空气潜孔锤跟管钻进技术(赵建勤)

中国地质科学院探矿工艺研究所赵建勤（Tel:[phone]年11月空气潜孔锤跟管钻进技术1、概述2、空气潜孔锤跟管钻进工作原理3、空气潜孔锤跟管钻进国内外现状4、空气潜孔锤跟管钻进配套机具5、空气潜孔锤跟管钻进工艺1概述空气潜孔锤跟管钻进技术是以压缩空气作为动力，跟管钻具在空气潜孔锤和钻机扭矩作用下进行冲击回转钻进并实现同步跟进套管，终孔后跟管钻具从套管中提出，套管用于护壁的一种钻进新技术。1.1空气潜孔锤跟管钻进特点主要用于难于成孔的破碎地层，如卵砾石层、流砂层、覆盖层、坡积层等；钻进速度快、效率高，一般可达到5m/h；干式（空气）钻进，对缺水地区、不能用水的滑坡施工等有重要意义；套管能回收，重复使用；1.1空气潜孔锤跟管钻进特点单级跟管钻进孔深一般为40m，有的可达到80m以上；地层含泥量很高时易堵气孔；钻机要求低转速（50转/分以下）、大扭矩，最好是长行程的多功能钻机、水井钻机等，若地质钻机要能降速。1.2空气潜孔锤跟管钻进应用领域地质勘探地灾治理、应急抢险（重庆武隆滑坡抢险工程）水井钻进（云南抗旱打井工程、山东抗旱打井工程）水电站建设（云南小湾水电站高边坡抢险工程）城市高层建筑地基处理高速公路、铁道建设工程隧道管棚施工石油物探钻孔等。滑坡勘察取芯GK4GK13GK4现场GK13现场GK-4孔岩芯（局部）GK-13孔岩芯（局部）地灾防治锚固工程云南小湾水电站滑坡抢险水电站高压旋喷工程地铁降水井隧洞管棚支护地质钻机--地灾治理深基坑抗浮锚索深基坑护壁锚索深基坑护壁锚索---小型钻机2空气潜孔锤跟管钻进工作原理跟管钻进现场跟管钻具结构类型空气潜孔锤跟管钻具是进行跟管钻进最主要的器具，目前国内外有很多种结构类型，主要有偏心、同心、对心、取芯跟管钻具四类，结构不同其工作原理也不一样。2.1空气潜孔锤偏心跟管钻进原理偏心跟管钻具要有二种功能：能实现扩底钻进同步跟进套管钻进状态收拢提升状态排渣路线图2.2空气潜孔锤同心跟管钻进原理同心跟管钻具要有二种功能：能实现扩底钻进同步跟进套管钻进状态收拢提升状态2.3空气潜孔锤对心跟管钻进原理钮矩：钻机--钻杆--冲击器--中心钻头凹槽--环形钻头凸肩；环形钻头与管靴之间通过卡簧实现环形钻头转动而管靴和套管不转动的目的。2.4空气潜孔锤取芯跟管钻进原理主要由中心取芯钻具、套管靴总成组成。钻具设置了实现具体功能的超前钻进机构、空气分流机构、传扭机构、传压机构、分动机构、取芯装置。2.4空气潜孔锤取芯跟管钻进原理钻进时，取芯跟管钻具实现冲击回转钻进，岩芯随钻进入岩芯管；套管同步跟进。钻进回次结束，中心钻具直接被提到地表取岩芯，套管则留在孔内。岩心Φ168套管钻孔孔壁套管靴总成套管钻头传压凸台中心取样钻具外管传扭花键付高压通气孔中心钻头3空气潜空锤跟管钻进国内外现状3.1国内外用于空气潜孔锤跟管钻进的钻机很多，根据不同钻机其工艺分为：单动力头跟管钻进--常用双动力头跟管钻进—增加钻孔深度反循环跟管钻进--双壁钻杆单动力头单动力头双动力头反循环钻机3.2国外跟管钻具阿特拉斯柯普科公司Odex钻进法Top公司偏心跟管钻具三菱公司同心跟管钻具Top公司同心跟管钻具力骏公司同心跟管钻具Top公司同心跟管钻具对心跟管钻具德国斯坦威克公司的双动力头跟管钻进系统3.3国内跟管钻具我国最早开展空气潜孔锤跟管钻进技术研究单位有多项国家专利SP型偏心跟管钻具SD型偏心跟管钻具DP型偏心跟管钻具同心跟管钻具同心跟管钻具同心跟管钻具同心跟管钻具同心跟管钻具取芯跟管钻具反循环跟管钻具4空气潜孔锤跟管钻进配套机具4.1空压机（风压和风量）4.1.1首先要满足潜孔冲击器所需的最小风压和风量的需要---潜孔冲击器能正常工作；90型冲击器110型冲击器350型高风压冲击器380型高风压冲击器4.1.2满足最低清孔、排渣的需要，即要求上返风速≥10m/s。