淺談繩索取芯適巖鉆頭的選用

我國于1973年開始研究繩索取芯鉆進(jìn)（簡稱“繩鉆”，即利用帶繩索的打撈器，以不提鉆方式經(jīng)鉆桿內(nèi)孔取出巖芯容納管的鉆進(jìn)技術(shù)），目前已在巖芯鉆探中廣泛使用。目前，國內(nèi)在大力推廣這種鉆進(jìn)技術(shù)，并日益顯出了優(yōu)越性，被譽(yù)為“四高、三低、兩好”（工程質(zhì)量高、時(shí)間利用率高、鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命高;停鉆事故低、勞動(dòng)強(qiáng)度低、設(shè)備材料消耗低;地質(zhì)效果好、經(jīng)濟(jì)效益好）的先進(jìn)鉆進(jìn)方法。
　　1、鉆頭的選擇
　　采用繩鉆，首先要選擇與地層相適應(yīng)的鉆頭。它要求鉆頭不僅時(shí)效要高，易破碎巖石，還要有較長的使用壽命。如果鉆頭時(shí)效很低，直接影響鉆進(jìn)效率，如果鉆頭壽命很短，不得不經(jīng)常起下鉆更換鉆頭，從而降低鉆進(jìn)效率，增加成本，不能充分發(fā)揮繩鉆的優(yōu)越性。因此，必須根據(jù)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，包括巖石的可鉆性、硬度、強(qiáng)度、研磨性和完整度，同時(shí)也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)效益與施工隊(duì)伍的實(shí)際情況，選擇好鉆頭。其選擇包括金剛石的粒度、強(qiáng)度和濃度、鉆頭的胎體性能、鑲嵌類型、鉆頭水口等。
　　1.1   金剛石粒度、強(qiáng)度和濃度的選擇
　　選擇金剛石時(shí)，一般首先考慮鉆速問題，然后考慮鉆頭壽命;在硬、脆、碎地層中，則應(yīng)將鉆頭壽命放在首位;在堅(jiān)硬致密地層中，則鉆速和鉆頭壽命同時(shí)考慮。
　　1.1.1   鉆進(jìn)較完整中硬及以下巖層
　　粒度選擇：因巖石對金剛石的磨損較弱，施加在單顆金剛石上的壓力不需很大便可以體積破碎的形式刻取巖石，因而金剛石不易破裂，應(yīng)選較粗粒度金剛石，以同時(shí)獲得較高鉆速和鉆頭壽命。
　　強(qiáng)度選擇：因巖石抗壓強(qiáng)度較低，用較小的鉆壓便可獲得較高的鉆速，可選較低強(qiáng)度金剛石。
　　濃度選擇：鉆頭壽命一般較高，而鉆速顯得特別重要，故金剛石濃度不宜過高。
　　1.1.2   鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密和硬、脆、碎地層
　　粒度選擇：金剛石不僅承受較大的軸向壓力和剪切力，還要承受較大的沖擊力，必須選較細(xì)粒度金剛石以延長鉆頭壽命。
　　強(qiáng)度選擇：金剛石不僅承受較大的軸向壓力和剪切力，還要承受較大的沖擊力，必須選較細(xì)粒度金剛石以延長鉆頭壽命。
　　濃度選擇：為延長鉆頭壽命和提高鉆速，必須選較高強(qiáng)度的金剛石。
　　1.2   胎體性能的選擇
