李建軍，陳保國，鄭 偉，劉寶昌

(1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130026;2.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京100024;3.長城鉆探工程有限公司鉆具公司，遼寧 盤錦124010)

1 概述

冷達水電站是雅魯藏布江規(guī)劃河段推薦的11級開發(fā)方案的第9個梯級，位于西藏山南地區(qū)加查縣境內，初擬裝機容量320 MW，年發(fā)電量為15.02億kW·h。

壩址區(qū)覆蓋層分布廣泛，主要為沖洪積漂卵砂礫石層，鉆孔揭示最大覆蓋層厚度為149 m。見較多的孤石分布，成分以花崗巖和大竹卡礫巖為主，主要從上游絲波絨曲沖積而來，架空明顯，結構較松散，厚度大，漏漿塌孔現(xiàn)象較為嚴重，屬于典型的復雜地層。

由于覆蓋層較厚，且級配較差，存在嚴重漏漿、孔壁不穩(wěn)定等較復雜的情況，為達到理想的護壁效果，套管的跟進深度也隨之增加。眾所周知，在跟進套管時，孤石是影響跟管深度的最大阻礙因素。由于施工條件所限，不具備辦理火工材料的條件;另外為了節(jié)約成本和安全方面的考慮，最終決定采用可伸縮擴孔鉆頭擴孔鉆進工藝，以達到打通通道，使套管順利跟進的目的［1，2］。

2 鉆進工藝

2.1 鉆進設備及機具

本次鉆進采用XY－2型回轉鉆機，配合SDB系列植物膠雙管單動鉆具取心，并使用厚壁套管進行護壁。

鉆進中，當遇到孤石直徑較大，靠錘擊套管無法擊碎孤石，致使套管跟進受阻時，傳統(tǒng)鉆進工藝的處理方法是使用炸藥進行孔內爆破，將孤石砸碎?；蛘卟捎锰坠茔@頭回轉鉆進，鉆透孤石，以達到繼續(xù)跟進套管的目的［3］。但傳統(tǒng)孔內爆破方法既危險又繁瑣，而套管鉆頭旋轉鉆進又存在因扭矩太大而導致套管磨損、斷裂等眾多問題［4］。針對傳統(tǒng)處理方法存在的不足，現(xiàn)采用可伸縮擴孔鉆頭進行擴孔，將孤石與孔內套管之間擴出一個外徑略大于套管外徑的環(huán)狀間隙，使套管順利跟進，很好地解決工程難題［5，6］。

對孤石的不同處理工藝方法對比見圖1。

圖1 對孤石不同處理方法

2.2 擴孔鉆頭結構

2.2.1 鉆頭結構及工作原理

該擴孔鉆頭設計規(guī)格為擴孔直徑范圍127～172 mm。根據(jù)冷達水電站壩址區(qū)覆蓋層厚度，巖石可鉆性，套管跟進計劃深度、規(guī)格(內、外徑)等因素進行了綜合分析研究后，對鉆頭體結構、尺寸和切削刃的尺寸及參數(shù)進行了優(yōu)化。將切削刃由原來的硬質合金更改為孕鑲金剛石，重新設計了水口位置，同時調整切削刃中金剛石的參數(shù)，使其更適合堅硬巖石的鉆進。

鉆頭主要由導向端、可伸縮擴孔切削元件(切削翼)、泵壓起動機構構成［7，8］。鉆頭體共安裝2支切削翼。外徑127 mm，即收翼狀態(tài)外徑為127 mm;兩翼完全張開狀態(tài)下，兩翼處外徑172 mm。圖2為鉆頭實體圖，圖3為鉆頭結構圖。

圖2 擴孔鉆頭實體

在整個擴孔鉆頭心部有一個中心閥桿，閥桿下部與擴孔鉆頭的可伸縮切削翼相連，當水泵加壓時，借助于鉆頭內腔與環(huán)空之間的壓降，推動閥桿機構向下運動，從而帶動擴孔鉆頭的可伸縮切削翼向外伸展至一定的設計角度，在鉆頭回轉的同時切削出設計孔徑;當壓降低于彈簧的作用力時，閥桿依靠彈簧復位，擴孔鉆頭自動地收回切削翼。這種擴孔鉆頭采用金剛石刮刀片作為擴孔切削翼，最大伸展角度45°～170°，能夠達到不同的設計孔徑。其優(yōu)點是結構簡單，傳動準確可靠，不需軸承密封和潤滑，操作也簡單，對地層的適應性較強，對設備要求也較低［3］。

