概述
在大直径钻孔施工中,我们经常会遇到硬塑粘土层。在硬塑粘土层钻进时非常容易糊钻形成泥包钻头,使得钻孔施工无法正常进行。特别是当硬塑粘土层的层厚在全孔深度中所占比例比较大的情况下,如果不能很好的解决糊钻问题将会严重影响到工程的质量和工期。防止糊钻采取的措施一般有合理选择钻进参数、提高循环排渣系统的效率、正确设计和制作钻头以及提高操作手的操作水平等。在这些措施中,改善钻头的设计和制作是最为有效的了。
用于硬塑粘土层钻进的钻头大多采用三翼或四翼梳齿钻头,在设计时除了要考虑如何提高切削性能外,一定要重视钻渣的排渣迅速流畅,让钻渣不在任何表面停留而产生重复切削和碰撞,以防止形成泥团造成糊钻。
1 钻头受力分析
在第四系地层中钻进时,土层的变形以塑性变形为主,也就是在小范围内的结构单元(颗粒间)的局部流动。随着这种局部流动的增加,土层塑性变形程度超过一定限度而破坏,这时钻头受力较小。在硬质土层或软质岩层中钻进,钻头作用在岩石缝隙的平面上时,岩石应力超过缝隙处的摩擦力就会发生机械性剪切变形,岩石成块状、片状碎裂破坏。岩石的结构并不均匀,往往会在内部最弱的粘结部位首先破坏。由于在岩石中钻进每次切削量较小,我们假设岩石为连续的被切削材料,且是各向同性的。基于这样的前提,我们就可以只研究钻头对岩石的切屑受力情况(如图1)。
设p为钻压,每个钻翼受地层的反力的合力为:
式1-1
式中: ――第i个钻翼受到的地层反力;
p――钻头的压力;
――钻翼的数量;
――钻翼刀刃与钻头旋转轴线的夹角。
由几何关系可知,钻头刀刃的比压 为:
式1-2
式中: ――单片钻翼上刀刃的总长度。
由于同一个钻头上各个钻翼中的刀刃安装位置要相互错开排列,所以有:
式1-3
式中: ――各钻翼中刀刃相互重叠的修正系数。粘土层 ;砂土层、卵石层 ;页岩或软质岩层 。
根据式1-2和式1-3:
式1-4
由此可见,钻头作用于地层的比压与钻头钻翼的数量无关。
进一步来分析,若钻翼与钻杆的轴向夹角为 ,那么刀刃与岩层的受力情况如图2。
由图3分析可知比压在刀刃切削角平分线上的分力 :
式1-5
钻杆驱动钻头作旋转运动,作用在单位刀刃长度上的力为:
式1-6
式中: ――传动功率;
――钻头的有效效率;
――钻头的转速。
钻头切削土层时,刀刃比压在土层中产生的摩擦力为:
式1-7
式中: ――钻头与地层的摩擦系数。
由式1-6和式1-7得到钻杆扭转产生的扭转力 :
式1-8
扭转力在刀刃切削角平分线上的分力为 :
式1-9
单位刀刃作用在被切削层的力 是比压在刀刃切削角平分线上的分力 与扭转力在刀刃切削角平分线上的分力 之和。即:
式1-10
如图5所示,刀刃与切削层接触处产生的最大接触压力 为:
式1-11
式中: ――合金刀刃刃角的曲率半径;
――刀刃与土层接触处孔壁的曲率半径;
――土层或岩层的泊松系数(横向变形系数);
――合金刀刃的泊松系数(横向变形系数);
――土层或岩层的弹性模量;
――合金刀刃的弹性模量;
因为 ,所以可将式1-11改写为 式1-12
任何切削过程都有刀刃压入被切物料并使其发生塑性变形的过程,根据塑性变形理论可知,与刀刃接触的被切削部位产生塑性变形时,有如下数学表达式:
式1-13
若需产生切削作用,则必须满足 ,即: 式1-14 式中:k――被切削材料滑移线的抗剪强度;
――刀刃的切削角(弧度)。
由式1-14可求得 值。
以上计算可以作为钻头设计的基本依据。细节的结构问题,还要考虑具体的底层情况进行有针对性的设计。其中岩石的机械钻进是在某些地方消除组成岩石的矿物粘聚力,这些粘聚力的消除是由一系列压碎破坏,也就是受拉、受剪的脆性破坏所引起的,所以岩石钻进在本质上与金属不同。而粘土层、硬塑的土层及软质岩层的钻进与金属钻削则有许多相同之处,有时就会形成糊钻现象,一次解决糊钻问题的钻头还有一些特殊要求。
2 钻头糊钻的形成和后果
2.1糊钻的形成
