立轴钻机在贵州复杂地层施工近水平孔的设备改造应用

田鹏辉　冉飞　宋继伟　詹恕明

［关键词］立轴钻机；近水平孔；无泵跟管技术；卡盘改造；护壁

近水平孔钻探技术主要应用于矿山生态修复和岩土工程勘察领域，目前实施近水平孔多采用坑道钻机和非开挖钻机，这些钻机整体非常轻便，动迁方便、占地少，但缺点也是非常突出。坑道钻机受工作环境限制，为追求轻便，只有牺牲动力机重量、采用小巧的机构，同时液压传动方式本身传动效率就非常低，最终造成输出扭矩非常小、提升能力不足、遇到复杂地层轻微阻卡时无法回转、发生事故时无法强力提拔等问题；非开挖钻机只适用于第四系沙土、粘土等松散土层，不适宜地下水位较高及卵石地层，而贵州省地质条件非常复杂，第四系覆盖层薄，多为土石交错。因此，这类钻机在贵州省钻探工作中应用，总体效果很差。近几年工作实践显示，想要保证钻机输出能力，又要实现钻机轻型化，就需要对现有传统立轴钻机进行改良。

1 设备改造方案

采用传统立轴岩心钻机施工近水平孔，对一直承担竖直钻孔的钻探队伍来讲，无疑是一次巨大的挑战。为了保证钻探质量，设备及施工场地的改造修建十分重要，主要包括：施工平台的修筑、机器设备的固定、提升装置的设计安装、钻机立轴卡盘改造等[1]。

1.1 施工平台修筑及设备固定

为了满足钻进施工要求，需要对施工钻机平台进行开挖，将钻机施工平台下沉约1.5 m。平台长7 m、宽5 m、深1.5 m，根据现场地形，因地制宜，在平台右前方开挖排水沟，施工场地四周浇筑挡土墙，保证操作平台的施工安全。钻机与支架的稳固是保证钻探质量的重要前提，为固定好钻机与支架，施工平台需要浇筑混凝土，浇筑时根据钻机钢梁尺寸位置埋设钢筋，钢筋顶部焊接螺杆，使用夹板连接钻机底座。

1.2 提升下放装置的设计

立轴钻机钻进直斜钻孔时，依靠钻塔受力实现钻杆的提升与下放，但施工近水平孔时传统钻塔无法安装使用。因为钻孔设计浅，施工采用的Ф50 钻杆较轻，为了便于起拔钻杆等，可以在钻机底座上设计了两组简易三角形支撑架，依靠三角形的稳定性来满足提升要求。在施工近水平孔时，钻杆或套管无法依靠自身重量下放。现场采用反向定滑轮，既在钻孔顶部挡土墙位置竖向插入固定钢筋，在地面钢筋顶部固定滑轮，依靠滑轮变换方向，钻机卷扬机收紧，滑轮带动钻杆向孔内压入[2]。

1.3 钻机立轴卡盘改造

在狭窄的沉降平台内施工，活动空间都是相对比较受限的，钻机的立轴调整为近水平后，长立柱活动空间狭窄，无法实现加减钻杆。为此，需要对钻机的立轴卡盘做一定的改动[3]，将原本立轴钻机的卡盘的方形卡瓦换成圆卡瓦。结合机台的现场情况，使用Ф71 mm镦粗钻杆替代原本立轴钻机使用的Ф65 mm方形主动钻杆，当然也要保证镦粗钻杆和Ф73.4 mm的钻杆接头均能顺利通过[4]，安装圆卡瓦后钻杆仍能被卡紧[3]。

2 施工工艺的选择

在近水平孔施工时，特别是针对贵州省复杂的地层条件，砂卵石层孔壁容易垮塌，同时考虑可能对钻遇地层取样样品及河道目的层水质影响问题，孔壁保护也是一大难题[4]。

目前使用最多的孔壁保护方法是泥浆护壁或跟管钻进[5]。但对于孔深300 m以内的浅孔施工，如果无法采用清水钻进，专门配置钻井液将会增加施工的成本，甚至部分钻井液的使用会对环境造成一定的影响。同时对于近水平孔，泥浆无法在近水平孔孔内停留，无法形成有效的液柱压力，失去了对孔壁的保护[5]。

因此，针对贵州省的近水平孔施工目前最好的方法是跟管钻进。跟管钻进是地质岩心钻探中经常使用的处理钻进困难问题的一种钻进方法，原理是一边钻进一边压入短节特制的套管，或者将套管超前压入，然后钻具掏心钻进[6]。采用跟管钻进技术能够预防在钻进施工过程中遇到的钻孔孔壁垮塌严重或者破碎层卡住钻具，造成无法继续施工等，主要适用于钻进松散地层和破碎层。在大直径工程钻进中，由于下套管需要大的扭矩和功率，因此常配备专门的称为搓管机的机械进行边钻进边下套管的作业。跟管钻进分为偏心跟管及同心跟管两种方式，偏心跟管钻进宜在孔深40 m 以内且地层中无较多较大的孤石时采用。同心跟管可以更好地解决偏心跟管钻进复杂地层时遇到的卡钻和孤石钻进问题，对钻进施工更加有利，能够充分提高钻孔效率[7]。同心跟管钻进宜在孔深超过40 m且地层中有较多较大的孤石时采用。

