CN1190585C

CN1190585C - 一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法

Info

Publication number: CN1190585C
Application number: CNB021446563A
Authority: CN
Inventors: 卢文阁; 孙友宏; 计胜利; 侯传彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: CN1419034A

Abstract

本发明为一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，该方法是利用潜孔锤在套管上部的冲击和钻机自身对套管的静压，将护壁套管下入孔内的一种钻进方法，套管下入的主要动力是潜孔锤的冲击力，钻机的静压力起辅助作用，该方法可利用小型轻便钻机及机具对不稳定地层，松散破碎地层进行潜孔锤冲击静压跟管钻孔，其钻孔效率高，成孔质量好，设备搬迁方便。

Description

松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法

技术领域

本发明涉及一种钻孔的方法，特别是涉及一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法。

背景技术

众所周知，所谓的松散破碎地层，如砂层、卵砾石地层、破碎带、块石回填地层等，目前国内外对于该种类型地层进行钻孔施工时，常出现孔壁不稳定，极易坍塌掉块，在钻探界将其归为不稳定地层，为世界级的钻探难题；对于各种类型不同的地层，其钻孔施工方法也不同，存在的问题也各异，如对于不稳定地层厚度较薄，地层颗粒之间存在一定的粘结力，地层孔隙比较小，无较大漏失的地层，采用泥浆护壁正、反循环钻进，技术上要求较严格，容易因水浸使泥浆粘度变小或孔内泥浆压力变化引起孔壁坍塌，造成埋钻事故，钻进效率低、钻头磨损严重；对于硬岩层，含漂石、滚石的卵砾石地层钻进采用钢绳冲击钻进，利用钻头的冲击挤密和孔内填加粘土的办法，可有效护壁，保证孔壁的稳定，但孔内遇水、地层孔隙比较大时，孔壁不易稳定，钢绳冲击纯钻进时间仅占总工作时间的0.27％～0.4％，钻进效率低，钢绳冲击钻进只能钻进直孔；随着科学技术的进步，针对上述二种钻进方法存在的缺欠，采用潜孔锤同心跟管钻进，这种方法是通过套管保护孔壁，护壁效果好，但钻进时外管回转，回转扭矩较大，故需要配备较大扭矩、较大功率的回转钻机，钻机重量大，受交通条件的限制，一些施工区难以进入，受钻机扭矩和钻具强度限制，钻进的深度一般较浅，对于深孔的钻进无法施工，因此目前这些钻孔方法不能完全满足松散破碎地层的钻进，而该类不稳定地层在水井施工、边坡锚固、地质勘察、地震勘察的工程施工中工作量又很大，急待改进和创新。

发明内容

本发明的目的就是针对上述潜孔锤同心跟管钻进施工方法所存的缺欠，即回转扭矩较大，配备较大功率的回转钻机，钻机重量大，由于受交通条件限制，一些施工区难以进入，同时又因钻进深度较浅等缺欠，提供一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，该方法的优点是套管护壁、孔壁稳定、成孔后有利于后序工作的进行，如孔内安装锚索、锚杆、下工作仪器、下***等；二是无泥浆护壁、孔壁渗透性好，对地层无污染，对地下水的开采有利；三是起下套管时，套管不回转有利于保护套管丝扣，也便于拆卸套管；四是可选用低转速、小扭矩、小功率、重量轻便的钻机，施工设备投入小，复杂地形搬迁容易；五是采用潜孔锤作为冲击发生器，提高空气压缩机的利用率，简化了钻机的结构；六是采用空气做动力钻进，有利于干旱缺水地区的施工。本发明技术方案的构思主要是利用潜孔锤在套管上部的冲击和钻机自身对套管的静压，将护壁套管下入孔内的一种钻进方法，套管下入的主要动力是潜孔锤的冲击力，钻机的静压力起辅助作用，因此沉管阻力的计算是潜孔锤冲击静压跟管钻进的关键，沉管阻力的计算如下：

根据“苏联建筑法规”，桩的极限承载力包括桩端阻力和桩土摩擦力两部分，套管沉入卵砾石层的最大阻力参考计算的公式为：

P_max＝nm(c∑af_il_i+Aδ_f)

