羅曉斌，羅凱

(1.江西核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊(duì)，江西鷹潭 335000;2.江西核工業(yè)建工集團(tuán)橋隧公司，江西鷹潭 335000）

偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)與應(yīng)用

羅曉斌1，羅凱2

(1.江西核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊(duì)，江西鷹潭 335000;2.江西核工業(yè)建工集團(tuán)橋隧公司，江西鷹潭 335000）

偏心楔是定向鉆進(jìn)技術(shù)的一種方法和手段，偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵工序是孔底架橋和在硬巖地層過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)。通過(guò)生產(chǎn)、科研相結(jié)合，對(duì)液壓金屬孔底塞和金剛石鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)研究，經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)應(yīng)用和3個(gè)鉆孔應(yīng)用效果對(duì)比，取得了較好的效果。

偏心楔;定向鉆進(jìn);架橋;液壓金屬孔底塞;金剛石鉆頭

0 問(wèn)題的提出

偏心楔是定向鉆進(jìn)技術(shù)的一種方法和手段。近幾年，我們?cè)阢@探施工實(shí)踐中，常遇到處理鉆孔糾斜、惡性孔內(nèi)事故偏繞、人工分支定向孔的施工，均采用定向鉆進(jìn)技術(shù)的偏心楔，而偏心楔鉆進(jìn)的關(guān)鍵工序就是孔底架橋和在硬巖地層過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)。

我們施工礦區(qū)所遇巖石以碎斑巖熔巖為主，巖石堅(jiān)硬，可鉆性等級(jí)在8～10級(jí)。以往通常采用木塞或拋物(拋巖心或廢舊鉆桿）充填架橋，用鋼粒過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)，因方法落后，存在諸多缺點(diǎn)，如:架橋不牢固，部位不準(zhǔn)確;過(guò)楔面鉆進(jìn)所用時(shí)間長(zhǎng);操作技術(shù)難度大，易發(fā)生孔內(nèi)事故;對(duì)金剛石鉆進(jìn)有隱患;需要專門進(jìn)行撈渣等。

從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，我們就開(kāi)展了小口徑金剛石硬巖過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)的研究工作，并取得了良好的研究成果，研究出液壓金屬孔底塞和金剛石引向擴(kuò)孔過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)，取代了以前架橋方法和鋼粒過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)，并延用至今。但對(duì)當(dāng)今的鉆探技術(shù)及鉆進(jìn)效率來(lái)說(shuō)，金剛石引向擴(kuò)孔過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)也存在以下缺點(diǎn):液壓金屬孔底塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工嚴(yán)格，制造成本高;過(guò)楔鉆頭容易損壞，壽命短;“狗腿”彎不易修理;過(guò)楔時(shí)間長(zhǎng)，效率低等。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，通過(guò)生產(chǎn)和科研相結(jié)合，我們進(jìn)一步對(duì)金剛石硬巖過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)研究。經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)應(yīng)用，取得了較好的效果。

1 液壓金屬孔底塞結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究

孔底塞的作用是在固定的開(kāi)孔點(diǎn)架橋，建立人工孔底。其目的是堵塞開(kāi)孔點(diǎn)下部孔段，為固定式偏心楔(見(jiàn)圖1）安裝固定提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基底。

圖1 固定式偏心楔實(shí)物

我們從20世紀(jì)80年代末研制了一種液壓金屬孔底塞，很好地解決了木塞或拋物充填架橋存在的問(wèn)題。但是，該孔底塞是由液壓傳動(dòng)和金屬塞體2部分組成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工嚴(yán)格，制造成本高，況且液壓金屬孔底塞作為固定式偏心楔的基底，固定于孔中，不可取出重復(fù)利用。

