韓益強

(山西省地礦建設總公司，山西 太原 030009)

0 引言

隨著旋挖鉆進應用的不斷普及，所鉆鉆孔直徑越來越大，深度越來越深，旋挖鉆進在硬至堅硬地層中的使用也越來越普遍，在硬至堅硬地層中如何提高旋挖鉆進的效率，降低施工成本，是目前旋挖行業(yè)需要重點攻克的一個技術難題。旋挖鉆具的生產廠家從鉆頭結構、類型及施工工藝方面做了大量的研究工作[1-3]，研究出了多種對付硬巖鉆進的鉆頭及工藝方法，如截齒筒鉆、螺旋鉆頭、截齒鉆頭、牙輪筒鉆及這些鉆具的組合。施工工藝上，利用旋挖鉆機鉆頭更換和起下鉆方便等特點，采用鉆具組合的方式，即先采用筒鉆克取環(huán)形槽，再用螺旋鉆頭去破碎心部巖石，最后用撈砂斗撈渣的方法；對于大直徑硬巖鉆進采用分級鉆進法，先用小徑筒鉆取心鉆進，再用大一級筒鉆擴孔的辦法；采用氣舉反循環(huán)進行全斷面牙輪或滾刀鉆頭鉆進法；利用空氣反循環(huán)進行潛孔錘鉆進等。這些工藝方法對于旋挖鉆進對付硬巖地層均取得了較好的效果，對旋挖鉆進技術的推廣起到了促進作用。本文重點探討在旋挖鉆進中牙輪筒鉆的設計及應用。

1 牙輪運動及破巖方式

眾所周知，三牙輪鑲齒鉆頭適合于硬巖地層鉆進，其破巖方式主要是在鉆機施加的鉆壓下，硬質合金齒壓入巖石進行沖擊回轉碎巖，當牙輪硬質合金齒對巖石產生的壓應力超過巖石的抗壓強度后，使得巖石產生體積破碎。三牙輪鑲齒鉆頭從結構設計上，牙輪的頂點交于鉆頭中心軸線，使得牙輪以純滾動形式轉動，由于滾動摩擦遠小于滑動摩擦，使硬質合金齒的磨損減緩，所以大大提高鉆頭的使用壽命，因此，三牙輪鑲齒鉆頭在石油、地熱、天然氣等領域硬巖鉆進中能夠得到廣泛的應用。而用于旋挖鉆進的牙輪筒鉆，破巖刀具牙輪沒辦法做到純滾動布刀，牙輪相對于大口徑筒鉆來說尺寸較小，其在鉆頭上基本是采用退頂布置(外牙輪)和超頂布置(內牙輪)，牙輪布置及運動方式見圖1。這種情況下每個牙輪在孔底不可能做到純滾動，都伴有滑移運動，這就形成滑動摩擦，其破巖方式主要是壓入、沖擊、剪切，牙輪在孔底滑動，增加了硬質合金齒的切削功能，這對于軟地層或中硬地層來說，有利于提高鉆進效率，但相對于純滾動三牙輪鉆頭，其硬質合金齒磨損較快，影響牙輪壽命。了解筒鉆牙輪運動及破巖方式，在鉆頭設計上對牙輪及硬質合金齒選型具有指導意義，如牙輪上硬質合金齒的形狀大小和方向性等[4-7]。

圖1三牙輪鉆頭與筒鉆牙輪運動示意
Fig.1Movement mode of tri-cone bit and core barrel with roller bits

2 牙輪筒鉆設計

2.1 牙輪布置

在鉆頭底部布置牙輪，一般分為外牙輪和內牙輪，對于直徑小的筒鉆，一般內外牙輪間隔布置，而牙輪之間的間隔距離一般為300～400 mm。而對于直徑較大的筒鉆，可以考慮分組布置牙輪，即2個外牙輪中間1個內牙輪為一組，這樣能盡量做到內外牙輪破碎巖石的工作量一致并磨損同步。外牙輪掌背向外，主要是克取外圍巖石，保證鉆孔直徑及保護鉆頭體防止磨損，它有一定的外出刃，焊接牙掌時保證牙輪背錐與水平位置垂直，并與牙掌斜面的夾角在5°左右，這樣牙輪在轉動克取巖石過程中，牙掌就不會受到孔壁磨損；同樣的，內牙輪掌背向內，主要克取內圈巖石，與外牙輪形成破巖互補，即克取外牙輪留下的巖墻，焊接角度同外牙輪類似[8]。