式中：P_max——套管的极限承载力，KN

n——考虑到岩层物理特性的分散性系数(不均匀系数)，通

常取n＝0.7

m——工作条件系数，对于房屋、桥梁及水工建筑物，m＝1

c——桩周长，n

a——安全系数，冲击沉管，a＝1

f_i——第i层土的表面摩擦阻力的标准值。平均当量直径

45mm的卵砾石层f_i＝12～58kN/m²，(因地层的松散程

度不同而不同)

l_i——第i层土的厚度，假设l_i＝20m，为一种地层

A——桩端处的截面面积

δ_f——桩端底部地层的极限应力，δ_f＝1200～9800kN/m²(根

据地层的类型及孔隙比不同而不同)；

经计算，钢套管下入卵砾石20m深，最大沉入阻力的计算结果如下表所示。

套管沉入阻力计算值

套管规格	直径(mm)	108	127	146	168	214
	直径(mm)	108	127	146	168	214	壁厚(mm)	6	6	8	8	10
	沉入阻力(KN)		58～288	67～324	80～397	92～456	壁厚(mm)	6	6	8	8	10	119～600

其次是潜孔锤冲击力的估算，在高压空气的作用下，潜孔锤中的活塞作上下往复运动，向下运动通过撞冲砧子，使潜孔锤产生向下的冲击力，故潜孔锤是一种能产生轴向冲击力的工具器，经实验研究得出潜孔活塞的冲击力P随时间的变化的特性曲线，如附图所示，不同规格的潜孔锤瞬时冲击的最大值P_max也显示不同，WC-150型气动潜孔锤在常规工作中，P_max＝90KN，遇坚硬岩层或砧子轴向无位移时，P_max会更大，WC-200、WC-250、WC-300型潜孔锤的冲击力分别是WC-150潜孔锤的2～8倍，因此，通过分析，利用潜孔锤的冲击力和钻机静压力(一般为10～15KN)，在松散无胶结地层中可以将套管下入地层中；再次是套管底部受力分析，如附图2所示，地质套管属钢质管材，接近绝对弹性体，对振动波的阻尼损耗因子极低，故潜孔锤活塞加在砧子的冲击波在套管内传播的能量衰减极小，可忽略不计，套管1底部连接管靴11，管靴11的材料为35SiMnMoV，硬度高，耐磨性好，管靴11下部带刃角12，在钻机的静压力和潜孔锤的冲击力联合作用下，底部小颗粒13被管靴11挤向刃部两侧，面积大厚度相对较薄的岩块14则可被管靴11切断，如果地层孔隙比较大，则厚度大的岩块15也可被管靴11挤压滚动或挤向孔壁；通过上述分析，本发明的方案是可行的；本发明所采用的机具是将潜孔锤下部砧子，即是钻头尾部结构进行改进，使其直接与套管或钻机连接，进行冲击下套管或冲击反打接头拔套；本发明的施工方法：

1)开孔沉管时，需将潜孔锤反打接头与套管变径接头连接，为了套管的导向，需边回转静压边冲击，回转的转速20-30rpm，进行冲击回转跟进套管；

2)回转扭矩很大时，套管停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据使用潜孔锤的规格选取钻机的静压力，潜孔锤的风压、风量；潜孔锤工作的风量3-5m³/min，控制风压0.3-0.5Mpa，以防损坏套管；

3)冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在套管内进行常规正循环钻进，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；

4)当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进；

5)当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，再重复跟管钻进。

6)当起拔套管时，将潜孔锤倒置，取掉钻头、套管护箍、砧子，在上接头换上套管变径接头、进气接头，在另一端装有反打接头，从潜孔锤下端进风，活塞上击反打接头，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管，钻机提升机构与反打接头连接，向上静拉起拔套管，在潜孔锤的向上冲击力和钻机的向上静拉力联合作用下起拔套管。

附图说明

图1为本发明潜孔锤冲击瞬时力曲线图。

图2为本发明套管结构及孔底钻进示意图。

图3为本发明潜孔锤开孔跟管钻进示意图。

图4为本发明潜孔锤震动跟管钻进示意图。

图5为本发明钻孔结构示意图。

图6为本发明反打起拔套管示意图。

1为套管、11为管靴、12为刃角、13为小颗粒、14为岩块、15为大块卵石、2为潜孔锤、3为活塞、4为钻头、5为套管护箍、6为潜孔锤上接头、7为反打接头、8为进气接头、9为套管变径接头、10为砧子。

具体实施方式

如附图3至附图5所示，在开孔沉管时，需将潜孔锤反打接头7与套管变径接头9连接，为了套管的导向，需边回转静压边冲击，回转的转速为20-30rpm，风由潜孔锤上接头进入，活塞3下击砧子10，产生向下的冲击力，潜孔锤的工作废气经反打接头7及下端排出，如附图3所示；当回转扭矩很大时，套管1停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据选用潜孔锤的规格，选取潜孔锤的风压和风量；当冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在管内进行常规正循环钻进，把反打接头7和套管变径接头9取下，装上套管护箍5、钻头4，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进，如附图4所示；当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内，将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，如附图5所示，再重复跟管钻进；当起拔套管时，将潜孔锤倒置，取掉钻头4、套管护箍5、砧子10，将潜孔锤上接头6与套管变径接头9、进气接头8相连，再与套管1相连，在潜孔锤2另一端装有反打接头7，从潜孔锤下端进气接头8进风，活塞3上击反打接头7，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管1，钻机提升机构与反打接头7连接，向上静拉起拔套管1，在潜孔锤向上冲击力和钻机的向上静拉力的联合作用下起拔套管1。