通過(guò)研究分析，我們對(duì)液壓金屬孔底塞進(jìn)行了改進(jìn)，省掉了液壓傳動(dòng)部分，加長(zhǎng)了金屬塞體，如圖2所示。其主要由上接頭、鋼球、O形密封圈、卡瓦座(塞體）、卡瓦、脹體、緊固鐵絲、下接頭等部件組成?？ㄍ呦尬辉诳ㄍ咦拈L(zhǎng)形槽內(nèi)，卡瓦內(nèi)錐面與脹體貼合，外面用鐵絲將卡瓦座、卡瓦、脹體緊固在一起。其工作原理是:將孔底塞用鉆桿送入孔內(nèi)預(yù)定開(kāi)孔點(diǎn)位置后，開(kāi)泵送入水，由于鋼球和O形密封圈堵塞水道，泵壓逐漸增高，脹體向下滑行，擠壓卡瓦在卡瓦座的長(zhǎng)形槽內(nèi)向外張開(kāi)，因卡瓦是內(nèi)錐面，脹體是外錐面，與之貼合。當(dāng)脹體滑動(dòng)到一定位置時(shí)，卡瓦將固定鐵絲繃斷，卡瓦擠向孔壁;當(dāng)脹體滑到最大位置時(shí)，露出泄荷孔，泵壓回落，此時(shí)卡瓦向外張開(kāi)最大，并與孔壁卡緊。經(jīng)過(guò)鉆桿加壓檢驗(yàn)，鉆桿不再下移時(shí)，表明孔底塞被卡牢，架橋成功。

圖2 改進(jìn)后的液壓孔底塞

經(jīng)過(guò)近幾年30余次的施工應(yīng)用，架橋成功率100%。該孔底塞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卡瓦動(dòng)作靈活，加工容易，架橋牢固，降低了成本，使用效果好。

2 金剛石鉆頭的改進(jìn)

金剛石鉆頭是在硬巖過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵，其質(zhì)量好壞直接影響到定向鉆進(jìn)的應(yīng)用效果。我們?cè)瓉?lái)使用的是引向擴(kuò)孔式孕鑲金剛石鉆頭，它是由過(guò)楔導(dǎo)向鉆頭和過(guò)楔擴(kuò)孔鉆頭2部分組成，如圖3所示。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鉆頭特別是擴(kuò)孔鉆頭易損壞，壽命短，對(duì)“狗腿”彎不能及時(shí)修理，過(guò)楔時(shí)間長(zhǎng)，效率低，成本高。為此，我們對(duì)鉆頭進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。

圖3 改進(jìn)前引向擴(kuò)孔式孕鑲金剛石鉆頭實(shí)物

新設(shè)計(jì)的鉆頭是半球體、圓錐體和圓柱體3個(gè)不同幾何體組合的鉆頭，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的金剛石鉆頭

外形結(jié)構(gòu):頂部是直徑為48.5 mm，中心為 12 mm通孔的半球體，半球體表面有4條水槽;中部為錐角3°，錐長(zhǎng)200 mm的圓錐體;后部為直徑56.5 mm，長(zhǎng)20 mm的圓柱體。從鉆頭頂部到圓柱體端部，分布4條電鍍金剛石帶。為減少磨削阻力及增強(qiáng)冷卻效果，每條金剛石帶間又開(kāi)有一道水槽，水槽與剛體中心孔均有水眼相通。

各部分的作用:半球體的唇面具有良好的引向和穩(wěn)定的開(kāi)孔作用;錐體除了磨擴(kuò)新孔的作用外，還具有磨削“狗腿”彎、修復(fù)楔面刮痕作用;柱體則起到修復(fù)孔壁、導(dǎo)正、穩(wěn)定鉆進(jìn)的功能;水槽的作用是冷卻排渣。

特點(diǎn):根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用效果分析，該鉆頭均為一次性連續(xù)過(guò)楔面，磨損小，使用壽命長(zhǎng)，降低了成本;無(wú)須專門修理“狗腿“彎;過(guò)楔面鉆進(jìn)連續(xù)性，沒(méi)有停鉆換鉆頭縮短了過(guò)楔時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 某礦床ZK62－12鉆孔

