新型集土式扩底钻具的研制与试验应用

针对现有机械式扩底钻具在旋挖钻进施工过程中存在扩孔与取土、清孔分离、工序复杂、孔内沉渣难以清理干净、施工效率低等问题,研制了新型集土式扩底钻具。重点介绍了扩底桩设计理论,集土扩底钻具结构设计,关键零部件有限元数值分析和优化改进,以及样机试制和现场试验。试验结果表明：新型集土式扩底钻具集扩孔、集土功能于一体,减少了工艺步骤,提高了工作效率,满足了旋挖钻进扩底桩的施工需求。     

旋挖桩斗式集渣两翼钻头扩底成孔施工技术

旋挖桩以其施工安全、快速、利于环保、机械化程度高、施工方便等优点广泛应用于建筑物基础工程。国内目前旋挖桩多采用机械旋挖成孔且成孔直径上下一致。为获得较大的桩基承载力,本文介绍了在常规旋挖钻机成孔工艺的基础上,当旋挖钻机钻孔至设计底标高后,将传统的一径到底旋挖钻头更换为自行研制的斗式集渣两翼扩底钻头进行扩底成孔施工,以达到机械旋挖扩底的目的,从而有效增加了桩端承载面积,单桩承载力或抗拔力显著增加,大大降低了桩基费用。     

扩底钻头的研究与应用

本文介绍了扩底钻头的结构特点,应用效果,经济效益,并根据使用情况提出了几个尚需进一步改进的几个问题。     

AQK嵌岩扩底钻头的结构特点

论述了AQK大直径嵌岩扩底钻头的结构设计特点,阐述了新型扩底钻头的适应性和可靠性,对扩底钻头制造及钻扩施工过程中的关键问题提出了几点要求。     

扩底锚桩的施工技术和试验研究

界于树根桩和墩桩之间的扩底锚桩,因其经济实用,施工简便,具有抗压抗拔双重效应而广泛应用于软土地基的暗浜地基加固,地下构筑物抗浮,房屋纠偏,河岸加固和基坑围护等方面,为探索扩底锚桩在不同工程地质条件下的受力机理和施工工艺,笔者结合工程实践开展试验研究,对扩底锚桩的抗压力和抗拔力的机理,抗压力的抗拔力的估算,不同工程地质条件下的施工工艺,充盈系数的确定等,获得新的认识和判断。     

扩底后注浆桩的现场试验研究与分析

结合某工程的桩基现场静载荷试验和桩身应力测试,对比分析了同一场地中相同桩长的普通钻孔灌注直桩、后注浆灌注直桩、扩底灌注桩和扩底后注浆灌注桩4种桩型的承载力特性、桩身轴力和桩侧摩阻力的分布特性,阐述了扩底后注浆桩的桩身轴力传递规律和侧阻力发挥性状。研究表明：扩底后注浆桩有沉降小、单桩承载力高的特点,具有良好工程性状和经济效益。     

钻孔扩底灌注桩的设计与检测

结合钻孔扩底灌注桩在某高层建筑物基础中的成功应用,对钻孔扩底灌注桩的成桩原理进行了有关的阐述,认为扩底钻头的扩张角α≤25°为宜,且扩底高度范围内岩石层的饱和单轴抗压强度标准值一般不大于6MPa;同时在单桩竖向承载力的设计计算时,要求对桩身侧阻力与桩底端阻力进行相应修正。为确保钻孔扩底灌注桩桩端扩大头的施工质量,根据其自身特点,提出采用传统的钻孔取芯法进行检测,并针对工程应用情况进行了定性评价。     

