岩石定向钻扩孔器及司钻操作

1事故概述

1.1工程概况

本工程为自来水给水管道安装工程，管道直径500mm，长397m，根据现场地形入土点选取在取水泵房延长线140m处，定向钻穿越入土点自然地面高程+134m，入土角16，出土点高程+102m，位于水库底部，穿越层地质情况如下:

1层杂填土(Q4ml):杂色，松散;

2层淤泥(Q4al):流塑，黏性较大，含腐殖质;

3层碎石(Q4al):松散至稍密;

4层残积土(Qel):原岩结构完全破坏，风化呈土状，可塑，含少量原岩风化碎屑，手易掰开，局部夹少量风化硬块，硬块强度低;

5层全风化板岩(P2):原岩结构基本破坏，大部分风化呈土状，局部呈碎屑状，手易掰开，局部夹少量风化硬块，硬块强度较低;

6层强风化板岩(P2):原岩结构大部分破坏，风化裂隙很发育，岩体破碎，岩心呈碎屑、碎块状，夹风化硬块，硬块程度较低、敲击易碎，局部风化硬块含量较高，强度较高。岩体完整程度属极破碎，岩石坚硬程度属软岩;

7层中风化板岩(P2):板状结构，原岩结构部分破坏，风化裂隙发育，岩心呈碎块状，局部风化裂隙不发育，岩心呈柱状，硬度较大，整体考虑，岩体完整程度属破碎。

2事故情况

穿越施工在前11根导向钻杆的钻进过程中情况正常，当第11根钻杆钻进到一半时(钻头距入土点水平距离111m处，高程+103m)，发现泥浆返浆变小，于是加大泥浆排量，增加携带量，继续钻进，在第12根钻杆最后3m的钻进过程中，钻机扭矩增大无法正常工作。

3事故原因

事故发生穿越地层为7层中风化板岩，硬度较大，岩体完整程度属破碎，而施工前未能对此穿越层地质情况认真分析，拌制的泥浆黏稠度不能满足护壁的要求;同时泥浆用量过小，岩屑携带量不够，钻孔内岩石碎屑排除不彻底，综合多种原因最终造成卡钻事故发生。

4事故处理

施工单位调入一台大功率钻机强行回拖，结果仍未能将钻杆拉出，后进行专家讨论采取大开挖方式将卡钻点挖出，然后将钻杆顺利拖出。

5对造成卡钻因素的解析

5.1施工准备因素及措施

(1)对穿越层情况的了解和分析是影响卡钻的重要前提因素之一。定向钻施工前必须对穿越层的情况有全面详细的了解，其中应包括穿越层的地质情况、地下构筑物、已有管道、枯井及其他障碍物等。地质资料以探孔勘探资料为依据，探孔的布置必须多点、全面”，尤其针对复杂地质，必须遵循先期小投资，避免日后大损失”的思想原则。穿越层地下障碍物较复杂时，除应详细分析勘察单位提供的地勘资料外，还应与当地各相关部门沟通了解，查看现有资料的同时进行现场查看，尽量确认障碍物的准确位置，做好充分准备工作，为后续施工避免卡钻事故的发生提供重要依据。

(2)根据地质情况选用合适的定向钻机及配套设备，定向钻机的主要参数包括最大扭矩、回拖力、给进力、入射角、泥浆泵排量等。回拖力过小遇到坚硬破碎岩层时易卡钻;入射角过小给曲率半径设计带来局限，同时增加了施工难度，卡钻事故风险加大;泥浆泵排量的选用更是与地质情况密切相关。导向钻头及扩孔器应根据穿越层地质情况选择，避免强度不够而造成卡钻。选用带有系统报警功能的定向钻机也为有效预防卡钻提供了参考依据。

5.2施工工艺因素及措施

(1)导向孔轨迹设计是施工组织设计的重要部分，其中入射角及曲率半径参数的设计影响钻头钻杆在穿越层的侧向受力，尤其对于较大口径管道影响较大，曲率过小钻头及钻杆侧向力增大，容易造成卡钻，需选择合适入土点进而控制曲率半径。