　　胎體的耐磨性是影響鉆頭壽命的重要因素之一。胎體的耐磨性應(yīng)與所鉆巖石的研磨性相適應(yīng)，即在進(jìn)尺的同時(shí)讓孔底巖石和磨粒對胎體金屬產(chǎn)生適度磨損，使胎體中的金剛石保持良好的出刃狀態(tài)。影響胎體耐磨性的因素較多，如胎體合金的成分及其自身的硬度、胎體中金剛石的濃度、鉆進(jìn)中孔底的磨損狀態(tài)等。合理選擇適巖胎體至關(guān)重要。一個(gè)鉆頭，其胎體的耐磨性只適應(yīng)于某幾種地層。適應(yīng)中硬以下完整地層的鉆頭，在強(qiáng)研磨性和破碎地層中鉆進(jìn)，則表現(xiàn)為胎體的耐磨性不足而磨損過快，使金剛石破裂、脫粒。崩落下來的金剛石碎粒和高研磨性巖粉在鉆頭的回轉(zhuǎn)壓持下與鉆頭、巖石形成三體磨粒磨損，又加快胎體磨損，加劇鉆頭上金剛石的脫粒，嚴(yán)重縮短鉆頭的使用壽命。但胎體硬度高的鉆頭在中硬以下地層中鉆進(jìn)則表現(xiàn)為自銳性差，鉆進(jìn)效率低。遇堅(jiān)硬且研磨性弱的地層（俗稱“打滑”地層），在這類地層鉆進(jìn)時(shí)，若胎體硬度太高，金剛石濃度太大，粒度太細(xì)，則胎體不容易磨蝕，金剛石不容易出露，這樣就影響了鉆進(jìn)效率;反之，若胎體硬度太低，雖然金剛石更易出露刻取巖石，但由于胎體磨蝕太快而影響了鉆頭壽命。可見，胎體硬度太高或太低都會(huì)因換鉆頭而縮短提鉆間隔。
　　1.3   鑲嵌類型的選擇
　　天然表鑲、聚晶表鑲鉆頭，金剛石顆粒大，易受外界損傷，鉆進(jìn)中尤其怕震和冷卻不良，故取適當(dāng)鉆壓使出露的金剛石有效而不過多地切入巖石，輔之以足夠水量冷卻排粉，以壓裂、磨削方式快速磨損、破碎巖石，最適合鉆進(jìn)中硬完整巖層。為提高時(shí)效，應(yīng)在“中速、適壓、足水量”的規(guī)程原則下，依鉆頭不同磨損段情況略加調(diào)整規(guī)程參數(shù)。
　　1.4   水口的選擇
　　在松軟破碎、易被沖蝕地層中鉆進(jìn)，宜選用底噴或側(cè)噴式鉆頭來保證其巖礦芯的采取。在中硬及以下巖層中鉆進(jìn)，因巖石強(qiáng)度不高，鉆速和鉆頭壽命主要取決于排粉和冷卻條件，選用多水口的圓弧形（包括平底形）鉆頭，能獲較高鉆速和鉆頭壽命。而在堅(jiān)硬致密的巖石中鉆進(jìn)，良好的排粉條件或底唇接觸面積過大易導(dǎo)致打滑，選用底唇接觸面積為18～20cm2的熱壓平底拉槽、單階拉槽鉆頭，可使孔底巖粉局部富集，增強(qiáng)巖粉對胎體的磨損，使金剛石連續(xù)出露。
　　2、鉆頭的使用
　　鉆頭選擇固然重要，但對其正確使用和合理操作也應(yīng)重視，必須把二者有機(jī)結(jié)合起來，要充分發(fā)揮各種型式鉆頭自身技術(shù)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搞好鉆頭分層和定期交替使用，以達(dá)到預(yù)防孔斜超差和提高鉆進(jìn)效率之目的。繩鉆過程中鉆頭使用應(yīng)重點(diǎn)注意的事項(xiàng)如下：
　　2.1 鉆頭磨損和更換的判斷
　　在正常鉆進(jìn)無事故的前提下，要準(zhǔn)確判斷鉆頭磨損情況，合理確定提鉆間隙。若頻繁提鉆觀察鉆頭磨損情況，不利于提高鉆進(jìn)效率，且往往因提鉆操作不當(dāng)而引發(fā)種種事故，況且繩鉆的本質(zhì)之一就是盡量少提鉆從而增加鉆進(jìn)效率，故此法不可行。實(shí)踐中主要按以下三方面來判斷鉆頭磨損程度。據(jù)鉆速變化判斷鉆頭底唇磨損：一般鉆頭選擇得當(dāng)，鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定，鉆速下降表示巖芯堵塞或鉆頭磨損。