何玉云， 王發(fā)民

(寧夏回族自治區(qū)核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川 750021)

1 巖心鉆探擴(kuò)孔工作面臨的問(wèn)題

在巖心鉆探施工過(guò)程中，為了保證孔內(nèi)安全和施工順利，一般采用三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，大部分鉆孔是在鉆穿第四系覆蓋層進(jìn)入基巖后下入表層套管[1]，在鉆進(jìn)過(guò)程中如果鉆遇上部破碎地層，在鉆穿破碎地層進(jìn)入完整地層后再下入一層套管[2]，大部分鉆孔是在三開(kāi)后根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)終孔。為了節(jié)約成本，不少施工單位將鉆桿外徑作為套管外徑，在完成上一級(jí)鉆進(jìn)施工后，下入對(duì)應(yīng)外徑尺寸的套管，繼續(xù)鉆進(jìn)取心必須減小一級(jí)孔徑，如此一來(lái)，就降低了一級(jí)孔徑，在出現(xiàn)復(fù)雜地層需要下套管時(shí)面臨無(wú)法選擇的境地，為后續(xù)施工埋下了安全隱患。

近年來(lái)，由于我國(guó)地勘行業(yè)向環(huán)境地質(zhì)[3]和城市地質(zhì)[4]轉(zhuǎn)型，在許多城市周邊實(shí)施了一大批環(huán)境地質(zhì)和城市地質(zhì)方面的鉆孔，包括一些地?zé)峥譡5]，這些鉆孔一般終孔口徑較大，設(shè)計(jì)深度一般為中深孔，并且在實(shí)施全面鉆進(jìn)之前往往需要進(jìn)行地質(zhì)取心鉆探，為了滿足取樣研究工作，終孔口徑要求較大，巖心采取率要求較高，為了完成全部的巖心鉆探工作，以上一級(jí)鉆桿外徑作為套管外徑存在一定的局限性，基本上不能滿足后續(xù)施工的需要。為了滿足施工需要，需要采用專門(mén)的擴(kuò)孔鉆頭[6]對(duì)原孔進(jìn)行擴(kuò)孔后下入較大口徑套管，繼續(xù)采用同一級(jí)取心鉆具繼續(xù)施工，而巖心鉆具和鉆頭尺寸一般較小，石油鉆井用牙輪鉆頭等鉆頭可以滿足巖心鉆探施工擴(kuò)孔需要，但是成本較高，并且不能保證擴(kuò)出的新孔眼與原孔的同軸度，容易擴(kuò)偏，不利于后續(xù)施工，施工質(zhì)量很難滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。因此有必要設(shè)計(jì)適合地質(zhì)鉆探用的擴(kuò)孔鉆頭[7]，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔后下入口徑大一級(jí)的套管，從而使用本級(jí)鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)取心，實(shí)現(xiàn)本級(jí)取心鉆具的連續(xù)取心工作。

2 保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)及加工

該保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭主要由變徑接頭、中心管、保徑腰帶、擴(kuò)孔刀板、導(dǎo)向腰帶、導(dǎo)正切削復(fù)合片及保徑腰帶肋骨支架和導(dǎo)向腰帶肋骨支架組成，具體鉆頭結(jié)構(gòu)示意及三維效果見(jiàn)圖1。

其中變徑接頭材質(zhì)為40Cr鋼材，外徑95.00 mm，上車(chē)床加工60.00 mm鉆具內(nèi)粗扣，擴(kuò)孔過(guò)程中可與上部鉆具(鉆鋌)聯(lián)接，加工外粗口與擴(kuò)孔鉆頭本體聯(lián)接。

鉆頭中心管由鋼級(jí)R780鉆具管材加工而成，外徑89 mm，壁厚10 mm，加工內(nèi)扣與變徑接頭聯(lián)接后，在絲扣部位開(kāi)孔打眼(開(kāi)孔4個(gè))后進(jìn)行堆焊，起錨固作用，如鉚釘一樣加固變徑接頭與擴(kuò)孔鉆頭中心管聯(lián)接部位。由于鉆探擴(kuò)孔過(guò)程中扭矩很大，如不聯(lián)接牢靠，很容易發(fā)生脫口現(xiàn)象，故此做法能有效防止此類(lèi)事故的發(fā)生。

保徑腰帶外徑273 mm，壁厚25 mm，由20號(hào)鋼板加工而成，相當(dāng)于整個(gè)擴(kuò)孔鉆頭的扶正器，主要作用是在鉆探擴(kuò)孔施工過(guò)程中與孔壁緊密貼合，可以起到扶正器的作用，能很好地保證鉆孔彎曲度符合設(shè)計(jì)要求，防止擴(kuò)孔過(guò)程中發(fā)生掉塊，保證擴(kuò)出的孔眼孔徑規(guī)則，有利于下套管[8]。

