鑽具中方保是啥

鑽具中方保是鑽桿內部塗層，這種塗層主要用於鑽探工程中鑽桿內的保護和防腐。塗層材料可以是聚酰胺類、環氧樹脂類等，塗層的具體種類和用途因行業和需求而異。

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鑽探主要設備的維護保養知識

(一)典型(迴轉)鑽機的維護保養

1.典型鑽機的日常維護

鑽機的維護與保養包括日保養、周保養與月保養。

(1)日保養(班保養)

1)經常保持鑽機外表面清潔,有油污時應立即擦拭乾淨。

2)檢查所有外露螺栓、螺母、保險銷等是否牢固可靠。

3)檢查變速箱、液壓系統油箱的油麪位置,按要求加註潤滑油或潤滑脂。

4)消除在本班內發生的其他故障。

(2)周保養

周保養是在班保養的基礎上,增加以下內容:

1)檢查與調整摩擦離合片的間隙,三角皮帶輪的鬆緊程度。

2)清除抱閘及捲揚機上的髒東西,同時進行必要的調整。

3)按要求對各部位加註潤滑油或潤滑脂。

(3)月保養

月保養是在周保養的基礎上,增加以下內容:

1)清洗液壓油箱內的過濾器,檢查油液是否變質,必要時更換新油。

2)擦洗乾淨活塞桿、導向杆上的污物,並對其表面塗油。

3)檢查變速箱、擰管機等部件的潤滑油是否變質或污染,必要時更換新油。

4)檢查捲揚機、離合器是否工作正常,如有損壞和損傷,應進行修理和更換。

5)檢查各部件操縱機構是否靈活可靠,並進行緊固或修理。

6)對所有應加潤滑油或潤滑脂的部位,加足潤滑油或潤滑脂。

7)若鑽機長期不用時,各表露部分應塗以潤滑油或潤滑脂,並用帆布蓋好。

2.鋼絲繩的日常維護

爲延長鋼絲繩的使用壽命,在使用鋼絲繩時,應注意以下事項:

1)應根據提升鑽具需要的最大負荷量及捲筒、滑輪直徑,選擇合適的鋼絲繩直徑、股數、扭擰方向及臨界抗拉強度,使用時不得超過鋼絲繩允許的載荷量。

2)鋼絲繩中心有油浸的麻心(也有用金屬絲的)。在負荷下,麻心中的油被擠壓出潤滑鋼絲繩與滑輪槽,並減小了與捲筒產生的摩擦,但使用時仍需定期給鋼絲繩注油,並清除污垢。

3)鋼絲繩應一股靠一股緊密、平整地纏繞在捲筒上,當鋼絲繩在捲筒上纏繞數層時,尤應注意正確纏繞,以防止鋼絲繩在捲筒上纏繞時互相咬擠,造成鋼絲折斷,降低鋼絲繩的緊固性。

4)在捲筒上纏繞的鋼絲繩備用圈數不得少於3～5圈。

5)滑車輪槽(包括天車、遊動滑車)的寬窄,應適合鋼絲繩的直徑尺寸,一般滑車輪槽應大於鋼絲繩直徑1～3mm,如果滑車輪槽過窄,特別是V形窄槽,會使鋼絲繩與輪槽壁的摩擦增大,甚至卡住鋼絲繩,同時鋼絲繩在負荷下,處於過窄的輪槽內,將改變其截面而成壓扁狀,降低鋼絲繩的緊固性。

6)當截斷鋼絲繩時,爲了避免鋼絲股的鬆亂,應預先用軟鋼絲將鋼絲繩兩頭繫緊後再行截斷,軟鋼絲的長度應相當於鋼絲繩直徑的7～8倍。

7)每月至少對鋼絲繩詳細檢查一次,並清除滑輪面上的硬化油垢,檢查中如發現有損斷的鋼絲,應用鉗子將其突出的頂部截斷,當鋼絲損壞過多時,則不得繼續使用。

8)當解下纏繞在捲筒上的鋼絲繩時,必須剎住捲筒,使鋼絲繩成爲拉直狀態,否則將會使鋼絲繩成爲鬆亂的無法控制的環圈,而發生打成結子及折斷繩股現象,降低鋼絲繩的使用年限。

9)爲防止鋼絲繩生鏽,應經常保持其清潔並定期塗抹特製無水分的防鏽油、鋼絲繩油等濃礦物油。鋼絲繩在使用時,每隔一定時期塗一次油,在儲存時最少每6個月塗1次油。

(二)典型輔助設備的維護保養

1.泥漿泵保養

(1)班保養

1)檢查各缸進排水閥缸蓋螺栓緊固情況,並按要求上緊。

2)檢查拉桿連接及密封情況,如有泄漏時應即時進行密封,使之不泄漏。

3)清除蓮蓬頭處的堵塞雜物,使之吸水通暢。

4)保持泵外表面清潔,如有污物時應及時擦洗乾淨。

5)檢查曲軸箱內機油液麪,不足時及時添加。

6)檢查皮帶鬆緊度,將皮帶張緊。

(2)周保養

1)檢查各缸進、排水閥件,如有磨損時應及時予以更換。

2)檢查活塞(或柱塞密封圈或皮碗)的磨損情況,必要時予以更換。

3)檢查離合器工作情況,必要時予以調整或更換。

4)檢查導杆、拉桿、十字頭連接情況,並按要求進行緊固。

(3)月保養

1)檢查連桿軸瓦的配合情況,並按要求進行調整。

2)檢查曲軸瓦的工作情況,並進行間隙調整。

3)檢查缸套磨損情況,必要時更換新缸套。

4)檢查變速箱及曲軸箱內機油有無變質或受污,必要時更換新機油。

2.柴油機保養

對柴油機進行維護保養的目的,在於使柴油機經常處於良好的工作狀態,防止故障的發生,延長其使用壽命。對設備進行維護保養是一種帶強制性的預防措施,不論設備有沒有毛病,都應該按規定的保養時間按期進行例行保養。

柴油機維護保養,包括日常保養和定期保養。在地質鑽探工作中,由於工作的連續性,對柴油機仍可按班、周、月進行維護保養。

(1)班保養

1)檢查曲軸箱內機油平面及柴油箱內的燃油麪,不足時按要求進行添加。

2)檢查機體螺栓及其他緊固螺栓、螺母等是否緊固可靠。

3)消除“三漏”(即漏油、漏水及漏氣)現象。

4)保持柴油機外表面整潔,有油污時應及時擦洗乾淨。

5)時常觀察柴油機冷卻水循環情況,避免斷水造成機溫過高而發生故障。

6)消除在本班內發生的其他故障。

(2)周保養

1)清洗空氣濾清器及燃油濾清器,必要時進行更換。

2)檢查電瓶的電壓及電液的密度,電液密度應保持在1.28～1.29g/cm3之間,不足時按要求進行添加蒸餾水。

3)檢查水箱風扇及充電發電機傳動皮帶的鬆緊程度並進行調整。

4)檢查充電線路調節器及儀表工作情況,有故障時及時排除。

(3)月保養

1)檢查調整氣門間隙,必要時進行研磨。

2)檢查調整噴油嘴的噴油壓力及霧化狀態,必要時進行清洗或調整。

3)檢查連桿螺栓、曲軸螺栓和氣缸頭螺母以及其他緊固件的緊固情況,並按要求重新緊固。

4)清洗燃油箱及。

請高手告訴我鑽井鑽具的組合

鑽頭和鑽鋌之間-雙母接頭，連接鑽頭和鑽鋌

不同尺寸鑽鋌和鑽桿連接-轉換接頭（配合接頭），連接不同扣形鑽具

鑽桿和方鑽桿之間是兩個接頭，一個是轉換接頭，一個是保護接頭（因爲要經常卸扣上扣，使用一段時間後更換）

金剛石鑽進用鑽具的組成

金剛石迴轉鑽進所用的鑽具可以分爲兩大類，即單層岩心管（簡稱單管）鑽具和雙層岩心管（簡稱雙管）鑽具。它們由鑽頭、擴孔器、岩心管、異徑接頭及鑽桿等組成（圖10-1）。兩類鑽具，在外形上沒有更多的區別。

1.單層岩心管鑽具的組成

單層岩心管鑽具由鑽頭、卡簧、擴孔器、岩心管組成，在岩心管的上部要接裝異徑接頭和鑽桿（圖10-2a）。在鑽頭的脣部和內、外側，鑲有碎巖材料———金剛石，用以在鑽進中破碎岩石；卡簧用於在取心時卡斷並夾緊岩心以防脫落；擴孔器的外側，也同樣鑲焊有金剛石，而且其外徑略大於鑽頭的外徑，用以修正孔壁，從而保證孔壁的質量（光潔、均勻、不縮徑）並對鑽具進行扶正；岩心管用以收容岩心和保護岩心。

2.雙層岩心管鑽具的組成

在鑽進中，爲了更好地保護岩心以提高取心質量，在鑽具的組成上，採用兩層不同規格的岩心管，同心安裝在異徑接頭上圖10-2b）。外管主要用以推動鑽頭與擴孔器以鑽碎孔底岩石和修整孔壁，內管則用以保護和收容岩心。安裝後內、外管壁間所留的間隙，作爲鑽井液流入孔底的通道，避免了鑽井液直接沖刷岩心，從而提高了取心質量。

圖10-1 金剛石鑽進鑽具組成

雙管鑽具的卡簧，安裝在卡簧座的凹槽內，卡簧座透過短截管與內管插裝在一起，因爲內管體積小、壁薄，所以不以螺紋連接，以增大內管強度。

由於安裝形式的不同，雙層岩心管鑽具又可以分爲：雙動雙管鑽具和單動雙管鑽具。

（1）雙動雙管鑽具：此種鑽具的組成，因其異徑接頭是一個簡單的只有兩組螺紋的整體，所以在鑽進過程中，其所連接的內、外岩心管，則是隨異徑接頭一起進行同樣旋轉的，故稱爲雙動雙管鑽具。這種鑽具在使用時，只能起到防止鑽井液直接沖刷岩心管內岩心的作用，而因內、外管同步轉動，對管內岩心的震動及相互研磨等是不利於取心的因素。

（2）單動雙管鑽具：這種鑽具的特點是，在異徑接頭與內管連接的部位，增加了心軸與推力軸承等零件。鑽進時，由於推力軸承的作用，內管不隨外管一起轉動，故稱單動雙管鑽具。此種鑽具在使用中的優點是，既可防止鑽井液對岩心的直接沖刷，又可因爲內管保持不轉而避免岩心受震和相互磨損，更有效地提高取心質量。特別是在鬆軟的岩層中鑽進時，其護心效果更爲明顯。

圖圖10-2 單層、雙層岩心管

滿眼鑽具組合

4.2.1 鑽具組合特點

滿眼鑽具一般是由幾個外徑與鑽頭直徑相近的穩定器及一些外徑較大的鑽鋌構成。根據用縱橫彎曲法對多穩定器鑽具組合的力學分析結果可知：穩定器與井壁的間隙對鑽頭側向力影響甚大。滿眼鑽具的穩定器外徑要儘量接近井眼尺寸，“以滿保直”。其防斜原理有二：一是由於滿眼鑽具比光鑽鋌的剛度大，並能填滿井眼，在大鑽壓下不易彎曲，保持鑽具在井內居中，減小鑽頭的偏斜角，從而減小和因鑽柱彎曲產生的增斜力；二是在地層橫向力的作用下，穩定器能支撐在井壁上，鑽頭的橫向移動，同時能在鑽頭處產生一個抵抗地層力的糾斜力。爲了發揮滿眼鑽具的防斜作用，鑽具上至少要有三個穩定器，如圖4.3所示。

4.2.2 鑽具組合力學性質

滿眼鑽具在不同致斜地層中，其受力情況略有差異。

當鑽具在垂直或接近垂直的井眼中工作時，它的作用是保持井眼沿着鉛直方向鑽進，如圖4.4（a）所示。上穩定器能抵消由於其上鑽具彎曲所產生的橫向力，使其下鑽具居中。中穩定器能抵消其上一根鑽鋌一旦彎曲所產生的橫向力，並使其下部鑽鋌處於井眼中心，它也幫助下穩定器抵消地層橫向力。下穩定器的作用自然是抵消地層橫向力，鑽頭的橫向移動。

圖4.3 滿眼鑽具組合

當鑽遇使井斜增大的地層時，滿眼鑽具能有力地抵抗地層橫向力，減少井斜的變化。在地層橫向力的作用下，下扶正器和鑽頭靠向井壁高的一側［圖4.4（b）］，抵抗地層橫向力，鑽頭的橫向移動。同時，地層橫向力勢必要扭彎其上的短鑽鋌。由於短鑽鋌的剛度大，能有力地反抗此地層力的扭彎，這個反力將驅使鑽頭靠向井眼低的一側，產生糾斜作用。中穩定器也幫助其下部鑽具抵抗地層橫向力。同時，在已斜井眼內，鑽具還有一個糾斜作用，這是由於上穩定器以上的鑽鋌由於自重靠在井眼低的一邊，並以上穩定器爲支點將壓力下傳，作用於其下一根鑽鋌有一個彎矩，此彎矩使中穩定器靠向井眼高的一邊，再以中穩定器爲支點將力下傳，使鑽頭趨向於井眼低的一邊，也產生一個糾斜力。

如果井眼已發生偏斜，而地層力又使其趨向於恢復垂直狀態，滿眼鑽具的作用是防止井斜角過快地減小。如圖4.4（c）所示，下、中穩定器將抵抗地層橫向力，鑽頭向下側移動。短鑽鋌也抵抗彎曲趨勢，保持下穩定器趨向井眼高的一邊。同時中穩定器以上鑽鋌所產生的彎矩，也將使中穩定器趨向井眼高的一邊，幫助下穩定器抵抗地層橫向力。

圖4.4 滿眼鑽具在不同致斜地層中的受力示意圖

滿眼鑽具由於剛性大、“滿眼”，致使孔底鑽頭的側向力Pa很小，並且鑽壓大幅變化時對其影響不大。以“Φ216mm鑽頭+Φ216mm近鑽頭擴孔器S1+Φ178mm短鑽鋌+Φ216mm穩定器S2+Φ178mm鑽鋌+Φ216mm穩定器S3+Φ178mm鑽鋌”的滿眼鑽具組合爲例，其孔底鑽頭的側向力Pa與鑽壓PB、井斜角以及井身曲率的關係如圖4.5所示。

