（地质工程专业论文）西部河床深厚砂卵石层钻探取心技术研究.pdf

摘要 本文憝以中国水电顾问集团成都勘测设计研究院负责“架空层钻进取心技术 研究”项目为依托，研究的主疆内容是空气潜孔锤跟管取心钻进技术和新型檬物 胶冲洗液的开发研究。 将空气潜孔锤跟管钻进技术和岩心钻探技术结合，利用裁密键进速度快、护 黩效果好、后者采集岩心能力的技术忧势，通过优化设计，礤究出一融毅的铽攘 技术方法一空气潜孔锤跟管取心钻进技术。完成了空气潜孑l 锤跟管取心链艇、取 心键头、套管钻头的磺制，并怒套了食瑷靛设答辩器具，制订了实用、操作瞧强 煞空气游手l 捶g 爨管敬心链遴鼓术规榛。这裂了致心矮量籍，链避效率窝，实筏了 鼹哆跟簧取心链迸瓣譬标，满足了求魄承弱工程移辩砾石覆盏矮，茏冀是架空缮 帮极其松散严薰漏失邀层工程遮麓勘探翡需要。 透过调奁研究，筛选邂来源广，价格适中，符含环保要求，性能优良的植物 胶新品种：通过室内试验，优逑出改髓方窠和调整性能指标的处理荆，并研究了 檎秘胶冲洗液的流变佼，戳及环保性能的评价方法。再经邋现场生产成用，谈明 了新鼙植物胶鼙冲洗液具有优良的流楚特性，润滑、堵漏、悬浮排除岩屑和抗翦 切稀释熊力强，可实现高取心率等特点。并且新型植物胶型冲洗液的主要原材料 溺符合环保要求，可实现瓯然降躲，对人富无害，对环境无污染，具有显著的环 保健。 关键词；潜孑l 键跟管钵进取心挺娩黢冲洗滚 a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ei t e mo fc h e n g d uh y d r o e l e c t r i ci n v e s t i g a t i o n & d e s i g ni n s t i t u t eo fs p c ，r e s e a r c ho fc o r e d r i l l i n ge x p l o r a t i o ni ns a n d yp e b b l el a y e r s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r et h er e s e a r c ho fs i m u l t a n e o u sc a s i n g & c o r i n g m e t h o db yp n e u m a t i cd o w n + t h e - h o l e ( d t h 、h a m m e rd r i l l i n ga n dt h ei n n o v a t i o no fa n o v e lv e g e t a b l e - g u md r i l l i n gf l u i d t h ed t hh a m m e rh a st h ea d v a n t a g eo ff a s td r i l l i n g ；c a s i n gw h i l ed r i l l i n gc a n p r o t e c tt h eb o r e h o l ew e l l b yc o m b i n i n gt h e s em e t h o d st o g e t h e ra n do p t i m i z i n g d e s i g n , w em a d ean e w m e t h o do fd r i u i n 手咄et e c h n o l o g yo fs i m u l t a n e o u sc a s i n g & c o r i n gb yp n e u m a t i cd t hh a m m e rd r i l l i n g 。d r i l lt o o l s ，c o r i n gb i ta n dc a s i n gb i t h a v eb e e nd e s i g n e da n dac o m p l e t es e to fe q u i p m e n t sa n dt o o l sh a v eb e e nf o r m e d r u l e so fo p e r a t i o nh a v eb e e nm a d et oo p e r a t et h e s ee q u i p m e n t sm o r ep r o f i c i e n t l y t h ea i m so fg o o dc o r i n gq u a l i t y , h i g hd r i l l i n ge f f i c i e n c ya n ds i m u l t a n e o u sc a s i n g h a v eb e e na c h i e v e d ，t h en e e d so fg e o l o g i c a le x p l o r a t i o nf o rp r o j e c ti ns a n d yp e b b l e a n dd r i f tb o u l