超前侧喷双管钻头在破碎砂泥岩的应用试验论文_李道宾 黎艺明 陆高正

摘　要：某灌区工程银屯-凡平隧洞所处地层砂泥岩层厚小，互层频繁，软硬相间，节理、裂隙密集发育，钻探岩芯采取率不高。通过研究选取超前侧喷双管钻头进行应用试验，配合合理的钻进参数，能极大地提高破碎砂泥岩地层清水钻进岩芯采取率。

关键词：砂泥岩 超前侧喷双管钻头 岩芯采取率

1 前言

破碎地层取芯钻进中，钻头是取芯的关键，其冠面形状、布齿情况、水眼结构、破岩速度等对岩芯的形成和进入岩芯内管有重大的影响。采用单动双管钻具及传统双管钻头可减少钻进过程中岩芯在内管所受机械磨蚀和冲洗液冲刷作用，但冲洗液在钻头部分的循环路径是经过钻头与岩芯的间隙，无法减少岩芯所受冲刷作用，对岩芯采取率影响很大。具有侧向超前水口与超前齿的超前侧喷双管钻头可使冲洗液从钻头侧向水眼流出，改变了流动方向，避免进入钻头的岩芯被冲刷；超前齿部分提前进入地层，挡住冲洗液，可有效地保护钻头前部的岩芯，极大地提高岩芯采取率。

2 工程概况

某灌区工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，开发任务以灌溉为主，兼顾城乡生活生产供水，设计年供水规模813万立方米，灌溉总面积59.7万亩，受益总人口达26.7万人。其银屯-凡平隧洞出露地层为河口组和百逢组薄～中厚层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩夹泥岩，局部有厚层状砂岩，岩层层厚不均，约20～60cm，倾角20°～60°，岩层互层频繁，软硬相间，节理、裂隙密集发育，岩体整体风化破碎。（如图1）。

图1 附近同地层出露岩体情况

3 技术分析

3.1 岩芯采取率低的原因分析

传统双管钻头在破碎砂泥岩钻进时，岩芯采取率普遍较低，一般在30-50%左右，有些钻孔甚至无法取芯。通过研究分析，造成岩芯采取率低的原因主要有：

（1）岩层厚小，互层频繁，软硬相间，节理、裂隙密集发育，回转钻进过程受钻头磨蚀作用，进入岩芯管前大部分已受机械破坏；

（2）地层岩性中富含亲水矿物成分，受冲洗液冲刷作用，使岩芯被冲蚀流散；

（3）钻头水路系统没有隔水功能，从钻具内外管间隙流向钻头的冲洗液直接冲刷进入钻头的岩芯；

（4）冲洗液使用不当，只能通过清水钻进，因钻孔压水试验规程有关规定，无法通过配置泥浆型钻井液有效增强对岩芯的保护作用；

（5）钻进参数选取不当，破碎砂泥岩地层钻进时，须严格控制泵量、转速、压力、回次进尺等钻进参数，在前期钻孔施工过程没有采用合理钻进参数，也是取芯率偏低的其中一个关键因素。

通过分析，在不能采用配置泥浆钻井液进行钻进的前提下，只能通过改变钻头结构和调整合适钻进参数来提高岩芯采取率。因此，我们决定引入超前侧喷双管钻头进行应用试验。

3.2 超前侧喷双管钻头结构特点及取芯原理

（1）结构特点

超前侧喷双管钻头由两部分组成，即常规钻头部分和超前齿部分，两部分是呈阶梯状的变径钢体，变径处均匀分布由内向外的斜水口和相应的水槽，在斜水口的四周填充有保径材料，在超前齿部分的尾部进行钻头胎体的烧结加工，成品详见图2。

图2 超前侧喷双管钻头成品

（2）取芯原理

超前侧喷双管钻头钻进时，冲洗液经双管钻具内、外管间的环状间隙流至钻头时从侧面斜水口喷出，改变了流动方向，保证了进入钻头的岩芯不被冲蚀，钻头超前部分罩住尚未进入钻头的岩石并进行切削碎岩，同时减弱了冲洗液的流速，有效地保护了钻头前部的岩芯，而钻具具有单动功能（外管转动、内管相对不动）可避免因钻具转动造成对岩芯的机械破坏作用，能极大提高岩芯的采取率。

4 应用试验

4.1 钻孔设备与钻进参数

本次现场试验，钻机选用飞碟牌XUL100型岩芯钻机，水泵选用杭钻SZGB3250型三缸清水泵。钻进参数合理调整为（钻进压力：10-15KN、钻机转数：300-590r/min、泵量：40-60L/min）。

4.2 试验效果

本次现场试验是在前一阶段已钻进三个孔（ZZK01、ZGZK1008、ZGZK1005）附近分别布置一个试验孔，相应孔号为JSTZK01、ZGZK1008-1、JTZK02。其中JSTZK01为水中孔，机台由油桶搭设，稳定性较差，相邻平面距离54.4m，高程差为8.4m的已知岸上钻孔ZZK01破碎孔段为8.7～18.7 m；ZGZK1008-1为半坡孔，相邻平面距离72.5m，高程差为17.7m的已知坡谷钻孔ZGZK1008破碎孔段为7.8～21.5m；JTZK02为半坡孔，相邻平面距离74m，高程差为7.6m的已知路边钻孔ZGZK1005破碎孔段为8.6～20.2m。

试验结果表明，同样在破碎砂泥岩层中钻进，传统双管钻头岩芯采取率极低，甚至无法取芯，岩芯多为碎块状或砂状（岩屑）；超前侧喷双管钻头岩芯采取率有显著提高，平均岩芯采取率达85%以上，不仅满足了钻孔设计要求，还使岩芯节理、裂隙的完整性和原状性得到了较好的保持。现场试验取芯结果统计详见表1，岩芯实物照片详见图3。

表1 现场试验取芯结果统计表

图 3 岩芯实物照片

5 结语

某灌区工程银屯-凡平隧洞钻探过程中所遇砂泥岩地层较破碎，岩芯采取率低，地层地质岩性判断难度大。通过研究选取超前侧喷双管钻头来解决冲洗液冲蚀岩芯的问题，配合合理的钻进参数，能极大地提高破碎砂泥岩地层清水钻进的岩芯采取率。该超前侧喷双管钻头可在类似地层钻探中推广应用。

参考文献：

[1] 张绍和 吴晶晶等.超前侧喷单动双管钻具在破碎地层中的应用试验.探矿工程.2013；10.

[2] 张仁聪 张绍和等.超前侧喷绳索取心钻头的研制.金刚石与磨料磨具工程.2013；06.

[3] 吴晶晶.超前侧喷取心钻具的研制.中南大学.2013；07.

[作者简介] 李道宾（1989-），男，广西上林人，广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司工程师，学士，主要从事水利工程勘测工作。

论文作者:李道宾 黎艺明 陆高正

论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期

论文发表时间:2020/4/17

标签：钻头论文;  超前论文;  泥岩论文;  地层论文;  双管论文;  钻孔论文;  洗液论文;  《科学与技术》2019年20期论文;