圖4.5 滿眼鑽具組合的力學特性圖

從上圖中可以看出，鑽壓對滿眼鑽具的性能影響不大，在實際應用中，前人研究總結出滿眼鑽具有以下力學特點：

1）第一穩定器直徑減小，可以使鑽具力Pa明顯下降；該穩定器越靠近鑽頭，這種影響愈明顯；第二穩定器的磨損可以增大鑽具組合的增斜傾向。

2）第一跨度長度（第一穩定器中點到鑽頭底面的距離）增加，可增大鑽頭上的降斜力。

3）第二跨長度增加，可使鑽頭上的增斜力增強；即加長短鑽鋌的長度可增加鑽具的增斜傾向。

4）在三個穩定器的基礎上加裝第四穩定器，可產生較小的負側向力（降斜趨勢），井斜角愈大，則此降斜趨勢越明顯。加裝第五穩定器後，該方面的變化很小。

5）井斜角增大時可增大滿眼鑽具的降斜趨勢。

6）正曲率井身可使滿眼鑽具增加降斜趨勢，負曲率井身可使滿眼鑽具增加增斜趨勢，這是“回彈效應”作用的結果。

4.2.3 鐘擺鑽具組合應用範圍

滿眼鑽具組合的主要功能是防斜，實踐表明其在不易斜或較易斜地層中防斜保直的效果良好，但其糾斜能力不足了其適用性。總的來說，滿眼鑽具的使用有如下特點：

1）適用於不易斜或較易斜的地層鑽進；

2）防斜能力優於糾斜能力，適用於直井段的防斜保直；

3）由於穩定器的直徑大小直接影響到鑽具組合的性能，因此在強研磨性地層不推薦使用該鑽具組合；

4）在鑽遇增斜或減斜地層時能有力地控制井斜變化率，使井斜不致過快地增大或減小，不會形成狗腿或鍵槽等影響井身質量的隱患。

4.2.4 鑽進參數對其性能的影響

由滿眼鑽具組合的力學特性可知，鑽壓對其防斜性能的影響可以忽略不計，可以透過提高鑽壓來提高機械鑽速，但應注意鑽壓的提高同樣會增加地層的造斜力，當地層造斜力增加到一定程度時，鑽孔彎曲，就失去了使用滿眼鑽具的意義，因此這時對鑽壓存在一個優選問題。理論上，轉速的提高可以增加滿眼鑽具的“回彈效應”，從而提高鑽具的“防斜保直”性能，但該效果有多大還需實踐驗證。另外，由於該鑽具組合的滿眼特性，致使泥漿的部分環空間隙狹小，因此使用該鑽具時應注意泵壓的變化，防止憋泵。

4.2.5 鑽具應用於超深井的可能性

滿眼鑽具的剛性大，可以大鑽壓、高機械鑽速鑽進是其可以應用到超深井中的一大優勢，但其糾斜能力差又了其在超深井中的應用。總的來說，滿眼鑽具在超深井中具有不錯的應用前景，可以預見其在超深井中應用優劣包括以下幾個方面：

1）超深井中，在初始井斜不大的情況下，可以充分利用滿眼鑽具良好的防斜保直性能，以達到井斜控制的目的；

2）深井中，可以大鑽壓、高機械鑽速鑽進是滿眼鑽具的天然優勢，也是最大的優勢，可以縮短鑽井週期，控制工程成本；

3）若能與糾斜鑽具組合使用，則其在超深井中的實用性將更強；

4）在深井研磨性強的地層，應避免使用滿眼鑽具，穩定器的磨損將直接影響鑽井的保直性能；更換穩定器又勢必增加提下鑽頻率，不利於鑽井週期和鑽進成本的控制；

5）滿眼鑽具的滿眼特性會增大泥漿循環阻力，使泵壓升高，當超深井中使用液動孔底動力設備時，應注意滿眼鑽具穩定器的設計，儘量增大其過流面積，留給動力設備充足的“壓能”。

井下動力鑽具難點與分析

超深井施工中，特別是在高溫高壓段和深井段必須使用井下動力鑽具進行施工，當前，井下動力鑽具主要有：螺桿鑽具、液動錘和渦輪鑽具3種，其中螺桿鑽具和渦輪鑽具都屬於迴轉破巖類動力鑽具，液動錘則利用衝擊進行破巖鑽進。超深井中使用井下動力鑽具首先應該保證所在工況條件下的適應性和安全性，在此基礎上選用合適的動力鑽具類別及型號，並結合地層條件、鑽頭技術開展相應的配套鑽井技術研究。即研究深井超深井鑽井工具，應該考慮的是如何保證在高溫高壓下密封可靠、操作簡單、使用安全和較長的使用壽命等要求。深井超深井鑽井工具的技術開發應從鑽井工藝與鑽井參數研究，工具結構設計、材料選擇、鑽具的匹配等方面開展工作。

1.2.1 超深井螺桿鑽具面臨的難點與分析

我國螺桿鑽具依靠引進技術得到了較快的發展，品種規格齊全，除基本上能滿足我國的定向、側鑽鑽井工藝需要外，還有部分出口。螺桿鑽具的優點是：具有低速大扭矩的硬特；過載能力強，操作方便；結構簡單，鑽具較短，維修方便。缺點是：需定排量工作，有橫向振動；對油基鑽井液敏感，不適應在高密度鑽井液中工作；橡膠定子耐高溫性差，不宜於深井作業。超深井作業中螺桿鑽具面臨的主要問題分述如下：

1）定子橡膠在高溫條件下失效變形。普通螺桿鑽具的馬達總成的定子一般由丁腈橡膠材料製成，其工作溫度上限爲130℃，在超深井的高溫環境中，溫度遠遠超過130℃，一萬米深的超深井理論溫度高達300℃，定子橡膠在如此的高溫環境下將失效而不能工作。

2）超深井螺桿鑽具連接螺紋脫扣。隨着井深的不斷增加，井底的鑽井液壓力也必然隨之增加，高壓鑽井液對轉子施加正向扭矩的同時，轉子對定子殼體施加等值的反扭矩，在鑽具頻繁滯動和複合鑽進的情況下，容易造成鬆釦，尤其在傳動軸串軸承蹩卡或完全卡死情況下，脫扣危險加劇；當機械鑽速快，井下不清潔，再遇到井斜較大，停轉盤接單根前整個鑽具積蓄很大的反扭矩，突然釋放容易造成螺紋脫扣。

3）馬達定子內表面脫膠或掉塊。造成定子脫膠或掉塊的原因，有廠家製造因素（如掛膠質量、定子殼體內表面設計），用戶使用過程中泥漿淨化不徹底，混雜了金屬等硬物件，井溫升高使定子的橡膠老化，鑽井液中混入了氣體造成氣蝕，不合理的鑽井操作等。

4）超深井螺桿鑽具工作壽命短。由於螺桿鑽具處於高溫高壓惡劣工作環境中，螺桿鑽具的傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成和旁通閥總成都很容易出現故障，將大幅度降低螺桿鑽具的整體工作壽命。

5）超深井螺桿鑽具輸出特性不能滿足超深孔鑽進工藝要求。超深孔鑽進過程中可能採用一些特殊的鑽進工藝，對螺桿鑽具的輸出特性可能會提出一些要求，常規螺桿鑽具的輸出特性一般難以達到要求。

1.2.2 超深井液動錘面臨的難點與分析

液動潛孔錘技術具有設備配套簡便，鑽進時效高、回次進尺長（岩心不易堵塞）、在一定程度減輕孔斜強度的優點。與空氣潛孔錘比較可以適應更深的鑽井。而我國在此技術的研究與應用方面具國際先進水平。但就目前的水平而言，要用到13000m超深科鑽孔的條件下，孔內情況會更復雜，對液動錘強度有更嚴格的要求，且深孔大圍壓可能使岩石塑性增加，液動錘衝擊碎巖效果可能會減弱。綜述液動錘技術還有如下技術難題需要攻關：

1）液動錘的超深井背壓適應性需進一步開展研究；

2）要求液動潛孔錘連續穩定工作壽命延長，特別對運動密封副的工作壽命要求提高（尤其是全面鑽進狀態下）；

3）液動潛孔錘鑽具的密封材料需耐250～300℃高溫；

4）鑽具強度應更加可靠，抗疲勞、抗沖蝕能力要大幅度提高；

5）深孔大圍壓可能使岩石塑性增加，衝擊碎巖效果可能會減弱，液動潛孔錘的衝擊能量需要增加，由此將會引起對鑽具強度的進一步要求；

6）根據鑽孔總體設計，液動錘可能要與螺桿馬達、渦輪鑽具組合使用，在液動潛孔錘的設計上要考慮鑽具直徑、工作泵量要與其匹配和一致。

1.2.3 超深井渦輪鑽具面臨的難點與分析

渦輪鑽具的優點是：具有高速大扭矩的軟特性，無橫向振動，機械鑽速高；對油基鑽井液不敏感，能適應在高密度的鑽井液中工作。特別是全金屬的渦輪鑽具耐高溫，適宜於深井和高溫環境下作業，是超深井高溫高壓工況下鑽井的良好工具。超深井施工中渦輪鑽具面臨的主要難點分述如下：

1）超深井渦輪鑽井對泵的能力要求高。深井高密度鑽井液條件下鑽具循環壓耗高，加之渦輪鑽具本身壓降大，因此，深井使用渦輪鑽具對機泵能力要求也較高。由於超深井起下鑽時間長，爲保證渦輪鑽具正常工作，施工前需要綜合考慮鑽頭推薦排量和環空上返流速要求、鑽具使用情況和地面設備能力，除必須滿足渦輪鑽具壓降外，需要綜合計算立壓、循環壓耗、鑽頭壓降、渦輪鑽具壓降的關係，合理選擇相關參數，制定詳細的施工方案，使用煩瑣，使用要求高。

2）渦輪鑽具超深井鑽井參數優化問題還需進一步研究。渦輪鑽具轉速與排量成正比，輸出扭矩及壓降與排量的平方成正比，功率與鑽進排量成三次方關係，排量的變化對功率影響較大。鑽壓或扭矩過大會導致渦輪鑽具產生“制動”而無法破巖鑽進的現象。

一般情況下，在保證清巖、攜巖前提下選擇渦輪鑽具最大功率時的排量作爲鑽進排量。渦輪鑽具轉速爲其空轉轉速一半時，功率最大。在恆定排量下，渦輪鑽具的每個轉速對應一個鑽壓值，故可確定出在此情況下的最優鑽壓值。保證渦輪鑽具水力流量和鑽壓處在這一參數，可保證渦輪鑽具在最優狀態下工作，如何保證渦輪鑽具處在最佳的工作狀況，發揮渦輪鑽具工作特性最佳的關鍵問題，目前，對這些關鍵參數的控制還缺乏研究。

3）渦輪鑽具泥漿清潔度的控制方法尚需進一步研究。渦輪鑽具有其特殊的設計結構，渦輪葉片之間的過流面積窄小，而且鑽井液流經轉子和定子時的方向持續變化，因此鑽井液的潔淨度會對渦輪的工作產生影響。遇過長軟質材料會使渦輪葉片與葉片之間、轉子與定子之間產生堵塞，造成渦輪工作效率低、功率損失嚴重及渦輪壽命降低等後果，產生泵壓突然升高，造成不必要的起下鑽。

4）國內在配合渦輪鑽具的鑽頭研製方面相對滯後，與之相配套的鑽頭類型是制約該項技術推廣的瓶頸之一，特別針對結晶岩的高速渦輪鑽具配合孕鑲金剛石取心鑽頭的鑽井技術還需進一步研究。

5）另外，針對萬米以上井段施工，渦輪鑽具直徑較小，需要解決：小直徑渦輪鑽具功率急劇下降的難題；渦輪鑽具轉速高，扭矩小的難題；關鍵部件壽命與可靠性，減少維修輔助時間；渦輪鑽具配套鑽井技術，提高鑽進與取心效率。

主要鑽具的選擇與配置

除鑽桿外,主要鑽具還包括取心鑽具、保直鑽具、糾斜鑽具、事故打撈工具等,是鑽探施工中質量和孔內安全的保障。

(一)取心鑽具

取心鑽具是地質鑽探過程中獲取地下巖樣的專用機具。常用的取心鑽具有:單管取心鑽具、雙動雙管取心鑽具、單動雙管取心鑽具、半合管取心鑽具、三重管取心鑽具、噴反取心鑽具等。應根據所鑽地層條件及取心質量要求來合理選擇取心鑽具(表2-18)。

表2-18 不同地層取心鑽具選擇參照表

注:表中“√”爲可選取心鑽具,“*”爲單動雙管半合管、單動三重管不擾動樣取心鑽具。

(二)保直鑽具

鑽進過程中由於受到地層及鑽進工藝的影響,鑽孔軌跡往往偏離設計軌跡,爲了保證鑽孔軌跡滿足設計要求,需採取一定的保直措施。常用的保直鑽具有:鐘擺鑽具、塔式鑽具、滿眼鑽具、偏重鑽具、剛性鑽具、鑽鋌等。地質岩心鑽探繩索取心鑽進多采用滿眼鑽具及剛性鑽具。另外,在硬岩層中鑽進,爲了提高效率,現場應配備衝擊迴轉鑽具,該鑽具對鑽孔也具有較好的保直作用。

(三)糾斜鑽具

在複雜地層條件下,當鑽孔軌跡超差過大,採用常規保直鑽具(或設計的受控定向鑽孔)無法保證鑽孔軌跡滿足設計要求時,需進行人工糾斜。常用的糾斜鑽具有:偏心楔、連續造斜器、液動螺桿鑽造斜機具、渦輪鑽造斜機具等。深孔岩心鑽探常用的爲連續造斜器、液動螺桿鑽造斜機具。

(四)事故打撈工具

深孔鑽探施工過程中,難免發生孔內事故。鑽探現場必須配備常用的事故打撈工具,如不同規格的公母錐、套銑工具、震擊器、打撈矛、撈砂筒等。打撈工具應根據鑽桿、接頭、套管規格及孔徑等條件進行合理選擇配置。

直孔軌跡控制技術

直孔可以分爲垂直孔和斜直孔。垂直孔即頂角爲0°的鑽孔(實際施工中難以達到),斜直孔指開孔頂角大於5°,且頂角、方位角不變的鑽孔。直孔鑽進時軌跡控制的主要任務是防斜、穩斜。主要措施是根據地層情況及鑽孔自然彎曲規律選擇合適的鑽具結構與組合、鑽進工藝技術參數來達到軌跡控制目的。