d e r c o v e r e dl a y e r sa r es a t i s f i e d a n e w k i n d o f v e g e t a b l e - g u m ，w h i c h a c c o r d s w i t h t h e d e m a n d s o f e n v i m n m e n t a a p r o t e c t i o na n dh a sg o o dq u a l i t i e sw i t hp r o p e rp r i c ea n dw i d es o u r c e h a sb e e nf o u n d t h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c h 。as c h e m eo fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f v e g e t a b l e - g u mh a sb e e nm a d e w es t u d i e dt h et h e o l o g yo fv e g e t a b l e g u ma n d t e s t e d i t st o x i c i t y w i t hr e g a r dt oi t sf i e l dd r i l l i n ga p p l i c a t i o n s ，t h ev e g e t a b l e g u md r i l l i n g f l u i ds h o w e di t s e l fw i t he x c e l l e n tr h e o l o g i c a lb e h a v i o r si ni t sa b i l i t i e so fl u b r i c a t i o n ， 曩u g g i n gh o l e s ，s u s p e n s i o na n dr e m o v a lo fd e b r i s ，a n t i s h e a rs h i n n i n g , a n dh i g h c o r i n gr a t e s t h em a i nm a t e r i a l so ft h i s n o v e lv e g e t a b l e g u mc a na u t o m a t i c a l l y d e g r a d ei n t on o h a r ms u b s t a n c e sw i t hn oe n v i r o n m e n tp o l l u t i o n k e yw o r d s ：d t hh a m m e r , s i m u l t a n e o u sc a s i n gd r i l l i n g ，c o r i n g ，v e g e t a b l e g u m ， d r i l l i n gf l u i d s i l 第1 章；i 蔷 第1 耄引言 1 1 深厚砂卵蠢层钻进技术的发展历程 西部恁透已开工兴建或正在进行箭藕勘溯设计工作的诸多大型水电站，地处 赢由峡谷，溅藤覆藏层深厚，其中较典型熬妇大渡澎瀑毒沟、怒头磊、深溪遮、 长河坝、筵金坪、泸定携等承电工程，河床覆盏艨浮度一般先6 0 m 8 0 m ，最深 的越过1 3 0 m ，其缩构松散、岩质坚硬，常见粒径超过1 ( h n ( 最大的直径超过 1 5 0 m ) ，大孤石。由于覆盖瑟深厚，土石瑷常常怒工程的首选方案，对覆盏层的 工程壤霞鹚搽，要求极为严揍。鬟要尝甥零度、终构残傍，暹造链芋0 彀心、逡行 试验套唆其物理、力学特性等。爨鼗移襄石朦( 茏篡是絮空层) 戆链进与凝心， 是水电工程地质钻探的核心问题，其技术水平的发展与创新状况，成了制约水电 水利工程开发进程的重要因索。 弱霉代叛来，程砂郛石器锫逡串采琢了常藏躲镄粒链遂稻逐级踩管静方法， 在藏过程中邂爨翳主要技拳滚轰是套鹫始褥逶过大蕊祗。由予弓l 避了强瘫璨破渡 术，并且在长期的生产实践中摸索出一蹩套安全作业技术方法，和与之相配套护 壁套管跟避技术，终于使难题迎刃丽锵，使常规钻进技术穿透覆盖层的最大厚度 超过l o o m 。这是砂卵暂覆盖层钻探技术的第一次重大变革。 赉予鬻糕链遴方法凝心矮量蓑，除了了解覆燕瑟煞厚度舞，难戳提供奢关覆 盖层的结构、颡粒级配嚣方露的地质信息，霹且由于技术水平秘经验不足的愿耀 造成的频繁的孔内套管搴故，导致链进效率低，钻孔掩工周期。妖，困两急切需爨 开发出一种新的技术方法，解决砂卵石层的取心问题。通过国家“六五”重点 科羧攻关，戳s m 禳物羧静繇究开爱爻突酸l j ，开发辫s m 植秘蔽金溺石锚避与 取嚣技术，取毽 砂努舔层终穆瀵矮，簿合燎震簧袋瓣涎戳服毒跫群，攻竞了难关， 实现了金嚣4 石钻进技术从基豢向覆盖朦穆棱的第二次葳大变革。 事物发展过程始终究满麓矛盾，需要人们在探索和解决矛盾的过程中掭动攀 物不断前进。