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    PQG型偏心跟管钻具的研制及应用.pdf

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    PQG型偏心跟管钻具的研制及应用.pdf

    POG型偏心跟管钻具的研制及应用朱国平王德龙无锡市双帆钻凿设备有限公司摘 要 本文介绍了PQG型偏心跟管钻具设计结构特点和设计参数选择方法。通过具体工程施工实例的介绍,读者可以更好地了解跟管钻具的应用和施工工艺方法。关键词 潜孔冲击器跟管钻进钻具偏心 复杂地层1概述近年来在我国的水电站、铁路、高等级公路及城市基础设施建设过程中,涉及到了大量的地质灾害防治、基础加固等岩土工程施工。在这些工程的施工过程中经常会遇到坚硬、破碎、松散等复杂地层的钻孔问题,如果采用常规的钻进工艺方法往往难于保证钻孔的质量和施工效率,有时甚至使工程施工难于实施。钻孔施工中遇到的这些复杂地层主要是第四纪覆盖层、坡积层及碎石基础等形成的松散堆积体、砂卵石、砂砾石等,钻孔过程中主要表现为钻孔速度慢、漏失、易塌孔、易弯曲等,给钻孔工作造成了极大的困难和难度,直接影响到钻孔施工的效率、成本和质量。潜孔锤跟管钻进充分利用了风动潜孔锤高效冲击破碎岩石的优势,在高效碎岩钻进的同时,同步跟人套管保护钻孑L孔壁,利用套管的刚性导向作用,还可以抑制钻孔弯曲,保证钻孔的直线度,目前已在国内外广泛应用于坚硬、破碎、松散等复杂地层的工程钻孔施工中。作为实行潜孔锤跟管钻进的跟管钻具按其结构型式主要分为2种类型偏心式跟管钻具及同心跟管钻具。2种结构型式的跟管钻具具有不同的结构特点和使用性能,其适用范围也有所区别。同心跟管钻具因使用了套管钻头,其套管钻头的壁厚较厚,使钻孔的终孔直径比偏心式跟管钻具的终孔直径要小10mm左右。偏心式跟管钻具不仅终孔直径大,而且结构简单、制造成本低、使用方便,因此偏心式跟管钻具在工程施工中得到了更广泛的应用。2 PQG型偏心式跟管钻具的研制与设计PQG型偏心式跟管钻具的工作原理见图1为钻进时偏心式钻具通过套管内孔中进入套管靴位置,当中心钻具正转时,偏心钻头在套管靴前顺着回转方向偏心张开,在潜孔锤驱动下钻头钻出比套管外径大的钻孔,潜孑L锤同时驱动套管靴,使套管与钻孔同步跟进,达到保护已钻出之钻孑L的目的。钻孔施工结束后,使钻具反向旋转一定角度,偏心钻头便可以收拢,然后从套管内孔中提出。从偏心式跟管钻具的实际使用功能来分析,其结构往往比较容易实现,重要的是其实际使用效果能否满足工程施工的需要。偏心式跟管钻具的工作可靠性、使用寿命和钻孔效率、制造成本是衡量其工作性能优劣的重要指标。483偏心式跟管钻具在钻孔内工作时,其受力状态十分复杂既要承受轴向高频冲击交变载荷,同时要承受回转扭矩和轴向拉压交变载荷。因此需从钻具的结构尺寸设计、材料选型、加工工艺过程等方面进行精心设计和严格控制,通过反复试验对比来不断加以修正改进,才能获得钻具的优良工作性能。a钻进状态 b J提升状态图1倔心式跟管钻具不葸图跟管钻具的结构设计主要从钻具的强度、刚度、耐磨性和加工工艺性等方面来加以综合考虑。结构强度直接关系到跟管钻具的工作可靠性,加大偏心距时能获得较大的钻孑L直径,有利于套管跟进,但同时会使回转扭矩增大和降低钻具的结构强度,导致钻具的实际使用强度降低,影响到钻具的可靠性。钻具结构中偏心钻头上冲击力、扭矩和轴向拉压力的传递方式也直接关系到钻具的使用可靠性和使用寿命。在钻具的传力和结构强度能得到基本满足的基础上,还要兼顾钻具的加工工艺性,便于加工制造和降低制造成本。