树根扩底桩作为多层建筑基桩的工程实践

本文结合具体工程实践，介绍了树根桩的特点，施工工艺及质量检验，最后提出了自己的看法，可供同行参考。     

软土地区某场地扩底桩原型现场对比试验研究

为了解软土地区钻孔扩底灌注桩的工作机理,研究了申嘉湖杭高速公路练杭支线某场地扩底桩与直桩的竖向静荷载对比试验。通过对现场测试结果的分析,探讨钻扩桩的承载特性和竖向承载力,讨论单桩竖向承载力与桩侧摩擦力、桩端阻力的关系及发挥特性。研究结果表明,在软土地区应用扩底桩是完全可行的,扩底桩能够充分发挥持力层的承载潜力,对提高单桩承载力、减小桩体沉降效果显著;研究结果还表明,软土地区扩底桩工作机理与其他地区略有不同。     

QXG型潜孔锤取心跟管钻具的研制

介绍了QXG型潜孔锤取心跟管钻具的结构特点、设计参数及使用注意事项。QXG系列潜孔锤取心跟管钻具是一种基于潜孔锤跟管钻进及潜孔锤取心钻进技术设计的新型钻具,能在钻进的同时跟进套管、保护孔壁、防止钻孔坍塌,适合松散地层取心钻进。     

适用于海底钻机的保压绳索取心钻具设计

以维持保压钻具内天然气水合物稳定性为研究目的,针对现有大口径保压钻具存在钻孔直径大、岩心样品直径小、钻具结构复杂、钻具质量重从而不适用于海底钻机使用工况要求的实际问题,对保压钻具的结构重新进行设计并进行了室内保压试验。结果表明：该小口径薄壁保压钻具的尺寸合理、结构紧凑,能够满足海底钻机使用工况要求;室内保压试验表明当压力维持在10 MPa以下的压力值时,6 h以内压力下降15%左右;而当压力维持在10 ~30 MPa之间的压力值时,6 h以内压力下降10%。该保压钻具在上述压力区间内使用满足设计和使用要求。     

小直径垂钻工具推力执行机构性能测试

在实施科学钻探过程中,保证超深孔上部井眼的基本垂直,是使超深孔能够顺利钻达目标层的前提条件。许多钻探工程,均是因孔斜无法控制而被迫提前终孔,从而不能钻进到预期目标深度。自动垂直钻井工具的出现打破了传统防斜、纠斜方法的屏障,使井斜控制技术得到飞速发展。当前垂直钻井工具的执行机构直径较大,所需排量高,响应速度慢,且只能结合稳定平台进行整机性能测试。因此,本文介绍了一种采用钻井液压差作为动力来源的新型小直径推力执行机构,并对其性能测试系统进行设计。通过该系统单独对新型执行机构的内部压力、推靠力、泄流量及响应速度进行测试。试验结果表明,新型执行机构结构小巧简单,工作效率高,所需排量小,响应速度快。测试系统能够在垂钻工具整体样机测试前对新型执行机构进行可行性验证。     

深厚堆积体地层钻进工艺方法研究

太钢(集团)有限公司矿业公司峨口铁矿是一个从20世纪60年代就开始开采的老矿区,经过长期开采储量已严重不足。为了延长矿山寿命,需要进一步扩大勘探范围,在原有矿山周边地区进行勘探。最初采用岩心勘探钻机进行常规回转钻进加套管护壁,历时3个月。在上部堆积体地层最大钻孔深度达到约20m,再也无法继续钻进,使勘探工作被迫停止。针对深厚堆积体地层钻孔施工遇到的具体困难,介绍了风动潜孔锤双管跟管钻进在工程施工中的应用,在对深厚堆积体地层进行分析的基础上,探讨进行深厚堆积体地层钻孔施工的工艺方法及技术措施;在钻孔结构基础上选择钻孔设备及钻孔机具的一般原则,对深厚堆积体地层的钻孔工程施工具一定指导意义。     

空气反循环钻井井底流场模拟实验器的研制

井底流场是空气反循环钻井能否高效携岩和有效形成反循环的核心流场,而井底流场模拟实验器是开展相应研究的关键设施和必要手段。基于反循环井底流场形成特点,设计了空气反循环钻井井底流场模拟实验器装置,并对主要零部件的设计过程进行了详细分析。井底流场模拟实验器可模拟不同切削具底出刃对应的中心孔压力变化;内喷孔与底喷孔不同组合情况下孔底流量分配;及不同类型内管倾角变化对中心孔压力影响的实验研究。进而也可考察不同结构参数变化对井底流场的影响,为空气反循环钻井井底工具的结构优化设计提供重要的理论和试验依据。     