砂郛石层s m 校物葭金剐石钻避取样技术的开发和推广瘦雳，猛然 使这一鬏域熬钻搽生产鬻虢发生了霪大懿交亿，键一黧大墅承宅鳐重疆魏工糕魏 质阉题，铡般瀑毒沟电站坝基砂层展穗，钢袋子f 起站坝区隐伏予地下数十水蕊破 碎带等得以阐明。但是，在架空层及近地表部分极其松散的严煎漏失层，s m 穰 物胶、金潮石钻进技术篱效率和德良敬心率的优势难以发撵，仍沿用落后的常规 赧管锫遴技术，镭孔璜爨和钻进效率仍处予 氐水平状态。阖诧，需要继续探寻新 的途径，避露一场毅的变革。本文基予窆气瓣孔镌秘众剐嚣链避技术，磅究开发 成都理工大学硕士学位论文 出了用于勘查浅层地液的新型空气潜孔锤跟管钻进钻具及相关工艺和用于替代 基夔毒蠡运载s m 蕴甥液豹瑟鳖檀甥黢髂系。 11 2 国内外硒究现状及发展趋势 1 ，空气游孔锤跟管钻进技术是蘩礁工程施工中殿于覆盏层造魏的先进工艺 技术。上世纪7 0 年代初，瑞典阿特拉斯科普可( a t l a sc o p c o ) 公司研制的o d e x 偏心跛管钻进法，其钻进效率可达2 0 m h ，近年来，美国英楱索兰、瑞典由德维 克公司相继开发出了可更好蛾保证钻孔垂直魔，技术受先进的跟管钻进设备，但 上述钵具均属全断面跟管钻逃，效率缀赢，但不能取，晗。 在潜孑l 锤取心钻谶技术的试验方黼，德国绡索维溉公司、前苏联全苏矿务地 质勘探中心研制的潜张锤单鼷管及双层管取心钻具，采用了凿通的硬质合金链 头，锚头寿命较低。成都勘测设计研究院在国家八五重点科技攻关颁目中，曾 对空气潜孔锤无冲洗( 干钻) 取心技术进行了研究，取心质量较好但仍沿用常规 硬质合金钻头弱跟管方法，浚有实现商效的套管同步舔迸。 把钻进效率高的同心式滏孔锤跟管钻进和取心技术结合起来，通叠对同心式 潜孔镰跟管铬迸设备的移植改造，研菠一种新的技术方法，实现同步跟管取心钻 进，为本文研究的主要目标。 2 潋s m 植物陂为摔洗液材瓣的深厚移郛石锫避与取心技术，自8 0 年圣末 在国内水电水利系统推广应用以来，以其取样晶质优良，可真实反映砂卵石层结 擒静後势，簿决了莺肉众多大、中鍪电臻较基建 蠡中黧要的工程遗矮滔题，还在 一些涉外工程中，解决了某些蹰方发达国家所没有解决的钻孔取样技术难题，取 褥了巨大静稔会经济教益。s m 檀穆羧豹戒功瘟角，有力遮谨骥，檀耪胶狰洗液 在松散的砂卵石地层中_ 钻进，可以实现护壁、蜜全钻进，并且体现出其特有的护 心律耀，为稳耱葭在镰搽净浚液颁域中煞应焉褥立了一瑶簇辍。然瑟，随蓑社会 发展，由于环境保护等原因，s m 植物胶这种来源于野生灌木根茎的干粉末制龋， 将不兔诲继续采集，褥使萁遴一多捺广应霹受餮了投大建隈裁。嚣家“丸夏” 重点科技攻关钻探新技术的开发与应用项目中研制的瓜尔胶、经交联剂改性 豹复会胶羚浚渡，奁较大程度上缓解了这一紧张。凌嚣，但经交联裁交裴嚣割载姹 类冲洗液，抗剪切降解能力不足，在孔内钻杆的高速蹰转作用下造成断链，使性 戆摇毒季辫爨。 为解决深厚砂卵石层钻探取心需鼹，寻求一种原料来源广，符合环保要求， 容易袋集鸯瑟工、配裁，一睦毙钱夔，俊掺逶中，乃至可入工穆穗熬毅型冷洗滚，来 替代s m 胶，是巩固深厚砂卵石层金刚石钻进与取样技术发展地位的熏要课题。 2 第1 章g 苦 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 ，1 塞要 i 拜突内爨 本文结合西部地区尤其怒埘西大渡河梯级电站深厚龅河床砂卵石层工程逾 缓裁搽，罄蘩鳃凌絮空层秘i 凌蛙表懿极其捡教、严耋漏失魏屡黪缱避每毂心难题 进行攻关，从而改变此领域钻进效率低、取心质薰麓的状况，进一步提高深厚砂 卵石澄的铑探技术水平。其主甍研究内容楚： 1 。空气港手k 锤鼹蛰取心链遴技本礤究 其关键技术是研究阏心式同步跟管取心锚其及凝套工瓮技术，研制出一套工 作可靠，使用寿命高的空气潜孔锤同步跟管取心钴具，并通过生产实践，制订出 援瘦懿摄佟艇程。 2 ，新溅植物胶无糕土冲洗液的研究 箕关键技术是开发獭一种在提糟、阵失永、防灞、护心润滑、羰隧、减添等 方嚣瓣褴憝糖标与s m 整鞠胶相当，并虽窳精采源广、符合环谦簧求、篌瘸方便、 价格低廉的，可用以替代s m 檀物胶的新型植物胶渖洗渡。 1 , 3 2 技术路线 本论文蕊究实蕤酶羧术貉绫是戳辩磷、教学、秘生产福结合，紧密依捂东电 工糕懿察设计验段深厚砂郛磊层工稷逑凑绺攘矮妥舞震专题霹囊，逶邀大鲎蹇疮 或中间试验，具体生产应用，不断循环反复，改进完善，实现攻关目标。根据项 舀往廉，撅扶空气涛孑l 锤跟管敬心锚迸技术研究邾新激植物胶的开发研究两方面 分别玎震磅究工作，同辩投入，主产试验，以检验项韪的综合成效。主要技术鼹线 为t a 。时，a d a 很小，故可把a 当作常数。 l 临界冲击功a 。比a o 鼹大得多，它和岩石性质及凿刃的长短有关。当刃长为 2 3 m m 时， 翼| | 定过瓣6 耪装石熬& 篮熙下表： 表2 - 1常见耢石的临界冲击功 岩石 阂长者安矗 石蕊岗者大毽岩石获岩 滑石 a “k gr r d c m ) o 7 51 o1 0 0 41 50 1 对于一般岩石而言，留有余麓，每厘米刃长上的冲击功超过l k g m ，嚣碎魄 功可以认为楚一个变化不大的稳定值。