芻議深部地質鉆探鉆柱失穩行為

洪育武 孟憲才

(湖北省地質局第五地質大隊,湖北黃石 435002)

芻議深部地質鉆探鉆柱失穩行為

洪育武 孟憲才

(湖北省地質局第五地質大隊,湖北黃石 435002)

地質工程的鉆探對于工程建設項目和科學研究活動的順利進行有重要的意義。深部地質鉆探,是當前地質調查中的主要工作之一。在深部地質鉆探中,存在著鉆柱失穩的現象,對于這種現象進行研究,能夠有效提升鉆探工作的有效性。本文首先論述此研究的意義,然后對鉆探工藝進行介紹,最后對鉆探失穩行為采取屈曲模型進行分析,以期對于促進深部地質鉆探鉆探柱失穩的行為研究有一定幫助。

深部 地質鉆探 鉆探柱 失穩行為

地質工程的鉆探對于工程建設項目和科學研究活動的順利進行有重要的意義。隨著時代的發展，人們認識自然的理論基礎不斷豐富和完善，對于改造自然世界的技術水平也有了較大程度的增長。當前社會的發展，離不開先進的科學與技術的應用。例如，在世界各地廣泛存在的各類建筑工程項目，極大改善了人們的生產生活水平，提升了整個社會的面貌。建筑工程想要有效發揮其在人們生活中的作用，必須要保證項目在建設時，工程地質條件得到有效的確定，然后采取一定措施確保建筑能夠長期穩定存在于這樣的地質層上，因此，必須要對地質鉆探進行研究。隨著目前越來越多的高架橋、高層建筑等的建設以及對地質深層資源開采方面存在的緊迫性，要求深部地質鉆探技術水平不斷取得突破。在當前，雖然鉆探技術取得了一定的突破，但是鉆探過程中，存在的鉆柱彎曲、變形或者是鉆進受到阻力不均時，都會對鉆柱的運動產生一定的影響，這些影響帶來的后果就是鉆柱會發生橫向、縱向、扭轉或者是渦動等各種形式的不良振動，但是，至今我國的科研人員都不能將這些深部地質鉆探過程中存在的鉆探柱失穩的現象的深層次原因解析出來，主要是對鉆柱力學特性的描述不夠準確。基于此，筆者結合自身工作經驗，并通過一定的文獻資料查閱、調查采訪和實驗，對深部地質鉆探中存在的鉆探柱失穩的行為進行一定的研究。

1 深部地質鉆探鉆柱失穩行為研究的目的和意義

對于鉆探工作而言，鉆柱的失穩行為將會嚴重阻礙工作的有效開展和順利推進。在鉆機鉆進過程中，如果鉆探柱失穩，將會增大鉆進的摩擦阻力，使鉆壓的傳遞難度增大，還會導致卡鉆或者是自鎖事故的發生，對于維持孔壁的穩定會帶來重要的損害，而且還會使得鉆孔軌跡的控制難度加大。

對于深部地質鉆探過程中存在的鉆柱失穩行為，我國已經研究了幾十年，雖然取得了一定的突破，但是研究的中心放在了對于鉆柱失穩行為的定性和過程描述上，所得到的結果也一般都是近似的結果，沒有提出具體的理論。因此，對于鉆柱的系統性研究還有待進一步加強。由于鉆柱的失穩不僅有著地質結構自身的復雜性特點，而且還存在著一定的無法直觀觀測的難處，因此，對于鉆柱的失穩需要進行更多的實驗和探討，以幫助更好的確定鉆柱失穩的過程，及時的發現鉆柱的失穩并弄清其真正原因，將已有的理論、經驗等進行深化和完善，促進我國地質鉆探工作的更為高效的開展。

2 深部地質鉆探工藝及技術流程

2.1 鉆孔位置選取

在鉆探工作正式進行之前，首先需要確定鉆孔的位置。確定鉆孔的位置需要結合工程實際需要和相關的地質調查歷史依據進行綜合考慮確定。

2.2 鉆孔結構設計

筆者結合某地質勘查工作中需要進行的鉆探工程為例，分析其鉆孔結構的設計。

對于K2地塊深層礦石儲量的鉆探施工，主要是結合本地區的多年的地質調查結論和附近的多個鉆孔獲取的大量的地質資料，對本區域1000米范圍內的地質情況有一定認識，但是樁井附近的深部構造研究的地球物理資料相對較少。通過對臨近地區的地質資料的分析，對本地區的地層巖石的物理力學性能，尤其是硬度、穩定性和水敏性有了一定的認識，對勘測區域的綜合地層柱狀圖做了一個簡要的分析，然后，結合實際情況，設計鉆探過程中的鉆孔結構為：在鉆孔進行開孔過程中，采用直徑為150毫米的硬質鋁合金鉆頭進行，當鉆探通過10米厚的覆蓋層達到穩定砂巖后，再下入直徑為146毫米的孔口管。第一次進行鉆探采用的是122毫米的繩索取心鉆具鉆進至600米深度，下入直徑為108毫米的套管；第二次開采采用的是直徑為96毫米的繩索取心金剛石鉆頭鉆進400米，下入直徑為89毫米的套管；第三次開鉆采用的是直徑為76毫米的繩索取心鉆具鉆進800米，形成終孔。然后再采用優質的泥漿進行鉆進。對于鉆孔結構的設計，如圖一所示。