(一)垂直孔保直、防斜技術

直孔迴轉鑽進產生鑽孔偏斜的充分必要條件是:①鑽具在孔底傾倒或彎曲,鑽具軸線偏離鑽孔軸線;②鑽具在孔底傾倒或彎曲的方向基本穩定;③存在偏斜的空間條件。如果鑽具在孔底傾倒或彎曲的方向不穩定,則鑽具在孔底既產生自轉又產生公轉,鑽頭在不同的時間會指向不同方向,結果只產生擴壁作用,使孔徑增大,而不導致孔身彎曲;反之,如果鑽具在孔底傾倒或彎曲有朝向某一方向的趨勢(例如,鑽頭在孔底接觸軟硬不均的岩石,孔底反作用力在同一條直線上,使鑽具朝一定方向傾倒;或者鑽頭鑽進層理、片理、發育地層,又以銳角穿過層面,孔底破碎成橢圓狀,橢圓孔底引導鑽具朝橢圓長軸方向鑽進),而使鑽孔偏斜。如果這時鑽具沒有傾倒或彎曲餘地,鑽孔也不會產生偏斜。要使鑽具在孔底沒有偏倒或彎曲餘地,就必須儘量減小鑽具與孔壁間隙,並提高鑽具的剛性,使鑽具迴轉軸心與鑽孔軸線基本一致,從而保持鑽孔軌跡呈直線狀。這就是“以滿保直,以剛保直”防斜鑽具的理論根據。常見的剛性滿眼鑽具有以下幾種。

1.大直徑保直防斜鑽具組合

大直徑保直鑽具組合形式如圖7-16(a)所示:鑽頭→扶正器→岩心管→扶正器→鑽鋌(根數按孔底加壓值1.5倍重量配置)→扶正器(每根鑽鋌間需接扶正接頭)→鑽桿。

扶正器最大外徑設計: df=kdz

式中:df爲扶正器最大外徑;dz爲鑽頭外徑;k爲係數(一般爲1～0.98,岩石完整堅硬時取0.98,岩石破碎較軟時取1)。

例如,汶川地震斷裂帶科學鑽探WFSD-3孔大直徑取心鑽進滿眼保直鑽具組合爲:

1)Φ150mm金剛石複合片取心鑽頭+Φ140mm半合管鑽具(約2.5～4m)+變絲接頭+Φ150mm扶正器+Φ121mm鑽鋌4根(約36m,鑽鋌間加Φ150mm扶正器)+Φ150扶正器+Φ73mm鑽桿。

2)Φ122mm金剛石複合片取心鑽頭+Φ114mm半合管鑽具(約2.5～3m)+變絲接頭+Φ122mm扶正器+Φ105mm鑽鋌6根(約54m,鑽鋌間加Φ122mm扶正器)+扶正器+Φ73mm鑽桿。

2.小直徑金剛石鑽探保直防斜鑽具

如圖7-16(b)所示,常規金剛石鑽進保直鑽具組合形式:金剛石鑽頭→擴孔器→多擴孔器取心鑽具→鑽鋌→鑽桿;繩索取心金剛石鑽進保直鑽具組合形式:金剛石鑽頭→擴孔器→多擴孔器取心外管鑽具→繩索取心鑽桿。

圖7-16 滿眼剛性保直鑽具組合圖

(a)大直徑鑽具;(b)繩索取心鑽具;(c)普通金剛石鑽具

例如,霍邱鐵礦區、金寨沙坪溝鉬礦區深孔及科學鑽探採用的鑽具組合是:

1)常規Φ96mm口徑金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合:Φ96mm金剛石鑽頭+Φ96.3mm擴孔器+Φ96mm取心鑽具(長4～6m,外管分兩段,中間接一個Φ96.3mm擴孔器)+Φ96.3mm擴孔器+變絲接頭+Φ89mm鑽鋌2根(約18m,中間接Φ96mm扶正器)+Φ96mm扶正器+Φ89mm鑽鋌8根(約64m)+變絲接頭+Φ50mm外絲鑽桿(或Φ60.3mm外絲鑽桿)。

常規Φ76mm口徑金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合如圖7-16(c)所示:Φ76mm金剛石鑽頭+Φ76.3mm擴孔器+Φ76mm取心鑽具(長4～6m,外管分兩段,中間接一個Φ76.3mm擴孔器)+Φ76.3mm擴孔器+Φ75mm厚壁扶正器(長8～9m)+變絲接頭+Φ50mm外絲鑽桿。

2)繩索取心金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合:Φ96mm(或Φ76mm)金剛石鑽頭+Φ96.3mm(或Φ76.3mm)擴孔器+Φ96mm(或Φ76mm)繩索取心鑽具(外管長3.5m～4.5m,中間截斷,接擴孔器)+Φ96.3mm(或Φ76.3mm)擴孔器+Φ89mm(或71mm)繩索取心鑽桿。

上述滿眼鑽具組合,分別在汶川地震斷裂帶科學鑽探WFSD-3孔和霍邱、壽縣、金寨等礦區多個深部地質找礦孔和科學鑽探孔(孔深1500～3000m)中應用,在地層自然彎曲不十分強的情況下,均取得了很好的防斜效果,鑽孔的孔斜率均能控制在0.5°/100m以內。

3.特殊保直防斜鑽具

(1)預應力保直防斜鑽具

小口徑鑽進時用扶正器、鑽鋌等來對付強造斜地層並不總是有效的,因爲它們不能排除下部鑽具的彈性彎曲。鑽進時,使下部鑽具發生彎曲主要是軸壓力。利用預應力原理可以提高鑽具對因軸壓引起彎曲的抗力。如果在組裝鑽具時對鑽具進行預拉伸,使預拉力大於鑽進時粗徑鑽具上的軸壓力,則將消除鑽具因軸壓力引起的彎曲。這時鑽孔彎曲只取決於施加在鑽頭上的傾倒力矩和孔壁間隙所產生的鑽具歪倒角(傾倒角),彎曲強度低。

圖7-17爲小直徑預應力防斜鑽具的典型結構。鑽進前組裝岩心鑽具時,用壓縮內管產生的能量使外管獲得拉伸預應力。可用加力管鉗和液壓千斤頂來壓縮內管。在後一種情況下,用擰緊異徑接頭的辦法使內管保持壓縮狀態。

圖7-17 預應力鑽具

(a)取心鑽進用;(b)無岩心鑽進用;

1—異徑接頭;2—墊圈;3—外管;4—內管;5—鑽頭接頭;6—金剛石鑽頭;7—扶正器

因內管在外管內沒有間隙(取心鑽具)或在外管內用扶正器扶正、支承(無岩心鑽具),所以雖然內管承受很大軸向壓力,但不會彎曲和失穩。給鑽具施加預應力的範圍是該力不得使承受預應力部件橫斷面上的應力超過材料的比例極限。有條件情況下,可經過室內的測試獲得。

(2)FB型保直防斜鑽具

FB型保直防斜鑽具由中國地質科學院探礦工藝研究所研製完成。與剛性滿眼鑽具不同,其設計思路是使鑽頭上產生一抵消或削弱孔斜的抗斜力——側向反偏力。該反偏力只有鑽進中出現孔斜和有孔斜趨勢時才存在,鑽孔不斜或沒有斜的趨勢時就沒有反偏力。圖7-18爲FB型防斜鑽具的結構和工作原理圖。

該鑽具包括導正部分和活動部分。導正部分主要由上、中、下扶正器1、4、6和外殼1、偏心導正套3組成;活動部分主要由雙臂球頭軸5、岩心管7、擴孔器8、鑽頭9組成。其中偏心導正套和雙臂球頭軸是產生反偏力的關鍵部件。

保直防斜鑽具的工作原理:鑽進直孔時,鑽具導正部分與活動部分同心,與常規鑽具一樣鑽頭上無反偏力。鑽孔偏斜時,則雙臂球頭軸以下的鑽具與導正部分不同心。在迴轉鑽進過程中,由於鑽具導正部分處於直線孔段,要繞原鑽孔軸線旋轉,而下部鑽具要繞偏斜的鑽孔軸線旋轉,則每回轉一週,雙臂球頭軸的上臂從偏心導正套內孔偏心距大的位置轉到偏心距最小的位置時,偏心導正套就會在與鑽孔偏斜的相同方向上,給球頭軸上臂的上端施加一導正力F。此力透過球頭傳至球頭軸的下臂和鑽頭,使鑽頭側刃以偏力F向鑽孔偏斜的反方向克取岩石,力圖恢復活動部分與導正部分的同軸性,因而防止了鑽孔彎曲(包括頂角與方位彎曲),使鑽頭基本保持原鑽孔方向鑽進,起到穩斜作用。

圖7-18 FB型保直防斜鑽具

(a)結構示意圖;(b)工作原理圖

1—上扶正器;2—外殼;3—偏心導正套;4—中扶正器;5—雙臂球頭軸;6—下扶正器;7—岩心管;8—擴孔器;9—鑽頭

雙臂球頭軸以下的鑽具(l1)越短,作用在鑽頭上的反偏力F'則越大,l1＞3m時,反偏力明顯下降。由於該鑽具的反偏力F'不可能很大,因而在造斜力很大的強造斜地層,反偏力不能完全抵消地層造斜力使鑽孔仍會產生一定程度的彎曲。

FB保直防斜鑽具導正部分扶正器與孔壁間的間隙直接影響其反偏力的形成。間隙過大將使導正部分喪失導正功能。因此該鑽具應用於較完整地層。

(3)TSZ型保直防斜塔式繩索取心鑽具組合

TSZ型保直防斜塔式繩索取心鑽具(圖7-19)由安徽省地礦局313地質隊設計研製。該鑽具由S76mm和S96mm繩索取心鑽具組合而成。將S96mm繩索取心外管套在S76mm繩索取心單動雙管總成上,使S76mm單動雙管鑽頭超前於S96mm單管鑽頭0.3m。組合雙鑽頭鑽具上接Φ71mm繩索取心鑽桿,形成三重管雙鑽頭塔式剛性滿眼鑽具。鑽具總長爲9.5m,超前取心鑽進口徑Φ77mm,擴孔口徑爲Φ97mm。其特點是超前鑽頭具有良好的導向作用,粗徑鑽具跟進擴孔,起到扶正、增大剛性和滿眼鑽進保直防斜作用;另外,孔內鑽柱採用Φ71mm繩索取心鑽桿,增大了保直防斜鑽具以上的環狀間隙,利於減小泥漿環空阻力。

圖7-19 TSZ型塔式繩索取心鑽具組合

1—Φ77mm鑽頭;2—Φ77.5mm擴孔器;3—Φ73mm岩心管;4—Φ97mm鑽頭;5、7、9、10—Φ97.5mm擴孔器;6—Φ89mm岩心管;8—內外管連接接頭;11—Φ71mm鑽桿

在華南於都—贛縣礦集區科學鑽探選址預研究NLSD-1孔中同地層條件下的鑽進對比試驗表明,用常規S76繩索取心鑽進的平均孔斜率爲5°/100m,而用TSZ型保直防斜塔式繩索取心組合鑽具後,孔斜率穩定在0.5°/100m以內,取得了良好的保直防斜效果。

4.直孔保直防斜的其他方法

當鑽孔方位角順時針增大時,可採用反轉糾偏,鑽孔頂角上漂採用衝擊迴轉鑽進改變岩石破碎機理,可有一定防斜效果。

目前,國外已研製出直孔防斜自動垂鑽系統,德國率先研製出的VDS自動垂直鑽進工具已在超深井鑽井計劃(KTB)中使用,實現了隨鑽、隨測、隨糾,取得了良好的使用效果。國內也在這方面進行了研究與探索。

(二)直孔保直防斜鑽進的工藝技術措施

直孔保直防斜鑽進除選用合理的鑽具組合外,還應重視以下工藝技術措施:

1)確保鑽探設備安裝質量。鑽塔基礎要堅實平穩,鑽機滑軌不鬆曠,天車、鑽機主軸(或主杆)和鑽機軸線(孔口)應在一條直線上。

2)開孔用的粗徑鑽具要直,其長度應隨鑽孔的加深逐漸加長,孔口要設導正管,開孔頂角和方位角應符合設計要求。

3)選擇合適的鑽具級配,控制孔壁間隙,實現滿眼鑽進。

4)鑽孔換徑或擴孔時要帶扶正器和導向管。

5)採用重量大於所需鑽壓的鑽鋌實現孔底加壓,使鑽桿處於拉伸狀態。

6)鑽進破碎、鬆軟地層時,應減小泵量,選用底噴式鑽頭,以免鑽孔超徑;遇溶洞應採用長岩心管鑽進,穿過溶洞後要採取措施隔離(下套管或封水泥)。

7)遇到軟硬不均地層,採用銳利鑽頭、低軸壓、高轉速鑽進。

8)遇到卵礫石地層,儘量採用衝擊迴轉鑽進。

(三)斜直孔穩斜與糾斜技術

斜直孔鑽進主要用長(6～9m)、剛(高強度厚壁)、滿(多個扶正器滿眼)鑽具實現穩斜鑽進。用輔助增斜和減斜鑽具組合來控制鑽孔的下垂與上漂。

1.增斜鑽具

1)縮短岩心管,使之爲正常長度的2/3～1/2。

2)增大粗徑鑽具在孔底的傾斜角,以增加鑽孔的彎曲強度。可採用的鑽具結構及組合形式有普通塔式增斜鑽具及萬向節塔式增斜鑽具(圖7-20)。

圖7-20 塔式增斜鑽具組合示意圖

(a)普通塔式鑽具;(b)萬向節塔式鑽具

施工中普通塔式鑽具常採用大一級鑽頭+短粗徑鑽具(岩心管長度0.8～2m)+細鑽桿(增加鑽具柔性)的組合方式。萬向節塔式鑽具是在普通塔式鑽具上接一個萬向節,以增大鑽具在孔內傾倒角和增斜側向力。爲保證增斜的定向性,還可在萬向節上部加接鑽鋌,使萬向節處於鑽孔下幫,從而達到鑽孔上漂的目的。

2.減斜鑽具

針對鑽孔上漂的常用減斜(使鑽孔下垂)鑽具結構如圖7-21所示。

1)短岩心管上加鑽鋌[圖7-21(a)],使粗徑鑽具重心下移利於鑽孔下垂。

2)在粗徑鑽具上面加扶正器[圖7-21(b)],改變粗徑鑽具上端的受力狀態,使粗徑鑽具上端擡起,給鑽頭一矯正力促使鑽孔逐漸下垂。扶正器與岩心管之間的距離應以鑽桿半波長的1/2爲宜。

3)同徑、異徑減斜鑽具如圖7-21(c)、圖7-21(d)所示。在上部支撐接頭的襯墊作用和下部鑽具的自重作用下,使鑽具與原孔中心形成一夾角,在鑽頭上產生一個矯正力,在鑽進過程中逐漸減小鑽孔頂角。