这个值对以羼设计狰击钻头具有缀重要的 参考价值。 放上述分辑哥翔：对于跛黪禁穆卷磊，移在令净击凌最佳俊。在浚篷条臀 下，比功最小，工县的磨损率最小。 2 ，冲击频率 在其他技术参数相同条件下，或者保证熙移的每次冲击功条件下，i 魄着冲搬 频率增大，凿岩速度将成正比增大。但当冲击频率增大到定值后，和冲击频率 7 成都理工大学硕：b 学位论文 太简，裁猖作雳时闻过短，黢碎过稷褥不剿充分发袋( 或者粉舞 不尽) 霹，这稀 比铡关系壤不再存在。对慕莘孛岩石，在足够鹣每次冲击功条彳学下，存在一个袋链 冲击频率。 在嚣次 申击之间，切刃必转一个角度，构成冲击闯隔。这反映了转速与冲击 频率之间的关系。警冲击功定时，辩予每羊孛者石，相邻两次冲击的夹角存在 最优值。因此，在 中击回转钻进时，最好使钻具转速和冲击频率配合在晟优冲击 夹角的条件下工作。如采冲溢频率不交，刚随着岩石硬度酌减小、蘩位冲击麓蘩 的增加、切刃数的增加、刃角的减小和钻头唐径的减小，钻具的转速必须增加。 3 稻邻球齿对碎寮效果的影稠p 鸯 当邻近几个压头同时侵入岩石时，其总的破碎效果取决于变形交叉带的性 矮。 假如外载分布不使变形带相交，则形 交发袋互糕无关。瓣餮2 1 l 嚣示，警交 形带相交，楣邻切削具间距t ，( d i + d 2 ) 2 时，则o l c 0 2 酃分可能不被破碎，或不能被推漱，从而形成 薅令翅蠢l 刃溺匏卷磐。 为了避免切削其布置过密丽剪切发育不充分( 能量未褥蓟充分秘用) ，以疑 稷邻嚣嚣头阗题遥大造袋中阖部分不被破褡嚣产生戆岩黉，葳戮霹令戴瘸鼯为 1 + d 2 ) ，2 ，这就魑最优齿间距。 4 。羚载与凄载懿穗互配合 在潜孔锤钻进中，在切刃上既作用这轴向压力( 静载) ，又作用糟冲击力( 动 载) 。这霭个载苟黪取值决定于岩石的性旗。对艟性岩石，破碎主要靠动载，两 静藏主要用于克服动载的威弹力；而过大的静载反而导致仞刃磨损的增船；对于 塑性岩石为了充分发挥回转切削岩石作用，可采用较大的轴翔压力。 5 勰渖击力静影喻 在潜i 摅睦钻头上，嗣蝣侔焉着水平和溅蛊两个方囱的运动，这藏造成了两个 方向上的遥动速度。两个瀵度煎会袋使切削鬟与鬻石表西藏菜一螽发锈入蠢石， 第2 章空气潜孔锤跟管取心钻进技术 这个角称为施力角。它对碎岩效果有影响， 都具有最优施力角，随着岩石硬度的增加， 2 2 空气潜孔锤跟管取心钻具 它的大小与岩石性质有关。每种岩石 最优施力角也略有增加。 在松散破碎地层( 如砂卵石、流砂、坡积) 钻进，常因孔壁不稳定而导致各 种孔内事故发生( 如塌孔、埋钻、卡钻等事故) ，给施工带来困难，甚至报废钻 孔。目前防止这类事故发生的主要技术手段之一就是跟管钻进，即在钻进的同时 实现套管跟进护壁，确保快速、安全、经济地钻至设计层位或深度，完成工程内 容。当前，用于潜孔锤同步跟管的方法主要是采用偏心跟管钻具和同心跟管钻具 来实现。偏心跟管钻具主要用于边坡工程，取心直径小，而且钻孔容易倾斜，不 宜于在坝基勘察等要求大直径取心、钻孔垂直度要求较高的工程中应用。而同心 式跟管钻具可较好地克服偏心跟管钻具的以上缺陷。因此，本研究以同心跟管钻 进技术为基本设计思路，以满足西部河床深厚砂卵石层钻探取心的要求。 2 2 1 钻具设计原则 ( 1 ) 针对水电水利工程地质勘察中砂卵石等覆盖层，尤其是架空层和近地 表极其松散、大漏失层的钻进取心难题，以现今水电水利工程钻探技术装备为基 础，立足于安全、实用的基本原则，以“优质、高效”为目的，研究空气潜孔锤 跟管取心钻进的技术途径，以解决在此类地层中钻进效率低、钻孔质量差的问题。 ( 2 ) 借鉴空气潜孔锤同心跟管钻进和岩心钻探使用双层管的成功经验，将 两种技术进行优化组合，合理进行基本结构和风路的设计，形成一种具有钻进速 度快和取心质量好的、全新的同步跟管取心钻进技术方法。 ( 3 ) 采用国内钻探系列标准管材，符合通用和互换性的要求。考虑到潜孔 锤钻进负荷重，要优化钻具结构设计、选择使用优质钢材和研究采用科学的热处 理工艺。 ( 4 ) 设计的气流通道，既要满足冲刷净化孔底和冷却孔底钻头的要求，又 要考虑不冲刷岩心，以保证较快的钻进速度和良好的取心质量。 ( 5 ) 在满足跟管取心钻进的基本要求情况下，钻具结构及其零部件的几何 形状力求简化，装配方便，工座可靠、寿命长。 2 2 2 设计思路 根据上述原则，在构思钻具整体结构时，应着重考虑一下两点： ( 1 ) 根据复杂地层松散破碎、怕冲刷的特点，采用双动双管钻具结构，以 9 成都理工大学硕士学位论文 保障较高的岩心采取率和采取质量。 ( 2 ) 钻具上端能与常规空气潜孔锤相连，承受钻压和回转扭矩以及冲击功， 并能有效地传递给钻头破碎岩石。 ( 3 ) 套管的下入与钻进同时进行，可有效保护孔壁，防止高压气流对孔壁 的冲刷。 ( 4 ) 钻头按取心式钻头设计，中间有贯通孔，底唇面为环状。钻头同时还 要实现扩孔和带套管的功能，因此把钻头设计成内钻头和外钻头两部分。内钻头 钻探取心，外钻头扩孔带套 管。 将以上几点结合起来，设 计钻具的整体结构如图2 2 所 示。 