2.2 牙輪規(guī)格的選擇

目前較多的采用2種牙輪規(guī)格，即?216和311 mm，考慮到鉆頭的公轉和牙輪的自轉速度的影響因素，鉆頭直徑1500 mm以下的選用?216 mm牙輪，直徑>1500 mm的牙輪筒鉆建議選用?311 mm規(guī)格牙輪。另外，筒鉆上的牙輪有焊接式和可更換式2種，焊接式的也分三牙輪用單片牙掌和特制直柄牙掌，可更換式牙掌要與專用牙掌座匹配，牙掌座焊接在筒鉆體上，通過螺栓將牙掌與座固定。

2.3 牙輪硬質合金齒的要求

首先是齒的形狀，盡量選擇楔形齒或子彈頭齒，這兩種齒對牙輪旋轉方向沒有要求，不影響牙輪內外排布。中硬地層選擇楔形齒，硬及堅硬地層選擇子彈頭齒。盡量不選擇勺形齒，因它有方向性，外牙輪可以正常使用，內牙輪由于旋轉方向相反，勺形齒克取巖石時其背椎弧面先接觸巖石，破巖效果會受到影響。中硬地層選擇楔形齒，堅硬地層選擇子彈頭齒，后者硬質合金抗彎強度大。除對硬質合金齒的形狀要求外，對硬質合金的性能要求就是韌性好和抗彎強度高，這是因為筒鉆直徑大，工作過程中由于地層或操作等原因產生的沖擊負荷較大，選擇抗彎強度大的硬質合金能減少斷齒現象[9]。

2.4 牙輪筒鉆克取環(huán)槽寬度設計

對于選用?216 mm牙輪作為刀具的筒鉆，環(huán)槽切削寬度為120 mm，選用?311 mm牙輪的筒鉆，環(huán)槽切削寬度為160 mm。這樣考慮既能保證內外牙輪齒之間的破巖補償，又能做到克取最少的巖石面積，使鉆機的能量消耗和鉆頭破巖工作量達到最小，結構見圖2。

圖2 牙輪筒鉆槽寬及螺旋帶布置Fig.2 Groove width and spiral belt arrangement in core barrel with roller bits

2.5 筒鉆的高度設計

牙輪筒鉆的使用是要達到克取最少的巖石量，然后通過操作把巖心卡斷取上來，而巖心卡斷的難易與地層裂隙發(fā)育程度及巖心的長徑比有關，裂隙比較發(fā)育、長徑比大，巖心卡斷就比較容易；地層完整、鉆頭直徑大，卡斷就困難。所以我們只能從筒鉆高度設計來考慮，給出一個合理的鉆頭的長徑比值，牙輪筒鉆筒子的凈高一般在1200～1800 mm。筒子凈高加高的優(yōu)點是鉆頭在孔內鉆進平穩(wěn)，沖擊負荷小，鉆機穩(wěn)定性好，進尺效率高。

2.6 筒鉆外圍焊接螺旋扶正帶

其目的有兩個，其一就是扶正鉆頭和防止筒體磨損；其二螺旋扶正帶在鉆頭鉆進的同時，引導巖渣運動，使得巖渣能沿著螺旋帶上升懸浮或排出達到清潔孔底，避免形成巖渣墊層，保證牙輪始終能與巖石面接觸[10]。

2.7 筒鉆與鉆頭的連接

筒鉆上部留有與旋挖鉆機的連接方頭，可根據鉆機配備的鉆桿確定方頭尺寸，連接方頭強度要滿足鉆機扭矩和軸向力要求，銷孔位置準確。

2.8 可更換式牙輪及牙輪座的設計

對于筒鉆使用可更換式牙輪及牙輪座的設計，應考慮到以下兩個方面的問題，一是因為牙輪座是焊在筒體上的，為防止牙輪座的焊接變形，牙輪座應加工成四周封閉結構，這樣牙輪座與牙輪裝配尺寸不會因焊接發(fā)生變化。再一個就是牙輪的固定鎖緊，不推薦采用彈簧圓柱銷固定方式，雖然這種鎖緊方式在雙輪銑固齒及全套管鉆進固齒方面得到應用，但是不適合牙輪筒鉆，原因就是牙輪筒鉆的沖擊負荷更大，牙輪筒鉆與孔壁的間隙大，銷子容易掉出，所以采用螺栓連接更為合理。在牙輪座上設計螺栓連接絲扣孔，在牙輪掌上設計連接通孔及螺栓帽窩，使得牙輪與牙輪座通過螺栓得到固定鎖緊，牙輪與座裝配見圖3。