4)支撐管萬向節組合鑽具如圖7-21(e)所示。比支撐管小一級的岩心管爲一短的加重管,透過萬向節與支撐管連接,利用重錘原理產生偏斜力,增大鑽頭克取孔壁下幫的切削力,以達到控制鑽孔上漂的目的。

圖7-21 減斜鑽具結構示意圖

(a)長粗徑加鑽鋌組合鑽具;(b)帶扶正器組合鑽具;(c)帶支撐接頭同徑組合鑽具;(d)帶支撐接頭異徑組合鑽具;(e)支撐管萬向節組合鑽具

深部鑽探金剛石鑽進與鑽頭使用要點

(一)鑽桿、鑽具要求

1)深孔結構較複雜,應合理組合和級配鑽具。鑽柱的強度要滿足深孔要求,螺紋連接部位密封良好,鑽桿擰緊須達到一定的預緊力。

2)彎曲鑽桿不得下孔,接頭、擴孔器、扶正器、取心鑽具和鑽頭連接應有良好的同心度,取心鑽具內外管應同軸,且單動靈活可靠。

3)鑽進易斜地層應配穩定接頭或扶正器;擴孔鑽進需帶導向裝置。

(二)提下鑽要求

1)操作人員對孔內情況要做到心中有數,提下鑽透過換徑、糾斜、活石處應放慢速度。每次下鑽,下到距孔底1m左右時送水衝孔,待孔口返水後輕壓慢轉掃孔到底,正常後方可按要求參數鑽進。

2)下鑽遇阻不得猛衝硬蹾,可用人工緩慢迴轉鑽具,無效時立即提鑽處理;上提有勁時嚴禁猛拉鑽具,應將鑽具下放一定距離,人工迴轉緩慢上提,若上提無效應接上機上鑽桿送泥漿衝孔,邊迴轉邊提升或採用其他辦法處理。

3)複雜地層提鑽時,要求向孔內回灌泥漿,以保持孔內壓力平衡。

(三)鑽進要求

1)操作者應集中精力認真觀察鑽速、孔內返水量、泵壓及電流表或其他參數儀表值的變化,發現異常,及時處理。

2)採用立軸式鑽機倒杆時,應先減壓再停車,用升降機拉緊鑽具(不得提離孔底),倒杆後先在小於正常鑽壓條件下平穩開車,再逐漸調至正常鑽壓。正常鑽進時不得隨意提動鑽具。發現岩心堵塞,處理無效時,應及時提鑽。

3)岩層由硬變軟進尺過快時,應減小鑽壓;由軟變硬鑽速變慢時,不得任意增大鑽壓,以免損壞鑽頭或造成孔斜,在非均質岩層中鑽進應控制鑽速。

4)地層變化時,要及時調整沖洗液性能指標。保持孔壁穩定及孔底清潔,孔底巖粉厚度超過0.5m時,要採取措施。

5)衝擊迴轉鑽進可適當降低鑽壓和轉速,泵量必須滿足衝擊器工作要求。

6)繩索取心鑽進的內管總成未到底,嚴禁空管鑽進。

(四)取心要求

不同地層取心措施及要求詳見第四章。深孔鑽進採取岩心時,應嚴格按操作規程作業,先停止迴轉,停泵,緩慢將鑽頭提離孔底0.3～0.5m,使卡簧抱緊岩心,再緩慢開車扭斷岩心方可起鑽。不允許上下活動鑽具或猛提鑽具取心。孔內殘留岩心較長或中途岩心脫落時,應專門下鑽掃岩心及撈取。

(五)金剛石鑽頭使用要求

1)根據設計孔深,按鑽頭和擴孔器外徑尺寸由大到小排序,輪換使用。擴孔器外徑應比鑽頭外徑大0.3～0.5mm,卡簧自由內徑應比鑽頭內徑小0.3～0.5mm,應在上一回次岩心上套試,以不脫落、不卡死爲宜。

2)新鑽頭到孔底後應進行“初磨”,即以正常鑽壓的1/3左右、100r/min左右慢轉鑽進10min,再採用正常參數鑽進。不宜用新鑽頭掃孔和清除殘留岩心。

3)爲避免鑽頭非正常損壞應保持孔底清潔,當發現有硬質合金、胎塊、金屬塊、脫落岩心及掉塊時,應及時清除;換徑後應用錐形鑽頭修整換徑臺階。

4)鑽頭出現以下情況,不得下入孔內:

①表鑲鑽頭內徑磨耗0.2mm以上,孕鑲鑽頭內外尺寸磨耗0.4mm以上;

②表鑲鑽頭出刃超過金剛石顆粒直徑1/3,有少數金剛石脫落,擠裂或剪碎;

③鑽頭水口、水槽高度嚴重磨損和變化明顯,胎體有裂紋、掉塊及微燒或嚴重沖蝕;

④鑽頭體變形,螺紋損壞。

鑽孔樁的質量有哪些，引起的原因是什麼，監控的措施有哪些

質量問題主要有：縮頸、孔壁塌落、孔底沉淤、樁身空洞、蜂窩、夾泥等。

鑽孔灌注樁質量通病的成因及其預防措施：

1 鑽孔灌注樁常見的質量通病

鑽孔灌注樁在承受垂直荷載壓力的時候，以樁頂位置所受的壓力最大，下部承受的壓力相對較小。但鑽孔灌注樁的成樁工藝與實際受力狀況相反，往往是上部混凝土的強度低，中下段混凝土的強度高，若不嚴格控制，容易出現樁上段強度達不到質量要求的情況。除此之外，還容易出現縮頸、孔壁塌落、孔底沉淤、樁身空洞、蜂窩、夾泥等質量缺陷,造成樁基承載力的下降,影響到工程結構的安全。

2 影響成樁質量的原因分析

2. 1 影響樁身上部強度的原因分析

(1) 按照施工規範的規定，鑽孔後要徹底清除孔底的淤泥，但在實際施工過程中，很難將淤泥徹底清除，於是在澆灌第一斗混凝土進行封底施工時，孔底沉積的淤泥必然混入混凝土中。由於用導管灌注的水下混凝土是從下往上頂升的，先灌入的混凝土頂升於孔的上面，這樣就容易出現樁上段強度較低的現象。

(2) 澆灌混凝土時，若導管插入混凝土之內過深，澆注速度又較快，則容易在孔體深部沉積較多的骨料，加上振搗過程所造成的混凝土的離析，也容易導致樁體上部強度較低的質量問題。

(3)埋設護筒的周圍土不密實，或護筒水位差太大，或鑽頭起落時碰撞引起質量問題。

樁基施工質量加以控制。

1、成孔質量的控制

成孔是混凝土灌注樁施工中的一個重要部分，其質量如控制得不好，則可能會發生塌孔、縮徑、樁孔偏斜及樁端達不到設計持力層要求等，還將直接影響樁身質量和造成樁承載力下降。因此，在成孔的施工技術和施工質量控制方面應着重做好以下幾項工作。

1.1.採取隔孔施工程序。

鑽孔混凝土灌注樁和打入樁不同，打人樁是將周圍土體擠開，樁身具有很高的強度，土體對樁產生被動土壓力。鑽孔混凝土灌注樁則是先成孔，然後在孔內成樁，周圍土移向樁身土體對樁產生動壓力。尤其是在成樁初始，樁身混凝土的強度很低，且混凝土灌注樁的成孔是依靠泥漿來平衡的，故採取較適應的樁距對防止坍孔和縮徑是一項穩妥的技術措施。

1.2.確保樁身成孔垂直精度

這是灌注樁順利施工的一個重要條件，否則鋼筋籠和導管將無法沉放。爲了保證成孔垂直精度滿足設計要求，應採取擴大樁機支承面積使樁機穩固，經常校覈鑽架及鑽桿的垂直度等措施，並於成孔後下放鋼筋前作井徑、井斜超聲波測試。

1.3.確保樁位、樁頂標高和成孔深度。

在護筒定位後及時複覈護筒的位置，嚴格控制護筒中心與樁位中心線偏差不大於50mm，並認真檢查回填土是否密實，以防鑽孔過程中發生漏漿的現象。在施工過程中自然地坪的標高會發生一些變化，爲準確地控制鑽孔深度，在樁架就位後及時複覈底樑的水平和樁具的總長度並作好記錄，以便在成孔後根據鑽桿在鑽機上的留出長度來校驗成孔達到深度。

雖然鑽桿到達的深度已反映了成孔深度，但是如在第一次清孔時泥漿比重控制不當，或在提鑽具時碰撞了孔壁，就可能會發生坍孔、沉渣過厚等現象，這將給第二次清孔帶來很大的困難，有的甚至透過第二次清孔也無法清除坍落的沉渣。因此，在提出鑽具後用測繩複覈成孔深度，如測繩的測深比鑽桿的鑽探小，就要重新下鑽桿復鑽並清孔。同時還要考慮在施工中常用的測繩遇水後縮水的問題，因其最大收縮率達1．2％，爲提高測繩的測量精度，在使用前要預溼後重新標定，並在使用中經常複覈。

爲有效地防止塌孔、縮徑及樁孔偏斜等現象，除了在複覈鑽具長度時注意檢查鑽桿是否彎曲外，還根據不同土層情況對比地質資料，隨時調整鑽進速度，並描繪出鑽進成孔時間曲線。當鑽進粉砂層進尺明顯下降，在軟粘土鑽進最快0．2m／min左右，在細粉砂層鑽進都是O．015m／min左右，兩者進尺速度相差很大。鑽頭直徑的大小將直接影響孔徑的大小，在施工過程中要經常複覈鑽頭直徑，如發現其磨損超過10mm就要及時調換鑽頭。

1.4.鋼筋籠製作質量和吊放

鋼筋籠製作前首先要檢查鋼材的質保資料，檢查合格後再按設計和施工規範要求驗收鋼筋的直徑、長度、規格、數量和製作質量。在驗收中還要特別注意鋼筋籠吊環長度能否使鋼筋準確地吊放在設計標高上，這是由於鋼筋吊籠放後是暫時固定在鑽架底樑上的，因此，吊環長度是根據底樑標高的變化而改變，所以應根據底樑標高逐根複覈吊環長度，以確保鋼筋的埋入標高滿足設計要求。在鋼筋籠吊放過程中，應逐節驗收鋼筋籠的連接焊縫質量，對質量不符合規範要求的焊縫、焊口則要進行補焊。同時，要注意鋼筋籠能否順利下放，沉放時不能碰撞孔壁；當吊放受阻時，不能加壓強行下放，因爲這將會造成坍孔、鋼筋籠變形等現象，應停止吊放並尋找原因，如因鋼筋籠沒有垂直吊放而造成的，應提出後重新垂直吊放；如果是成孔偏斜而造成的，則要求進行復鑽糾偏，並在重新驗收成孔質量後再吊放鋼筋籠。鋼筋籠接長時要加快焊接時間，儘可能縮短沉放時間。

1.5.灌注水下混凝土前泥漿的製備和第二次清孔

清孔的主要目的是清除孔底沉渣，而孔底沉渣則是影響灌注樁承載能力的主要因素之一。清孔則是利用泥漿在流動時所具有的動能衝擊樁孔底部的沉渣，使沉渣中的巖粒、砂粒等處於懸浮狀態，再利用泥漿膠體的粘結力使懸浮着的沉渣隨着泥漿的循環流動被帶出樁孔，最終將樁孔內的沉渣清乾淨，這就是泥漿的排渣和清孔作用。從泥漿在混凝土鑽孔樁施工中的護壁和清孔作用，我們可以看出，泥漿的製備和清孔是確保鑽子L樁工程質量的關鍵環節。因此，對於施工規範中泥漿的控制指標：粘度測定17—20min；含砂率不大於6％；膠體率不小於90％等在鑽孔灌注樁施工過程中必須嚴格控制，不能就地取材，而要專門採取泥漿製備，選用高塑性粘土或膨潤土，拌制泥漿必須根據施工機械、工藝及穿越土層進行．配合比設計。

灌注樁成孔至設計標高，應充分利用鑽桿在原位進行第一次清孔，直到孔口返漿比重持續小於1。10—1．20，測得孔底沉渣厚度小於50mm，即抓緊吊放鋼筋籠和沉放混凝土導管。沉放導管時檢查導管的連接是否牢固和密實，以防止漏氣漏漿而影響灌注。由於孔內原土泥漿在吊放鋼筋籠和沉放導管這段時間內使處於懸浮狀態的沉渣再次沉到樁孔底部，最終不能被混凝土衝擊反起而成爲永久性沉渣，從而影響樁基工程的質量。因此，必須在混凝土灌注前利用導管進行第二次清孔。當孔口返漿比重及沉渣厚度均符合規範要求後，應立即進行水下混凝土的灌注工作。

2、成樁質量的控制

2.1.爲確保成樁質量，要嚴格檢查驗收進場原材料的質保書(水泥出廠合格證、化驗報告、砂石化驗報告)，如發現實樣與質保書不符，應立即取樣進行復查，對不合格的材料(如水泥、砂、石、水質)，嚴禁用於混凝土灌注樁。

鑽探主要設備的維護保養知識

(一)典型(迴轉)鑽機的維護保養

1.典型鑽機的日常維護

鑽機的維護與保養包括日保養、周保養與月保養。

(1)日保養(班保養)

1)經常保持鑽機外表面清潔,有油污時應立即擦拭乾淨。

2)檢查所有外露螺栓、螺母、保險銷等是否牢固可靠。

3)檢查變速箱、液壓系統油箱的油麪位置,按要求加註潤滑油或潤滑脂。

4)消除在本班內發生的其他故障。

(2)周保養

周保養是在班保養的基礎上,增加以下內容:

1)檢查與調整摩擦離合片的間隙,三角皮帶輪的鬆緊程度。

2)清除抱閘及捲揚機上的髒東西,同時進行必要的調整。

3)按要求對各部位加註潤滑油或潤滑脂。

(3)月保養

月保養是在周保養的基礎上,增加以下內容:

1)清洗液壓油箱內的過濾器,檢查油液是否變質,必要時更換新油。

2)擦洗乾淨活塞桿、導向杆上的污物,並對其表面塗油。

3)檢查變速箱、擰管機等部件的潤滑油是否變質或污染,必要時更換新油。

4)檢查捲揚機、離合器是否工作正常,如有損壞和損傷,應進行修理和更換。

5)檢查各部件操縱機構是否靈活可靠,並進行緊固或修理。

6)對所有應加潤滑油或潤滑脂的部位,加足潤滑油或潤滑脂。

7)若鑽機長期不用時,各表露部分應塗以潤滑油或潤滑脂,並用帆布蓋好。

2.鋼絲繩的日常維護

爲延長鋼絲繩的使用壽命,在使用鋼絲繩時,應注意以下事項:

1)應根據提升鑽具需要的最大負荷量及捲筒、滑輪直徑,選擇合適的鋼絲繩直徑、股數、扭擰方向及臨界抗拉強度,使用時不得超過鋼絲繩允許的載荷量。

2)鋼絲繩中心有油浸的麻心(也有用金屬絲的)。在負荷下,麻心中的油被擠壓出潤滑鋼絲繩與滑輪槽,並減小了與捲筒產生的摩擦,但使用時仍需定期給鋼絲繩注油,並清除污垢。

3)鋼絲繩應一股靠一股緊密、平整地纏繞在捲筒上,當鋼絲繩在捲筒上纏繞數層時,尤應注意正確纏繞,以防止鋼絲繩在捲筒上纏繞時互相咬擠,造成鋼絲折斷,降低鋼絲繩的緊固性。

4)在捲筒上纏繞的鋼絲繩備用圈數不得少於3～5圈。

5)滑車輪槽(包括天車、遊動滑車)的寬窄,應適合鋼絲繩的直徑尺寸,一般滑車輪槽應大於鋼絲繩直徑1～3mm,如果滑車輪槽過窄,特別是V形窄槽,會使鋼絲繩與輪槽壁的摩擦增大,甚至卡住鋼絲繩,同時鋼絲繩在負荷下,處於過窄的輪槽內,將改變其截面而成壓扁狀,降低鋼絲繩的緊固性。

6)當截斷鋼絲繩時,爲了避免鋼絲股的鬆亂,應預先用軟鋼絲將鋼絲繩兩頭繫緊後再行截斷,軟鋼絲的長度應相當於鋼絲繩直徑的7～8倍。

7)每月至少對鋼絲繩詳細檢查一次,並清除滑輪面上的硬化油垢,檢查中如發現有損斷的鋼絲,應用鉗子將其突出的頂部截斷,當鋼絲損壞過多時,則不得繼續使用。

8)當解下纏繞在捲筒上的鋼絲繩時,必須剎住捲筒,使鋼絲繩成爲拉直狀態,否則將會使鋼絲繩成爲鬆亂的無法控制的環圈,而發生打成結子及折斷繩股現象,降低鋼絲繩的使用年限。

9)爲防止鋼絲繩生鏽,應經常保持其清潔並定期塗抹特製無水分的防鏽油、鋼絲繩油等濃礦物油。鋼絲繩在使用時,每隔一定時期塗一次油,在儲存時最少每6個月塗1次油。

(二)典型輔助設備的維護保養

1.泥漿泵保養

(1)班保養

1)檢查各缸進排水閥缸蓋螺栓緊固情況,並按要求上緊。

2)檢查拉桿連接及密封情況,如有泄漏時應即時進行密封,使之不泄漏。

3)清除蓮蓬頭處的堵塞雜物,使之吸水通暢。

4)保持泵外表面清潔,如有污物時應及時擦洗乾淨。

5)檢查曲軸箱內機油液麪,不足時及時添加。

6)檢查皮帶鬆緊度,將皮帶張緊。

(2)周保養

1)檢查各缸進、排水閥件,如有磨損時應及時予以更換。

2)檢查活塞(或柱塞密封圈或皮碗)的磨損情況,必要時予以更換。

3)檢查離合器工作情況,必要時予以調整或更換。

4)檢查導杆、拉桿、十字頭連接情況,並按要求進行緊固。

(3)月保養

1)檢查連桿軸瓦的配合情況,並按要求進行調整。

2)檢查曲軸瓦的工作情況,並進行間隙調整。

3)檢查缸套磨損情況,必要時更換新缸套。

4)檢查變速箱及曲軸箱內機油有無變質或受污,必要時更換新機油。

2.柴油機保養

對柴油機進行維護保養的目的,在於使柴油機經常處於良好的工作狀態,防止故障的發生,延長其使用壽命。對設備進行維護保養是一種帶強制性的預防措施,不論設備有沒有毛病,都應該按規定的保養時間按期進行例行保養。

柴油機維護保養,包括日常保養和定期保養。在地質鑽探工作中,由於工作的連續性,對柴油機仍可按班、周、月進行維護保養。

(1)班保養

1)檢查曲軸箱內機油平面及柴油箱內的燃油麪,不足時按要求進行添加。

2)檢查機體螺栓及其他緊固螺栓、螺母等是否緊固可靠。

3)消除“三漏”(即漏油、漏水及漏氣)現象。

4)保持柴油機外表面整潔,有油污時應及時擦洗乾淨。

5)時常觀察柴油機冷卻水循環情況,避免斷水造成機溫過高而發生故障。

6)消除在本班內發生的其他故障。

(2)周保養

1)清洗空氣濾清器及燃油濾清器,必要時進行更換。

2)檢查電瓶的電壓及電液的密度,電液密度應保持在1.28～1.29g/cm3之間,不足時按要求進行添加蒸餾水。

3)檢查水箱風扇及充電發電機傳動皮帶的鬆緊程度並進行調整。

4)檢查充電線路調節器及儀表工作情況,有故障時及時排除。

(3)月保養

1)檢查調整氣門間隙,必要時進行研磨。

2)檢查調整噴油嘴的噴油壓力及霧化狀態,必要時進行清洗或調整。

3)檢查連桿螺栓、曲軸螺栓和氣缸頭螺母以及其他緊固件的緊固情況,並按要求重新緊固。

4)清洗燃油箱及。

請高手告訴我鑽井鑽具的組合

鑽頭和鑽鋌之間-雙母接頭，連接鑽頭和鑽鋌

不同尺寸鑽鋌和鑽桿連接-轉換接頭（配合接頭），連接不同扣形鑽具

鑽桿和方鑽桿之間是兩個接頭，一個是轉換接頭，一個是保護接頭（因爲要經常卸扣上扣，使用一段時間後更換）

金剛石鑽進用鑽具的組成

金剛石迴轉鑽進所用的鑽具可以分爲兩大類，即單層岩心管（簡稱單管）鑽具和雙層岩心管（簡稱雙管）鑽具。它們由鑽頭、擴孔器、岩心管、異徑接頭及鑽桿等組成（圖10-1）。兩類鑽具，在外形上沒有更多的區別。

1.單層岩心管鑽具的組成

單層岩心管鑽具由鑽頭、卡簧、擴孔器、岩心管組成，在岩心管的上部要接裝異徑接頭和鑽桿（圖10-2a）。在鑽頭的脣部和內、外側，鑲有碎巖材料———金剛石，用以在鑽進中破碎岩石；卡簧用於在取心時卡斷並夾緊岩心以防脫落；擴孔器的外側，也同樣鑲焊有金剛石，而且其外徑略大於鑽頭的外徑，用以修正孔壁，從而保證孔壁的質量（光潔、均勻、不縮徑）並對鑽具進行扶正；岩心管用以收容岩心和保護岩心。

2.雙層岩心管鑽具的組成

在鑽進中，爲了更好地保護岩心以提高取心質量，在鑽具的組成上，採用兩層不同規格的岩心管，同心安裝在異徑接頭上圖10-2b）。外管主要用以推動鑽頭與擴孔器以鑽碎孔底岩石和修整孔壁，內管則用以保護和收容岩心。安裝後內、外管壁間所留的間隙，作爲鑽井液流入孔底的通道，避免了鑽井液直接沖刷岩心，從而提高了取心質量。

圖10-1 金剛石鑽進鑽具組成

雙管鑽具的卡簧，安裝在卡簧座的凹槽內，卡簧座透過短截管與內管插裝在一起，因爲內管體積小、壁薄，所以不以螺紋連接，以增大內管強度。

由於安裝形式的不同，雙層岩心管鑽具又可以分爲：雙動雙管鑽具和單動雙管鑽具。

（1）雙動雙管鑽具：此種鑽具的組成，因其異徑接頭是一個簡單的只有兩組螺紋的整體，所以在鑽進過程中，其所連接的內、外岩心管，則是隨異徑接頭一起進行同樣旋轉的，故稱爲雙動雙管鑽具。這種鑽具在使用時，只能起到防止鑽井液直接沖刷岩心管內岩心的作用，而因內、外管同步轉動，對管內岩心的震動及相互研磨等是不利於取心的因素。

（2）單動雙管鑽具：這種鑽具的特點是，在異徑接頭與內管連接的部位，增加了心軸與推力軸承等零件。鑽進時，由於推力軸承的作用，內管不隨外管一起轉動，故稱單動雙管鑽具。此種鑽具在使用中的優點是，既可防止鑽井液對岩心的直接沖刷，又可因爲內管保持不轉而避免岩心受震和相互磨損，更有效地提高取心質量。特別是在鬆軟的岩層中鑽進時，其護心效果更爲明顯。

圖圖10-2 單層、雙層岩心管

滿眼鑽具組合

4.2.1 鑽具組合特點

滿眼鑽具一般是由幾個外徑與鑽頭直徑相近的穩定器及一些外徑較大的鑽鋌構成。根據用縱橫彎曲法對多穩定器鑽具組合的力學分析結果可知：穩定器與井壁的間隙對鑽頭側向力影響甚大。滿眼鑽具的穩定器外徑要儘量接近井眼尺寸，“以滿保直”。其防斜原理有二：一是由於滿眼鑽具比光鑽鋌的剛度大，並能填滿井眼，在大鑽壓下不易彎曲，保持鑽具在井內居中，減小鑽頭的偏斜角，從而減小和因鑽柱彎曲產生的增斜力；二是在地層橫向力的作用下，穩定器能支撐在井壁上，鑽頭的橫向移動，同時能在鑽頭處產生一個抵抗地層力的糾斜力。爲了發揮滿眼鑽具的防斜作用，鑽具上至少要有三個穩定器，如圖4.3所示。

4.2.2 鑽具組合力學性質

滿眼鑽具在不同致斜地層中，其受力情況略有差異。

當鑽具在垂直或接近垂直的井眼中工作時，它的作用是保持井眼沿着鉛直方向鑽進，如圖4.4（a）所示。上穩定器能抵消由於其上鑽具彎曲所產生的橫向力，使其下鑽具居中。中穩定器能抵消其上一根鑽鋌一旦彎曲所產生的橫向力，並使其下部鑽鋌處於井眼中心，它也幫助下穩定器抵消地層橫向力。下穩定器的作用自然是抵消地層橫向力，鑽頭的橫向移動。

圖4.3 滿眼鑽具組合

當鑽遇使井斜增大的地層時，滿眼鑽具能有力地抵抗地層橫向力，減少井斜的變化。在地層橫向力的作用下，下扶正器和鑽頭靠向井壁高的一側［圖4.4（b）］，抵抗地層橫向力，鑽頭的橫向移動。同時，地層橫向力勢必要扭彎其上的短鑽鋌。由於短鑽鋌的剛度大，能有力地反抗此地層力的扭彎，這個反力將驅使鑽頭靠向井眼低的一側，產生糾斜作用。中穩定器也幫助其下部鑽具抵抗地層橫向力。同時，在已斜井眼內，鑽具還有一個糾斜作用，這是由於上穩定器以上的鑽鋌由於自重靠在井眼低的一邊，並以上穩定器爲支點將壓力下傳，作用於其下一根鑽鋌有一個彎矩，此彎矩使中穩定器靠向井眼高的一邊，再以中穩定器爲支點將力下傳，使鑽頭趨向於井眼低的一邊，也產生一個糾斜力。

如果井眼已發生偏斜，而地層力又使其趨向於恢復垂直狀態，滿眼鑽具的作用是防止井斜角過快地減小。如圖4.4（c）所示，下、中穩定器將抵抗地層橫向力，鑽頭向下側移動。短鑽鋌也抵抗彎曲趨勢，保持下穩定器趨向井眼高的一邊。同時中穩定器以上鑽鋌所產生的彎矩，也將使中穩定器趨向井眼高的一邊，幫助下穩定器抵抗地層橫向力。

圖4.4 滿眼鑽具在不同致斜地層中的受力示意圖

滿眼鑽具由於剛性大、“滿眼”，致使孔底鑽頭的側向力Pa很小，並且鑽壓大幅變化時對其影響不大。以“Φ216mm鑽頭+Φ216mm近鑽頭擴孔器S1+Φ178mm短鑽鋌+Φ216mm穩定器S2+Φ178mm鑽鋌+Φ216mm穩定器S3+Φ178mm鑽鋌”的滿眼鑽具組合爲例，其孔底鑽頭的側向力Pa與鑽壓PB、井斜角以及井身曲率的關係如圖4.5所示。

圖4.5 滿眼鑽具組合的力學特性圖

從上圖中可以看出，鑽壓對滿眼鑽具的性能影響不大，在實際應用中，前人研究總結出滿眼鑽具有以下力學特點：

1）第一穩定器直徑減小，可以使鑽具力Pa明顯下降；該穩定器越靠近鑽頭，這種影響愈明顯；第二穩定器的磨損可以增大鑽具組合的增斜傾向。

2）第一跨度長度（第一穩定器中點到鑽頭底面的距離）增加，可增大鑽頭上的降斜力。

3）第二跨長度增加，可使鑽頭上的增斜力增強；即加長短鑽鋌的長度可增加鑽具的增斜傾向。

4）在三個穩定器的基礎上加裝第四穩定器，可產生較小的負側向力（降斜趨勢），井斜角愈大，則此降斜趨勢越明顯。加裝第五穩定器後，該方面的變化很小。

5）井斜角增大時可增大滿眼鑽具的降斜趨勢。

6）正曲率井身可使滿眼鑽具增加降斜趨勢，負曲率井身可使滿眼鑽具增加增斜趨勢，這是“回彈效應”作用的結果。

4.2.3 鐘擺鑽具組合應用範圍

滿眼鑽具組合的主要功能是防斜，實踐表明其在不易斜或較易斜地層中防斜保直的效果良好，但其糾斜能力不足了其適用性。總的來說，滿眼鑽具的使用有如下特點：

1）適用於不易斜或較易斜的地層鑽進；

2）防斜能力優於糾斜能力，適用於直井段的防斜保直；

3）由於穩定器的直徑大小直接影響到鑽具組合的性能，因此在強研磨性地層不推薦使用該鑽具組合；

4）在鑽遇增斜或減斜地層時能有力地控制井斜變化率，使井斜不致過快地增大或減小，不會形成狗腿或鍵槽等影響井身質量的隱患。

4.2.4 鑽進參數對其性能的影響

由滿眼鑽具組合的力學特性可知，鑽壓對其防斜性能的影響可以忽略不計，可以透過提高鑽壓來提高機械鑽速，但應注意鑽壓的提高同樣會增加地層的造斜力，當地層造斜力增加到一定程度時，鑽孔彎曲，就失去了使用滿眼鑽具的意義，因此這時對鑽壓存在一個優選問題。理論上，轉速的提高可以增加滿眼鑽具的“回彈效應”，從而提高鑽具的“防斜保直”性能，但該效果有多大還需實踐驗證。另外，由於該鑽具組合的滿眼特性，致使泥漿的部分環空間隙狹小，因此使用該鑽具時應注意泵壓的變化，防止憋泵。

