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摘要：深厚砂卵石地层钻进与取样一直是钻探行业的技术难题。目前的钻进与取样技术也比较多，但都各有其优点和缺点。通过对某管道黄河穿越工程勘察中金刚石钻进技术的研究与应用，提高了钻探质量，为深厚砂卵石地层钻探提供一些参考。
关键词：金刚石钻头；砂卵石地层；金刚石钻进
Abstract: the deep sandy pebble stratum drilling and sampling is the technical problems of drilling industry. Current drilling and sampling technology is also more, but each has its advantages and disadvantages. Through the diamond drilling technology in pipeline crossing Yellow River project survey of the research and application, improve the quality of drilling and provide some reference to deep sandy pebble stratum drilling.
Key words: diamond drill bit; Sandy pebble stratum; Diamond drilling
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1.概述
深厚砂卵石地层复杂，分布无规律，结构松散变化大，粒径不一，常有漂石和大孤石，架空现象严重，透水性强。在钻进过程中总会遇到钻进难、取芯难和护壁难等难题[1] [2]。目前常规的钻进技术主要有钢粒钻进 [3]、硬质合金钻进、金刚石钻进、干钻[4]、管钻、潜孔锤钻进[5]等一系列技术。金刚石钻进技术从上世纪80年代开始推广使用，已逐渐成熟，但在深厚砂卵石地层中钻进还存在钻头非正常损坏以及冲洗液选配的问题[6]。
2.工程地质情况
该工程为管道穿黄勘探工程，工区位于西霞院坝址下游2km黄河滩上，地层主要以砂卵石层为主，夹有粉质粘土、泥粉砂岩、和砂质粘土。卵石主要成分以石英砂岩和砂岩为主，粒径在30～100mm，个别可以达到200mm。砂卵石层深度可达90m。地层结构大致为0～26m为砂卵石层，26～31m为粉质粘土和泥粉砂岩，31～92m为砂卵石层，92m以后为砂质粘土、细砂或砂岩。
3.钻进技术及存在的问题
3.1 钻进技术的选择
在以往的工作中，钻进技术要求上对岩芯的质量要求不高，重点是地层划分以及地层的原位性试验，因此常采用成本较低的钢粒钻进技术。但本次工作对岩芯质量要求较高，结合地层情况，以及钻进技术要求，综合考虑后，采取金刚石钻进技术，采用泥浆做为冲洗液。具体钻孔设计为采用Φ130mm钻具开孔钻进，锤击跟进Φ168mm厚壁套管护壁至15m；换用Φ91mm钻具钻进至设计孔深，锤击跟进Φ127mm厚壁套管护壁至26m。钻探设备采用XY-2钻机，BW-200泥浆泵。
3.2 钻进存在的问题
3.2.1 钻头存在的问题
一般深厚砂卵石地层中的砂卵石具有一定的自由度，普通金刚石钻头在钻进这类地层时窜动比较厉害，钻头胎体受冲击较大，钻头磨损快，寿命短，掉块现象严重且影响取芯质量。在该工区钻进出现如下问题：
（1）内外保径磨损较重，钻头唇面中间工作断面磨损较轻
在钻进过程中，新钻头在钻进一定时间后，卡钻的次数增多，且进尺缓慢。提钻后发现钻头内外保径磨损较重，钻头唇面中间工作断面磨损较轻，岩芯不能顺利进入岩芯管。分析其主要原因是砂卵石研磨性強，岩芯破碎，且钻头唇面金刚石分布与内外保径设计不合理，导致钻头唇面不同步磨损，影响进尺，内外保径提前磨损后，岩芯不能顺利进入内管，发生卡钻现象。
