双管单动岩芯钻具的应用

1、双管单动岩芯钻具的应用 刘建军 宋富芳 李得龙摘 要 武川水库工程，位于白银市武川乡，地貌景观为黄土覆盖的石质低山丘陵区，区内沟谷发育呈扇形分布，工程区地层主要有硅质岩夹千枚岩、千枚岩夹变质砂岩、千枚岩夹硅质岩、质变质砂岩夹硅质岩夹灰色千枚岩、质变质砂岩夹千枚岩等，由于岩石松软、破碎，很难用普通单管取芯，且取芯率不能达到设计技术要求。单动双层岩芯管钻具，由于只有内管单动，避免了钻具回转产生的机械力对岩矿芯破坏，有效地提高岩矿芯采取率及岩芯的完整，使岩芯采取率有了很大程度的提高。关键词 双管单动岩芯钻具 破碎岩层 提高 岩芯采取 1 工程概况武川水库为一峡谷型注入式水库，水库总库容839.22万

2、m3，枢纽工程主要由挡水大坝、输水泄洪隧洞、供水管道、上坝公路等主要建筑物组成。面板堆石坝趾板、输水泄洪隧洞的固结、帷幕灌浆施工后，为了检查灌浆后是否达到了加强基岩整体性，减小坝基透水性，降低坝基地下渗流，通过钻检查孔，分析压水试验成果，结合灌浆资料、钻孔取芯等综合评定。检查孔钻孔、取芯共750m。2 灌浆质量检查灌浆质量检查孔的钻孔采用xy-2型地质钻机，金刚石钻头钻孔取芯成孔，灌浆质量检查孔的孔深度要比所在部位的灌浆孔深度少3，钻孔孔径为100mm，灌浆检查孔的钻孔与取芯，压水试验一律按地质勘探标准进行，对采取的岩芯进行编号、装箱和岩性地质描述，每箱芯样拍两张彩色照片，并按监理工程师的要求

3、存放到指定位置妥加保存。灌浆质量检查采取压水试验的方法，压水试验压力为1.0mpa，采用五点法。压水检查孔段合格率应在90%以上，混凝土与基岩接触面及以下一段合格率为100%，其余孔段指标不应超过规定值的150%，且不集中，认为合格。3 施工方案制定施工主要集中在面板堆石坝趾板，施工作业难度大、工期紧、任务重、质量要求高，正式施工前的单管生产性试验，取芯未能达到设计技术要求，经业主、监理、设计、施工四方专题会议研究确定，采用单动双管岩芯钻具。4 单动双管岩芯钻具的组成及原理单动双管岩芯钻具主要分内管总成和外管总成、组成见图1。内管总成由卡簧座、卡簧、短节、内管、调节接头、调节螺母、轴承和轴承座

4、组成。卡簧座内置卡簧与短节连接，主要起固定卡簧的作用，向钻头一头，均匀开有半圆形缺口，图1 双管单动取芯钻具结构图以便于排出循环水；卡簧固定在卡簧座内，起卡岩芯的作用，使岩芯能通过卡簧后进入内管中，既是岩芯破碎也能完整的保存于内管中；短节在卡簧座与内管之间，连接卡簧座与内管，与卡簧座和内管的连接均为套接式，以保证卡簧座接触到钻头内台时不至于损坏；内管主要是保护、储存岩芯；调节接头、调节螺母组成调节机构，作用是内外管组装时，如果卡簧座与钻头内台阶之间间隙不合适，可以通过调节接头进行调节（范围030mm），调节内管总成下端的卡簧座与钻头内台之间的距离，此间距需保持24mm的间隙，满足要求后，用调节

5、螺母锁紧；轴承和轴承座起保证内管的单动性的作用。外管总成由钻头、扩孔器、外管和盖头组成。钻头根据地质情况可选用合金和金刚石两种，单动双管岩芯钻具的钻头与普通钻具的钻头区别在于镶制合金和金刚石部分的壁较厚，以保证钻头有足够的内台，使钻取的岩芯能够顺利通过卡簧进入内管；扩孔器部分连接钻头和外管，对孔径进行必要的扩充，以利于下钻、取芯；外管连接盖头、扩孔器和钻头，保护内管，使循环水从内管与外管间顺利到达孔底，循环水起冷却钻头和冲洗孔底粉尘的作用；盖头连接内、外管，内置进水孔。4 单动双管岩芯钻具的应用由于白银武川水库工程区地质结构复杂，由千枚岩、砂岩、硅质岩、质变质砂岩等岩石结构组成，且常年干旱少雨

6、，地表层岩石风化严重，特别松软、破碎。在这种松软、破碎岩石中，采用普通的单管取芯钻具，金刚石钻头钻孔取芯时，钻机转速快了，岩芯很容易被磨成细沙，在循环水压力大时，被磨成细沙的岩芯随循环水流出，而循环水压力小时，被磨成细沙的岩芯沉淀在孔底，不仅不能取出岩芯，沉淀的细沙状岩芯还会将钻具掩埋，造成起钻困难，而且沉淀在孔底的细沙状岩芯很难被取出；钻机转速慢了，岩芯即便不至于被磨成细沙，也是碎块状，而且进尺缓慢，根本达不到施工进度要求。有些地层段甚至采取率为零，根本达不到设计要求的采取率。 单动双管岩芯钻具的优势。（1）由于单动双管岩芯钻具具有内管与外管,循环水通过分水接头由内、外管之间流向孔底，保护岩

7、心不受循环水的冲刷，岩芯能很好的被保存于内管中。（2）由于内、外管有轴承隔离，钻杆仅接外管带动钻头旋转破碎岩石，而内管不转动，避免对岩心摩擦、振动等机械对岩芯的破坏，因此在比较严重的松散破碎地层中，岩芯也可以很好地被保护。（3）单动双管岩芯钻具的内管设有卡簧座、卡簧，钻出的岩芯进入卡簧座、卡簧后，被牢牢固定，即使岩芯破碎也不至于再下滑，进入内管被很好的保存。单动双管岩芯钻具施工时，先将单动双管岩芯钻具组装好，特别要调整好卡簧座与钻头内台的间隙，其余工序与单管无太大区别，取芯时，起出单动双管岩芯钻具，先拆下钻头，再取出卡簧座及卡簧，岩芯直接可从内管中缓缓倒出，必要时进行轻轻敲打。由于单动双管岩芯

8、钻具具有这些明显的优势，被采用于白银武川水库灌浆工程检查孔的钻孔、取芯，通过实践证明，单动双管岩芯钻具的应用，大大提高了采取率，很好的满足了设计技术的采取率要求，操作简单、方便，不受施工作业面的影响，也满足了施工进度的要求。单动双管岩芯钻具也有局限性。使用双层岩心管采取岩心时，钻头需要使用配套的壁厚合金钻头或金刚石钻头，由于钻头接触岩石的唇面面积增大，在同等条件下使用双层岩心管比普通岩心管钻进的效率要低些。相同地质条件下岩芯采取率效果对比如图2、图3。 图2 破碎地质条件下单管取芯效果图 图3 破碎地质条件下双管单动取芯效果图5 结束语白银武川水库已于2010年11月8日顺利蓄水，总结此工程施工，有以下几点可供类似工程施工参考借鉴。5.1 在复杂地质结构的松软、破碎岩石条件下，使用普通单管取芯钻具不能达到采取率要求时，可考虑使用此双管单动取芯钻具。5.2 在使用双管单动取芯