众所周知,“ODEX”偏心跟管钻具是在国内外较为典型的钻具结构,PQG型偏心跟管钻具的结构设计将中心钻头和偏心扩孔钻头合二为一,采用了双向偏心、双传扭机构的结构设计,有偏心钻头整体转动偏出完成钻孔和扩孔,不仅简化了结构,使得冲击力和扭矩的作用与传递变得更加直接有效,提高了钻头的联接强度和使用可靠性,同时大大地降低了钻具的制造难度和制造成本。PQG型偏心跟管钻具主要有导正花键轴、偏心钻头及联接横销组成,见图2。导正花键轴一端的花键直接与潜孔冲击器相连接,另一端的偏心孔与偏心钻头相配接,配接后偏心钻头可绕导正花键轴上的偏心孔转动一定角度,转动位置分别为偏心钻头的张开和收拢状态。 .1双传扭机构的设计PQG型偏心跟管钻具的双传扭机构分别有484囝②A削面 B剖面罔2 POG型偏心钻具组成图导正花键轴、偏心钻头和横销组成的传扭副来实现。在导正花键轴的偏心孑L连接部分设有横销孔,在偏心钻头的偏心连接部分设有非圆周型环槽,当横销插入导正花键轴的孑L中时,横销同时进入偏心钻头上的环形槽中,在形成传扭副的同时还将偏心钻头轴向与导正花键轴连接起来;在偏心钻头或花键轴的端面还设计有凸出的键块,键块可沿花键轴或偏心钻头的凹槽滑动,其滑动量分别为偏心钻头的张开或收拢位置,从而形成钻具的第二传扭副。从大量的工程施工试验中发现,传扭副失效是偏心跟管钻具损坏的主要形式之一,采用了双传扭机构的偏心跟管钻具,其工作可靠性得到了大幅度的提高。PQG型偏心跟管钻具双传扭机构在结构设计上的另一显著特点是其双传扭副均隐藏在钻具结构的内部,避免了与岩渣的直接接触,不仅可延长传扭副的使用寿命,重要的是减少了偏心钻头在收拢时岩渣的阻卡现象,提高了偏心钻头回收收拢的可靠性。目前PQG型偏心跟管钻具双传扭机构的结构设计已经获得了国家专利专利号ZL02258156.1。2扩孔直径与偏心距的确定从跟管钻具的钻进效率对比试验发现,偏心跟管钻具的扩孔直径与钻进效率基本上成正比关系,但是不能无限制地加大扩孔直径。结构上扩孔直径主要由钻具的偏心距来确定,选择偏心距的大小时首先要能满足钻具的结构强度需要。增大偏心距时,不仅会增大钻具的回转扭矩,使钻具承受的工作负荷加大,同时还会削弱钻具的结构强度,影响到钻具的使用寿命和工作可靠性,偏心距选大时还会增大制造加工工艺过程的难度。因此需要通过大量的对比试验来优选组合扩孑L直径与偏心距的合理取值。扩孔直径Dt与偏心距a的关系如下见图3Dl2R22asin/2式中Dl扩孔孔径;R偏心钻头外圆半径;口偏心距;口偏心钻头转动角。设计时扩孔直径D1一般要比套管外径大10ram以上应尽量增大偏心钻头外圆半径Rz,以能通过套管靴为原则;转动角口一般选择为90。~120。。3 PQG型偏心跟管钻具的应用跟管钻具钻进时破碎岩石的能量及驱动套管跟进的能量主要来源于潜孔冲击器输出的冲击功,此外钻机回转带动偏心跟管钻头对孔底岩石形成辅助性切削及挤扩效应。要获得良好的跟管钻进效果,必须使钻机、空压机设备的输出性能以及潜孔冲击器性能与跟管钻具加以匹配,并且根据地层情况制订出合适的钻进施工工艺。3.1钻进设备的配套钻机设备的输出性能应能满足低速大扭矩的需要,因此应首选动力头式锚固钻机。空压机的输出性能首先要满足潜孔冲击器所需的最小风压和风量图3扩孔直径与偏心钻头直径的关系图485的需要,并且要根据地层的漏失程度及含水情况以能满足正常钻进工艺循环为原则,在条件允许的情况下应尽量选择能力较大的空压机。潜孑L冲击器应具备优良的冲击功和冲击频率输出性能,并且要与跟管钻具、套管材料的强度相匹配。3.2跟管钻进工艺在复杂地层进行跟管钻进施工时,选择的钻进参数应以低转速、低给进压力、高上返风速为原则,施工操作过程中应根据所钻进地层中岩石的硬度、松散程度、含水量等因素控制钻进速度,当钻遇到特别松散或较大裂隙的地层时,尤其要降低给进速度和给进压力,反复进行排渣清孑L。