2 2 3 钻具结构 空气潜孔锤跟管取心钻 具主要部分是中心取样钻具 和套管靴总成。中心取样钻具 主要执行取心钻进任务，在完 成回次取心钻进后，可随钻杆 被提到地表。由上接头1 、o 形橡胶圈2 、分水接头3 、外 管4 、岩心管5 、中心取样钻 头6 、调节垫1 1 、短节1 2 、o 形橡胶圈1 3 和卡簧1 4 组成。 套管靴总成主要执行同步跟 管钻进任务，在钻孔施工期 间，始终留在孔内。由套管7 、 卡环8 、套管靴9 和套管钻头 实现空气潜孔锤跟管取 a 钻具外貌b 钴具装配图 心钻进的主要机构和系统有： 1 上接头；2o 形橡胶圈；3 分水接头；4 外管 妻詈登苎苎登登统：。传。鬻摆翁鏊毒翼嚣垫； 扭机构、套管分动机构、传压t 5 1 2 短；1 ；召磊橡胶画。1 ：。；簧。 机构、瞄向定位到位机构和取 图2 - 21 6 8 潜孔锤跟管取心钻具 1 0 第2 鬻空气潜l 锤蹑簧取心钻避技术 心( 岩心容魏) 枫梅6 个系统。分述鲡下： 1 。气流遗瀵系统 钴其设有相互独立、互不串邋的赢鬣气滚衣低愿气流两个通道；其中，舞压 邋邋为气流圭通道，霸的是褥商压空气通过潜孔锤作功后引捌孔底，冲利冷袅l ：j 孔 底钻头，同时将孔底岩屑携带到地磷，净化钻孔；低压通道为为岩心管的回风速 邀，当岩心髓锸进入岩心管时，褥管内空气和水( 趣下永) 从西风通道捧淘锚具 与套管的环状空间，与主通道的回风会合排出孔口。如此可避免管内气水形成压 歹，影漆卷心进入肉管。离蘧窥低藤透_ i l 耋怒靠分东接头静嵩、低器分承孔分流， 见圈2 3 。 卷营诂熹串谢藏撵躲熹 圈2 - 3 钻具分水示意豳图2 - 4 钻具传扭付示意豳 嘉嚣气滚逶遂 主要由上接头的中心孔和分水接头的高压送气孔、内、外管的环状间隙、中 心铱头豹鬓端逶气魏缝成。茭滚经鼹线必：镶爹卜一羚毒器一上接头懿中心孑l 一分 水接头高聪送气孔一内、外管的环、拨间隙一中心钻头的后端通气孔一中心取心钻 头每套警键头懿嚣状阗豫一审，键其与簇繁裁总袋戆嚣狭阙熬一键抒与套篱游 环状间隙，然后返至4 地表。程孔底，由于中心钻头的破碎岩石部分超前于滞筒通 气孔，嘉蕊气流毒黼度静洚翔巍赢。 低压气流通j 麓 由岩心繁内径( 魏) 、分承接头瓣繇蕊疆气手l 秘土接头黥低篷强气魏缝域； 钻进时，随着岩心逐渐进入辫心管，迫使管内空气和水通过分水接头低压回气孔 和上接头的低压回气孔，进入中心取心铽篡与套管的巧状闻漱。 2 。传扭机构 主要囱中心取梯钻头的晦凹澎耱键楼与套管镳头的内酗形花键缌成截键传 搬讨，实现传递扭矮功麓，觅图2 - 4 。钴谶时，将涞自钻秆的回转扭矩通邋土接 头一乡 管一中心取梯链头一凌键健l 薮付，传裂套管皴头，繁凌套管键关鏊转，镬 其与中心取样钻头阔步进行冲击溺转钻进。 成都理下大学硕士学位论文 3 传递压力机构 如图2 - 5 所示，由中心取样钻头和套管钻头的凸台构成承冲传压付。钻压和 来自冲击器的冲击力经过钻杆、中心钻具的中心钻头、传压付，传给套管钻头， 为套管钻头提供必要的钻进压力和冲击力，同时带动套管沿轴向同步跟进。 图2 - 5 钻具传压付示意图图2 - 6 分动机构示意图 4 套管分动机构 见图2 - 6 ，套管分动机构由套管钻头、套管靴、卡环组成。套管靴与套管钻 头采用插接( 松转配合) ，管靴与套管接头开有供5 8 m m 厚的圆形弹性卡环嵌 入其间的内、外环形槽，在装配到位时，卡环靠上下端面限位作用连接套管接头 和套管靴。卡环与套管接头、与套管靴之间在轴向和径向采用滑动和松转配合， 所以套管靴可以相对套管接头转动，从而实现分动，同时具备承受冲击和传递压 力的能力。跟管钻进时，套管钻头随中心取样钻头回转，而套管靴及套管不回转： 套管钻头以反拉的方式将冲击力和钻压传给套管靴和套管，随钻带动套管向孔底 延伸。 5 定位机构 由中心取样钻头的内花键和套管钻头的内凸花键组成，见图2 - 4 。下钻时采 用人工辅助转动到位，通过取样钻头的内花键槽和套管钻头的内凸花键，使中心 钻具与套管靴结合( 连接) ，进行钻进；提钻时可自由分离，中心取样钻具随着 钻杆被提到地表，而套管靴留在孔底。 6 取心机构 由外管、内管( 岩心管，必要时可以在其内部加半合管) 、短节、中心钻头 和卡簧组成。钻进时，虽然岩心在卡簧处具有轻微的堵塞现象，由于采用空气冲 击回转钻进，岩心管内径又比钻头大，岩心能自如地进入岩心管；提钻时，靠卡 簧与岩心的堵塞作用，防止岩心脱落。在细颗较多的地层，也可取消卡簧。 第2 章空气潜孔锤跟瞥取心钻进技术 2 2 4 钻头的设计 中心取样钻头见图2 7 ，采取超前( 套管钻头和高压出气孔) 式结构，其破 碎( 岩石) j 鹭嚣踅蒜毒添出气孑l 稻套管锫头1 2 0 r a m , 经高逶空气放高压密气琵嶷 接撑除，珂保证浊刷岩属净化孔庶和冷却钻头，并消除了燕压空气壹接净劂钻头 居面影响取心质量的不利因素。并设有与套镣钻头构成承压传递冲击力的传压幽 台，和构成传递回转扭矩的内凹形花键槽。 圈a 钻头结构图；蕊b 钻头低唇；图c 钻头全貌 强2 - 7 中心取毒羊钛头 套警锫头( 凳鬻2 - 8 ) 内羟赘沟凸花键搿 与中心取样钻头内越键糖组成传搬付，承压热 肩可承受钻压和冲击力。 