2.3 鉆進參數及鉆具組合

在深孔巖心鉆探中，常常采用的鉆進方法有金剛石鉆進、復合片鉆進和硬質合金鉆進等；常常采用的取心方法有繩索取心、雙管取心和單管取心。在深孔巖心鉆探中，采用單動雙管取心鉆具，顯著的特點是在鉆進過程中，內管不轉動，只有外管轉動，這樣的取心方式不僅有效防止了沖刷，而且對于避免巖心管震動、摩擦等機械損傷和對于巖心的擾動都有重要的意義。對于樁處的地質工程勘探，比較適合的鉆探方法是選用孕鑲金剛石繩索取心鉆進方法鉆進。

鉆進規程參數的選取：

(1)鉆壓：對于K2地塊地質的鉆探，采用了孕鑲金剛石繩索取心鉆進方法鉆進，對于鉆進過程中鉆壓，結合有關工程實踐，當進行直徑為96毫米的鉆具進行鉆進時，正常的鉆壓應控制在12～15千牛之間；使用直徑為76毫米口徑的鉆頭鉆進時，正常的鉆壓應控制在10～12千牛之間。

(2)轉速：由于K2地塊所處的地質條件較為復雜，設計的鉆孔結構比較復雜、換徑次數較多和環狀空間大等特點，為了保證鉆具能夠有效鉆進，防止孔內事故的出現，在鉆進過程中，轉速應從初始時的700轉每分鐘逐漸降低為350轉每分鐘。

(3)泵量：在鉆進過程中，需要利用泥漿泵對鉆進過程中產生的泥漿進行抽取，理論上，泥漿泵的上返流速應為1米每秒左右，從而能夠有效防止巖屑的存在同時對潤滑鉆頭進行冷卻。在直徑為960毫米的鉆孔區間時，正常的泵量應控制在6050升每分鐘；在直徑為760毫米的鉆孔區間時，正常的泵量應控制在4030升每秒。

(4)鉆頭選擇：在鉆探工作中，鉆頭作為對巖石進行切削和破碎的首要工具，鉆頭的選擇對于井眼質量高低有著密切的關系，而且巖石的鉆遇地層與鉆頭類別匹配程度越高，施工效率越高，鉆頭損壞越小。因此，結合本次工程實踐，選擇的鉆頭主要是平底型孕鑲金剛石取心鉆頭。

2.4 鉆探取心

進行鉆探施工，做好鉆探取心工作，在這個過程中，即是鉆柱失穩行為發生的階段。筆者結合K2地塊的深部地質勘探工作，對其中存在的鉆柱失穩行為的機理進行一定的分析。

3 深部地質鉆探鉆柱失穩行為分析

由于深部地質鉆探鉆柱孔內的運動形式十分的復雜，而且伴隨著孔深度的變化，鉆柱的真實運動的情形很難進行確定，因此，結合實踐和實驗，確定鉆柱是出于線性的彈性形變，鉆柱和孔壁的橫截面是規則的圓形，對于存在的剪力，由于很小，故而忽略其對鉆柱的影響，對動力效應進行了忽略。本文只從鉆柱屈曲方面分析其存在的失穩行為。

鉆柱屈曲問題是幾何非線性的問題分析，可以以有限元的分析方法來完成鉆柱失穩臨界載荷的分析，模擬失穩屈曲的模態和形狀，例如：鉆柱受到延勞破壞等情況，而鉆柱有限元的分析方法在研究中可以以下幾步來完成：

第一步：將鉆柱進行假設性的分割，分割成若干單元體，在各個單元之間的節點處加以練習，由一個集體建立單元集合的整體，替代原本的鉆柱，在節點位置引入等效的加載條件和適當的約束，代替鉆柱實際外載荷和邊界條件。

第二步：對于單元特性進行分析。分析時按照分塊相似的原則，按照一定的基本函數關系與力學關系建立求解未知數的參數和相關鉆柱節點之間的相互作用。

第三步：求解節點的未知量對節點變量的未知參數方程進行求解。要確定節點未知變量具體的數值，而鉆柱可以根據有限元的分析方法，確定無限自由度鉆柱，如果只是有限自由度鉆柱的單元集合體，就可以把問題簡化為方便數值求解結構方面的問題。

第四步：得到結論。對于本文中采用的鉆探工藝進行的實驗，并結合實驗室實驗，并采用前述的鉆柱失穩屈曲模擬分析，充分考慮了鉆柱的自重、孔壁間正壓力、表現縱向和橫向的摩擦力等因素充分考慮，按照鉆柱失穩的屈曲變形，確定鉆柱的失穩分成了三個階段：穩定、正弦屈曲、螺旋屈曲三個階段，從而確定鉆柱屈曲失穩臨界的載荷，確定鉆柱載荷的應力。

4 結語

深部鉆探中鉆柱失穩的現象至今存在，結合上述實驗和分析，可以有效的確定鉆柱的屈曲失穩臨界的載荷，因此，只需采取一定措施進行克服即可有效的防止這種現象的出現。

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