前者引起鉆速下降幅度大，后者引起鉆速下降幅度小。若打撈巖芯后比打撈前鉆速高，說明鉆速降低是巖芯堵塞造成;若打撈巖芯前后鉆速相差不多，說明鉆速降低由鉆頭磨損造成。據(jù)巖芯直徑變化判斷鉆頭內(nèi)徑磨損：繩索取芯鉆頭內(nèi)徑采取了牢固補(bǔ)強(qiáng)措施，正常情況下巖芯直徑幾乎沒變化。但當(dāng)內(nèi)徑磨損時(shí)，巖芯直徑變大（接近或等于鉆頭內(nèi)徑），鉆進(jìn)時(shí)會(huì)頻繁發(fā)生堵塞，可通過測量巖芯直徑來確定鉆頭內(nèi)徑是否磨損以保證巖芯順利進(jìn)入內(nèi)管并保證其采取率。據(jù)泵壓變化判斷鉆頭底唇及水口磨損：鉆進(jìn)過程中，鉆頭底唇磨損較大，水口變小或磨平，會(huì)造成泵壓比正常泵壓高;但巖芯堵塞或沖洗液循環(huán)通道受阻也會(huì)造成泵壓升高。
　　2.2 更換新鉆頭注意事項(xiàng)
　　2.2.1每一次更換新鉆頭時(shí)，要量準(zhǔn)上一回次使用的擴(kuò)孔器外徑，必需比新鉆頭外徑稍大才能下入新鉆頭;上一回次使用的擴(kuò)孔器外徑比新鉆頭外徑小時(shí)，不能下新鉆頭，此時(shí)必須下新的擴(kuò)孔器擴(kuò)孔到底或打一回次，方能下入新鉆頭。
　　2.2.2   每一次更換新鉆頭時(shí)，堅(jiān)持現(xiàn)場使用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量其內(nèi)、外徑和高度，并對鉆頭采取初磨措施。
　　2.2.3   如果孔底有硬質(zhì)合金或其它金屬殘留物，而巖石較軟，不要勉強(qiáng)磨孔，最好用針狀合金鉆頭鉆進(jìn)，鉆到巖石變硬時(shí)，進(jìn)尺幾百毫米后提鉆，這時(shí)才磨孔，然后采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)。
　　2.3 鉆頭的排隊(duì)使用
　　繩索取芯鉆頭的特點(diǎn)是孔底連續(xù)工作時(shí)間較長，只有當(dāng)鉆頭磨損到一定程度時(shí)才提鉆檢查更換，故鉆頭排隊(duì)很重要。為保持孔徑一致，充分發(fā)揮鉆頭效能，應(yīng)在每次鉆進(jìn)前量準(zhǔn)所有鉆頭與擴(kuò)孔器內(nèi)外徑并分組排隊(duì)后輪流使用。先用外徑大、內(nèi)徑小鉆頭，后用外徑小、內(nèi)徑大鉆頭，使更換的新鉆頭順利下到孔底，以免發(fā)生擠夾鉆事故和巖芯堵塞。若不注意鉆頭排隊(duì)使用，如把外徑大、內(nèi)徑小鉆頭放在后面使用，就很易出現(xiàn)大孔段擴(kuò)孔，更換的新鉆頭下不到孔底，增加鉆孔工作量，甚至損壞鉆頭或造成孔內(nèi)事故。
　　3、結(jié)束語
　　嚴(yán)格實(shí)施鉆進(jìn)規(guī)則，一絲不茍地執(zhí)行操作規(guī)程，細(xì)致謹(jǐn)慎地使用鉆頭，繼續(xù)加強(qiáng)研究和試驗(yàn)適合不同巖性、不同硬度、不同地質(zhì)條件下的鉆頭，對擴(kuò)大繩索取芯鉆進(jìn)使用范圍，進(jìn)一步提高繩索取芯鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。