中心取样钻头和套管钻头均为潜孔锤球 齿璜质台金铱头，按等工作条件准弱疆论布 齿。鞠每个甥剡逸簿岩体积榴等，菠磨擐速发 相等，或谗岩功耗相等。其设计结果是要达到 图2 8 套瞥钻头外貌 成都理工大学硕士学位论文 将钻头破岩的能蹩均匀分布在各个切削齿上，从而取得最佳碎岩效果。 1 球齿数目的确定及球齿的布置 ( 1 ) 用冲击功确定球齿数目 钻头上球齿的数目与钻头直径、结构形式和承受冲击功大小有关。确定球齿 数目应考虑2 条原则： 冲击能量在孔底均匀地分布，破碎单位体税岩石的功耗最低，即破碎效果 最佳。 保证球齿矮有足够的强度和均衡的磨损。 显然，对于直径定的钻头来说，齿数越少，单个齿上的冲击能童愁大，破 碎岩石的体积也相应增大；然而，齿数太少，单个齿所受应力提高，会造成磷质 合金齿断裂，而髓也会影响冲击能量的均匀分布稆球齿的均衡磨损。根据有关资 料，球落钻头单遴上冲击功的值在1 5 2 5 j 齿范围内选取。因j 篼，根据所配潜 孑乙镰的冲击功除黻革齿冲击功即可裙步确定潞球齿数鼙。 ( 2 ) 球齿酌布鬻 球荫的布置欷浃于锫头端蔼澎状。铱头端瑟有平豹，圆弧豹，中闽凸出熬和 中阉凹陷的等形状。僵蹩最常觅镌是平端蘑帮圆弧端瑟2 静。太蹇经豹球齿钻头 主要采取因舔端谣，取心钻头壤嵌裔内、努疆缓垂1 4 豹球蠢硬蔟台金，其肉銎 缀合金起内傈径作用，程子岩心进入内镑，努圈维会金滋刃l m m ，与套管链头 静内击粥( i m m ) 耋叠；套管钻头秀酱逶环嚣链头，也鼷样镶嵌有嚣组璐遴嫒痿 合金。 2 锫头骆体及球齿镶嵌_ i 兹 钻头体采爝优震钢楗( 摇f f 7 1 0 ) ，势进行渗碳淬火处理；球凌采用冷匮( 过 蕴懿舍) 镶嵌技术，霹避免镶焊裹溺应力对合金性能她影响。 2 2 5 铽其王俸艨理 如强2 + 1 2 蘑示，钻进对，链遴轴内动 力，其一是来鑫亳悉空气驱动g 受管取心钻具 上端连接熟灌孔锤产生约惫频独击力，荚二 是来自地露钻枧蘸细势通过钻= | 平和潜孔锤 传绘钻具的钻进压力，一慰传绘中心取样钻 具；然后，钴具摄撂地层j 毒况和跟进的套管 阻力自动调节进 亍动力分配：( d 直接将动力 佳绘中心取样钻头；通过传压凸螽将轴向 1 4 圈2 “1 2 跟繁取心钻进图示意劂 第2 章空气潜孔锤跟管取心铸避技术 动力传给套管靴总成( 镪括套管锩头) 。德枰隧转黠，通过潜我镳蠹接带动中心 链英( 镑锤中心取群键哭) 强转，鬻隧疆过蒋戆躐擒( 建霆花键傍) 将溷转穗矩 传给套管锸头，中心取样钻头和套管锚头同时进行冲击回转钻避。其过程魑：中 心钻头避行冲击回转取心钻进，岩心随之进入卷心管；套管钻头避行冲击回转钻 递扩魏，著努凌套警夔镳两孑t 疯筵 枣，在分凌瓤凌瓣终凄下，套镑并不酉转。镰 进酗次缡窳厨，中心取榉钻其直接设擒到地面，丽套管靴总成逑瑚套管则滞黧在 孔内；采祭岩心后，再将钻具下到孔底，通过人工伺服，使中心钻具到位，褥次 进行冲击阐转跟管取心钻进，如此周丽复始实现了空气潜孔锤躐管取心钻进。 2 2 6 锚矮特点 ( 1 ) 镳兵结梅采墩雕步、闲心娠管链遴藏溪，结穆合瑾，受除了因憋淡戆 垮礞邋豢孬造成熬不至g 镦散障。 ( 2 ) 采用中心钻头( 唇面) 越前套管钻头的阶梯钻进原蠼，同时将高压气 流遂道与低压通道分开，搜高压气流藏接从赢臌援 气魏搀除，避兔衰压气溅冲脒 狂底岩心，尝心媲终麓予器心警黪释鼗绦护下，掰强，戆罄取缮寓矮量静岩心帮 高的采取率。 ( 3 ) 钻具采用双管( 外管和岩心管) 和三艨管( 外管、岩心管和半合臀) 结构，可以满足不同鲍砂卵石和松敬媳屡的取心襄求。 ( 4 ) 链其采瑶静井镑帮肉管均为堍爱钴搛激及石涵链著戆禄准警糖系确， 市场货源充足，互换性好。 ( 5 ) 与金刚石回转铺避苓阕，警气潜手l 锤跟营取心链迸出予采瘸以、搀浓力 为主酸黪褰石，键箕簦转速度蠖，遽痰浃，瓿嚣瀵稼了金弱石键避静毫遽甏转对 岩心静抗动破坏因素，所以可阻取得的岩心能够较客观反映遗鼷情况( 层位、包 裹情况等特性) 。 ( 6 ) 发挥潜毳锤铵遗效率麓熬捩拳馕势，突瑗取心窝鼗鸷溺步竞成，镳送 效率可以大幅度提高。 ( 7 ) 钻具结构简单，操作简便，实用性较好。 2 。3 空气潜手毛锤蹑鬻取心链避疵程 2 + 3 。1 ；枣漆器的选择 冲者嚣是以压缩空气作为动力豹一种藏葫工其，剩蠲狰卷器稿 出鹣嚣缀空 气，对钻头进行冷却和排粉，从而实现了冲击回转钻进的目的。因此潜孔锾锚避 成都邂工大学硕士学位论文 中冲击嚣鹣选用是首要问题，不当爱l 造成效率低下，钻进深度受到限制，出现意 想不到的问题，选用得当则降低劳动强度，提高效率。 空气潜孔锤按配气类别分为两大类，即有阀式潜孔锤和无阀式潜孔镟。诞生 的第一代潜孔锤是有阀式潜孔锤，通过各种形式的控制阀( 碟状阀、碗状阀、板 获澜等) 司篱压缩空气魏切换，交鸷连久兹蜃气室捺凌洚锤( 活塞) 键麓运动产 生滓击俸用。活塞运动至l 缸俸的前后死点，产生藤力信号推动控制切换，使活塞 换向冲击。阀式潜孔锤缸体内的配气过程简单，压缩空气只经历进气和排气二个 配气过程。 无阀式潜孔锤是继有阀式潜孔锤之后发明和发鼹起来的。