圖3 可伸縮擴孔鉆頭結構

2.2.2 切削刃參數(shù)

切削翼的設計參數(shù)是結合多年鉆進砂卵礫石的寶貴經驗，并根據(jù)工程區(qū)巖石特性，經過現(xiàn)場不斷試驗而確定的［9］。切削刃參數(shù)為:金剛石濃度100%，金剛石目數(shù)40～60，胎體硬度HRC50，導向端鑲嵌硬質合金，呈十字排布。

2.3 擴孔

2.3.1 擴孔過程

可伸縮擴孔鉆頭在管底擴孔過程見圖4。

第一步:SDB植物膠鉆具正常鉆進、取心(如圖4a所示)。

第二步:根據(jù)巖心判斷下方地層情況，如果下方遇到孤石直徑較大，厚壁套管單靠錘擊無法通過孤石時，則下入擴孔鉆頭至套管管靴與孤石接觸處。此時要根據(jù)巖心謹慎判斷孤石位置，做到準確到位(如圖4b所示)。

第三步:利用水泵壓力使擴孔鉆頭切削翼逐漸展開進行擴孔，直到孤石與套管之間擴出要求的環(huán)狀間隙，環(huán)狀間隙略大于套管外徑，套管跟進將更加通暢(如圖4c所示)。

第四步:擴孔結束后，減壓、停泵，擴孔鉆頭切削翼在彈簧的作用下緩慢縮回到鉆頭體內。將擴孔鉆具緩慢、勻速提出孔外，繼續(xù)貫入護壁套管(如圖4d所示)。

2.3.2 擴孔參數(shù)及注意事項

擴孔鉆進中，鉆進參數(shù)與正常鉆進有所不同，具體的參數(shù)為:鉆壓2～3 kN、轉數(shù)＜600 r/min、泵量10～20 L/min、泵壓0.8～1.2 MPa。

為達到理想的擴孔效果，保證孔內安全和擴孔鉆頭不被損壞，在操作中，需注意以下事項:

(1)在切削翼磨損嚴重的情況下，要及時更換新的切削翼，以保證達到要求的擴孔直徑。

(2)在擴孔鉆頭下入孔內前，要在孔口進行加壓測試，測試切削翼“伸－縮”狀態(tài)是否良好。

(3)新鉆頭下孔后必須進行初磨，即采用輕壓力(正常壓力的1/3)、慢轉速(200～300 r/min)鉆進約10 min，然后再采用正常技術參數(shù)鉆進。

(4)鉆頭下入孔內，待開通水后方能開車鉆進，擴孔初始階段，要控制低泵壓。隨著擴孔孔徑增大逐漸加大泵壓，且要保持低轉速，直到切削翼運轉平穩(wěn)后可逐漸提高轉速。

(5)擴孔結束后，一定要等待切削翼完全縮回鉆頭體，再緩慢將鉆頭提出套管(孔內)。

(6)擴孔完畢后要及時清理鉆頭內部并給予適當潤滑，以提高閥體及銷軸的潤滑性。

圖4 擴孔鉆頭管底擴孔過程

2.3.3 擴孔效果及切削翼壽命

根據(jù)現(xiàn)場實際施工數(shù)據(jù)記錄，該擴孔鉆頭較好地滿足了施工要求，達到了設計的擴孔直徑，解決了工程難題。

(2)擴孔效率約為0.4 m/h，與普通金剛石鉆進效率相比，效率仍然偏低。

(3)一對切削翼維持保徑要求下，擴孔進尺約12 m。

2.4 采用可伸縮擴孔鉆頭鉆進工藝的優(yōu)勢

2.4.1 與孔內爆破工藝對比

(1)工藝簡單。隨著國家法制化進程，目前對火工材料的管理越來越嚴格，審批、購買、存放手續(xù)日漸規(guī)范化，孔內爆破在火工材料審批環(huán)節(jié)將費時費力。擴孔鉆頭只需公司批準購買即可投入使用。

(2)操作方便?？變缺菩枰鳂I(yè)人員持證上崗，且要求操作人員經驗豐富?？變人?、沖洗液濃度、孔壁通暢條件等均影響孔內爆破的效果。擴孔鉆頭擴孔過程中影響因素相對較少。