利用潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法的具体实施例：

实施例1为吉林炭素总厂第二焙烧车间改造工程中的钢管桩施工

地层条件：0～7.5m为粘土、亚粘土、砂土、硬塑粘土，7.5～12.0m为卵砾石层(卵砾石当量直径45mm，设计要求钢管下入卵砾石1m。

施工用机具：BTGJD-2型工程地质勘察钻机，WC-150潜孔锤，W-9/7空压机。

跟管钻进效率12m/h，是常规方法的15倍。完成钢管桩施工工作量170m。

实施例2为吉林省松花江水下***孔施工工程

地层条件，水深5m，河床下0～1.5m为砂卵石，1.5m以下为玄武岩，东北地区冬季施工。

使用的机具：BTGJD-2型钻机、W12/10空压机、WC-150、WC-110型潜孔锤，φ127地质加厚套管。

跟管钻进效率10m/h，解决了常规方法无法钻进的技术难题，卵石层中的钻进工作量1500m。

实施例3为吉林省松山电站边坡稳固工程

地层条件：0～9m为隧道开采块石(平均当量直径400mm)，9～20m为山前带坡积物(有一定的胶结)。边坡角度60°，大型钻机难于运到现场。

使用机具：BTGJD-2型钻机、WC-150潜孔锤、WC-85潜孔锤、W-9/7空压机、φ146地质套管。

跟管钻进深度9m，钻进效率8m/h，完成工作量72m。

实施例4为牡丹江莲花电站观测井施工工程

地层条件：0～20m回填砂、卵石、风化岩石、岩石(颗粒大小不均，当量直径15～500m)。

使用机具：G-3型工程地质勘察钻机、W-9/7空压机、WC-150、WC-110、WC-85潜孔锤，φ127、φ146地质套管。

采用全孔跟管钻进，纯钻进效率9m/h，完成工作量60m。

实施例5为京珠高速公路广东韶关段边坡锚固孔施工工程地层条件：0～4m山前带坡积物(胶结性差)，4～6m风化岩石、6～10m破碎岩层、10～20m岩层。设计要求锚固孔施工不允许使用泥浆。

使用机具：MD-50型锚杆钻机、W-12/10空压机、WC-110、J80潜孔锤。φ127地质套管。

跟管钻进10m，钻进效率8.5m/h，完成工作量470m。

Claims

1、一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，是采用钻机、潜孔锤及机具，使潜孔锤直接与套管和钻机连接，进行冲击下管或冲击拔套管的方法，其特征是：开孔沉管时，需将潜孔锤反打接头与套管变径接头连接，边回转静压边冲击，进行冲击回转跟进套管；当回转扭矩很大时，套管停止回转，利用钻机的静压和潜孔锤冲击进行下管，根据使用潜孔锤的规格，选取钻机的静压力、潜孔锤的风量、风压；当冲击静压套管钻不进时，应采用气动潜孔锤在套管内进行常规正循环钻进，把反打接头和套管变径接头取下，装上套管护箍、钻头，将套管内的岩层破碎，返出套管，并尽可能地向下钻进；当潜孔锤正循环钻进遇塌孔无法钻进时，则再重复进行冲击静压跟管钻进；当孔底遇到大块石无法跟管时，可将潜孔锤下入套管内，将其击碎或钻穿，或继续跟管或再下一层小的规格套管，再重复跟管钻进；当钻孔完成时，应起拔套管，这时将潜孔锤倒置，取掉钻头、套管护箍、砧子、潜孔锤上接头与套管变径接头、进气接头及套管相连，在另一端装置有反打接头，从潜孔锤下端进风，活塞上击反打接头，产生向上的冲击力，冲击力通过潜孔锤外缸传至套管，钻机提升机构与反打接头连接、向上静拉起拔套管，在潜孔锤的向上冲击力和钻机的向上静拉力联合作用下起拔套管。

2、按照权利要求1所述的一种松散破碎地层的潜孔锤冲击静压跟管钻孔方法，其特征在于：所说该方法的机具反打接头通过套管变径接头与套管连接或与钻机连接，并在反打接头上开有十字形通风孔。