圖3 可更換牙輪裝配示意Fig.3 Replaceable rollers

2.9 特殊筒鉆設計

對于直徑較大的入巖樁孔，巖心直徑大，鉆機卡斷巖心比較困難，可采用先打中心直徑較小的導向孔，然后采用逐級擴孔的辦法直到設計直徑。在擴孔筒鉆的設計上可采用單層牙輪擴孔或多層階梯式牙輪擴孔，鉆頭結構一般帶前導筒，前導向長度400～600 mm，底端裝有截齒，起到掃孔作用。短了起不到導向作用，長了在擴孔過程中容易卡鉆憋鉆。導向鉆頭的直徑設計為異徑結構，導向體下端直徑接近導向孔直徑，起導向作用，上部縮徑部分開有側窗，其目的就是擴孔過程中破碎的巖塊能順利掉到孔內，避免重復破碎。擴孔牙輪與導向鉆頭之間徑向方向裝有截齒，其軸向位置要高于筒鉆牙輪300 mm左右，這樣在鉆進過程中，前導孔和筒鉆形成的內外破巖自由面，對截齒克取巖石就相對容易很多。

3 牙輪筒鉆鉆進工藝

牙輪筒鉆用于鉆進堅硬巖石地層，在鉆機回轉扭矩與軸向力作用下，牙輪上鑲嵌的硬質合金齒壓入巖石產生破碎進尺，地層的硬度、鉆頭壓力大小以及孔底巖渣清理干凈與否決定著鉆頭進尺快慢。

3.1 牙輪筒鉆所需鉆壓

牙輪筒鉆所需鉆壓大小與鉆頭上的牙輪數量和地層巖石的硬度有關，通常根據鉆頭上的牙輪數量和規(guī)格確定鉆壓大小，對于?216 mm牙輪，單只牙輪所需的鉆壓為15～20 kN；?311 mm牙輪，單只所需鉆壓為20～25 kN。鉆頭所需的鉆壓就是每只牙輪所需的鉆壓與牙輪的數量乘積。比如10個?216 mm牙輪筒鉆所需鉆壓為150～200 kN。

3.2 牙輪筒鉆轉速

牙輪破碎巖石的特點是壓入破碎，它破巖的過程有個時間效應，如果時間太短，那么硬質合金齒就不能有效地壓入巖石而產生滑移，硬質合金很快磨損。所以要限制鉆機的回轉速度，一般情況下，保證牙輪的回轉線速度≯1.5 m/s即可?？梢愿鶕@頭的直徑大小來確定鉆機轉速。即：

n≤28.66/D

式中：n——鉆頭最大轉速，r/min；D——鉆頭直徑，m。

對于直徑1 m的鉆頭，建議最大轉速20 r/min[11]。

3.3 泥漿

雖然旋挖鉆進是無循環(huán)鉆進，但是鉆孔內必須有充足的泥漿，以起到孔壁穩(wěn)定、冷卻鉆頭、潤滑鉆具和懸浮巖渣等作用。牙輪筒鉆在巖石樁孔施工中，孔壁相對泥土地層穩(wěn)定性要好，泥漿的主要作用是冷卻鉆頭和懸浮巖渣，選用適宜性能的泥漿既可以起到冷卻鉆頭潤滑牙輪的作用又可以起到懸浮巖渣和清潔孔底的作用，避免鉆頭過熱、磨損和鉆頭重復破碎的現象發(fā)生。所用泥漿一般應達到如下指標：密度控制在1.05～1.15 g/cm3，粘度控制在17～20 s，含砂率控制在4%以內。

4 牙輪筒鉆的應用實例

山西省地質勘查局現有旋挖鉆機近30臺，施工工地遍布全國各地。某勘察院在2017年承接了福清海上風電樁基施工項目，該項目使用550D型旋挖鉆機，鉆頭為中國地質調查局勘探技術研究所設計的截齒旋挖鉆頭及系列牙輪筒鉆。所鉆地層為花崗巖，巖石最高硬度為132 MPa,鉆進孔深60～80 m,鉆進最大口徑為2800 mm。

采用鉆進工藝為分級鉆進法，即先用加密型?1500 mm牙輪筒鉆鉆進小眼，再分級擴孔，直至達到所要求直徑。由于該工程屬于特硬地層鉆進，所以在設計?1500 mm鉆頭時，采用了如下結構：一是增加鉆頭筒子高度至1600 mm,以增加細長比，利于取心時巖心根部順利拔斷，同時由于增高了鉆頭的導向長度，使鉆頭的穩(wěn)定性大大增強。在鉆頭的牙輪布局上采用了獨特的一內兩外牙掌間隔布置，以保證牙輪工作量一致并基本同步磨損，牙輪選用?216 mm的楔型齒牙掌，為了防止因地層太硬造成鉆頭在孔內的跳動，牙輪掌的數量較常規(guī)筒鉆增加了50%，每只鉆頭焊接了15只牙掌，這樣不僅大大增加了鉆頭的穩(wěn)定性，同時由于增加了鉆頭與孔底的接觸點，使得鉆進效率比常規(guī)設計提高了30%左右，取心成功率也提高了20%以上。

