洪育武 孟憲才

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì),湖北黃石 435002)

芻議深部地質(zhì)鉆探鉆柱失穩(wěn)行為

洪育武 孟憲才

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì),湖北黃石 435002)

地質(zhì)工程的鉆探對(duì)于工程建設(shè)項(xiàng)目和科學(xué)研究活動(dòng)的順利進(jìn)行有重要的意義。深部地質(zhì)鉆探,是當(dāng)前地質(zhì)調(diào)查中的主要工作之一。在深部地質(zhì)鉆探中,存在著鉆柱失穩(wěn)的現(xiàn)象,對(duì)于這種現(xiàn)象進(jìn)行研究,能夠有效提升鉆探工作的有效性。本文首先論述此研究的意義,然后對(duì)鉆探工藝進(jìn)行介紹,最后對(duì)鉆探失穩(wěn)行為采取屈曲模型進(jìn)行分析,以期對(duì)于促進(jìn)深部地質(zhì)鉆探鉆探柱失穩(wěn)的行為研究有一定幫助。

深部 地質(zhì)鉆探 鉆探柱 失穩(wěn)行為

地質(zhì)工程的鉆探對(duì)于工程建設(shè)項(xiàng)目和科學(xué)研究活動(dòng)的順利進(jìn)行有重要的意義。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)自然的理論基礎(chǔ)不斷豐富和完善，對(duì)于改造自然世界的技術(shù)水平也有了較大程度的增長(zhǎng)。當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展，離不開(kāi)先進(jìn)的科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用。例如，在世界各地廣泛存在的各類建筑工程項(xiàng)目，極大改善了人們的生產(chǎn)生活水平，提升了整個(gè)社會(huì)的面貌。建筑工程想要有效發(fā)揮其在人們生活中的作用，必須要保證項(xiàng)目在建設(shè)時(shí)，工程地質(zhì)條件得到有效的確定，然后采取一定措施確保建筑能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于這樣的地質(zhì)層上，因此，必須要對(duì)地質(zhì)鉆探進(jìn)行研究。隨著目前越來(lái)越多的高架橋、高層建筑等的建設(shè)以及對(duì)地質(zhì)深層資源開(kāi)采方面存在的緊迫性，要求深部地質(zhì)鉆探技術(shù)水平不斷取得突破。在當(dāng)前，雖然鉆探技術(shù)取得了一定的突破，但是鉆探過(guò)程中，存在的鉆柱彎曲、變形或者是鉆進(jìn)受到阻力不均時(shí)，都會(huì)對(duì)鉆柱的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，這些影響帶來(lái)的后果就是鉆柱會(huì)發(fā)生橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)或者是渦動(dòng)等各種形式的不良振動(dòng)，但是，至今我國(guó)的科研人員都不能將這些深部地質(zhì)鉆探過(guò)程中存在的鉆探柱失穩(wěn)的現(xiàn)象的深層次原因解析出來(lái)，主要是對(duì)鉆柱力學(xué)特性的描述不夠準(zhǔn)確?；诖耍P者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)一定的文獻(xiàn)資料查閱、調(diào)查采訪和實(shí)驗(yàn)，對(duì)深部地質(zhì)鉆探中存在的鉆探柱失穩(wěn)的行為進(jìn)行一定的研究。

1 深部地質(zhì)鉆探鉆柱失穩(wěn)行為研究的目的和意義

對(duì)于鉆探工作而言，鉆柱的失穩(wěn)行為將會(huì)嚴(yán)重阻礙工作的有效開(kāi)展和順利推進(jìn)。在鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中，如果鉆探柱失穩(wěn)，將會(huì)增大鉆進(jìn)的摩擦阻力，使鉆壓的傳遞難度增大，還會(huì)導(dǎo)致卡鉆或者是自鎖事故的發(fā)生，對(duì)于維持孔壁的穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)重要的損害，而且還會(huì)使得鉆孔軌跡的控制難度加大。

對(duì)于深部地質(zhì)鉆探過(guò)程中存在的鉆柱失穩(wěn)行為，我國(guó)已經(jīng)研究了幾十年，雖然取得了一定的突破，但是研究的中心放在了對(duì)于鉆柱失穩(wěn)行為的定性和過(guò)程描述上，所得到的結(jié)果也一般都是近似的結(jié)果，沒(méi)有提出具體的理論。因此，對(duì)于鉆柱的系統(tǒng)性研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。由于鉆柱的失穩(wěn)不僅有著地質(zhì)結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性特點(diǎn)，而且還存在著一定的無(wú)法直觀觀測(cè)的難處，因此，對(duì)于鉆柱的失穩(wěn)需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和探討，以幫助更好的確定鉆柱失穩(wěn)的過(guò)程，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)鉆柱的失穩(wěn)并弄清其真正原因，將已有的理論、經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行深化和完善，促進(jìn)我國(guó)地質(zhì)鉆探工作的更為高效的開(kāi)展。