4.2.5 鑽具應用於超深井的可能性

滿眼鑽具的剛性大，可以大鑽壓、高機械鑽速鑽進是其可以應用到超深井中的一大優勢，但其糾斜能力差又了其在超深井中的應用。總的來說，滿眼鑽具在超深井中具有不錯的應用前景，可以預見其在超深井中應用優劣包括以下幾個方面：

1）超深井中，在初始井斜不大的情況下，可以充分利用滿眼鑽具良好的防斜保直性能，以達到井斜控制的目的；

2）深井中，可以大鑽壓、高機械鑽速鑽進是滿眼鑽具的天然優勢，也是最大的優勢，可以縮短鑽井週期，控制工程成本；

3）若能與糾斜鑽具組合使用，則其在超深井中的實用性將更強；

4）在深井研磨性強的地層，應避免使用滿眼鑽具，穩定器的磨損將直接影響鑽井的保直性能；更換穩定器又勢必增加提下鑽頻率，不利於鑽井週期和鑽進成本的控制；

5）滿眼鑽具的滿眼特性會增大泥漿循環阻力，使泵壓升高，當超深井中使用液動孔底動力設備時，應注意滿眼鑽具穩定器的設計，儘量增大其過流面積，留給動力設備充足的“壓能”。

井下動力鑽具難點與分析

超深井施工中，特別是在高溫高壓段和深井段必須使用井下動力鑽具進行施工，當前，井下動力鑽具主要有：螺桿鑽具、液動錘和渦輪鑽具3種，其中螺桿鑽具和渦輪鑽具都屬於迴轉破巖類動力鑽具，液動錘則利用衝擊進行破巖鑽進。超深井中使用井下動力鑽具首先應該保證所在工況條件下的適應性和安全性，在此基礎上選用合適的動力鑽具類別及型號，並結合地層條件、鑽頭技術開展相應的配套鑽井技術研究。即研究深井超深井鑽井工具，應該考慮的是如何保證在高溫高壓下密封可靠、操作簡單、使用安全和較長的使用壽命等要求。深井超深井鑽井工具的技術開發應從鑽井工藝與鑽井參數研究，工具結構設計、材料選擇、鑽具的匹配等方面開展工作。

1.2.1 超深井螺桿鑽具面臨的難點與分析

我國螺桿鑽具依靠引進技術得到了較快的發展，品種規格齊全，除基本上能滿足我國的定向、側鑽鑽井工藝需要外，還有部分出口。螺桿鑽具的優點是：具有低速大扭矩的硬特；過載能力強，操作方便；結構簡單，鑽具較短，維修方便。缺點是：需定排量工作，有橫向振動；對油基鑽井液敏感，不適應在高密度鑽井液中工作；橡膠定子耐高溫性差，不宜於深井作業。超深井作業中螺桿鑽具面臨的主要問題分述如下：

1）定子橡膠在高溫條件下失效變形。普通螺桿鑽具的馬達總成的定子一般由丁腈橡膠材料製成，其工作溫度上限爲130℃，在超深井的高溫環境中，溫度遠遠超過130℃，一萬米深的超深井理論溫度高達300℃，定子橡膠在如此的高溫環境下將失效而不能工作。

2）超深井螺桿鑽具連接螺紋脫扣。隨着井深的不斷增加，井底的鑽井液壓力也必然隨之增加，高壓鑽井液對轉子施加正向扭矩的同時，轉子對定子殼體施加等值的反扭矩，在鑽具頻繁滯動和複合鑽進的情況下，容易造成鬆釦，尤其在傳動軸串軸承蹩卡或完全卡死情況下，脫扣危險加劇；當機械鑽速快，井下不清潔，再遇到井斜較大，停轉盤接單根前整個鑽具積蓄很大的反扭矩，突然釋放容易造成螺紋脫扣。

3）馬達定子內表面脫膠或掉塊。造成定子脫膠或掉塊的原因，有廠家製造因素（如掛膠質量、定子殼體內表面設計），用戶使用過程中泥漿淨化不徹底，混雜了金屬等硬物件，井溫升高使定子的橡膠老化，鑽井液中混入了氣體造成氣蝕，不合理的鑽井操作等。

4）超深井螺桿鑽具工作壽命短。由於螺桿鑽具處於高溫高壓惡劣工作環境中，螺桿鑽具的傳動軸總成、萬向軸總成、馬達總成和旁通閥總成都很容易出現故障，將大幅度降低螺桿鑽具的整體工作壽命。

5）超深井螺桿鑽具輸出特性不能滿足超深孔鑽進工藝要求。超深孔鑽進過程中可能採用一些特殊的鑽進工藝，對螺桿鑽具的輸出特性可能會提出一些要求，常規螺桿鑽具的輸出特性一般難以達到要求。

1.2.2 超深井液動錘面臨的難點與分析

液動潛孔錘技術具有設備配套簡便，鑽進時效高、回次進尺長（岩心不易堵塞）、在一定程度減輕孔斜強度的優點。與空氣潛孔錘比較可以適應更深的鑽井。而我國在此技術的研究與應用方面具國際先進水平。但就目前的水平而言，要用到13000m超深科鑽孔的條件下，孔內情況會更復雜，對液動錘強度有更嚴格的要求，且深孔大圍壓可能使岩石塑性增加，液動錘衝擊碎巖效果可能會減弱。綜述液動錘技術還有如下技術難題需要攻關：

1）液動錘的超深井背壓適應性需進一步開展研究；

2）要求液動潛孔錘連續穩定工作壽命延長，特別對運動密封副的工作壽命要求提高（尤其是全面鑽進狀態下）；

3）液動潛孔錘鑽具的密封材料需耐250～300℃高溫；

4）鑽具強度應更加可靠，抗疲勞、抗沖蝕能力要大幅度提高；

5）深孔大圍壓可能使岩石塑性增加，衝擊碎巖效果可能會減弱，液動潛孔錘的衝擊能量需要增加，由此將會引起對鑽具強度的進一步要求；

6）根據鑽孔總體設計，液動錘可能要與螺桿馬達、渦輪鑽具組合使用，在液動潛孔錘的設計上要考慮鑽具直徑、工作泵量要與其匹配和一致。

1.2.3 超深井渦輪鑽具面臨的難點與分析

渦輪鑽具的優點是：具有高速大扭矩的軟特性，無橫向振動，機械鑽速高；對油基鑽井液不敏感，能適應在高密度的鑽井液中工作。特別是全金屬的渦輪鑽具耐高溫，適宜於深井和高溫環境下作業，是超深井高溫高壓工況下鑽井的良好工具。超深井施工中渦輪鑽具面臨的主要難點分述如下：

1）超深井渦輪鑽井對泵的能力要求高。深井高密度鑽井液條件下鑽具循環壓耗高，加之渦輪鑽具本身壓降大，因此，深井使用渦輪鑽具對機泵能力要求也較高。由於超深井起下鑽時間長，爲保證渦輪鑽具正常工作，施工前需要綜合考慮鑽頭推薦排量和環空上返流速要求、鑽具使用情況和地面設備能力，除必須滿足渦輪鑽具壓降外，需要綜合計算立壓、循環壓耗、鑽頭壓降、渦輪鑽具壓降的關係，合理選擇相關參數，制定詳細的施工方案，使用煩瑣，使用要求高。

2）渦輪鑽具超深井鑽井參數優化問題還需進一步研究。渦輪鑽具轉速與排量成正比，輸出扭矩及壓降與排量的平方成正比，功率與鑽進排量成三次方關係，排量的變化對功率影響較大。鑽壓或扭矩過大會導致渦輪鑽具產生“制動”而無法破巖鑽進的現象。

一般情況下，在保證清巖、攜巖前提下選擇渦輪鑽具最大功率時的排量作爲鑽進排量。渦輪鑽具轉速爲其空轉轉速一半時，功率最大。在恆定排量下，渦輪鑽具的每個轉速對應一個鑽壓值，故可確定出在此情況下的最優鑽壓值。保證渦輪鑽具水力流量和鑽壓處在這一參數，可保證渦輪鑽具在最優狀態下工作，如何保證渦輪鑽具處在最佳的工作狀況，發揮渦輪鑽具工作特性最佳的關鍵問題，目前，對這些關鍵參數的控制還缺乏研究。

3）渦輪鑽具泥漿清潔度的控制方法尚需進一步研究。渦輪鑽具有其特殊的設計結構，渦輪葉片之間的過流面積窄小，而且鑽井液流經轉子和定子時的方向持續變化，因此鑽井液的潔淨度會對渦輪的工作產生影響。遇過長軟質材料會使渦輪葉片與葉片之間、轉子與定子之間產生堵塞，造成渦輪工作效率低、功率損失嚴重及渦輪壽命降低等後果，產生泵壓突然升高，造成不必要的起下鑽。

4）國內在配合渦輪鑽具的鑽頭研製方面相對滯後，與之相配套的鑽頭類型是制約該項技術推廣的瓶頸之一，特別針對結晶岩的高速渦輪鑽具配合孕鑲金剛石取心鑽頭的鑽井技術還需進一步研究。

5）另外，針對萬米以上井段施工，渦輪鑽具直徑較小，需要解決：小直徑渦輪鑽具功率急劇下降的難題；渦輪鑽具轉速高，扭矩小的難題；關鍵部件壽命與可靠性，減少維修輔助時間；渦輪鑽具配套鑽井技術，提高鑽進與取心效率。

主要鑽具的選擇與配置

除鑽桿外,主要鑽具還包括取心鑽具、保直鑽具、糾斜鑽具、事故打撈工具等,是鑽探施工中質量和孔內安全的保障。

(一)取心鑽具

取心鑽具是地質鑽探過程中獲取地下巖樣的專用機具。常用的取心鑽具有:單管取心鑽具、雙動雙管取心鑽具、單動雙管取心鑽具、半合管取心鑽具、三重管取心鑽具、噴反取心鑽具等。應根據所鑽地層條件及取心質量要求來合理選擇取心鑽具(表2-18)。

表2-18 不同地層取心鑽具選擇參照表

注:表中“√”爲可選取心鑽具,“*”爲單動雙管半合管、單動三重管不擾動樣取心鑽具。

(二)保直鑽具

鑽進過程中由於受到地層及鑽進工藝的影響,鑽孔軌跡往往偏離設計軌跡,爲了保證鑽孔軌跡滿足設計要求,需採取一定的保直措施。常用的保直鑽具有:鐘擺鑽具、塔式鑽具、滿眼鑽具、偏重鑽具、剛性鑽具、鑽鋌等。地質岩心鑽探繩索取心鑽進多采用滿眼鑽具及剛性鑽具。另外,在硬岩層中鑽進,爲了提高效率,現場應配備衝擊迴轉鑽具,該鑽具對鑽孔也具有較好的保直作用。

(三)糾斜鑽具

在複雜地層條件下,當鑽孔軌跡超差過大,採用常規保直鑽具(或設計的受控定向鑽孔)無法保證鑽孔軌跡滿足設計要求時,需進行人工糾斜。常用的糾斜鑽具有:偏心楔、連續造斜器、液動螺桿鑽造斜機具、渦輪鑽造斜機具等。深孔岩心鑽探常用的爲連續造斜器、液動螺桿鑽造斜機具。

(四)事故打撈工具

深孔鑽探施工過程中,難免發生孔內事故。鑽探現場必須配備常用的事故打撈工具,如不同規格的公母錐、套銑工具、震擊器、打撈矛、撈砂筒等。打撈工具應根據鑽桿、接頭、套管規格及孔徑等條件進行合理選擇配置。

直孔軌跡控制技術

直孔可以分爲垂直孔和斜直孔。垂直孔即頂角爲0°的鑽孔(實際施工中難以達到),斜直孔指開孔頂角大於5°,且頂角、方位角不變的鑽孔。直孔鑽進時軌跡控制的主要任務是防斜、穩斜。主要措施是根據地層情況及鑽孔自然彎曲規律選擇合適的鑽具結構與組合、鑽進工藝技術參數來達到軌跡控制目的。

(一)垂直孔保直、防斜技術

直孔迴轉鑽進產生鑽孔偏斜的充分必要條件是:①鑽具在孔底傾倒或彎曲,鑽具軸線偏離鑽孔軸線;②鑽具在孔底傾倒或彎曲的方向基本穩定;③存在偏斜的空間條件。如果鑽具在孔底傾倒或彎曲的方向不穩定,則鑽具在孔底既產生自轉又產生公轉,鑽頭在不同的時間會指向不同方向,結果只產生擴壁作用,使孔徑增大,而不導致孔身彎曲;反之,如果鑽具在孔底傾倒或彎曲有朝向某一方向的趨勢(例如,鑽頭在孔底接觸軟硬不均的岩石,孔底反作用力在同一條直線上,使鑽具朝一定方向傾倒;或者鑽頭鑽進層理、片理、發育地層,又以銳角穿過層面,孔底破碎成橢圓狀,橢圓孔底引導鑽具朝橢圓長軸方向鑽進),而使鑽孔偏斜。如果這時鑽具沒有傾倒或彎曲餘地,鑽孔也不會產生偏斜。要使鑽具在孔底沒有偏倒或彎曲餘地,就必須儘量減小鑽具與孔壁間隙,並提高鑽具的剛性,使鑽具迴轉軸心與鑽孔軸線基本一致,從而保持鑽孔軌跡呈直線狀。這就是“以滿保直,以剛保直”防斜鑽具的理論根據。常見的剛性滿眼鑽具有以下幾種。

1.大直徑保直防斜鑽具組合

大直徑保直鑽具組合形式如圖7-16(a)所示:鑽頭→扶正器→岩心管→扶正器→鑽鋌(根數按孔底加壓值1.5倍重量配置)→扶正器(每根鑽鋌間需接扶正接頭)→鑽桿。

扶正器最大外徑設計: df=kdz

式中:df爲扶正器最大外徑;dz爲鑽頭外徑;k爲係數(一般爲1～0.98,岩石完整堅硬時取0.98,岩石破碎較軟時取1)。

例如,汶川地震斷裂帶科學鑽探WFSD-3孔大直徑取心鑽進滿眼保直鑽具組合爲:

1)Φ150mm金剛石複合片取心鑽頭+Φ140mm半合管鑽具(約2.5～4m)+變絲接頭+Φ150mm扶正器+Φ121mm鑽鋌4根(約36m,鑽鋌間加Φ150mm扶正器)+Φ150扶正器+Φ73mm鑽桿。

2)Φ122mm金剛石複合片取心鑽頭+Φ114mm半合管鑽具(約2.5～3m)+變絲接頭+Φ122mm扶正器+Φ105mm鑽鋌6根(約54m,鑽鋌間加Φ122mm扶正器)+扶正器+Φ73mm鑽桿。

2.小直徑金剛石鑽探保直防斜鑽具

如圖7-16(b)所示,常規金剛石鑽進保直鑽具組合形式:金剛石鑽頭→擴孔器→多擴孔器取心鑽具→鑽鋌→鑽桿;繩索取心金剛石鑽進保直鑽具組合形式:金剛石鑽頭→擴孔器→多擴孔器取心外管鑽具→繩索取心鑽桿。

圖7-16 滿眼剛性保直鑽具組合圖

(a)大直徑鑽具;(b)繩索取心鑽具;(c)普通金剛石鑽具

例如,霍邱鐵礦區、金寨沙坪溝鉬礦區深孔及科學鑽探採用的鑽具組合是:

1)常規Φ96mm口徑金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合:Φ96mm金剛石鑽頭+Φ96.3mm擴孔器+Φ96mm取心鑽具(長4～6m,外管分兩段,中間接一個Φ96.3mm擴孔器)+Φ96.3mm擴孔器+變絲接頭+Φ89mm鑽鋌2根(約18m,中間接Φ96mm扶正器)+Φ96mm扶正器+Φ89mm鑽鋌8根(約64m)+變絲接頭+Φ50mm外絲鑽桿(或Φ60.3mm外絲鑽桿)。

常規Φ76mm口徑金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合如圖7-16(c)所示:Φ76mm金剛石鑽頭+Φ76.3mm擴孔器+Φ76mm取心鑽具(長4～6m,外管分兩段,中間接一個Φ76.3mm擴孔器)+Φ76.3mm擴孔器+Φ75mm厚壁扶正器(長8～9m)+變絲接頭+Φ50mm外絲鑽桿。

2)繩索取心金剛石鑽進滿眼保直鑽具組合:Φ96mm(或Φ76mm)金剛石鑽頭+Φ96.3mm(或Φ76.3mm)擴孔器+Φ96mm(或Φ76mm)繩索取心鑽具(外管長3.5m～4.5m,中間截斷,接擴孔器)+Φ96.3mm(或Φ76.3mm)擴孔器+Φ89mm(或71mm)繩索取心鑽桿。

上述滿眼鑽具組合,分別在汶川地震斷裂帶科學鑽探WFSD-3孔和霍邱、壽縣、金寨等礦區多個深部地質找礦孔和科學鑽探孔(孔深1500～3000m)中應用,在地層自然彎曲不十分強的情況下,均取得了很好的防斜效果,鑽孔的孔斜率均能控制在0.5°/100m以內。

3.特殊保直防斜鑽具

(1)預應力保直防斜鑽具

小口徑鑽進時用扶正器、鑽鋌等來對付強造斜地層並不總是有效的,因爲它們不能排除下部鑽具的彈性彎曲。鑽進時,使下部鑽具發生彎曲主要是軸壓力。利用預應力原理可以提高鑽具對因軸壓引起彎曲的抗力。如果在組裝鑽具時對鑽具進行預拉伸,使預拉力大於鑽進時粗徑鑽具上的軸壓力,則將消除鑽具因軸壓力引起的彎曲。這時鑽孔彎曲只取決於施加在鑽頭上的傾倒力矩和孔壁間隙所產生的鑽具歪倒角(傾倒角),彎曲強度低。

圖7-17爲小直徑預應力防斜鑽具的典型結構。鑽進前組裝岩心鑽具時,用壓縮內管產生的能量使外管獲得拉伸預應力。可用加力管鉗和液壓千斤頂來壓縮內管。在後一種情況下,用擰緊異徑接頭的辦法使內管保持壓縮狀態。

圖7-17 預應力鑽具

(a)取心鑽進用;(b)無岩心鑽進用;

1—異徑接頭;2—墊圈;3—外管;4—內管;5—鑽頭接頭;6—金剛石鑽頭;7—扶正器

因內管在外管內沒有間隙(取心鑽具)或在外管內用扶正器扶正、支承(無岩心鑽具),所以雖然內管承受很大軸向壓力,但不會彎曲和失穩。給鑽具施加預應力的範圍是該力不得使承受預應力部件橫斷面上的應力超過材料的比例極限。有條件情況下,可經過室內的測試獲得。

(2)FB型保直防斜鑽具

FB型保直防斜鑽具由中國地質科學院探礦工藝研究所研製完成。與剛性滿眼鑽具不同,其設計思路是使鑽頭上產生一抵消或削弱孔斜的抗斜力——側向反偏力。該反偏力只有鑽進中出現孔斜和有孔斜趨勢時才存在,鑽孔不斜或沒有斜的趨勢時就沒有反偏力。圖7-18爲FB型防斜鑽具的結構和工作原理圖。

該鑽具包括導正部分和活動部分。導正部分主要由上、中、下扶正器1、4、6和外殼1、偏心導正套3組成;活動部分主要由雙臂球頭軸5、岩心管7、擴孔器8、鑽頭9組成。其中偏心導正套和雙臂球頭軸是產生反偏力的關鍵部件。

保直防斜鑽具的工作原理:鑽進直孔時,鑽具導正部分與活動部分同心,與常規鑽具一樣鑽頭上無反偏力。鑽孔偏斜時,則雙臂球頭軸以下的鑽具與導正部分不同心。在迴轉鑽進過程中,由於鑽具導正部分處於直線孔段,要繞原鑽孔軸線旋轉,而下部鑽具要繞偏斜的鑽孔軸線旋轉,則每回轉一週,雙臂球頭軸的上臂從偏心導正套內孔偏心距大的位置轉到偏心距最小的位置時,偏心導正套就會在與鑽孔偏斜的相同方向上,給球頭軸上臂的上端施加一導正力F。此力透過球頭傳至球頭軸的下臂和鑽頭,使鑽頭側刃以偏力F向鑽孔偏斜的反方向克取岩石,力圖恢復活動部分與導正部分的同軸性,因而防止了鑽孔彎曲(包括頂角與方位彎曲),使鑽頭基本保持原鑽孔方向鑽進,起到穩斜作用。

圖7-18 FB型保直防斜鑽具

(a)結構示意圖;(b)工作原理圖

1—上扶正器;2—外殼;3—偏心導正套;4—中扶正器;5—雙臂球頭軸;6—下扶正器;7—岩心管;8—擴孔器;9—鑽頭

雙臂球頭軸以下的鑽具(l1)越短,作用在鑽頭上的反偏力F'則越大,l1＞3m時,反偏力明顯下降。由於該鑽具的反偏力F'不可能很大,因而在造斜力很大的強造斜地層,反偏力不能完全抵消地層造斜力使鑽孔仍會產生一定程度的彎曲。

FB保直防斜鑽具導正部分扶正器與孔壁間的間隙直接影響其反偏力的形成。間隙過大將使導正部分喪失導正功能。因此該鑽具應用於較完整地層。

(3)TSZ型保直防斜塔式繩索取心鑽具組合

TSZ型保直防斜塔式繩索取心鑽具(圖7-19)由安徽省地礦局313地質隊設計研製。該鑽具由S76mm和S96mm繩索取心鑽具組合而成。將S96mm繩索取心外管套在S76mm繩索取心單動雙管總成上,使S76mm單動雙管鑽頭超前於S96mm單管鑽頭0.3m。組合雙鑽頭鑽具上接Φ71mm繩索取心鑽桿,形成三重管雙鑽頭塔式剛性滿眼鑽具。鑽具總長爲9.5m,超前取心鑽進口徑Φ77mm,擴孔口徑爲Φ97mm。其特點是超前鑽頭具有良好的導向作用,粗徑鑽具跟進擴孔,起到扶正、增大剛性和滿眼鑽進保直防斜作用;另外,孔內鑽柱採用Φ71mm繩索取心鑽桿,增大了保直防斜鑽具以上的環狀間隙,利於減小泥漿環空阻力。

圖7-19 TSZ型塔式繩索取心鑽具組合

1—Φ77mm鑽頭;2—Φ77.5mm擴孔器;3—Φ73mm岩心管;4—Φ97mm鑽頭;5、7、9、10—Φ97.5mm擴孔器;6—Φ89mm岩心管;8—內外管連接接頭;11—Φ71mm鑽桿

在華南於都—贛縣礦集區科學鑽探選址預研究NLSD-1孔中同地層條件下的鑽進對比試驗表明,用常規S76繩索取心鑽進的平均孔斜率爲5°/100m,而用TSZ型保直防斜塔式繩索取心組合鑽具後,孔斜率穩定在0.5°/100m以內,取得了良好的保直防斜效果。

4.直孔保直防斜的其他方法

當鑽孔方位角順時針增大時,可採用反轉糾偏,鑽孔頂角上漂採用衝擊迴轉鑽進改變岩石破碎機理,可有一定防斜效果。

目前,國外已研製出直孔防斜自動垂鑽系統,德國率先研製出的VDS自動垂直鑽進工具已在超深井鑽井計劃(KTB)中使用,實現了隨鑽、隨測、隨糾,取得了良好的使用效果。國內也在這方面進行了研究與探索。

(二)直孔保直防斜鑽進的工藝技術措施

直孔保直防斜鑽進除選用合理的鑽具組合外,還應重視以下工藝技術措施:

1)確保鑽探設備安裝質量。鑽塔基礎要堅實平穩,鑽機滑軌不鬆曠,天車、鑽機主軸(或主杆)和鑽機軸線(孔口)應在一條直線上。

2)開孔用的粗徑鑽具要直,其長度應隨鑽孔的加深逐漸加長,孔口要設導正管,開孔頂角和方位角應符合設計要求。

3)選擇合適的鑽具級配,控制孔壁間隙,實現滿眼鑽進。

4)鑽孔換徑或擴孔時要帶扶正器和導向管。

5)採用重量大於所需鑽壓的鑽鋌實現孔底加壓,使鑽桿處於拉伸狀態。

6)鑽進破碎、鬆軟地層時,應減小泵量,選用底噴式鑽頭,以免鑽孔超徑;遇溶洞應採用長岩心管鑽進,穿過溶洞後要採取措施隔離(下套管或封水泥)。

7)遇到軟硬不均地層,採用銳利鑽頭、低軸壓、高轉速鑽進。

8)遇到卵礫石地層,儘量採用衝擊迴轉鑽進。

(三)斜直孔穩斜與糾斜技術

斜直孔鑽進主要用長(6～9m)、剛(高強度厚壁)、滿(多個扶正器滿眼)鑽具實現穩斜鑽進。用輔助增斜和減斜鑽具組合來控制鑽孔的下垂與上漂。

1.增斜鑽具

1)縮短岩心管,使之爲正常長度的2/3～1/2。

2)增大粗徑鑽具在孔底的傾斜角,以增加鑽孔的彎曲強度。可採用的鑽具結構及組合形式有普通塔式增斜鑽具及萬向節塔式增斜鑽具(圖7-20)。

圖7-20 塔式增斜鑽具組合示意圖

(a)普通塔式鑽具;(b)萬向節塔式鑽具

施工中普通塔式鑽具常採用大一級鑽頭+短粗徑鑽具(岩心管長度0.8～2m)+細鑽桿(增加鑽具柔性)的組合方式。萬向節塔式鑽具是在普通塔式鑽具上接一個萬向節,以增大鑽具在孔內傾倒角和增斜側向力。爲保證增斜的定向性,還可在萬向節上部加接鑽鋌,使萬向節處於鑽孔下幫,從而達到鑽孔上漂的目的。

2.減斜鑽具

針對鑽孔上漂的常用減斜(使鑽孔下垂)鑽具結構如圖7-21所示。

1)短岩心管上加鑽鋌[圖7-21(a)],使粗徑鑽具重心下移利於鑽孔下垂。

2)在粗徑鑽具上面加扶正器[圖7-21(b)],改變粗徑鑽具上端的受力狀態,使粗徑鑽具上端擡起,給鑽頭一矯正力促使鑽孔逐漸下垂。扶正器與岩心管之間的距離應以鑽桿半波長的1/2爲宜。

3)同徑、異徑減斜鑽具如圖7-21(c)、圖7-21(d)所示。在上部支撐接頭的襯墊作用和下部鑽具的自重作用下,使鑽具與原孔中心形成一夾角,在鑽頭上產生一個矯正力,在鑽進過程中逐漸減小鑽孔頂角。

4)支撐管萬向節組合鑽具如圖7-21(e)所示。比支撐管小一級的岩心管爲一短的加重管,透過萬向節與支撐管連接,利用重錘原理產生偏斜力,增大鑽頭克取孔壁下幫的切削力,以達到控制鑽孔上漂的目的。

圖7-21 減斜鑽具結構示意圖

(a)長粗徑加鑽鋌組合鑽具;(b)帶扶正器組合鑽具;(c)帶支撐接頭同徑組合鑽具;(d)帶支撐接頭異徑組合鑽具;(e)支撐管萬向節組合鑽具

鑽柱與鑽具組合設計

（一）鑽柱設計

鑽柱是指方鑽桿至鑽頭之間的鑽具管串的總稱。

1）鑽柱設計原則：滿足抗拉強度、抗擠強度等要求，保證鑽柱安全工作。儘量減輕鑽柱重量，在現有抗負荷能力下鑽更深的井。

2）鑽柱尺寸選擇：鑽柱尺寸的選擇首先取決於鑽頭尺寸和鑽機的提升能力，同時，還應考慮地質條件、井身結構、鑽具供應以及防斜措施等。

3）鑽鋌長度的確定：保證在最大鑽壓時鑽桿不承受壓縮載荷，即中性點始終處在鑽鋌上。鑽鋌長度可由相關經驗公式計算確定。

4）鑽桿柱強度設計：鑽桿柱的設計主要考慮抗拉強度來設計，按照抗拉強度確定其可下深度。

（二）鑽具組合設計

鑽井中常用的鑽具組合包括穩斜鑽具、防斜鑽具、造斜鑽具、增斜鑽具、幾何導向鑽井系統和地質導向鑽井系統等（王建學等，2006）。

鑽具組合設計原則：能有效地控制井斜全形變化率及井斜角，保證井身質量；鑽頭工作的穩定性高，能施加較大鑽壓，有利於提高鑽速；爲了起下鑽順利並降低成本，在可能的條件下鑽具組合儘量簡化。