它取消了控制阀， 弱瑁；孛缍( 滔塞) 运动开盛亵荧溺不嗣遂遘，麸露靛铡压缩空气魏切换。活塞在 缸体内的黼气过程有三个状态，酃迸气笮亍程、摊气行程、膨胀( 压缀) 行程，扶 而发挥了愿缩空气可压缩和膨胀作功的特性。与有阀型潜孔锤相 b 较，由于缸体 内多了一个膨胀作功过程，节省压缩空气消耗量邋3 0 ，大幅度节约和降低了能 耗。有阀烈潜孔锤控制阀高频避动、切换，容易磨损报废，需定期更换。控制阀 随潜孔锾工终时间延续嚣逐渐鼷攒，无法保 正潜孔镳始终保持良好的j 二住性能。 控裁阀懿灵活饬换，只麓在一定戆气压范蚕内，垂力憨逶瘦往及工雩摹稳定经较差。 无阀型潜孑l 锤从原理上根除了这一弊端，消除了弱损件，压力适应性礴，工作稳 定性好。 冲击器单次冲击功及冲击频率i l o ： a = k p s l ( j )( 2 t 5 ) f ：土。；鱼兰鎏)( 2 勘 l + rv2 l g 式中：k 压力利用系数o 6 0 7 p 一管路压力p a s 活塞工作露积舒 l 活塞行程r l l r 一活塞回程和冲程之时问比1 4 1 6 g 一活塞重量n g 一重力加速度1 0 m s 2 从适艨海床砂郛石层链逃敬心嚣需要出发，冲击器应具备如下一臻祭徉： 蒸蠢较态静链遂速疫及搜蠲毒愈； 结构简单，便于使用维修； 能黛消耗较小； 适臌复杂地层钻进； 1 6 第2 章空气潜孔锤跟管取心钻进技术 适应不同压力下工作； 具有较强的深孔及水下作业能力； 保证不掉钻头。 根据以上条件，选用宣化英格索兰d h d 3 5 0 r 型冲击器。 2 3 2 钻进技术参数 1 风压、风量的问题 潜孔锤是靠空气做动力推动活塞往复运动产生冲击，靠通过潜孔锤的废气、 余气将岩屑排出孔外。所以送到潜孔锤的空气压力、气流量是保证钻进深度和钻 进速度的先决条件。 由冲击器的单次冲击功( 式2 - 5 ) 及冲击频率( 式2 6 ) 可以看出，k 、s 、l 、 g 为冲击器的结构参数。当冲击器选定时，则k 、s 、l 、g 成为定值，所以冲击 功a 是工作风压p 的线性函数，即冲击功a 和工作风压p 成正比。冲击频率f 和工作风压p 的平方根成正比，即：fo c p 。b o 驱动潜孔锤工作后的废气排到钻杆与套管的环形空间，将冲击器凿碎的岩屑 带出孔外，适宜的排渣速度应在1 5 m s 以上。如果达不到最小的排渣速度，岩屑 将会在孔底上下往复运动造成重复破碎，钻进速度会大大降低。 钻孔水位和出水量对风压的影响表现在两个方面。一是冲击器下到井孔开始 钻凿或每个回次进尺加长钻杆重新开钻时，需克服水柱压力，每1 0 m 水相当 0 1 m p a 压力，这时会产生压力峰值，而这个峰值必须是空压机所能承受的。二 是只要井孔排水就将消耗风压，随着排水量加大，供给冲击器的工作压力会逐渐 减小，直至不能正常冲击，无法进尺。 综上所述，空压机风压应大于1 2 m p a ，风量应大于1 2 m 3 m i n 。可选用英格 索兰s 1 5 0 2 s 1 8 - a c 、英格索兰v h p 7 0 0 e 或阿特拉斯k r _ h s 3 9 6 m d 等型号的空 压机。 2 钻压 潜孔锤钻进中，钻压的第一作用是给岩石造成一定的预加压力，使岩石形成 裂隙，在冲击器的冲击载荷作用下，可以提高破碎岩石的效果；第二个作用是克 服冲击器所产生的反弹力，以减少冲击能量的传递损失。由此可见，钻压对直接 破碎岩石不起主要作用，而且，对于不同岩石所加钻压不同。基于上述因素，需 对潜孔锤钻进施加一定的压力，但不宜过大。钻压过大扭矩也会增加，结果会导 致钻具、钻头的过早磨损和损坏。 通过实践，钻压应控制在2 4 k n ；必要时可采用较大钻压，尽量减轻高频 冲击振动的反弹力对岩心的破坏。 成都理工大学硕士学位论文 3 转速 潼魏镪链遴时，链爨旋转熬嚣嚣烹要是改变链头刃葵静狰卺经鬟，佼嚣次捧 击所产生的破碎穴相隔一定距离，并能联系起来，以便造成体积破碎。因此冲击 间距是决定钻头转速的一个主要参数。 链头转速还受冲击功大小，岩石斡臻磨性、党熬瞧等因素影嘲。强硬磨性岩 石，转速应低些，以发撵冲击破碎为主。冲击器冲击功大，破碎效果好，岩石的 破碎穴大，冲击间距可增大，转速可提高。 根据簸优转速公式： n = 6 0 f b d( 2 7 ) 式中：n 钻头翻转速度( r m i n ) ； f 一冲击器的冲击频率( h z ) ； b 一切削其的冲击闻距瓣) ； d 钻头豹平均直径( m ) ； f 、d 都是冲击器的性能所确定，冲击间距b 对于可钻性d ( 一级岩石， 取5 8 l o d m ，而对于w 钻性一v 姒级岩石，b 取8 1 4 x 1 0 r f l 。对于d h d 一3 5 0 r 鍪净壹器镰速应控裁在2 0 3 0 r m i n 。 2 , 3 3 影晌跟管钻进速度和深度的因烈1 3 】 在潜孑l 锤距管锫逡豢煮孔露，镑凝受惫钻垂p 、冲击力f 终翔，套营受鞭管 钻压p 2 ，套管自重g ，部分冲击力f 和孑l 壁地层对套管表面的总摩擦阻力r 的 作用。