在施工现场，由于受输气管线距离长短、管线接头连接尺寸以及钻进中地层裂隙的漏失等因素影响，在理论计算值的基础上应留有余地。要以能满足正常钻进工艺循环为原则，在条件允许的情况下应尽量选用能力较大的空压机。4.2钻机   钻机参数选择依据 钻机扭矩起拔能力   钻机能力  动力头形式钻机质量大小钻机动力头行程通孔能力性能价格比工程工期地形、地貌特征工艺方法（地层复杂程度）钻孔深度钻孔直径钻机选型原则低转速、大扭矩钻机能力宜大不宜小。选用能力较大的钻机对提高工程施工效率有积极作用,尤其是在一些复杂地层、钻进过程中容易出现坍孔、卡钻、埋钻等异常事故的地区。90型钻机4.3钻杆钻杆的选用首先要有足够的强度以防扭断，同时要综合钻机能力和清孔排渣的需要。经验表明,选用直径较粗的外平式钻杆效果较好。4.4潜孔锤潜孔锤的选用要与空压机的能力相匹配，也要与跟管钻具相匹配。4.5套管套管直径（外径）常用规格：89、108、127、140、146、168、178、194、219、245、273……套管材料及连接螺纹要具备较好的综合机械性能,一般套管及接头材料应采用合金结构钢并进行热处理273套管4.6跟管钻具如前所述,跟管钻具的结构形式较多，每种钻具都有各自的优缺点，选择跟管钻具是比较关键的一步，要考虑的因素有：施工设备---空压机、钻机施工地层情况孔深、孔径操作人员的习惯等。4.6.1空气潜孔锤偏心跟管钻具偏心跟管钻具因其套管靴通过直径大,结构简单、可靠等优点而在很多工程中被广泛采用。4.6.2复合式空气潜孔锤跟管钻具4.6.3空气潜孔锤同心式跟管钻具14.6.4同心式空气潜孔锤跟管钻具4.6.5空气潜孔锤对心跟管钻具4.6.6空气潜孔锤取芯跟管钻具4.7拔管机5空气潜孔锤跟管钻进工艺5.1工艺流程如下图所示反转收敛钻具、提钻每钻进0.3～0.4米强吹孔排屑跟管钻进造孔孔斜检测跟管钻进开孔检查跟管钻具等连接牢固、转动灵活校正、定位钻机就位钻孔放样换常规钻头通过套管靴继续钻进至设计孔深跟管钻进至孔壁能自稳处5.3跟管钻进操作注意事项开钻前检查是否牢固可靠，转动是否灵活不要盲目追求跟管钻进速度，以防排屑不及时而卡钻注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况螺纹连接必须用加力杆（长力臂）拧紧等5.2空气潜孔锤跟管钻具装配、调试5.4常见故障及处理办法故障原因现象处理办法冲击器工不作1、冲击器磨损；2、冲击器内进入异物；3、从钻杆中加油润滑冲击器，单次加油量过多，粘住阀门；4、钻具尾管断裂。1、更换修理冲击器；2、取出异物；3、间歇性加油单次加油量不宜过多，最好使用注油器连续加油润滑冲击器；4、更换尾管。套管不同步跟进1、与管靴连接的套管螺纹断裂；2、孔口有大块异物落入，使套管脱扣或套管螺纹断裂。1、套管螺纹加工应按工艺要求进行，并上紧套管螺纹；2、防止孔口落入大块异物。