擴(kuò)孔刀板由金剛石復(fù)合片與保徑腰帶肋骨支架(厚度25 mm的20號(hào)鋼板)焊接構(gòu)成，主要作用是鉆探擴(kuò)孔過(guò)程中切削巖石。

導(dǎo)向腰帶外徑190 mm，壁厚25 mm，由20號(hào)鋼板加工而成，主要作用是在鉆探擴(kuò)孔過(guò)程中起導(dǎo)向作用，擴(kuò)孔過(guò)程中始終保持導(dǎo)向腰帶在原孔中隨擴(kuò)孔鉆頭一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證擴(kuò)出的新孔眼與原孔眼在同一條中心軸線上。

導(dǎo)正切削復(fù)合片取自磨損程度不嚴(yán)重的舊復(fù)合片鉆頭，在導(dǎo)向腰帶底部每1/4圓周割槽后鑲嵌2顆[9]，共8顆，主要作用是擴(kuò)孔過(guò)程中切削原孔眼內(nèi)的巖粉顆粒，防止鉆頭水槽被堵死，確保沖洗液能正常沖洗和攜帶鉆頭底部的巖粉。

保徑腰帶肋骨支架由厚度25 mm的20號(hào)鋼板加工而成，共4個(gè)，互相夾角90°均勻焊接排列[10]，主要作用是支撐保徑腰帶，便于焊接，保徑腰帶肋骨支架先與擴(kuò)孔鉆頭焊接后，上車(chē)床加工，將保徑腰帶肋骨支架的外徑車(chē)削成與保徑腰帶的內(nèi)徑尺寸一致[11]，這樣就可以保證擴(kuò)孔鉆頭中心管與保徑腰帶的同軸度，也能保證擴(kuò)孔刀板與擴(kuò)孔鉆頭本體的一致性，保證擴(kuò)孔刀板在鉆進(jìn)過(guò)程中能均勻受力[12]。

導(dǎo)向腰帶肋骨支架厚度與材質(zhì)與保徑腰帶肋骨支架一致，共4個(gè)，互相夾角90°均勻焊接排列，為了保證鉆頭使用過(guò)程中受力均勻，將導(dǎo)向腰帶肋骨支架與擴(kuò)孔鉆頭本體焊接后，上車(chē)床加工，將導(dǎo)向腰帶肋骨支架的外徑車(chē)削成與導(dǎo)向腰帶的內(nèi)徑尺寸一致[13]，這樣就可以保證擴(kuò)孔鉆頭中心管與保徑腰帶的同軸度。

3 保徑導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 擴(kuò)孔施工中遇到的問(wèn)題

2018年在寧夏靈武市實(shí)施的一個(gè)綜合地質(zhì)孔，使用XY-6B型立軸鉆機(jī)，配備260/7型泥漿泵，鉆孔設(shè)計(jì)深度800.00 m，鉆遇第四系破碎地層，含有大量礫徑1～50 cm的礫石(漂礫)，為了確保施工質(zhì)量滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求和后續(xù)施工順利，需要擴(kuò)孔后下入?168 mm技術(shù)套管，由于地層條件復(fù)雜，擴(kuò)孔難度大，設(shè)計(jì)并使用了3種規(guī)格擴(kuò)孔鉆頭[14]，即?365、219、275 mm。

該鉆孔采用三開(kāi)鉆孔結(jié)構(gòu)，一開(kāi)采用?124 mm鉆具+?60 mm鉆桿開(kāi)鉆，鉆進(jìn)至25.6 m，穿過(guò)松散砂層，采用?365 mm三翼擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至25.6 m下入?325 mm表層套管，繼續(xù)用?124 mm取心鉆具+45 m鉆鋌(外徑68 mm，壁厚12 mm)+?60 mm鉆桿鉆具組合，鉆進(jìn)至176.1 m，由于地層條件復(fù)雜，坍塌掉塊，需要擴(kuò)孔下技術(shù)套管對(duì)復(fù)雜孔段進(jìn)行封隔，為了確保擴(kuò)孔質(zhì)量，采用?219 mm三翼擴(kuò)孔鉆頭+45 m鉆鋌+?60 mm鉆桿擴(kuò)孔至176.1 m，擴(kuò)孔過(guò)程中由于地層復(fù)雜，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力大，多次出現(xiàn)憋車(chē)現(xiàn)象，為了防止擴(kuò)出的新孔眼偏離原孔眼的中軸線，鉆進(jìn)參數(shù)選擇余地小(轉(zhuǎn)速100 r/min，鉆壓2 kN)，施工效率低，平均擴(kuò)孔進(jìn)尺1.5 m/h，擴(kuò)孔工期8 d，擴(kuò)出的新孔眼孔徑不規(guī)則，技術(shù)套管(外徑168 mm，壁厚4 mm)下至58 m處遇阻，由于技術(shù)套管材質(zhì)所限，不能旋轉(zhuǎn)通徑，最終提出套管重新擴(kuò)孔。

