具的自重作用，立轴角度以上漂1°为宜，为了确保钻孔基本水平，开孔前，通过地质罗盘和万能角度尺组合，使钻机立轴与钻孔方向取得一致，开孔时，应把开孔短钻具直接与钻机立轴螺纹连接，在低速、轻压状态下进行开孔，随着钻进深度增加，再不断加长开孔钻具的长度，该开孔深度不应小于3 m，一般按标准长的绳索取心钻具长度来进行控制。

(4)钻进参数控制。水平孔钻进钻压，钻头所需压力全部靠钻机油压给进，其中一部分用于克服钻具与孔壁的摩擦力，因此，水平孔钻进要求压力比垂直孔要大一些，实际钻压选择范围为14～15 kN。转速:为防止钻进中钻机振动过大，一般选择中低速进行钻进，即在200～600 r/min范围内选择即可。泵量:水平孔冲洗液容易返出，排粉条件较好，泵量可以适当大一些，一般控制在50～70 L/min。

(5)打捞器改进及使用。水平孔采取绳索取心钻进施工，无法依靠打捞器自重用钢丝绳把打捞器送到取心钻具顶部，为此需要对打捞器进行改进，其具体办法是:打捞器保留打捞钩部分零部件，即拆卸其余零部件，然后在打捞钩的上端加装一个3/4 in(19.05 mm)自来水铁管螺纹接头，需要捞取岩心时，打捞器打捞钩接头与同螺纹的3/4 in(19.05 mm)自来水铁管连接，并依次按孔深连接自来水铁管，直至打捞器打捞钩到达钻具内管总成挂住捞矛头即可拖动岩心内管。然后再依次拆除3/4 in(19.05 mm)自来水铁管，把岩心取出孔外。安装内管时，其方法相同，把内管安装到位即可。

(6)起下钻及系统设置。当钻孔深度达到20～30 m之后，依靠人工推拉钻杆进行起钻或下钻就会比较困难，钻机卷扬机又不能像垂直孔那样直接使用，而需要按起钻或下钻的不同进行滑轮组合来完成。

起钻滑轮组合如图1所示，钻机卷扬机上钢丝绳先通过卷扬机上方的固定滑轮1，再经过与水平孔反向延长线上适当部位固定的滑轮2(按孔内钻杆长度来定)，最后钢丝绳与孔口钻杆上的提引器进行组合。起钻时，钻机卷扬机收紧钢丝绳，钢丝绳先通过卷扬机上方滑轮1改变受力方向，钢丝绳再通过水平孔反向延长线上的滑轮2，拖动孔口钻杆向后不断延伸，达到起出孔内钻杆的目的。

图1 起钻滑轮组合操作示意图

下钻滑轮组合如图2所示，钻机卷扬机上钢丝绳先通过钻机卷扬机上方滑轮1，再与孔口上方附近岩体中固定的滑轮3进行组合，先在孔口接长钻杆并与提引器钢丝绳连接，下钻时，钻机卷扬机收紧钢丝绳，钢丝绳先通过卷扬机上方滑轮1改变受力方向，钢丝绳再通过固定在孔口上方的滑轮3，拖动连接在孔口钻杆上提引器，使孔外钻杆滑行到钻孔内。

图2 下钻滑轮组合操作示意

4 绳索取心钻进优点

(1)与普通钻进方法相比，绳索取心钻进具有防孔内掉块的优点。在水电工程地质钻探成孔过程中，经常会遇到不良地质岩层，如断层、软弱夹层、破碎带、节理发育等，当钻具钻穿破碎地层后，如果采用43或50 mm钻杆，由于与孔径间隙过大，孔壁就会出现掉块，为此，经常因孔壁掉块使钻具卡在孔内;而改用绳索取心钻进技术之后，由于钻具外径75 mm，而钻杆外径为71 mm，其外径尺寸相差很小，直径＞3 mm的破碎岩石就无法掉入孔内，也就不会因不良地层而发生孔内卡钻事故。

(2)采用绳索取心钻杆，钻杆和孔壁之间间隙较小，改善了钻杆的受力状态，钻杆不容易被折断，避免断钻杆等孔内事故的发生。同时，钻机在加压传递钻压过程中，钻杆受力不容易弯曲，从而提高了钻进稳定性和保证了钻孔孔径。

(3)只要金刚石钻头没有达到使用寿命就可以连续钻进，起钻次数减少，可以大大增加纯钻进时间，提高钻进工效，同时，减轻了劳动强度和减少了钻探成本。

(4)水平钻进其岩心进入内管相对较容易，因此岩心采取率较高。

(5)起下钻升降系统由垂直高空作业改变成水平地面作业，设备简化，操作较安全。