跟管钻具无法提升孔底残留岩渣过多，扩孔钻头回转部分被岩渣卡死而影响扩孔钻头的收拢。输送压缩空气，重新对钻孔底部进行清孔；使潜孔锤作短时间工作，然后回转扩孔钻头提升作业。5.5空气潜孔锤取芯跟管钻进工艺5.5.1钻机安装要求（1）全液压钻机要求钻机具备提升钻具的长度2.5～2.8m。一般全液压钻机的行程为1.8m。垂直孔：采取垫高钻机，结合挖坑的方法，很容易实现钻机提升高度达到2.5m或2.8m的要求。斜孔：滑坡勘查的斜孔一般在斜坡上施工，必须搭建施工平台，所以可在搭建施工平台时预先流出提升钻具的空间。5.5.1钻机安装要求（2）立轴钻机在采用立轴钻机时，提升钻具靠钻塔，其高度一般在6米以上，提升钻具长度完全满足要求。这时提升钻具长度变为加接套管长度的能力。一般为1.5m。立轴钻机行程0.4～0.6m，为了增加1.5m长的套管，必须搭建平台，其高度与钻机行程之和必须大于1.5m。垂直孔：搭建距孔口高0.8～1.0m的平台，或挖0.8～1.0m深的坑。斜孔：在搭建施工平台时预留。5.5.1钻机安装要求建平台预留2.8米提钻长度采用立轴钻机，搭建约1米高平台，提供加接1.5米长度套管的空间。5.5.2钻具装配与调试（1）将中心钻具装入套管靴总成，检查调试钻具到位的灵活可靠性。要求：中心取芯钻头能灵活地插入套管钻头，又能灵活地退出，保证良好的间隙配合；检查中心钻头超前量，即中心钻头底端与套管钻头底端的距离，让钻具完全到位。5.5.2钻具装配与调试（2）检查调式环形钻头与管靴的悬挂分动式连接副的分动性能，要求二者能灵活地相对转动，除采取良好的间隙配合精度外，可在其配合空间内注黄油以提高分动灵活性能。（3）检查调试岩芯管的短节部分与中心钻头的密封性能，消除高压空气可能串入钻头底唇内部（低压气流腔）的不利因素。（4）检查疏通低压空气通道，消除空气堵塞等影响岩芯进入岩芯管的因素。5.5.3空气潜孔锤取芯跟管钻进工艺（1）钻进工序开孔:将套管靴总成直接放到孔位，采用简易措施将其定位；将中心钻具下入套管内并使其到位，送空气，开动钻机进行冲击回转钻进。钻具到位判断:每回次钻杆下完后，采用钻机控制钻具下行，下至接近（LY+210mm时，用管钳搬动钻具旋转，使取芯钻头与套管钻头处于配合状态。这一过程的直观表现是下放钻具遇阻，搬动钻具，钻具在旋转过程中瞬间往下掉210mm。检查实际机上余尺与计算余尺LY是否吻合，吻合则说明钻具到位，可以进行正常钻进操作；如实际机上余尺大于(LY+210mm)，说明钻具尚未到位，不能进行钻进操作。5.5.3空气潜孔锤取芯跟管钻进工艺正常钻进根据地层和钻具直径规格，采用相应的钻进参数进行潜孔锤取芯跟管钻进。钻进时，上下钻具的活动量一般不大于100mm。起下钻采取岩芯，同时，根据上回次进尺加接套管。（2）操作规程及其注意事项正确判断钻具到位，在中心钻具尚未到位情况下，严禁钻进操作，只有当准确判断确认钻具到位后，才能进行正常的钻进操作。严格控制回次进尺，回次进尺严禁超过回次取芯长度；钻进时一旦出现异常现象，及时停钻检查并排除故障原因。（3）常见故障及其处理方法钻具不到位处理方法空气冲孔，使孔底具有钻具到位的空间；用小一级取芯钻具打捞残留岩心，使孔底具有钻具到位的空间；岩芯采取率低于70%，检查和调整短节与中心钻头的密封效果；冲击器工作不稳定一般是钻屑大量堆积堵塞在钻头上部；采取上下升降钻具冲排钻屑，升降量不超过50mm。谢谢！赵建勤电话:[phone]