2 深部地質(zhì)鉆探工藝及技術(shù)流程

2.1 鉆孔位置選取

在鉆探工作正式進(jìn)行之前，首先需要確定鉆孔的位置。確定鉆孔的位置需要結(jié)合工程實(shí)際需要和相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查歷史依據(jù)進(jìn)行綜合考慮確定。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者結(jié)合某地質(zhì)勘查工作中需要進(jìn)行的鉆探工程為例，分析其鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

對(duì)于K2地塊深層礦石儲(chǔ)量的鉆探施工，主要是結(jié)合本地區(qū)的多年的地質(zhì)調(diào)查結(jié)論和附近的多個(gè)鉆孔獲取的大量的地質(zhì)資料，對(duì)本區(qū)域1000米范圍內(nèi)的地質(zhì)情況有一定認(rèn)識(shí)，但是樁井附近的深部構(gòu)造研究的地球物理資料相對(duì)較少。通過(guò)對(duì)臨近地區(qū)的地質(zhì)資料的分析，對(duì)本地區(qū)的地層巖石的物理力學(xué)性能，尤其是硬度、穩(wěn)定性和水敏性有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)勘測(cè)區(qū)域的綜合地層柱狀圖做了一個(gè)簡(jiǎn)要的分析，然后，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)鉆探過(guò)程中的鉆孔結(jié)構(gòu)為：在鉆孔進(jìn)行開(kāi)孔過(guò)程中，采用直徑為150毫米的硬質(zhì)鋁合金鉆頭進(jìn)行，當(dāng)鉆探通過(guò)10米厚的覆蓋層達(dá)到穩(wěn)定砂巖后，再下入直徑為146毫米的孔口管。第一次進(jìn)行鉆探采用的是122毫米的繩索取心鉆具鉆進(jìn)至600米深度，下入直徑為108毫米的套管；第二次開(kāi)采采用的是直徑為96毫米的繩索取心金剛石鉆頭鉆進(jìn)400米，下入直徑為89毫米的套管；第三次開(kāi)鉆采用的是直徑為76毫米的繩索取心鉆具鉆進(jìn)800米，形成終孔。然后再采用優(yōu)質(zhì)的泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)。對(duì)于鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖一所示。

2.3 鉆進(jìn)參數(shù)及鉆具組合

在深孔巖心鉆探中，常常采用的鉆進(jìn)方法有金剛石鉆進(jìn)、復(fù)合片鉆進(jìn)和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)等；常常采用的取心方法有繩索取心、雙管取心和單管取心。在深孔巖心鉆探中，采用單動(dòng)雙管取心鉆具，顯著的特點(diǎn)是在鉆進(jìn)過(guò)程中，內(nèi)管不轉(zhuǎn)動(dòng)，只有外管轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的取心方式不僅有效防止了沖刷，而且對(duì)于避免巖心管震動(dòng)、摩擦等機(jī)械損傷和對(duì)于巖心的擾動(dòng)都有重要的意義。對(duì)于樁處的地質(zhì)工程勘探，比較適合的鉆探方法是選用孕鑲金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的選取：

(1)鉆壓：對(duì)于K2地塊地質(zhì)的鉆探，采用了孕鑲金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)，對(duì)于鉆進(jìn)過(guò)程中鉆壓，結(jié)合有關(guān)工程實(shí)踐，當(dāng)進(jìn)行直徑為96毫米的鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，正常的鉆壓應(yīng)控制在12～15千牛之間；使用直徑為76毫米口徑的鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，正常的鉆壓應(yīng)控制在10～12千牛之間。

(2)轉(zhuǎn)速：由于K2地塊所處的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、換徑次數(shù)較多和環(huán)狀空間大等特點(diǎn)，為了保證鉆具能夠有效鉆進(jìn)，防止孔內(nèi)事故的出現(xiàn)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速應(yīng)從初始時(shí)的700轉(zhuǎn)每分鐘逐漸降低為350轉(zhuǎn)每分鐘。

