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龙先润,曾 猛 (中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵阳 550081) 摘 要：在覆盖层中钻进由于其地层结构松散、无胶结或胶结性差、而且稳定性差，造成钻孔施工过程中经常出现垮孔现象，增加了钻探施工的难度。目前在覆盖层中钻进主要采取钻井液护壁或跟管护壁的方法。传统的跟管钻进在覆盖层施工中效率不高、管材消耗也大。文章拟推出一种新的螺丝头，改进传统的跟管钻进工艺，以达到提高施工效率、节约施工成本的效果。 关键词：覆盖层；跟管钻进；新型螺丝头 1 覆盖层钻探施工现状钻探施工是工程勘察中了解地质条件和水文条件最直接的一种方法[1]。工程勘察中经常会遇到覆盖层深厚的地层，在覆盖层中钻进由于地层破碎，地层胶结不良等原因导致钻孔垮塌、钻井液漏失的情况发生[2-5]。目前，中国对于深厚覆盖层钻进过程中护壁主要是采取钻井液护壁和跟管钻进2种方法。对于100～200 m的钻孔，施工过程中使用专门配置的钻井液将会增加施工成本，影响工程效益，而且有些钻井液配方要求各种配比精准，现场实施难度大[6]。而使用跟管钻进的方法，由于跟管钻进是直接将垮塌孔段隔离，效果显著，但是管材消耗较高、钻头磨损大、跟管效率低下。现阶段跟管钻进的主要步骤是： (1) 用螺丝头带入套管口，移动钻机使机杆与螺丝头连接； (2) 开动钻机将套管跟入预定深度； (3) 上提套管，将螺丝头卸松，用钻机把套管压入跟管的位置； (4) 拧卸螺丝头，提出孔口然后加入新的套管。 上述过程中的第3步由于螺丝头与套管是螺纹连接，在跟管过程中螺纹之间受到很大的压力以及回转时受到大扭矩力，有时候会发生粘扣现象[7]，所以必须将螺丝头提至孔口，固定套管后才能将螺丝头拆卸下来。但是需要下套管护壁的孔段容易孔壁垮塌，上提套管的过程中会出现探头石和垮塌面坍塌合拢的情况，这样会导致套管下压达不到预定深度，需要重新跟管，影响跟管效率，对跟管钻头和套管磨损较大。 跟管钻进是在钻进过程中遇到地层条件复杂、孔壁垮塌严重的钻孔时，采用套管将垮塌部分孔壁隔离，是一种特定的施工工艺。但是现有的跟管施工技术由于螺丝头粘扣和跟管扭矩过大的原因，不能在套管跟至预定部位就直接拆卸下来，而是需将套管上提至孔口，人工拧松螺丝头之后再压入孔底，然后拆卸螺丝头，加套管。这样的施工由于工序的重复性会很大程度地影响钻进台班效率、增加施工成本、延长施工工期。 2 新工艺研究本文提出的新工艺相对于现有跟管技术的区别是在跟管钻进过程中，使用一种新型的螺丝头。这种新型螺丝头具备传统螺丝头传递扭矩、输送冲洗液或冷却水、传递钻机上提或下压力量的功能。另外该螺丝头最重要的作用是当套管跟至孔内预定部位时，直接在原位置将螺丝头从套管上拆卸，并提出孔口，省略了上述跟管施工工序中的第3步，提高跟管钻进的效率，特别是在遇到严重垮孔的地层时，一次性把垮孔段隔离，避免重复跟管的情况出现，从而减少套管以及跟管钻头的磨损。 2.1 主要结构及组成 该新型螺丝头主要由3个部件构成：曲状螺丝头、滚珠、外螺纹结构。其主体部分称为曲状螺丝头(见图1)，是利用传统螺丝头未加工螺纹前螺丝头进入套管的部分切去4个楔形块，然后将螺丝头4个圆形的外侧面加工成收缩型的曲面。  图1 曲状螺丝头横切面图 螺丝头侧面加工出凹槽(见图2)，以便放置滚珠，螺丝头的中心加工用于输送冲洗液的通孔，连接钻杆的部分加工成可接Ø50方扣钻杆的母扣形状。未进入套管的部分直径要比该级套管大2～3 mm，以防止螺丝头钻套管的情况发生。  图2 凹槽示意图 外螺纹结构(见图3)，其内表曲面形状与曲状螺丝头的曲面一致，且在相同位置切出与曲状螺丝头一致的凹槽，外表为圆形曲面，并加工与套管相同的螺纹。滚珠为滚子型滚珠，组装螺丝头时将滚珠嵌在曲状螺丝头与外螺纹结构之间的凹槽，以传递径向力[8]。滚珠填充数量以达到滚珠间隙小于滚珠直径为宜[9]。  图3 外螺纹结构图 2.2 工作原理及方法 孔内拆卸原理：该螺丝头正常状态时，其直径比该级套管内径要小，螺丝头丝扣与套管丝扣没有紧密连接。当顺时针转动曲状螺丝头时，由于外螺纹结构与曲状螺丝头之间使用滚珠连接，其受力情况与轴承相似，故而外螺纹结构不会跟随曲状螺丝头转动。曲状螺丝头外表面与外螺纹结构内表面是相同的收缩型曲面，当两者错开时，曲状螺丝头直径较大的部分移动到外螺纹结构厚壁部分，导致整个螺丝头的直径加大，称此时为螺丝头工作状态。原来的螺丝头丝扣与套管丝扣连接不紧密，此时因为螺丝头直径增大的缘故，将会紧密相连。而且跟管时，钻杆套管都是顺时针转动，由于顺时针扭矩的作用，螺丝头与套管的连接会越来越紧密，不存在滑扣的风险。当套管跟至预定位置时，钻杆带动螺丝头逆时针转动，此时滚珠的存在使得曲状螺丝头与外螺纹结构间的摩擦力为滚动摩擦，而从机杆至套管管靴部分除曲状螺丝头与外螺纹结构之间是滚动摩擦外，其他连接部分均为滑动摩擦，摩擦力小于其他点[10]。因此曲状螺丝头与外螺纹结构很容易错开回到正常状态，此时螺丝头直径变小，消除丝扣之间的粘扣现象，螺丝头与套管此时可以通过反转比较容易分离出来，从而实现孔内拆卸螺丝头的目的。 输送冲洗液与传递纵向力量原理：螺丝头中心掏空，可与传统螺丝头作用一样输送冲洗液和冷却水。外螺纹结构上下分别有扣住曲状螺丝头的卡块，可以通过这2个卡块传递钻机施加给套管的上提或者下压力量。 2.3 新型螺丝头预期的使用效果 传统螺丝头在跟管钻进时因为扭矩过大，在跟管完成之后要拆卸螺丝头必须将套管固定，使用管钳或其他工具反向扭动才能拆卸下来。但是跟管时，螺丝头位于上一级套管之内，两级套管之间空隙极小，不能使用常规工具固定套管。