CN101603414B - 钻探孔壁喷射注浆加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于：具体工艺步骤为：钻头底喷延深钻孔——钻头径向高压喷水破壁扩径、排泥——钻头再次底喷排泥——钻头上升径向高压喷浆，浆与砂土混拌成混凝土——待凝——恢复原孔径钻进。以建造新孔壁的方式，将软、散、碎的岩土孔壁，改造成固结的混凝土孔壁；孔壁被加固的厚度，达到钻孔直径的10-30倍；可对因坍塌不能成孔的地层实施加固处理；孔壁出现大“陷塘”的孔段，加固效果更好；加固后的孔壁不必采取其他护壁措施；加固孔段的深度可达1000m。

Description

钻探孔壁喷射注浆加固方法

技术领域：

本发明涉及一种钻探孔壁喷射注浆加固方法，属于地质勘探的钻探工程中，加固孔壁不稳定孔段的方法。

背景技术：

钻探工程的孔深有几百米甚至两千多米，所钻的地层常有软、散、碎地层，如泥质的、砂砾的和破碎的等孔壁易坍塌地层(以下简称坍塌层)。目前钻探工程中维护坍塌层孔壁稳定的方法有三种：

1、钻进时用具有防坍性冲洗液；

2、向孔内下入钢管(称套管)护壁；

3、向孔内灌注水泥浆或化学浆液护壁。

防坍性冲洗液具有随钻护壁的特点，但其防坍性能是有限的，无力防止极易坍塌地层孔壁的塌落。

套管护壁时，每下一层套管，再钻的孔径相应缩小一级，当钻孔深又有多层坍塌层时，一是需多层套管，套管用量很大；二是要求的终孔直径限定了可用套管的层数。

当冲洗液不能维护孔壁稳定，又不能下入套管时，目前的护壁方法是向孔内灌注水泥浆和应用很少的化学浆液，这是与本发明相关的现有背景技术，其特点有：

1、浆液只能注入孔眼内，不能成孔的坍塌层则无法注浆；

2、注入孔内浆液固结体的直径，即坍塌层孔段的孔径，在孔内固结体内再钻出孔时，固结体在孔壁上留下的筒状固结体较薄，钻进时易被钻具回转扭碎或磨蚀。甚至可能出现孔壁上没有固结体保护的情况；

3、孔内浆液固结体表面与孔壁表面是“面对面”的接触，当孔壁为泥质地层或孔壁上有泥皮出现，都会降低固结体与孔壁间的结合作用；

4、当孔壁严重坍塌形成“陷塘”时，“陷塘”内的冲洗液(简称“水”)注浆时很难被挤排出来，窝藏其中的“水”将使该处的水泥浆不凝和坍塌部位未被固结。

因现有固壁注浆技术的上述特点，至今钻探工程中因孔壁坍塌加固不力而中途报废钻孔的事故频有发生。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种钻探孔壁喷射注浆加固方法，是将喷射注浆技术应用于钻探孔壁加固领域中，可使孔壁被加固的径向范围达到孔径的10-30倍；对孔底以下不能成孔的坍塌层实施加固；避免了因孔壁坍塌而报废钻孔的损失。

本发明的技术方案是这样实现的：钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于：根据坍塌层在孔内的不同位置，其工艺步骤如下：

(1)当钻孔进入坍塌层，但未穿过该层时，

①向坍塌层内钻孔

翼片钻头在坍塌层内继续向下钻进，到硬层或到达与机上主动钻杆长度相当的深度，同时翼片钻头内分水阀自行打开，泵入的“水”沿钻头中孔喷向孔底，并携带钻头钻出的泥土沿孔壁与钻杆的间隙上返出孔口，直钻到预定深度；

②钻头回转上升高压射水破土扩径

钻头回转上升时，钻头内分水阀关闭钻头中孔，“水”从钻头上两个径向的喷嘴喷出，形成高压射流，冲刺孔壁岩土，扩大孔径，细土颗粒被水携带返出孔口，砂砾石级粗粒落到孔底；

③钻头再次向下钻进，接触岩土时钻头分水阀打开，喷“水”排泥，钻头再到孔底；

钻头再到孔底前t′时间起开泵水泥浆，

t′＝t＝(10^-3d²H+V)/Q                             (分)