井底应力场对气体钻井井斜的影响

建立了油气井钻井过程中的井底力学模型,该力学模型考虑了井眼内压力、岩石节理、井眼深度、地应力、岩石材料特性、井眼直径等影响因素,并讨论了各个因素对井底应力场的影响,阐明了气体钻井时井底应力场分布变化对井眼井斜的影响。气体钻井时井眼内的压力远小于井眼周围的围压,井底会出现很大的拉应力,岩石容易破坏,因此,气体钻井时钻井速度远远大于钻井液钻井,但拉应力越大,井眼与岩石节理面交接处产生的应力集中越大,应力集中处岩石更容易破坏,也更易产生井斜。气体钻井时井底的应力状态对地层倾角、材料特性、井眼直径、井眼深度及初始地应力的变化较钻井液钻井时更敏感。     

各向异性岩石钻进用钻头和孔底装置的分析研究与探讨

钻探工程中可以遇到各种岩石。按物理力学性质来说,岩石可是均质（各向同性）和非均质（各向异性）的。多数情况下,在深孔钻进时,岩石可能受地质条件的影响,是各向异性的。各向异性岩石的特点之一是,不同受力方向上的强度不同,因此钻孔容易弯曲,直接影响钻探效率和质量。俄罗斯科研人员对各向异性岩石中钻进时使用的钻头和孔底装置进行了大量研究,取得了较好的效果,值得我们参考。     

近水平孔坑道用绳索取心钻具

针对国内目前将地面绳索取心钻具用于坑道内施工效果不佳的问题,研制了一种坑道专用绳索取心钻杆,该钻杆具有捞矛头持心装置、弹卡复合定位机构、快断机构的内外管总成及水力输送器、水力打捞器及通缆式水接头等附属装置。现场实验证明,该钻具成功解决了地面用绳索取心钻具不适宜进行近水平孔坑道内取心钻探施工的现状。     

螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究

旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮−滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮−滚轮动力学模型,通过显式动力学(Autodyn)分析不同冲程、转速、钻压下的工作特性,总结机构的形变特征提出优化方法。分析结果与试验数据和理论数值对比,验证了计算模型的准确性。结果表明：冲程增大可提高冲击效果,但高于10 mm冲程的滚子实际运动轨迹受钻速、滚轮尺寸、凸轮轮廓曲率影响其轨迹将变平缓。转速在9~18 rad/s时轴向加速度波动幅度较大,对钻具的稳定性具有一定影响。钻压增大凸轮内缘处形变特性明显,其形变量与钻压成正比,25 kN钻压下凸轮的形变量约是10 kN的2.6倍。凸轮齿顶、滚轮内缘处为易变形点,在齿顶处安装可换滚筒同时改变滚轮为鼓轮构型并对抛物线−直线−抛物线、2次多项式、摆线、7次多项式4类凸轮轮廓线型进行特性分析。选用摆线及7次多项式凸轮座轮廓和鼓轮可提高冲击效果,计算结果可为旋冲钻具设计提供参考依据。

     

一种同轴双向回转模式的钻具结构设计及振动模拟

钻进时的振动会引起钻具疲劳失效和损坏,为提高井下钻具的稳定性,本文设计了依靠行星齿轮系驱动内外钻头同轴双向回转的钻具结构。通过对其核心的齿轮、密封、轴承等部件进行的强度校核,证明该结构的设计强度能够满足正常的使用工况。同时基于数值模拟对该结构的振动效果进行了验证,将钻进时钻头与岩石的相互作用简化为简谐荷载,对双向回转钻具整体结构进行谐响应分析。结果显示,相比于普通单向回转钻进结构,同等条件下双向回转的钻具结构能够有效抑制扭转振动。