(3)泵量：在鉆進(jìn)過(guò)程中，需要利用泥漿泵對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿進(jìn)行抽取，理論上，泥漿泵的上返流速應(yīng)為1米每秒左右，從而能夠有效防止巖屑的存在同時(shí)對(duì)潤(rùn)滑鉆頭進(jìn)行冷卻。在直徑為960毫米的鉆孔區(qū)間時(shí)，正常的泵量應(yīng)控制在6050升每分鐘；在直徑為760毫米的鉆孔區(qū)間時(shí)，正常的泵量應(yīng)控制在4030升每秒。

(4)鉆頭選擇：在鉆探工作中，鉆頭作為對(duì)巖石進(jìn)行切削和破碎的首要工具，鉆頭的選擇對(duì)于井眼質(zhì)量高低有著密切的關(guān)系，而且?guī)r石的鉆遇地層與鉆頭類別匹配程度越高，施工效率越高，鉆頭損壞越小。因此，結(jié)合本次工程實(shí)踐，選擇的鉆頭主要是平底型孕鑲金剛石取心鉆頭。

2.4 鉆探取心

進(jìn)行鉆探施工，做好鉆探取心工作，在這個(gè)過(guò)程中，即是鉆柱失穩(wěn)行為發(fā)生的階段。筆者結(jié)合K2地塊的深部地質(zhì)勘探工作，對(duì)其中存在的鉆柱失穩(wěn)行為的機(jī)理進(jìn)行一定的分析。

3 深部地質(zhì)鉆探鉆柱失穩(wěn)行為分析

由于深部地質(zhì)鉆探鉆柱孔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形式十分的復(fù)雜，而且伴隨著孔深度的變化，鉆柱的真實(shí)運(yùn)動(dòng)的情形很難進(jìn)行確定，因此，結(jié)合實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，確定鉆柱是出于線性的彈性形變，鉆柱和孔壁的橫截面是規(guī)則的圓形，對(duì)于存在的剪力，由于很小，故而忽略其對(duì)鉆柱的影響，對(duì)動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行了忽略。本文只從鉆柱屈曲方面分析其存在的失穩(wěn)行為。

鉆柱屈曲問(wèn)題是幾何非線性的問(wèn)題分析，可以以有限元的分析方法來(lái)完成鉆柱失穩(wěn)臨界載荷的分析，模擬失穩(wěn)屈曲的模態(tài)和形狀，例如：鉆柱受到延勞破壞等情況，而鉆柱有限元的分析方法在研究中可以以下幾步來(lái)完成：

第一步：將鉆柱進(jìn)行假設(shè)性的分割，分割成若干單元體，在各個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)處加以練習(xí)，由一個(gè)集體建立單元集合的整體，替代原本的鉆柱，在節(jié)點(diǎn)位置引入等效的加載條件和適當(dāng)?shù)募s束，代替鉆柱實(shí)際外載荷和邊界條件。

第二步：對(duì)于單元特性進(jìn)行分析。分析時(shí)按照分塊相似的原則，按照一定的基本函數(shù)關(guān)系與力學(xué)關(guān)系建立求解未知數(shù)的參數(shù)和相關(guān)鉆柱節(jié)點(diǎn)之間的相互作用。

第三步：求解節(jié)點(diǎn)的未知量對(duì)節(jié)點(diǎn)變量的未知參數(shù)方程進(jìn)行求解。要確定節(jié)點(diǎn)未知變量具體的數(shù)值，而鉆柱可以根據(jù)有限元的分析方法，確定無(wú)限自由度鉆柱，如果只是有限自由度鉆柱的單元集合體，就可以把問(wèn)題簡(jiǎn)化為方便數(shù)值求解結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題。

第四步：得到結(jié)論。對(duì)于本文中采用的鉆探工藝進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并采用前述的鉆柱失穩(wěn)屈曲模擬分析，充分考慮了鉆柱的自重、孔壁間正壓力、表現(xiàn)縱向和橫向的摩擦力等因素充分考慮，按照鉆柱失穩(wěn)的屈曲變形，確定鉆柱的失穩(wěn)分成了三個(gè)階段：穩(wěn)定、正弦屈曲、螺旋屈曲三個(gè)階段，從而確定鉆柱屈曲失穩(wěn)臨界的載荷，確定鉆柱載荷的應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

深部鉆探中鉆柱失穩(wěn)的現(xiàn)象至今存在，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)和分析，可以有效的確定鉆柱的屈曲失穩(wěn)臨界的載荷，因此，只需采取一定措施進(jìn)行克服即可有效的防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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