在具体的施工操作中还应注意以下几个方面1钻具下孔前应逐一检查潜孔锤、跟管钻头、套管及套管靴连接是否牢固可靠,偏心钻头转动是否灵活,否则不能下入孑L内。2钻进过程中应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况,每钻进0.3----.0.4m应强吹孑L排粉,以保持孔内清洁。吹孔时,中心钻具向上提动距离应严加控制,以能实现强力吹孔排粉为限,禁止在钻进过程中强力起拔中心钻具。3钻进结束或需要更换中心钻具时,应先进行清孔,将孔底残渣吹尽,然后脱开中心钻具的回转动力,把中心钻具缓缓向上提动,提升力的大小以刚好能提动中心钻具为合适,提升高度以偏心钻头后背与套管鞋前端接触为止;然后低速反转钻具,同时缓慢向上试提中心钻具。当观察到中心钻具可以顺利提升时,表明偏心钻头已收拢,这时可以按照常规方法提升中心钻具,直到全部提出中心钻具。在反转钻具收敛时,应小心操作,防止钻具脱扣。4有时会因孔底残留岩渣过多,偏心钻头回转部分被岩渣卡死而影响偏心钻头的收拢。当试提几次仍不能奏效时,应输送压气,重新对钻孔进行清洗,并使潜孔锤作短时间工作,然后重新进行中心钻具提升作业。3.3 POC型偏心跟管钻具在几个典型工程施工中的应用1PQG型偏心跟管钻具应用于水电站防渗帷幕的施工赵山渡水利枢纽位于浙江省文成县境内,是以蓄水供水、防洪为主,兼顾发电的综合型水库。工程施工过程中的围堰就座落在河床冲积形成的砂卵砾石层上,砂卵砾石层厚度从15m至18m,卵砾石大小从几厘米到几十厘米不等,硬度较大。围堰的防渗帷幕设计采用了高压摆喷喷射注浆法,施工过程中需要在砂卵砾石地层上钻出引导孑L。承接该项工程施工的中国水利水电第九工程局先后采用了常规金刚石和硬质合金回转钻进、钢丝绳冲击钻进等钻孔方法,但是成孔十分困难,一个18m深的钻孔要5~6d时间。采用PQGl46偏心跟管钻具进行跟管钻进,配套YG一60型锚固钻机、HVP750空压机、QCWl00潜孔冲击器,第1个15m深的孔用了不到4h,平均钻孔时效达到4m/h,累计完成钻孔6575延米,确保了工程施工的进度,取得了良好的社会效益和经济效益。PQG型偏心跟管钻具还在贵州省引子渡水电站、湖北王甫洲水电站、湖南省永州市宋家州水电站,湖北省保康县寺坪电站、云南省那兰水电站、岩羊山水电站,山西朔州引黄入晋水利工程、广西百色水利枢纽、广西梧州水利枢纽、浙江省丽水五里亭水库等工程的防渗帷幕施工中得到了广泛的应用。2PQG型偏心跟管钻具应用于深厚堆积体地层钻孔施工小湾水电站位于云南省西部澜沧江中上游河段,坝址位于高烈度地震区的峡谷地带,岸坡陡峻,地层破碎、裂隙发育,在沟梁间分布有大量的深厚堆积体地层。在采用大吨位预应486力锚索对边坡进行加固施工过程中,钻孑L施工遭遇了极大的困难,主要表现为塌孔、掉块,漏失,钻孔过程中极易产生卡钻、埋钻、钻孔弯曲、钻杆折断等孔内事故。采用PQGl68、PQGl78偏心跟管钻具进行跟管钻进,配套YG一80型锚固钻机,HVP750、HVP900空压机,QCWl30潜孔冲击器,在破碎、裂隙发育地层及堆积体地层中钻进取得了良好的钻孔效果,最大跟管钻进深度达到了48m。太钢集团有限公司矿业公司峨口铁矿是一个从20世纪60年代就开始开采的老矿区,经过长期开采储量已严重不足,为了延长矿山寿命,需要进一步扩大勘探范围,在原有矿山周边地区进行钻孔勘探。地质布置的其中8个勘探钻孔位于峨口铁矿北区排岩废石场内。由于长期开采过程中排出的废弃矿渣及山体原始坡积物形成了大量的深厚堆积体地层,给岩心钻探钻孔造成了极大的困难。