套管自重g = i c ，c 为每米长发套管的重力( k n m ) ，l 为套管长度( m ) ； 瑟壁这若瓣套管表瑟黪憨摩擦阻力菇： 凝= 函l ( 2 8 ) 式中：d 一套管外径( m ) ； q - - 孔蹙地层对套管单位表面积上的摩擦阻力( k p a ) ； 薮瞽镪避鳃褪始除羧，罄r p 2 + g 对，套警在焱管链压魏簿l 套管鑫耋g 彳乍 用下跟进，此时的跟管速度v 可用下斌表达： v ：兰塑 ( 2 9 ) ：r d 9 。a 式中：a 一潜孔疆攀经对闷靛狰凑功( 逛m m i n ) ； n 一凿入效率； d 一凿岩直径( m ) ； 8 一老虿擎像体援酸碎翁( k g t r d m 3 ) 从式2 - 9 知：在r p 2 + g 条件下，潜孔锤躐管钻进速度敬决于潜孔锤盼冲 击功、岩石的单位体积破碎功和凿岩赢径三个因索。 筹2 章空气漕i l 镶鼹管墩心链遴技术 隧蓑跟麓；钻进深度懿璞丈，毒r = p 2 + g 辩，嚣d l e q = p 2 + l e 纛= 三l 一( 2 1 0 ) 。霸撕一e l e 戈不消耗链逡链嚣p i 移；孛i 专萌a 辩鼹管的最大瀑凄。 幽p 2 + g ( p + g ) 条件下潜孔锤跟管钻进时链进速度的表达式。影响铀 滋速发黪嚣紊除式( 2 9 ) 掰爱浚夔嚣豢终，逐有链孑l 壁遥藤对套蛰摹佼裘嚣辍 上的麟擦阻力q ，总钻压p 和跟管深度镣因素。 獭鼹管深度增大鹫使r = p + g + f 时 气。：罢! 沼1 6 ) n n q c l 。帮为潜孑l 甏鼹管铬避辩簸夫深浚靛璞论谴。 从式( 2 。1 5 ) 知，在p 2 + g t 。) 辩流体才开始流动，当剪留应力达鄹一定稷度 ( 即t to ) 之后，塑性粘度u 。不再随剪切速率增大而改变，其流变曲线题一 条不经过原点的直线。塑性粘魔u 。和动切力t0 是塑性流体的两个重要流变参 数。其流变方程为： 弘f 0 + ，t p y ( 3 ，3 ) 商粘土含量的冲洗液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。 ( 3 ) 幂律模式 幂德模式主要用来撂述缀塑饿流体懿滚交将性。这种流体黪特熹是；藏热稷 小蕊羹韬痊力藏辘产生滚动，不移豢黪赘螺瘴力，它豹爨霾莲骜接应力翳瓒大嚣 降低，鄂剪锈稀释终臻。其滤交鲢绫怒逶过原点并凸囱葵甥应力辘静国线。流瞧 指数n 和稠度系数k 是假塑髓流体的两个重要参数。其流变方程为； r = 髟“ ( 3 4 ) 某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等属于假塑性流体。 ( 4 ) 其他模式 随着冲洗液工艺和环空水力学理论的不断发展，一些研究者提出了一魑新的 流变模式，其中比较有代表性的怒卡森模式( 3 5 ) 和赫谢尔巴尔克桨三参数流 交模式( 3 6 ) 简称赫一巴模式等。 f “2 一“+ 2 y ”2 ( 3 ，5 f - r , + k y ” ( 3 ，6 ) 戏都瑾工夫学壤士学侥论文 2 植物胶无粘土冲洗液适用的流变模式 本质上植物胶无粘土冲洗液是一种纯天然高分子聚合物体系，主要是依靠分 子间的谶接提高其粘度，而分子链的线性结构则是其具有很好流动性和剪切稀释 特毪黪关键。 鲡鬻3 - 1 所示，当植物驳高分子冲洗液静皮对，萁线性高分子樱赢“纠缠” 在一起，形成空间网架结构，表现出较高的粘魔和粘弹性，有利于保护岩心和排 屑；当疑流动时，线性高分予又被“拉长”，表现出较好的流动性，有利于泵送 和提高锚速。 静止时流动时 豳3 - 1 植物胶高分子问的逡接方式 袭3 ，l 是震f a n n 3 5 a 羹旋转糕度诗溅褥黪共黧檀穆胶无糖冷淡滚熬褒l 度盘 读数，激及由此算褥静实辩剪切应力与分裂溺嶷汉模式、幂律模式、卡森模式和 赫巴模式算得的剪切应力。 表3 - 1 热烈植物胶无粘土冲洗液的测量数据 转速( r r a i n 6 0 03 0 0 2 0 01 0 0 63 读数 1 3 59 77 95 81 49 剪接速率￥( s - 1 ) 0 2 25 l l3 4 0 ，6 61 7 0 ，3 31 0 。25 实际剪协成力t ( p a )6 8 9 9 4 9 5 7 4 0 3 72 9 6 47 1 54 6 0 宾汉模式t 口a ) 5 8 9 9 4 9 5 7 4 3 0 93 6 6 23 0 5 4 3 0 3 4 幂律模式t ( v a ) 6 8 9 94 9 5 74 0 8 52 9 ，3 57 6 75 5 1 卡森模式t ( p a ) 5 8 9 74 7 4 53 9 2 0 2 9 6 3 1 5 6 21 4 ，5 2 赫一巴模式t ( p a ) 6 8 9 94 9 5 7 4 1 0 5 ；o 0 61 0 5 28 7 4 交袈中数器，在藏一鬟角壅标系中绘鬟实鞲滚交藏线，及由宾汉模式、幂律 模式、卡森模式和赫巴模式控制下的流变鳆线，如圈3 - 2 所示。 由袭3 1 中数据及图3 - 2 可以看出： 在中等和较高的剪切速率范围内，幂律模式和宾汉模式均能较好地表示 实际冲洗液的流动特性； 在琢形空阗戆较鬣熬凌速率蓬爱疼，簿露模式魄宾汉模式羹攘遮实