如果在套管跟至预定孔深部位直接反转，有可能会因为套管之间粘扣以及跟管时扭矩过大的原因，将其他孔内的套管一起反转或者造成套管脱落。因而必须将套管提至孔口固定才能达到预期效果。 该新型螺丝头应用于跟管钻进作业，由于曲状螺丝头外表面和外螺纹结构内表面的曲面并非圆形，而是收缩型曲面。当顺时针扭动时，二者曲面错开会导致螺丝头直径增大，达到工作状态，当逆时针转动时二者又会回到正常状态，新型螺丝头通过钻机正反转具有外径相应的增大或减小的功能。曲状螺丝头与外螺纹结构之间使用类似于轴承的连接方式，圆柱形滚子的作用使两者之间由滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦力减小有利于曲状螺丝头与外螺纹结构间的相互运动，从而比较容易实现孔内拆卸的目的。 3 结 语目前复杂地层钻探施工在50～200 m深度之间的钻孔，其难度主要是覆盖层钻进问题，覆盖层钻进的速度与钻孔施工的经济效益成正比。特别是水电勘察孔，钻孔位置大多在河床峡谷两侧，地层主要以河床冲积砂卵砾石以及崩积碎石夹土为主[11-12]。钻进过程中遇到的钻井液漏失垮孔现象严重，现场采取的方法通常使用跟管钻进隔离垮孔段。但是由于螺丝头不能在孔内直接拆卸的原因，造成跟管工艺的重复，影响钻进台班效率，加剧套管和钻头磨损，增加施工成本以及延长施工工期。通过改进的新型螺丝头，可以实现孔内拆卸的功能，覆盖层跟管效率预计比使用常规螺丝头提高30%～50%，并大大减少管材和钻头的损耗。 参考文献: [1] 姜同升,胡章雄,翁克胜,王大苗,吴志强.安徽泥河铁矿复杂地层岩芯钻探施工工艺[J].西部探矿工程,2011(04):52-55. [2] 李志远.大渡河安宁水电站深厚覆盖层勘探技术与方法概述[J].水利水电技术,2012(09):81-86. [3] 王光明,阳正强,熊德全,张正雄. 金沙江其宗水电站上坝址深厚覆盖层钻进工艺探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2011,(05):57-60. [4] 鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].北京：中国地质大学出版社,2001. [5] 李守圣.水利水电覆盖层钻进技术浅析[G]//中国地质学会探矿工程专业委员会.第十七届全国探矿工程(岩土钻掘工程)学术交流年会论文集.中国地质学会探矿工程专业委员会,2013:4. [6] 陈礼仪,牛文林,朱宗培. 植物胶冲洗液在岩土工程勘察中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2005(S1):314-316. [7] 张永强,王新虎. 油套管螺纹抗粘扣技术研究进展[J].石油矿场机械,2008(02):78-81. [8] 刘根强. 合理选用调心球轴承与调心滚子轴承[J].中国油脂,2008(02):64. [9] 周迪斌,胡保坤,王琦晖,吴英飞. 基于统计特征的微型轴承滚珠计数检测[J].现代计算机(专业版),2015(19):16-19+31. [10] 狄尧民.如何理解滚动摩擦小于滑动摩擦[J].徐州师范学院学报(自然科学版),1988(02):111-114. [11] 左重辉.不同成因深厚覆盖层钻探技术探讨[J]. 湖南水利水电,2010(02):34-35. [12] 李会中,郝文忠,潘玉珍,杨静,肖云华,谢实宇.乌东德水电站坝址区河床深厚覆盖层组成与结构地质勘察研究[J].工程地质学报,2014(05):944-950. New Technology of Drilling with Casing in Deep and Thick Overburden LONG Xianrun, ZENG Meng (Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081,China) Abstract:Collapse often occurs while drilling in overburden as the overburden stratum is loose in structure, its cementation is not available or weak and its stability is poor. These features contributes difficulty in drilling. Currently, drilling in overburden applies wall protection with slurry or drilling with casing. The traditional drilling with casing in overburden is with low efficiency and the pipe consumption is quite high. In the paper, a newly developed screw head is provided. It improves technology of the traditional drilling with casing to increase construction efficiency and reduce construction cost. Key words:overburden; drilling with casing; newly developed screw head
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