3.2 擴(kuò)孔鉆頭的改進(jìn)

為了能順利的下技術(shù)套管，增大了擴(kuò)孔鉆頭的直徑，即由原來(lái)的擴(kuò)孔直徑219 mm增大到275 mm，對(duì)擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)，特別是鉆頭增加了前后導(dǎo)向和扶正功能(見(jiàn)圖2)，使得鉆頭在進(jìn)行第二次擴(kuò)孔時(shí)鉆具穩(wěn)定性好[15]，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)平穩(wěn)。二次擴(kuò)孔時(shí)采用的鉆具組合為?275 mm導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭+45 m鉆鋌+?60 mm鉆桿，擴(kuò)孔至176.1 m，施工過(guò)程順利。

圖2 改進(jìn)后的擴(kuò)孔鉆頭Fig.2 Improved reaming bit

3.3 導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭應(yīng)用效果

采用改進(jìn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔，由于該擴(kuò)孔鉆頭具有一定的導(dǎo)向作用，擴(kuò)孔過(guò)程中可以選擇合理的轉(zhuǎn)速和鉆壓(轉(zhuǎn)速200 r/min，鉆壓10 kN)，擴(kuò)孔效率明顯提升，平均擴(kuò)孔效率由原來(lái)的1.5 m/h提高到3.5 m/h，擴(kuò)孔工期2.5 d。有效節(jié)約了鉆探成本；擴(kuò)孔后的孔徑規(guī)則，下技術(shù)套管(外徑168 mm，壁厚4 mm)順利，沒(méi)有出現(xiàn)下套管遇阻等困難。具體鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，孔徑測(cè)井曲線見(jiàn)圖4。

4 使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

問(wèn)題1：第一次試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)向腰帶底部沒(méi)有鑲嵌復(fù)合片，擴(kuò)孔過(guò)程中導(dǎo)向腰帶底部與孔內(nèi)巖粉摩擦阻力大，泥漿泵泵壓高，巖粉清理不及時(shí)，擴(kuò)孔效果不太理想。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.3 Borehole structure

圖4 孔徑測(cè)井曲線Fig.4 Caliper logging curve

解決方法：在導(dǎo)向腰帶底部割槽，將舊復(fù)合片鉆頭的復(fù)合片部分切塊，鑲到導(dǎo)向腰帶底端槽中用氧焊焊接，使得導(dǎo)向腰帶的作用增加為兩個(gè)，一方面可以起導(dǎo)正作用，另一方面可以起切削巖粉作用。改進(jìn)后導(dǎo)致效果良好，泵壓正常，擴(kuò)孔順利。

問(wèn)題2：第一次試驗(yàn)時(shí)擴(kuò)孔刀板的外保徑采用硬質(zhì)合金焊接，由于擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具外徑承受的摩擦阻力最大，故鉆具外徑(硬質(zhì)合金部分)磨損嚴(yán)重，加之鉆遇地層堅(jiān)硬、破碎不完整，大部分礫石(漂礫)的巖石硬度在6級(jí)以上，在擴(kuò)到孔深100 m時(shí)，鉆頭的外保徑已嚴(yán)重磨損。

解決方法：將原硬質(zhì)合金保徑割除，重新補(bǔ)焊鋼板，并氧焊焊接金剛石復(fù)合片做外保徑，改進(jìn)后的外保徑使用效果良好，完成剩余擴(kuò)孔施工后外保徑依然完好(見(jiàn)圖2)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)為了適應(yīng)巖心鉆探大孔徑擴(kuò)孔的擴(kuò)孔需要和孔內(nèi)安全，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了具有導(dǎo)向保徑作用的擴(kuò)孔鉆頭，擴(kuò)孔后下入大一級(jí)套管，用原口徑取心鉆具繼續(xù)施工，避免了每下一層套管就降低一級(jí)孔徑的問(wèn)題，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良，滿足了地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

(2)導(dǎo)向腰帶底部需排列鑲嵌復(fù)合片，既可以降低原孔眼對(duì)導(dǎo)向腰帶的磨損，又可以切削孔底巖粉，保證沖洗液正常循環(huán)，攜帶巖粉，保持孔底干凈，提高擴(kuò)孔效率。

(3)導(dǎo)向腰帶底部鑲嵌的復(fù)合片可以從工況良好的舊復(fù)合片鉆頭上割取，一方面鑲嵌帶有部分胎體的舊復(fù)合片采用氧焊焊接后比較牢靠，另一方面可以降低加工擴(kuò)孔鉆頭的成本。

(4)采用該擴(kuò)孔鉆頭用于巖心鉆探擴(kuò)孔，施工效率高，擴(kuò)出的孔眼規(guī)則，下套管順利，可以提高生產(chǎn)效率，有效節(jié)約鉆探成本，增加社會(huì)效益。