使用該鉆頭時，上部風化地層一般所鉆巖心均可順利取出，下部堅硬地層取心成功率也可達到85%以上，少數情況下巖心會因為根部沒有斷裂而將巖心留在孔底，此時將鉆頭裝上預先準備的偏心楔，將筒鉆下至孔底時，通過加壓由偏心楔的斜面將巖心楔斷，然后由筒鉆將巖心帶出。所鉆?1500 mm小眼，轉速一般為7～8 r/min,在風化地層中鉆速可達3～4 m/h,在微風化地層中鉆速一般為20～30 cm/h。取出的巖心如圖4所示。

小眼完成后分3級擴孔完成，即?1500/2000、2000/2500、2500/2800 mm。擴孔牙輪鉆頭采用如圖5所示帶有導向筒的牙輪筒鉆，前導筒設計長度為800 mm,導筒直徑一般較前導孔小100 mm,這樣的設計既保證能起到導向扶正作用，避免在擴孔時造成孔斜，又防止了由于導向筒直徑過大造成回轉扭矩太大影響鉆進效率。導向筒上部設計有窗口，以方便將擴孔時產生的巖渣掉入前導筒內。擴孔牙輪布置有?311 mm的牙輪掌，牙掌數量同樣采用加密型布置。筒子外壁每間隔500 mm布有螺旋扶正減磨帶，起到減少筒子外壁磨損的作用，并可引導巖渣上返最終掉入至鉆頭筒內。該系列擴孔鉆頭擴孔轉速一般為3～4 r/min。一個孔深80 m的鉆孔，正常情況下2～3 d可完工。牙輪壽命一般平均每孔消耗10只。該工程進展順利，牙輪筒鉆使用效果很好[12-14]。

圖4 用牙輪筒鉆取出的巖心Fig.4 Cores drilled by a core barrel with roller bits

圖5 帶有前導筒的牙輪筒鉆Fig.5 Core barrel with roller bits with the pilot barrel

5 牙輪筒鉆使用注意事項

(1)牙輪筒鉆下鉆時要緩慢操作，尤其是接近孔底時輕轉慢放，防止牙輪撞擊孔底造成牙輪損壞。

(2)當牙輪筒鉆全部接觸孔底后，逐漸加壓到額定壓力，進行正常的鉆進。鉆進過程中注意鉆頭上負荷的變化和鉆機運轉的情況。

(3)要取心時，停止鉆機旋轉，待巖渣沉淀后起拔鉆具，提出孔口取出巖心。有時候巖心卡在筒鉆內造成取心困難，這時候鉆機操作手應將筒鉆底部放在小于筒鉆內徑的硬物體上來回提放幾次，就可以將卡在筒內的巖心取出；如果巖心沒取上來，可以下帶有偏心楔鉆頭打撈，鉆頭旋轉時，在鉆機旋轉扭矩作用下，偏心楔將巖心卡斷，將巖心取出。還有另一種就是在地層不太硬的情況下，可直接下?lián)粕岸啡タ巳r心[15]。

(4)牙輪的清理與檢查。每次提鉆后一定要用清水去清理牙輪，檢查牙輪的轉動情況、齒的磨損、有無掉齒現象及牙輪軸承的曠量大小等，通過檢查也可以判斷牙輪使用正常與否及孔內情況。

(5)遇到以下情況需要更換牙輪：

①牙輪出現偏磨現象，牙輪軸承不能正常轉動后在孔內出現滑移，使得牙輪與巖石接觸的部分磨損造成偏磨現象；

②牙輪軸承密封失效，軸承間隙過大(3～5 mm)進入泥砂，加劇軸承損壞；

③牙輪斷齒掉齒嚴重，如果孔內有掉入的金屬物，牙輪硬質合金齒會出現崩齒現象，遇到這種情況，要清理孔內金屬物和更換牙輪，否則會產生鏈鎖反應。

(6)牙輪更換注意事項：在更換牙輪時不僅要考慮牙輪的高度一致，也要考慮牙輪內外出刃及角度的一致。另一個問題是焊接時注意焊接溫度，防止焊接溫度過高造成牙輪密封損壞，可以采用水冷卻的方法或間斷焊接。

6 結語

牙輪筒鉆由于其特有的碎巖機理，是目前旋挖鉆進對付硬巖地層比較有效的方法，其不足之處就是由于是無循環(huán)鉆進清渣不暢，相對于有循環(huán)牙輪鉆進造成牙輪掌的磨損較快，使用壽命受到影響，若配合氣舉反循環(huán)等工藝同時結合全套管護壁，可有效地解決該問題，提高鉆進效率和鉆頭壽命，節(jié)約鉆進成本。