根据以往施工经验总结，本次施工过程中遇到地层条件复杂、孔壁垮塌严重时，采用无泵跟管钻进工艺。在向下钻进的同时跟进下入特制的短接套管，下放的套管能够及时地对钻孔孔壁形成保护，尤其是在遇到复杂地层时，能保证钻孔成孔率[8]。直接用套管将垮塌孔段隔离，效果十分理想，只是对套管的质量要求很高，为此将8 mm厚的J55套管加工成长1.50 m左右的短套管，每根套管之间加工丝扣来连接，这样不仅能保证跟管套管的总体强度，而且施工方便。无泵跟管钻进工艺主要操作程序为：

（1）普通干捞取心钻进，钻至破碎垮塌严重区域后提钻。

（2）换用同口径的无内径金刚石钻头连接与之相匹配的跟管套管，进行扫孔施工至钻孔当前孔深位置，在钻孔孔口将跟管套管固定住。

（3）下入比上述跟管套管内径小一级的取心钻具，保证钻具能顺利通过跟管套管，同时又不至于间隙太大，下钻进行取心施工，根据施工情况，结合考虑跟管套管的长度和取心管的长度，来确定每回次取心施工进尺，正常起钻提取岩心。

（4）解除孔口跟管套管的固定，加入相应长度的跟管套管，采用回转钻进工艺扫孔到上回次的取心位置，同样孔口固定跟管套管（图1）。

（5）重复上述流程（3）和（4），直至穿过破碎垮塌地层，将跟管套管牢固地固定在完整岩层上，防止跑管。

3 实施情况

3.1 物探定孔

物探组于2022年12月23日～12月25日开展了野外物探数据采集工作，在工作区布设了5 条物探测线，测线长度均为240 m，测线方向分别为60°、60°、52°、138°、138°，总长度1200 m，测点距4 m，高密度测深点285个。

根据傍河取水的需求，结合水文地质调查、地球物理勘探以及现场场地的实际情况，选择在4 线的120号点附近实施水文勘察斜孔。通过RTK现场测量和计算：勘察斜孔方位角为340°左右，当钻孔头在赤水河边到达河面以下5 m时，钻孔与水平面夹角为8°～9°，设计孔深110 m。

3.2 地质钻探

经过前期对施工方案和设备充分改造，于2023年3月31日开孔。钻孔覆盖层主要是红褐色粘土，现场使用合金钻具干捞与无泵跟管钻进工艺相结合的方式[9]。一开采用Ф180合金钻具干捞至24.56 m，垮塌严重，无法继续施工，下入Ф180金刚石无内径钻头配合Ф177.8套管扫孔至24.56 m；二开采用Ф150合金钻具干捞至49.11 m进入灰褐色细砂层，换Ф150金刚石无内径钻头配合Ф146套管无泵跟管钻进，Ф130钻具取心至69.10 m；三开采用Ф130 金刚石无内径钻头+ Ф127 套管扫孔，下入Ф95 钻具钻进取心至108.71 m（图2）。

施工中为了控制方位角及倾角准确，现场采用JTL-400X（W）光纤陀螺测斜仪，分别在30 m、60 m、90 m测量孔斜，进行钻孔防斜测量，及时掌握钻孔轨迹，发现误差超限及时调整。为了满足设计水质过滤要求，在套管管体上加工筛眼用于抽水，在孔深105.60～108.60 m为筛管，即在跟管钻头后端连接一根筛管，其余套管均采用实管。

3.3 钻探成果

该孔于2023年4月28日终孔，孔口朝向340°，与水平面夹角约9°，终孔深度为108.71 m。根据钻探工程、地质编录成果，该钻孔地层自上而下为第四系（Q）红褐色粘土和耕植土夹少量碎石覆土层、灰褐色细砂、灰褐色细砂夹鹅卵石。钻孔轨迹符合设计的方位角及倾角，终孔段在第四系灰褐色细砂夹鹅卵石地层中。

4 结论

该试验说明立轴岩心钻机经过改造后采用无泵跟管钻进技术能有效解决施工贵州省近水平孔地层复杂的问题，其改变传统的泥浆施工工艺，通过更换传统立轴岩心钻机上卡盘卡瓦，设计简易提升装置实现传统钻机施工近水平孔是可行的。