（1）穩斜鑽具

穩斜鑽具的作用是使井眼軌跡沿着當前井底切線方向，保持井斜角和方位角不變鑽進。採用剛性滿眼鑽具結構，透過增大下部鑽具組合的剛性，控制下部鑽具組合在外力作用下的變形達到穩定井斜和方位的效果。

常用的穩斜鑽具組合是：鑽頭＋鑽頭穩定器＋短鑽鋌＋穩定器＋單根鑽鋌＋穩定器＋鑽鋌＋鑽桿。

（2）降斜和防斜鑽具

降斜鑽具用於定向井中以及直徑糾斜時降低井眼軌道的井斜角。防斜鑽具用於直井中抑制和防止井斜的產生。

降斜和防斜鑽具一般採用鐘擺鑽具組合，利用鑽具自身重力產生的鐘擺力實現降斜，根據設計井眼軌道要求和井斜角大小，設計鑽頭與穩定器之間的距離，便可改變鐘擺力的大小。

（3）造斜鑽具和增斜鑽具

造斜鑽具用於從直井段沿一定方向鑽出斜井段。增斜鑽具用於增加斜井段待鑽部分的井斜角。常用的造斜鑽具組合爲彎接頭＋井下動力鑽具、各種彎外殼井下動力鑽具。

普通的增斜鑽具是指轉盤鑽增斜鑽具，利用槓桿原理，採用雙穩定器或三穩定器設計，近鑽頭足尺寸穩定器作爲支點，根據鑽鋌的剛性和增斜率大小設計第二個穩定器和鑽頭之間的距離。

（4）地質導向鑽井系統

地質導向鑽井系統由鑽頭、導向馬達、無線隨鑽測井儀、無線隨鑽測斜儀和地面計算機系統組成，特點是不需要起下鑽就可以連續完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩斜等鑽進方式，並且可以隨時測得地層參數，及時修改地質設計和井眼軌跡。

地質導向鑽井是一項國際前沿的鑽井技術，對保護油氣層，提高鑽井成功率、降低作業風險，提高鑽井效率和降低鑽井成本均具有顯著的效果。

深部鑽探金剛石鑽進與鑽頭使用要點

(一)鑽桿、鑽具要求

1)深孔結構較複雜,應合理組合和級配鑽具。鑽柱的強度要滿足深孔要求,螺紋連接部位密封良好,鑽桿擰緊須達到一定的預緊力。

2)彎曲鑽桿不得下孔,接頭、擴孔器、扶正器、取心鑽具和鑽頭連接應有良好的同心度,取心鑽具內外管應同軸,且單動靈活可靠。

3)鑽進易斜地層應配穩定接頭或扶正器;擴孔鑽進需帶導向裝置。

(二)提下鑽要求

1)操作人員對孔內情況要做到心中有數,提下鑽透過換徑、糾斜、活石處應放慢速度。每次下鑽,下到距孔底1m左右時送水衝孔,待孔口返水後輕壓慢轉掃孔到底,正常後方可按要求參數鑽進。

2)下鑽遇阻不得猛衝硬蹾,可用人工緩慢迴轉鑽具,無效時立即提鑽處理;上提有勁時嚴禁猛拉鑽具,應將鑽具下放一定距離,人工迴轉緩慢上提,若上提無效應接上機上鑽桿送泥漿衝孔,邊迴轉邊提升或採用其他辦法處理。

3)複雜地層提鑽時,要求向孔內回灌泥漿,以保持孔內壓力平衡。

(三)鑽進要求

1)操作者應集中精力認真觀察鑽速、孔內返水量、泵壓及電流表或其他參數儀表值的變化,發現異常,及時處理。

2)採用立軸式鑽機倒杆時,應先減壓再停車,用升降機拉緊鑽具(不得提離孔底),倒杆後先在小於正常鑽壓條件下平穩開車,再逐漸調至正常鑽壓。正常鑽進時不得隨意提動鑽具。發現岩心堵塞,處理無效時,應及時提鑽。

3)岩層由硬變軟進尺過快時,應減小鑽壓;由軟變硬鑽速變慢時,不得任意增大鑽壓,以免損壞鑽頭或造成孔斜,在非均質岩層中鑽進應控制鑽速。

4)地層變化時,要及時調整沖洗液性能指標。保持孔壁穩定及孔底清潔,孔底巖粉厚度超過0.5m時,要採取措施。

5)衝擊迴轉鑽進可適當降低鑽壓和轉速,泵量必須滿足衝擊器工作要求。

6)繩索取心鑽進的內管總成未到底,嚴禁空管鑽進。

(四)取心要求

不同地層取心措施及要求詳見第四章。深孔鑽進採取岩心時,應嚴格按操作規程作業,先停止迴轉,停泵,緩慢將鑽頭提離孔底0.3～0.5m,使卡簧抱緊岩心,再緩慢開車扭斷岩心方可起鑽。不允許上下活動鑽具或猛提鑽具取心。孔內殘留岩心較長或中途岩心脫落時,應專門下鑽掃岩心及撈取。

(五)金剛石鑽頭使用要求

1)根據設計孔深,按鑽頭和擴孔器外徑尺寸由大到小排序,輪換使用。擴孔器外徑應比鑽頭外徑大0.3～0.5mm,卡簧自由內徑應比鑽頭內徑小0.3～0.5mm,應在上一回次岩心上套試,以不脫落、不卡死爲宜。

2)新鑽頭到孔底後應進行“初磨”,即以正常鑽壓的1/3左右、100r/min左右慢轉鑽進10min,再採用正常參數鑽進。不宜用新鑽頭掃孔和清除殘留岩心。

3)爲避免鑽頭非正常損壞應保持孔底清潔,當發現有硬質合金、胎塊、金屬塊、脫落岩心及掉塊時,應及時清除;換徑後應用錐形鑽頭修整換徑臺階。

4)鑽頭出現以下情況,不得下入孔內:

①表鑲鑽頭內徑磨耗0.2mm以上,孕鑲鑽頭內外尺寸磨耗0.4mm以上;

②表鑲鑽頭出刃超過金剛石顆粒直徑1/3,有少數金剛石脫落,擠裂或剪碎;

③鑽頭水口、水槽高度嚴重磨損和變化明顯,胎體有裂紋、掉塊及微燒或嚴重沖蝕;

④鑽頭體變形,螺紋損壞。

鑽孔樁的質量有哪些，引起的原因是什麼，監控的措施有哪些

質量問題主要有：縮頸、孔壁塌落、孔底沉淤、樁身空洞、蜂窩、夾泥等。

鑽孔灌注樁質量通病的成因及其預防措施：

1 鑽孔灌注樁常見的質量通病

鑽孔灌注樁在承受垂直荷載壓力的時候，以樁頂位置所受的壓力最大，下部承受的壓力相對較小。但鑽孔灌注樁的成樁工藝與實際受力狀況相反，往往是上部混凝土的強度低，中下段混凝土的強度高，若不嚴格控制，容易出現樁上段強度達不到質量要求的情況。除此之外，還容易出現縮頸、孔壁塌落、孔底沉淤、樁身空洞、蜂窩、夾泥等質量缺陷,造成樁基承載力的下降,影響到工程結構的安全。

2 影響成樁質量的原因分析

2. 1 影響樁身上部強度的原因分析

(1) 按照施工規範的規定，鑽孔後要徹底清除孔底的淤泥，但在實際施工過程中，很難將淤泥徹底清除，於是在澆灌第一斗混凝土進行封底施工時，孔底沉積的淤泥必然混入混凝土中。由於用導管灌注的水下混凝土是從下往上頂升的，先灌入的混凝土頂升於孔的上面，這樣就容易出現樁上段強度較低的現象。

(2) 澆灌混凝土時，若導管插入混凝土之內過深，澆注速度又較快，則容易在孔體深部沉積較多的骨料，加上振搗過程所造成的混凝土的離析，也容易導致樁體上部強度較低的質量問題。

(3)埋設護筒的周圍土不密實，或護筒水位差太大，或鑽頭起落時碰撞引起質量問題。

樁基施工質量加以控制。

1、成孔質量的控制

成孔是混凝土灌注樁施工中的一個重要部分，其質量如控制得不好，則可能會發生塌孔、縮徑、樁孔偏斜及樁端達不到設計持力層要求等，還將直接影響樁身質量和造成樁承載力下降。因此，在成孔的施工技術和施工質量控制方面應着重做好以下幾項工作。

1.1.採取隔孔施工程序。

鑽孔混凝土灌注樁和打入樁不同，打人樁是將周圍土體擠開，樁身具有很高的強度，土體對樁產生被動土壓力。鑽孔混凝土灌注樁則是先成孔，然後在孔內成樁，周圍土移向樁身土體對樁產生動壓力。尤其是在成樁初始，樁身混凝土的強度很低，且混凝土灌注樁的成孔是依靠泥漿來平衡的，故採取較適應的樁距對防止坍孔和縮徑是一項穩妥的技術措施。

1.2.確保樁身成孔垂直精度

這是灌注樁順利施工的一個重要條件，否則鋼筋籠和導管將無法沉放。爲了保證成孔垂直精度滿足設計要求，應採取擴大樁機支承面積使樁機穩固，經常校覈鑽架及鑽桿的垂直度等措施，並於成孔後下放鋼筋前作井徑、井斜超聲波測試。

1.3.確保樁位、樁頂標高和成孔深度。

在護筒定位後及時複覈護筒的位置，嚴格控制護筒中心與樁位中心線偏差不大於50mm，並認真檢查回填土是否密實，以防鑽孔過程中發生漏漿的現象。在施工過程中自然地坪的標高會發生一些變化，爲準確地控制鑽孔深度，在樁架就位後及時複覈底樑的水平和樁具的總長度並作好記錄，以便在成孔後根據鑽桿在鑽機上的留出長度來校驗成孔達到深度。

雖然鑽桿到達的深度已反映了成孔深度，但是如在第一次清孔時泥漿比重控制不當，或在提鑽具時碰撞了孔壁，就可能會發生坍孔、沉渣過厚等現象，這將給第二次清孔帶來很大的困難，有的甚至透過第二次清孔也無法清除坍落的沉渣。因此，在提出鑽具後用測繩複覈成孔深度，如測繩的測深比鑽桿的鑽探小，就要重新下鑽桿復鑽並清孔。同時還要考慮在施工中常用的測繩遇水後縮水的問題，因其最大收縮率達1．2％，爲提高測繩的測量精度，在使用前要預溼後重新標定，並在使用中經常複覈。

爲有效地防止塌孔、縮徑及樁孔偏斜等現象，除了在複覈鑽具長度時注意檢查鑽桿是否彎曲外，還根據不同土層情況對比地質資料，隨時調整鑽進速度，並描繪出鑽進成孔時間曲線。當鑽進粉砂層進尺明顯下降，在軟粘土鑽進最快0．2m／min左右，在細粉砂層鑽進都是O．015m／min左右，兩者進尺速度相差很大。鑽頭直徑的大小將直接影響孔徑的大小，在施工過程中要經常複覈鑽頭直徑，如發現其磨損超過10mm就要及時調換鑽頭。

1.4.鋼筋籠製作質量和吊放

鋼筋籠製作前首先要檢查鋼材的質保資料，檢查合格後再按設計和施工規範要求驗收鋼筋的直徑、長度、規格、數量和製作質量。在驗收中還要特別注意鋼筋籠吊環長度能否使鋼筋準確地吊放在設計標高上，這是由於鋼筋吊籠放後是暫時固定在鑽架底樑上的，因此，吊環長度是根據底樑標高的變化而改變，所以應根據底樑標高逐根複覈吊環長度，以確保鋼筋的埋入標高滿足設計要求。在鋼筋籠吊放過程中，應逐節驗收鋼筋籠的連接焊縫質量，對質量不符合規範要求的焊縫、焊口則要進行補焊。同時，要注意鋼筋籠能否順利下放，沉放時不能碰撞孔壁；當吊放受阻時，不能加壓強行下放，因爲這將會造成坍孔、鋼筋籠變形等現象，應停止吊放並尋找原因，如因鋼筋籠沒有垂直吊放而造成的，應提出後重新垂直吊放；如果是成孔偏斜而造成的，則要求進行復鑽糾偏，並在重新驗收成孔質量後再吊放鋼筋籠。鋼筋籠接長時要加快焊接時間，儘可能縮短沉放時間。

1.5.灌注水下混凝土前泥漿的製備和第二次清孔

清孔的主要目的是清除孔底沉渣，而孔底沉渣則是影響灌注樁承載能力的主要因素之一。清孔則是利用泥漿在流動時所具有的動能衝擊樁孔底部的沉渣，使沉渣中的巖粒、砂粒等處於懸浮狀態，再利用泥漿膠體的粘結力使懸浮着的沉渣隨着泥漿的循環流動被帶出樁孔，最終將樁孔內的沉渣清乾淨，這就是泥漿的排渣和清孔作用。從泥漿在混凝土鑽孔樁施工中的護壁和清孔作用，我們可以看出，泥漿的製備和清孔是確保鑽子L樁工程質量的關鍵環節。因此，對於施工規範中泥漿的控制指標：粘度測定17—20min；含砂率不大於6％；膠體率不小於90％等在鑽孔灌注樁施工過程中必須嚴格控制，不能就地取材，而要專門採取泥漿製備，選用高塑性粘土或膨潤土，拌制泥漿必須根據施工機械、工藝及穿越土層進行．配合比設計。

灌注樁成孔至設計標高，應充分利用鑽桿在原位進行第一次清孔，直到孔口返漿比重持續小於1。10—1．20，測得孔底沉渣厚度小於50mm，即抓緊吊放鋼筋籠和沉放混凝土導管。沉放導管時檢查導管的連接是否牢固和密實，以防止漏氣漏漿而影響灌注。由於孔內原土泥漿在吊放鋼筋籠和沉放導管這段時間內使處於懸浮狀態的沉渣再次沉到樁孔底部，最終不能被混凝土衝擊反起而成爲永久性沉渣，從而影響樁基工程的質量。因此，必須在混凝土灌注前利用導管進行第二次清孔。當孔口返漿比重及沉渣厚度均符合規範要求後，應立即進行水下混凝土的灌注工作。

2、成樁質量的控制

2.1.爲確保成樁質量，要嚴格檢查驗收進場原材料的質保書(水泥出廠合格證、化驗報告、砂石化驗報告)，如發現實樣與質保書不符，應立即取樣進行復查，對不合格的材料(如水泥、砂、石、水質)，嚴禁用於混凝土灌注樁。