該鉆孔施工到420 m測(cè)斜時(shí)，測(cè)得該孔方位286°，傾角79.2°(設(shè)計(jì)方位260°、傾角79°），后用短鉆具糾斜，鉆至537 m時(shí)，方位不僅沒(méi)有糾回來(lái)，而且偏差更大，傾角還有上漂趨勢(shì)，此時(shí)在500 m測(cè)斜結(jié)果是:方位291°，傾角78.7°，不能滿足地質(zhì)要求。因此，地質(zhì)部門要求在500 m左右處糾斜，此段地層為碎斑熔巖，巖石堅(jiān)硬巖段完全，適合下偏心楔糾斜。

經(jīng)過(guò)2天的準(zhǔn)備工作，在503 m處下孔底塞架橋成功后，送固定式偏心楔定向定位，楔頂離孔口500.8 m，再用鉆桿把引向磨削式電鍍金剛石鉆頭緩慢放下去，當(dāng)遇阻下不去時(shí)，說(shuō)明鉆頭已進(jìn)入楔面與孔壁的V形空間，這時(shí)，提升鉆桿約200 mm，開(kāi)啟鉆機(jī)低速擋，輕壓慢進(jìn)磨合到底，持續(xù)磨合約5 min平穩(wěn)后，調(diào)高一擋轉(zhuǎn)速，同樣輕壓慢進(jìn)。隨著過(guò)楔面的延伸，逐漸增大鉆壓提高轉(zhuǎn)速。這樣鉆機(jī)連續(xù)工作近7 h，過(guò)楔進(jìn)尺1.48 m，表明過(guò)楔鉆頭已穿過(guò)楔面(楔面長(zhǎng)0.95 m），隨后起鉆進(jìn)行楔面延伸鉆進(jìn)。當(dāng)孔深達(dá)到600 m時(shí)，經(jīng)測(cè)斜檢查，方位275°，傾角79°，滿足地質(zhì)要求，糾斜成功。

3.2 某礦床ZK68－17鉆孔

該鉆孔施工到592.5 m時(shí)，由于當(dāng)時(shí)巖心較破碎，采取率極低，為了盡快穿過(guò)破碎段，采用單管鉆進(jìn)，在鉆具不夠長(zhǎng)度的情況下(鉆具只有5.95 m長(zhǎng)），現(xiàn)場(chǎng)工人中途不起鉆加桿鉆進(jìn)，一個(gè)回次進(jìn)尺數(shù)達(dá)7.80 m，嚴(yán)重違反了操作規(guī)程，結(jié)果造成嚴(yán)重的燒鉆事故，燒毀鉆具長(zhǎng)度達(dá)3.20 m。經(jīng)過(guò)幾天的處理無(wú)果，決定下偏心楔進(jìn)行繞孔處理。

從開(kāi)始下孔底塞至分過(guò)楔面結(jié)束，過(guò)楔進(jìn)尺1.23 m，過(guò)楔純鉆時(shí)間5 h 15 min，輔助時(shí)間為4 h 30 min。其中包括下孔底塞、偏心楔及定向定位、起下鉆等時(shí)間。

3.3 某礦床ZK58－18鉆孔

地質(zhì)部門要求該孔在700 m位置進(jìn)行定向分支孔ZK58－18－1鉆孔施工，設(shè)計(jì)方位279°，傾角80°。700 m測(cè)斜結(jié)果是:方位289°，傾角77.6°。在孔深713.32 m處架橋成功，經(jīng)過(guò)7 h 40 min的下楔前準(zhǔn)備及楔子定位工作，造斜孔段從709.49 m開(kāi)始至711.49 m結(jié)束，過(guò)楔進(jìn)尺2.00 m，過(guò)楔時(shí)間2 h 50 min。當(dāng)孔深施工到725.85 m時(shí)，在720 m測(cè)斜結(jié)果是:方位273°，傾角80.2°，符合地質(zhì)要求。

4 應(yīng)用效果分析

改進(jìn)研究前后的應(yīng)用效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)用效果對(duì)比

應(yīng)用效果對(duì)比分析如下:

(1）過(guò)楔面鉆進(jìn):過(guò)楔面純鉆時(shí)間平均為5 h，比改進(jìn)前少用21 h，時(shí)效平均為0.39 m，比改進(jìn)前提高0.34 m。

(2）糾斜結(jié)果:方位16°，傾角3.4°。

(3）鉆頭磨損:球面工作層磨耗1.5～0.7 mm，錐體表面磨損1～0.5 mm，柱體表面損耗0～0.4 mm，沒(méi)有掉塊缺損現(xiàn)象，鉆頭還可以繼續(xù)使用。而引向擴(kuò)孔金剛石鉆頭每過(guò)一個(gè)楔面平均損耗鉆頭5套，每套鉆頭成本價(jià)800元。

(4）延伸鉆具分析:從0.5、1.5、2.5 m延伸鉆具外表看，除ZK62－12鉆孔0.5 m鉆具外管表面有幾條明顯刮痕外，其余的鉆具與正常鉆進(jìn)時(shí)鉆具相同，沒(méi)有明顯刮痕，無(wú)鉆具折斷現(xiàn)象，這說(shuō)明了過(guò)楔面鉆進(jìn)時(shí)“狗腿”彎基本消除，偏出的新孔孔壁相對(duì)光滑完整。而改進(jìn)前的鉆具，0.5 m鉆具經(jīng)常折斷，其它鉆具刮痕明顯，說(shuō)明了過(guò)楔面鉆進(jìn)時(shí)“狗腿”彎沒(méi)有修理好，斜面上有臺(tái)階等。

5 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)應(yīng)用效果表明，偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1）金屬孔底塞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本低廉，架橋成功率高;

(2）鉆頭磨損小，一次性過(guò)楔鉆進(jìn)，不用起鉆更換鉆頭，減少過(guò)楔輔助時(shí)間，降低了成本，提高了鉆進(jìn)效率;

(3）在過(guò)楔面鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭的圓錐體能及時(shí)地?cái)U(kuò)孔，圓柱體修理孔壁，及時(shí)消除“狗腿”彎;

(4）孔壁光滑干凈，對(duì)延伸鉆具磨損小，孔內(nèi)安全感強(qiáng)，事故率低等。

偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)目前是我們野外機(jī)臺(tái)較歡迎的一種定向鉆進(jìn)技術(shù)，也是我們今后施工分支定向孔、定向糾斜和惡性孔內(nèi)事故進(jìn)行定向繞孔的有效技術(shù)手段。

［1］江天壽，周鐵芳，等.受控定向鉆探技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［2］李世忠.鉆探工藝學(xué)(上）［M］.北京:地質(zhì)出版社，1992.

［3］皇甫全為.受控定向鉆探在強(qiáng)導(dǎo)斜地層勘查中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2004，31(10）:56－57.

［4］樊臘生，陳尚喜.多寶山－銅山陡斜礦體深孔受控定向鉆進(jìn)工藝［J］.探礦工程，1998，(2）:31－32.

［5］李文林，羅曉斌.硬巖過(guò)楔面鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用研究［Z］.2007.

Improvement on Eccentric Wedge Drilling Technology and the Application

LUO Xiao-bin，LUO Kai(1.261 Brigade，Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau，Yingtan Jiangxi 335000，China;2.Bridge and Tunnel Company，Jiangxi Nuclear Industry Construction Engineering Group，Yingtan Jiangxi 335000，China）

The wedge is a means and method for directional drilling technique，its main process is hole-bottom bridging and hard rock ground drilling technique by means of wedge.With the combination of construction and scientific research，improvement was made on the hydraulic type hole-bottom metal plug and diamond bit.Through the construction for years and compared the application effects of 3 boreholes，good results were obtained.

wedge;directional drilling;bridging;hydraulic type metal plug;diamond bit

P634.7

:A

:1672－7428(2012）10－0023－03

2012－06－06

羅曉斌(1962－），男(漢族），江西吉水人，江西核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊(duì)工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探生產(chǎn)與技術(shù)管理工作，江西省鷹潭市梅楓路4號(hào)6－308室，1540394318@qq.com。