（2）胎体出现裂纹，甚至掉块，损毁
分析原因：一是钻头内外侧工作唇面与内外保径磨损后，进尺缓慢和易卡钻，在没有及时分析清原因时，盲目加压钻进，以至于压力过大压裂胎体；二是岩芯自卡，胀裂胎体；三是钻具振动大，导致钻头胎体产生裂纹或掉块，或是下钻时操作不当，碰触探头石。
3.2.2冲洗液存在的问题
从取出的岩芯样品观察，发现地层中充填物大部分流失。分析原因是冲洗液浓度过高，且冲洗液量过大，导致深厚砂卵石地层中充填物流失，无法保证地层的原位性。
3.2.3 钻进参数存在的问题
（1）钻压存在的问题
在钻进过程中，出现了胎体被压裂，卡钻的情况。分析原因是在钻进过程中，出现进尺缓慢、钻头窜动比较厉害的情况，工人通常通过提高压力来解决这些问题。但盲目提高压力，就出现了胎体被压裂，加剧卡钻的情况发生，加速钻头磨损，降低钻头寿命。
（2）转速存在的问题
金刚石钻头在钻进这类地层时窜动比较厉害，钻进不平稳；钻具损耗较高，钻机出问题机率较高，需经常维修，降低效率；并且岩芯的原位性较低。分析原因是转速过高造成的。
（3）泵量存在的问题
为防止埋钻和加强孔内岩屑清理效果，往往采用大泵量。但大泵量带来的后果是将地层中充填物带走，造成取芯质量较低；冲刷孔壁，造成孔壁失稳。
4.改进措施及应用效果
4.1 钻头的改进
针对钻头存在的问题，根据地层特性，调整胎体的硬度达到HRC40～50；适当增加胎体厚度；调整唇面上金刚石浓度分布，降低唇面中间断面部分金刚石含量，提高唇面内外侧金刚石含量；考虑到取芯质量要求以及冲洗液对砂卵石地层充填物以及岩粉冲蚀性较强，降低水口数量；内外保径采用方状聚晶阶梯式排列保径。
改进后的钻头，较好地解决了之前出现的问题，提高了使用寿命和钻进效率。
4.2 冲洗液的改进
针对冲洗液存在的问题，调整冲洗液配方，降低冲洗液浓度，并加入一定量的润滑剂改善冲洗液性能，并在钻进过程中采用低泵量循环。经过调整后，地层中充填物流失较少，取芯率得到提高。
4.3 钻进参数的改进
应用改进后的钻头和冲洗液，采用10～12kN的钻压、260～300r/min的转速、50～70L/min的泵量，不在钻进过程中随意改变钻进参数。钻进平稳、钻进效率高、取芯质量高、机械损伤小以及孔故少。每班进尺可以达到13m，钻头寿命在20m以上。
5.总结
虽然经过一系列改进后，本区中金刚石钻进技术无论从取芯质量还是钻进效率上都明显高于钢粒钻进技术，但仍有些细节需要注意，以便更好的提高钻进质量。
（1）金刚石钻头可以排队使用，先用外径大的，再用小的；或先用内径小的，再用内径大的。
（2）选用适宜的钻进参数，压力、转速、泵量不宜过高。
（3）泥浆浓度不宜过大，但要保证一定的润滑性。
（4）回次进尺控制在1～1.5m。如发现卡钻、堵芯后立刻提钻。
（5）缓慢提下钻，避免在孔内产生较大吸力，引起孔壁坍塌，必要时，可在提下钻过程中向孔内补浆。
深厚砂卵石地层情况复杂，应根据地层具体情况设计和选择合适的金刚石钻头、冲洗液和钻进参数，一定会获得理想的应用效果。
参考文献
[1]鲁慎吾，任德昌.深厚覆盖层建坝研究成果综述[J].四川水利发电，1988，12：11－21.
[2]林德恒.复杂地层分类及其治理措施[J].探矿工程，1993（5）：58－59.
[3]李世忠.钻探技术学[M].北京：地质出版社，1989.
[4]刘桂松.干钻法在砂砾石层钻进中的成功应用[J].西部探矿工程，2001，（4）.
[5]楼日新.复杂地层潜孔锤跟管钻进技术研究[D].成都理工大学博士论文，2007.
[6]阮海龙，纪卫军，沈立娜，欧阳志勇.针对复杂地层金刚石钻头的改进与应用[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（5）：67－69.