在第四系地层钻进时,切削下来的土屑会部分地粘附在刀刃、钻翼和钻杆等部位。如果这些粘附的土屑在继续的钻进过程中不能被切削分力推出,或被泥浆冲刷掉,那么就会在钻翼上滑动受阻,就会粘附得越来越多,最后就粘牢固了,也就是糊钻现象就形成了。
2.2糊钻的后果
钻头糊钻以后,对成孔施工的影响很大,主要反映在一下几个方面:
2.2.1钻进效率较低
钻头糊钻形成泥包以后,泥包与钻进地层切削面的接触面积远远超过了刀刃与地层的接触面积,从而消耗了了大部分钻压,使钻进速度明显下降,如果不采取适当措施,几个小时也不会进尺,使钻进效率大大降低。
2.2.2成井质量差
由于钻进速度太慢,操作人员就会烦躁不安,采取各种非常规手段来提高钻进速度,不由自主地加大钻压,违背通常情况下的“加大配重、减压钻进、看表松绳、保证垂直”的基本原则,致使重力纠偏的作用失去控制,使成孔的偏斜度骤增,垂直精度往往连1%也难以保证。
2.2.3增加施工成本
钻孔速度上不去,成孔时间相应延长,增加了施工成本,浪费了能源,只能使设备空运转,不能产生应有的效益,反而增大了各种支出成本。
2.2.4加剧设备磨损
设备长期处于满负荷甚至超负荷的使用状态,运转时间越长,设备磨损也就越严重。
3 防糊钻钻头设计要点
笔者通过多年大直径钻孔施工的工程实践,认为下面几个有关钻头设计要点对解决糊钻的问题是非常有效的。
3.1 翼板布置
翼板在圆周的布置要利于钻渣向钻头中心移动。梳齿钻头的吸渣口一般都设置在中心管的底部,当钻孔直径比较大时,梳齿钻头为了使钻渣能够迅速地向中心管吸渣口移动,除了增大循环液的流速外,让钻头回转时产生的径向速度指向圆心,使钻渣获得一个移向中心的作用力。在图1-1所示的翼板布置中,翼板向钻头转动的相反方向且平行钻头中心线位移了一个距离s,这就使钻渣受到一个方向指向中心的径向力,距离s越大,径向力就越大。
3.2 排渣结构
在大直径钻孔施工中大多采用反循环排渣,由于钻孔外缘部分的孔底循环液流速比较低,钻渣不能迅速的向中心管吸渣口移动,留在切削表面的钻渣受到切削刀或翼板的重复破碎和碰撞碾压形成泥包钻头。在这种情况下,我们将钻头的锥角设计为70°～90°,外缘部分的钻渣能够自身向下落到钻孔截面较小处,由于此时循环液较高流速的作用,钻渣迅速地向吸渣口移动,大大减少了钻渣的重复破碎和碾压,这就在孔底钻渣排输过程中降低了泥包翼的可能性。
3.3 钻头前导和切削刃
我们在分析因糊钻形成泥包钻头的过程时发现,首先产生泥包的位置是前导钻头及其附近的翼板和切削刀,其次是钻头最外缘处的翼板和切削刀。通常我们使用的梳齿钻头朝前都有一个前导钻头,其主要的功能就是由它超前完成一个小孔,在吸渣口周围形成一个比较宽阔的空间,以利于收集钻渣并由此进入吸渣口。但是在硬塑粘土层钻进时,尤其是钻孔直径比较大的情况下,前导孔中的大量钻渣不能及时排走,由前导钻头在前导孔里扰动粘结,很快形成泥包。为了解决这个问题,图2-1所示的四翼梳齿钻头设计没有采用前导钻头,而是将两个对称的翼板延长至锥顶相交,另外对称的两个翼板向下齐于中心管的底面,当钻头转动起来后,吸渣口下面是一个圆锥容腔,并且轮廓母线于整体钻头是一个直线,循环液及钻渣流动排碴通畅不容易堆积而造成包泥堵钻。
3.4 设计精度要求
提高钻头的加工精度对于防止糊钻是非常关键的措施。在加工过程中一定要控制好例如同圆度、垂直度、跳动、摆动等。这些技术要求应该在设计图纸中明确给出,以保证钻头在硬塑粘土层中的使用效果。
4施工使用实践
以上所述的几个钻头设计要点,经过宿淮高速公路五标特大桥、青岛跨海大桥等钻孔工程的应用已经获得了明显的效果。特别是在宿淮高速公路五标特大桥钻孔工程中,直径2.5米,深90米的钻孔,硬塑粘土层累计厚度达到58米。采用该结构的钻头施工后没发生过糊钻,单孔施工周期缩短了一半的时间。
结语
改善钻头的设计和制作是解决易糊钻地层钻进施工最为有效的措施,正确设计和制作钻头要注意翼板的结构设计、排渣口的布置设计、钻头前导和切削刃的设计以及钻头在加工时的加工精度的保证等四个方面的要点,这样就能很好地解决糊钻地层钻进问题,提供施工效率,创造良好的经济效益。