单动双管技术在长江盾构隧道勘察中的应用

[摘要]单动双管钻具钻探时，钻头和外管随钻杆一起回转，当内管中有岩芯时，在摩擦力作用下内管及其卡簧不回转。冲洗液由上接头进入，通过外管接头上的斜孔进入内外管的环状间隙冲洗孔底，在外管与孔壁间隙间循环，内管中的冲洗液，随岩芯的进入，经内管接头上的排水孔也流人内外管间隙，因此，大大改善了钻探过程岩芯管、冲洗液对岩芯的扰动，从而提高了岩芯的采取率，更好地保持了岩芯原貌，有利于岩石性质的分析，从而提高勘察成果的质量。

[关键词]盾构隧道勘察 单动双管 破碎岩层取芯

[中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-8-245-1

0引言

破碎岩层在工程勘察中经常遇到，减少机械扰动，提高岩芯采取率，更好地保持岩芯原貌，反应真实的地层情况，一直困扰着每个勘察工作者。提高岩芯采取率的方法很多，但有的效果不理想，有的成本过高，而单动双管钻具钻探，是一种经济且效果佳的方法。

在长江盾构隧道穿越工程勘察施工中，我们采用了单动双管技术，取得了一些成功的经验和较好的社会、经济效益。本文着重介绍单动双管技术的操作方法，注意事项、使用过程中存在的一些问题及改正措施。

1工程概述

西气东输三线天然气管道中段长江穿越工程，设计穿越方式为盾构隧道，穿越长度3416m，场地位于南岸位于湖南岳阳，北岸位于湖北监利，拟穿越层位为元古界坪原组（Pt2p）浅变质板岩，变余泥质结构，板状构造，层理发育，层厚2～5cm，层面间光滑，岩层倾角50～60度，受层间挤压影响严重，多处出现层间挤压现象，伴随有石英脉，裂隙极发育，岩芯多呈薄板状夹麟片状，岩质软，轻锤易沿层面破裂。勘探初期我们按常规的单管钻具，合金、复合片或金刚石钻头，优质泥浆进行钻探，岩芯采取率较低，一般仅在30～50%。

分析原因，造成岩芯采取率偏低的原因主要为钻进中钻具回转运动，产生离心力和水平振动，岩芯受到振动作用，从而造成摩擦损耗，同时，冲洗液通过钻杆经由岩芯管直接冲刷岩芯，从而使岩芯被冲蚀流散。

2双管技术的引进

通过分析造成岩芯采取率低原因，认为取芯器是影响岩芯采取率的主要原因，认真探索钻探工作的规律和特点，我们确定了单动双管金刚石钻具，其工作原理：利用钻机传递动力使钻具回转，外管连接钻头的切割刃，而内管（即岩芯管）在钻进过程中保持不动，这样使取出的岩芯避免扰动，能基本保持原始状态。

3单动双管钻具操作及使用

（1）钻具下入孔内前，检查单动的灵活性，卡簧、 钻头与卡簧座的配合、水路与隔水间隙必须符合要求。根据所钻地层的松散程度，调节卡簧座与钻头内台间隙，一般为3-5mm，松散粗砂地层应缩小为2-3mm，泥质地层可增大大5-6mm。若地层稍硬，间隙可调大些。

（2）泥浆配制SH植物胶钻井液，基本配方：低固相冲洗液，SH：水：钠=1：100：（5-6）（重量比），加入烧碱（NaOH），加量为SH干粉重量的8%，宜用钠土，不宜用钙土，SH胶先制浆加碱，后加钠土。

（3）下钻到离孔底1m左右，应开泵慢扫冲孔，并上下活动几次，孔底干净后方可钻进。钻进过程中要保持压力均匀，压力为3～6kN左右，压力的调节适地层情况和钻孔深度而改变，当钻进松散、易破碎地层时，压力适当增大，转速取139～292r/min，水泵量为80～120L/min，正常钻进时不得上下提动钻具，使钻具在一回次中始终不离孔底。

（4）均匀给压，严防岩芯堵塞，如遇岩芯堵塞、不进尺或进尺缓慢，要立即提钻。回次终了，取岩芯时，稍加大钻压，开车转动几圈，即可提钻；对松散岩芯采用关泵干钻取芯。

4金刚石钻头单动双管钻具的常见问题及改进措施

4.1常见问题

在金刚石钻头配单动双管钻具钻探过程中，我们经常会出现一些问题，总结归纳如下：

（1）钻进时岩芯内管短接管或者卡簧座松脱，导致泵压升高而无法正常钻进，其原因是在岩芯内管的下部的短接管装置连结方式为过度性连接，在下钻或钻进过程中，钻具出现振动，很容易使内管短接管松脱，卡簧座与短接管配合也会出现类似的情况。无论是短接管松动还是卡簧座松脱，都会堵塞冲洗液通道，使泵压增高，无法正常钻进。

（2）钻进中变径接头上岩粉聚积，钻具提升困难，其原因除钻孔内岩层本身不稳定的因素外，孔壁上粘附着的岩粉和下降的岩粉或者钻进中钻杆与孔壁撞击造成碎小岩块崩落，这些岩粉和碎小岩块不断聚积在变径接头上，使体积不断增大导致钻具提升困难。

（3）岩芯外管与变径接头相接的丝扣断裂或出现喇叭口，则主要是因为在轴向压力和径向扭矩的共同作用下，粗径钻具上部产生弹性振动相对较剧烈，同时冲洗液在上返途中，钻杆柱与孔壁间的环状面积大。以粗径钻具上端面为界面，冲洗液回流速度发生突变，携带岩粉能力突然由大到小，大颗粒岩粉就在粗径钻 具上端部位滞留，再加上水泵输送的冲洗液的脉动现象，使大颗粒岩粉在粗径钻具上端部位忽降忽升。

4.2改进措施

（1）我们对内岩芯管和结构进行改进，取消了内岩芯管短接管这种不合理的结构形式，把内岩芯管的下端加工成短接管的形状，直接与卡簧座连接。不仅减少了短接管两端的连接脱落造成堵塞冲洗液通道概率，而且也增加了钻具的单动性能。

（2）设置取粉管，在φ102mm以上钻具和变径接头上端左旋螺纹安装长度≤1m，直径和外岩芯管相同的敞口式取粉管，从而把冲洗液上返途中的急、缓流结合部上移到取粉管顶部，在此区间滞留的较大颗粒岩粉（屑）进入取粉管内，使其不能与钻具再次产生摩擦，而且取粉管对钻进中的钻具还有减震作用。

5结论

实践证明，采用单动双管钻具能防止冲洗液冲刷、减少钻具振动，保持岩芯原结构，从而避免岩芯污染、烧坏，提高了破碎带岩芯采取率，最高达95%。该方法通过在长江穿越盾构隧道勘察工作中的实际使用，得到很好的验证，成本比普通钻具略高，台效比普通钻具略低，但质量得到很大提高，值得在类似工程中推广和借鉴。

参考文献

[1]刘铮.最新地质勘探技术手册.中国工程技术出版社，2006.

[2]李月良，李映华.提高岩心钻探取心质量的研究和技术.成都李工钻探设备有限公司，2008.