太钢集团有限公司矿业公司地质工程勘察公司于2004年起就开始在该矿区进行勘探钻孔施工,采用岩心勘探钻机进行常规回转钻进加套管护壁,历时3个月时间在上部堆积体地层最大钻孑L深度只达到20余m,再也无法继续钻进,使勘探工作被迫停止。根据测量计算,矿区地质钻孔位置堆积体地层最大厚度接近130m。堆积体地层的地质条件十分复杂,上部为排岩堆积体,内含各种坡积物、爆破残留物,岩石成分主要为绿泥片岩、绿泥云母片岩、绿泥角闪岩、绿泥云母角闪片岩、角闪片岩、角闪岩、磁铁石英岩,石英岩等,且颗粒大小为10~200cm不等,分布也极不均匀,岩石硬度.厂8~1 7,可钻性为3~10级,厚度为40~100m;中部为原始坡积层,厚度为10~30rn。勘探钻孔设计要求穿过上部及中部堆积体地层进入基岩2m,下入套管后更换为常规金刚石小口径钻进设备迸行岩心钻探施工。因此地质勘探钻孔作业中迫切需要解决深厚堆积体地层的钻孔问题。为此采用PQGl68、PQGl 27、PQG89偏心跟管钻具进行跟管钻进,配套YGS-120型全液压锚固钻机,HVP750空压机,QCWl00、OCW70潜孔冲击器,分成3级进行跟管钻进,最大跟管钻进深度达到了104ITI。3PQG型偏心跟管钻具应用于隧道大管棚施工在地铁、公路、铁路等隧道开挖掘进施工中,当遇到坚硬、松散、破碎、裂隙发育等复杂地层时,经常采用爹89、声108钢管的大管棚支护方式,PQG型偏心跟管钻具也已在这些隧道大管棚施工中得到了广泛的应用。沈阳市图书城过街通道工程由中铁九局路桥工程处承建。通道设计长度42m,宽6.5m,拱顶离马路面3.5m,其中有各种管道实施计13处,管道距拱顶最近处距离为0.75m。由于该工程位于繁华的市区,交通十分繁忙,施工时不能影响交通与市容,设计采用了j6108钢管大管棚支护,地下暗挖掘进的施工方法。地层为粉砂与砂砾岩,松散无胶结。配套YG-60型锚固钻机、HVP600空压机、QCW80潜孔冲击器,采用PQGl08偏心跟管钻具进行跟管钻进,平均钻进速度达到5m/h,钻孔精度误差小于20cm,确保了工程施工的安全与施工进度。4结语潜孑L锤跟管钻进技术是工程施工中用于克服复杂地层钻孔难的一种有效方法手段,PQG型偏心跟管钻具因其特有的结构、优良的工作性能,为复杂地层的钻孔施工提供了可靠的技术保障。应用于工程施工的跟管钻具的规格系列也已日臻完善,并且由小孔径向大孔径发展见表1。随着今后工程应用领域的进一步拓展,对于一些特殊复杂地层中钻孔直487径大、跟管深度要求比较深的钻孔施工,还要进一步加强对施工工艺技术和配套设备的改进与完善研究,使该项技术能更好地服务于工程施工领域。跟管钻具规格 表1套管规格D- 1189 士108 壬127 参146 声168 15178 每194 t219QcW80 QCWl00潜孔锤规格 QCW70 QCW80 QCWl00 QCWl30 QCWl50 QCWl70QCWl00 QCWl30套管鞋通径Dz 壬68 柏6.5 15,102.5 壬120 壬138 壬147 壬166 们84488PQG型偏心跟管钻具的研制及应用作者 朱国平, 王德龙作者单位 无锡市双帆钻凿设备有限公司本文链接http//d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7114173.aspx授权使用湘潭大学wfhyxtdx,授权号58524edb-da76-4d64-b88f-9ea10169d24d下载时间2011年3月9日

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