α1-入射角α2-出土角R1-入土曲率半径 R2-出土曲率半径

入射角及出土角应根据钻机的性能及穿越障碍物的距离确定，并应考虑所使用管材的最小曲率半径，一般地面入土角选8?,20?。轨迹的曲率半径应首先满足钻杆的最小曲率半径，一般取R?1200D(R-钻杆曲率半径;D-钻杆外径)，进而验算管材的最小曲率半径。

从穿越层地质情况方面考虑，导向轨迹应符合以下原则:应尽量避免破碎发育岩层;尽量减少从地质断层及不同地质截面穿越次数，从而降低卡钻事故发生概率。

(2)扩孔工艺对钻进施工的影响主要体现在扩孔级差过大易造成钻具阻力和扭矩过大，如遇破碎发育断层或硬岩，将大大增加卡钻风险，针对此类穿越层建议使用以下方法降低卡钻概率:?选用较大型号的钻机增大钻机穿越能力，此法适用于硬岩;?提高泥浆的性能，其原理是提高护壁稳定防止塌孔和有效携带出岩屑，此法在破碎发育岩层尤为重要;?逐步缓慢增大扩孔器直径，多次扩孔，在破碎较严重岩层常与?同时使用，效果更明显。

(3)泥浆的选用对于定向钻穿越不同的地层至关重要，其对防止卡钻的作用主要体现在护壁和导出岩屑。钻头在岩层中钻进产生的大量岩屑，主要来自于钻头破碎的岩石，另外在破碎发育岩层，钻孔不稳定也会散落大量碎岩，而卡钻的原因最终往往是岩石的卡阻，因此能否解决岩屑带来的危害成为钻进中是否会发生卡钻的关键问题，泥浆的工作原理就是防止岩屑的产生和导出岩屑。本文中的事故案例就是因为泥浆用量过小导致岩屑携带量不够，同时泥浆总体性能降低，钻孔内岩石碎屑排除不彻底，最终导致卡钻事故发生。由于泥浆原因造成的卡钻事故也是施工中最常见的。

泥浆的选用及设计包括性能和排量两个方面，对卡钻事故产生有影响的泥浆性能，包括黏度、胶凝能力及失水量。具有良好黏度的泥浆可以确保岩屑在钻孔内顺畅流出，从而起到清理钻孔的作用，减少钻进阻力;反之黏度差的泥浆无法将岩屑导出，岩屑沉积过多导致钻头及钻杆受阻严重而卡钻。施工中泥浆黏度可参照表4取值。泥浆的胶凝能力主要起到护壁作用，在松散的砂层、砾石、卵石及破碎带地层的钻进中作用明显，此类地质颗粒物离散程度高，钻进时孔壁易坍塌成孔难度大，此时提高泥浆的胶凝能力，进而提高护壁的稳定性显得至关重要。失水量是指泥浆在地下的渗透能力，失水量过高泥浆流失过多，泥浆总体性能下降，起不到护壁及携带岩屑的作用，严重时使土壤液化造成塌孔卡钻。普通地层的失水量宜控制在10ml/30min,15ml/30min，松散地层失水量宜控制在5ml/30min以下。

泥浆性能不变的情况下，排量决定了其总体能力的大小，这里要强调的是并不是一味的加大泥浆排量都是有利的，泥浆的排量对穿越浅埋层影响较大，排量过大容易造成冒浆，反而降低泥浆的作用造成污染与浪费，甚至由于泥浆漏失的冲力造成塌孔而卡钻。

6结束语

造成定向钻施工卡钻有多方面的因素，从施工前的准备工作到施工工艺的设计，再到施工技术的运用，各种因素互相联系，互相影响，只要我们在施工开始前做到地质情况等资料全面详尽，并仔细研究分析其特性，科学合理选用定向钻机等设备，制定完善的施工方案，施工中确保各环节、工序严格执行专项方案实施，并做好监控工作，就能有效降低卡钻事故的发生。