作者简介
崔爱军，男，1963，汉族，河南省开封市人，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院岩土工程部，从事钻探工作。
关键词：金刚石钻头；砂卵石地层；金刚石钻进
Abstract: the deep sandy pebble stratum drilling and sampling is the technical problems of drilling industry. Current drilling and sampling technology is also more, but each has its advantages and disadvantages. Through the diamond drilling technology in pipeline crossing Yellow River project survey of the research and application, improve the quality of drilling and provide some reference to deep sandy pebble stratum drilling.
Key words: diamond drill bit; Sandy pebble stratum; Diamond drilling
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1.概述
深厚砂卵石地层复杂，分布无规律，结构松散变化大，粒径不一，常有漂石和大孤石，架空现象严重，透水性强。在钻进过程中总会遇到钻进难、取芯难和护壁难等难题[1] [2]。目前常规的钻进技术主要有钢粒钻进 [3]、硬质合金钻进、金刚石钻进、干钻[4]、管钻、潜孔锤钻进[5]等一系列技术。金刚石钻进技术从上世纪80年代开始推广使用，已逐渐成熟，但在深厚砂卵石地层中钻进还存在钻头非正常损坏以及冲洗液选配的问题[6]。
2.工程地质情况
该工程为管道穿黄勘探工程，工区位于西霞院坝址下游2km黄河滩上，地层主要以砂卵石层为主，夹有粉质粘土、泥粉砂岩、和砂质粘土。卵石主要成分以石英砂岩和砂岩为主，粒径在30～100mm，个别可以达到200mm。砂卵石层深度可达90m。地层结构大致为0～26m为砂卵石层，26～31m为粉质粘土和泥粉砂岩，31～92m为砂卵石层，92m以后为砂质粘土、细砂或砂岩。
3.钻进技术及存在的问题
3.1 钻进技术的选择
在以往的工作中，钻进技术要求上对岩芯的质量要求不高，重点是地层划分以及地层的原位性试验，因此常采用成本较低的钢粒钻进技术。但本次工作对岩芯质量要求较高，结合地层情况，以及钻进技术要求，综合考虑后，采取金刚石钻进技术，采用泥浆做为冲洗液。具体钻孔设计为采用Φ130mm钻具开孔钻进，锤击跟进Φ168mm厚壁套管护壁至15m；换用Φ91mm钻具钻进至设计孔深，锤击跟进Φ127mm厚壁套管护壁至26m。钻探设备采用XY-2钻机，BW-200泥浆泵。
3.2 钻进存在的问题
3.2.1 钻头存在的问题
一般深厚砂卵石地层中的砂卵石具有一定的自由度，普通金刚石钻头在钻进这类地层时窜动比较厉害，钻头胎体受冲击较大，钻头磨损快，寿命短，掉块现象严重且影响取芯质量。在该工区钻进出现如下问题：
（1）内外保径磨损较重，钻头唇面中间工作断面磨损较轻
在钻进过程中，新钻头在钻进一定时间后，卡钻的次数增多，且进尺缓慢。提钻后发现钻头内外保径磨损较重，钻头唇面中间工作断面磨损较轻，岩芯不能顺利进入岩芯管。分析其主要原因是砂卵石研磨性強，岩芯破碎，且钻头唇面金刚石分布与内外保径设计不合理，导致钻头唇面不同步磨损，影响进尺，内外保径提前磨损后，岩芯不能顺利进入内管，发生卡钻现象。
（2）胎体出现裂纹，甚至掉块，损毁