(3)安全性更高?？變缺粕婕盎鸸げ牧?，屬危險性化學物品，在運輸、存放、使用環(huán)節(jié)均存在危險，安全管理難度較大。另外，爆破的藥量、安全距離如果控制不好，將會導致套管被炸裂等嚴重的孔內事故，施工現(xiàn)場因孔內爆破操作不好導致孔內事故的案例屢見不鮮，且后果大多比較嚴重。擴孔鉆進則相對更加可控，即使操作不當，也不至于出現(xiàn)太大的孔內事故［10］。

2.4.2 與套管鉆頭工藝相比

(1)節(jié)約成本。套管鉆頭跟管需將計劃長度的套管以回轉的方式鉆入孔內設計深度，近似于單管鉆進，一方面在旋轉時砂卵礫石對套管磨損嚴重，造成套管變薄，壽命大大減小，造成成本較高;另一方面在跟進套管時，需要配以沖洗液潤滑，相當于二次鉆進，造成鉆進沖洗液用量較大，費用較高［1］。根據(jù)實際測算，二者造成成本上漲至少10%。

(2)安全性較高。套管鉆頭跟管致使套管磨損大，再加上隨著跟進套管增加，扭矩逐漸增大，極易導致套管斷裂，輕者需要進行套管打撈，重新更換套管，重者套管無法打撈，只有變徑，提前變徑對套管能否達到設計深度，是極大的考驗。另外在套管磨損嚴重的情況下，起拔套管時，由于套管強度不夠，也容易發(fā)生套管斷裂的事故。擴孔鉆頭跟管可配合厚壁套管，強度較高，本身不易斷裂。且以錘擊的方式貫入，磨損較小，可以很好地避免以上問題［10］。

3 結語

(1)與傳統(tǒng)的鉆進工藝相比，可伸縮擴孔鉆頭擴孔跟管鉆進工藝對設備的適應性更強，且工藝操作簡單，安全性更高，還可節(jié)約成本。

(2)經過現(xiàn)場使用，可伸縮擴孔鉆頭的擴孔鉆進與正常金剛石鉆進相比，雖然可以解決工程難題，但效率不如后者。需繼續(xù)對鉆頭體結構、切削刃結構以及金剛石鑲結方式等設計進行改進和優(yōu)化，使其效率更高、壽命更長。

(3)擴孔鉆頭對擴孔孔徑的控制準確度仍有待于提高。由于本次使用只是為達到設計的最大直徑進行擴孔，所以效果較好。但是如果要控制在中間某一直徑，準確度會較差。只有通過更換相應尺寸的切削翼方可達到相應的擴孔直徑。

(4)綜合考慮安全性、成本、使用的方便性等因素，可伸縮擴孔鉆頭可利用前景廣闊，值得在行業(yè)內廣泛推廣使用。

［1］雷文武.雙心鉆頭成功用于硬地層擴孔［J］.鉆采工藝，2000，23(5):87－88.

［2］劉廣志.鉆進礫石層的新方法——套管“管下擴孔器”鉆探法［J］.國外地質勘探技術，1987，(4).

［3］古亞敏.井下擴孔裝置的研制現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.石油機械，2004，(S1).

［4］王堅，王生，索忠偉，等.植物膠在松散破碎地層施工中的應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，32(3).

［5］付兵，邱太寶.深厚砂卵礫石層金剛石鉆探施工技術和工藝［J］.四川水力發(fā)電，2007，(1).

［6］Dave Rodman，etal.Steerable Hole Enlargement Technology in Complex 3D Directional Well［J］.SPE 80476，2003.

［7］剪占鰲，劉建軍，剪樹旭.擴孔器的改進設計［J］.石油礦場機械，2001，30(6):43－44.

［8］辛新平，許昭澤.BZ－150型自動變徑擴孔鉆頭的研試［J］.煤炭科學技術，1997，(7).

［9］李世忠.鉆探工藝學(中冊)［M］.北京:地質出版社，1988.

［10］李建軍，陳保國.厚壁套管與植物膠用于深厚砂卵礫石層鉆進的應用研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(11):10－12，16.

［11］黃小軍，賀修安，陳晨.多級跟管鉆進工藝在蘇哇龍水電站貢扎滑坡體工程勘察中的應用［J］.水利水電技術，2009，40(3).

［12］袁學武，陳禮儀，李中倫.深厚覆蓋層堆積體破碎帶錨固成孔偏芯跟管鉆進工藝技術研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程).2009，36(S1).