分析原因：一是钻头内外侧工作唇面与内外保径磨损后，进尺缓慢和易卡钻，在没有及时分析清原因时，盲目加压钻进，以至于压力过大压裂胎体；二是岩芯自卡，胀裂胎体；三是钻具振动大，导致钻头胎体产生裂纹或掉块，或是下钻时操作不当，碰触探头石。
3.2.2冲洗液存在的问题
从取出的岩芯样品观察，发现地层中充填物大部分流失。分析原因是冲洗液浓度过高，且冲洗液量过大，导致深厚砂卵石地层中充填物流失，无法保证地层的原位性。
3.2.3 钻进参数存在的问题
（1）钻压存在的问题
在钻进过程中，出现了胎体被压裂，卡钻的情况。分析原因是在钻进过程中，出现进尺缓慢、钻头窜动比较厉害的情况，工人通常通过提高压力来解决这些问题。但盲目提高压力，就出现了胎体被压裂，加剧卡钻的情况发生，加速钻头磨损，降低钻头寿命。
（2）转速存在的问题
金刚石钻头在钻进这类地层时窜动比较厉害，钻进不平稳；钻具损耗较高，钻机出问题机率较高，需经常维修，降低效率；并且岩芯的原位性较低。分析原因是转速过高造成的。
（3）泵量存在的问题
为防止埋钻和加强孔内岩屑清理效果，往往采用大泵量。但大泵量带来的后果是将地层中充填物带走，造成取芯质量较低；冲刷孔壁，造成孔壁失稳。
4.改进措施及应用效果
4.1 钻头的改进
针对钻头存在的问题，根据地层特性，调整胎体的硬度达到HRC40～50；适当增加胎体厚度；调整唇面上金刚石浓度分布，降低唇面中间断面部分金刚石含量，提高唇面内外侧金刚石含量；考虑到取芯质量要求以及冲洗液对砂卵石地层充填物以及岩粉冲蚀性较强，降低水口数量；内外保径采用方状聚晶阶梯式排列保径。
改进后的钻头，较好地解决了之前出现的问题，提高了使用寿命和钻进效率。
4.2 冲洗液的改进
针对冲洗液存在的问题，调整冲洗液配方，降低冲洗液浓度，并加入一定量的润滑剂改善冲洗液性能，并在钻进过程中采用低泵量循环。经过调整后，地层中充填物流失较少，取芯率得到提高。
4.3 钻进参数的改进
应用改进后的钻头和冲洗液，采用10～12kN的钻压、260～300r/min的转速、50～70L/min的泵量，不在钻进过程中随意改变钻进参数。钻进平稳、钻进效率高、取芯质量高、机械损伤小以及孔故少。每班进尺可以达到13m，钻头寿命在20m以上。
5.总结
虽然经过一系列改进后，本区中金刚石钻进技术无论从取芯质量还是钻进效率上都明显高于钢粒钻进技术，但仍有些细节需要注意，以便更好的提高钻进质量。
（1）金刚石钻头可以排队使用，先用外径大的，再用小的；或先用内径小的，再用内径大的。
（2）选用适宜的钻进参数，压力、转速、泵量不宜过高。
（3）泥浆浓度不宜过大，但要保证一定的润滑性。
（4）回次进尺控制在1～1.5m。如发现卡钻、堵芯后立刻提钻。
（5）缓慢提下钻，避免在孔内产生较大吸力，引起孔壁坍塌，必要时，可在提下钻过程中向孔内补浆。
深厚砂卵石地层情况复杂，应根据地层具体情况设计和选择合适的金刚石钻头、冲洗液和钻进参数，一定会获得理想的应用效果。
参考文献
[1]鲁慎吾，任德昌.深厚覆盖层建坝研究成果综述[J].四川水利发电，1988，12：11－21.
[2]林德恒.复杂地层分类及其治理措施[J].探矿工程，1993（5）：58－59.
[3]李世忠.钻探技术学[M].北京：地质出版社，1989.
[4]刘桂松.干钻法在砂砾石层钻进中的成功应用[J].西部探矿工程，2001，（4）.
[5]楼日新.复杂地层潜孔锤跟管钻进技术研究[D].成都理工大学博士论文，2007.
[6]阮海龙，纪卫军，沈立娜，欧阳志勇.针对复杂地层金刚石钻头的改进与应用[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（5）：67－69.
作者简介
崔爱军，男，1963，汉族，河南省开封市人，黄河勘测规划设计有限公司地质勘探院岩土工程部，从事钻探工作。