式中：t′-钻头下钻某深度时，预估钻头到孔底的时间，(分)；

      t-开始泵送浆液时起到浆液到孔底的时间，      (分)；

      d-钻喷管内径，                              (mm)；

      H-钻喷管总长度，                            (m)；

      V-地表泵和管线的内容积，                    (升)；

      Q-泵量，(升/分)；

④钻头径向喷嘴高压喷射水泥浆，钻头慢转慢提升

高压喷射的水泥浆使孔径进一步扩大，同时与孔内的砂砾石土混拌形成混凝土，其直径是钻孔直径的10-30倍；待混凝土凝固后，用原孔径钻头钻进混凝土；

⑤此时的孔壁变为稳固的混凝土孔壁，而且其厚度为钻孔半径的10-30倍，此后恢复正常钻探生产。

(2)当钻孔穿过坍塌层，孔壁仍有塌落现象时，按上述的工艺步骤完成；

(3)当钻孔已穿过坍塌层，且坍塌层位于孔底已有较大距离时；需事先用专用木塞下到坍塌层位下孔壁坚固的孔段并固定，以此堵截钻孔，形成新孔底后，再按上述②-⑤工艺步骤完成。

所述的喷射注浆加固时与钻杆相连的钻头，由翼片钻头体、分水阀、接头及喷嘴组成，其中翼片钻头体上连接有分水阀，分水阀与接头用花键连接，接头的径向有喷嘴，钻头体与分水阀有轴向通孔。

所述的钻孔喷射注浆固壁工艺，其重要的技术参数包括：

泵量：80-120L/min

泵压：加固层深度600m以内20MPa，大于600m时，25-40MPa。

喷“水”扩径时，提速0.2-0.4m/s，转数50-80n/min；

喷浆上升时，提速0.1-0.2m/s，转数30-50n/min；

所述的固壁喷射的浆液包括

(1)凝结时间可调的普通水泥浆

用水泥外加剂调节浆液的可泵期和凝结时间，水灰比0.6-0.7；

(2)特种水泥的水泥浆

硫铝酸盐水泥和高铝水泥等，水灰比0.7左右；

(3)水泥-化学浆液

水泥：普通水泥或特种水泥。

化学浆液：是一种粘度似同于水的浆液，其主剂为烯烃的小分子，在交联剂、引发剂和促进剂作用下，在可调的时间内形成固结体。在该浆液中添加水泥。

其一次加固的浆液量V₀

V₀＝khQ/60υ(升)

式中：K-浆液损耗系数，取1.1-1.5；

      h-被加固孔段长度，m；

      Q-泵量，L/min；

      υ-喷浆钻头提速，m/s。

所述的“水”是防坍性强的无固相聚合物冲洗液。

本发明的积极效果是以建造新孔壁的方式，将软、散、碎的岩土孔壁，改造成固结的混凝土孔壁；孔壁被加固的厚度，达到钻孔直径的10-30倍；可对因坍塌不能成孔的地层实施加固处理；孔壁出现大“陷塘”的孔段，加固效果更好；加固后的孔壁不必采取其他护壁措施；加固孔段的深度可达1000m。

附图说明：

图1为本发明的钻头的分水阀顶起的结构示意图；

图2为本发明的钻头的分水阀关闭的结构示意图；

图3为本发明的工艺流程图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1：

现孔深300m，已钻入坍塌层1m。翼片钻头如图1所示从300m处向下钻进，钻头内分水阀被顶起如图1所示，“水”流从钻头底喷出。钻进到303m，到硬层之后提升钻头，提速0.2-0.4m/s，回转速度为50-80n/min，喷“水”泵量120L/min，此时，钻头分水阀关闭钻头中孔如图2所示，钻头径向高压喷射“水”流破壁、扩径，并排出细粒土屑如图3之a所示，砂砾石落入孔底。

当钻头提到299m时，再次向下钻进如图3之c所示，钻头向下喷水。下进速度平均为0.01m/s，钻到孔底的时间为3/0.01＝300s＝5分钟，当钻进还剩t′时，则：

t′＝(10^-3d²H+V)/Q

式中：d-钻喷管内径，        32(mm)；

      H-钻喷管总长度，      303(m)；

      V-地表泵、管路内容积，120(升)；

      Q-泵量                120(升/分)。

代入，得：

t′＝(10^-3×0.785×32²×303+120)/120

   ＝3.02分钟

即还有3分12秒时，开始泵送水泥浆。当钻头到孔底时，水泥浆同时到达钻头处。此时钻头开始以转速30-50n/min，提速υ＝0.1-0.2m/s，泵量Q＝120升/分，钻头径向喷射水泥浆，向上提升，水泥浆与砂砾石混拌成混凝土如图3之d所示，直提到299m之上的完整岩层孔段处为止，此间共注入水泥浆量：

V₀＝khQ/60υ(升)

式中：K-浆液损耗系数，取1.5；

      h-被加固坍塌层厚度，4m；

      Q-泵量，120L/min；

      υ-喷浆钻头提速，0.1m/s。

代入得：

V₀＝1.5×4×120/60×0.1

  ＝120升

待孔内混凝土凝固如图3之c所示之后，用原钻进的钻头恢复正常钻探生产如图3之f所示。

实施例2：

钻孔穿过坍塌层，孔壁仍有塌落时，如图1所示翼片钻头在坍塌层内继续向下钻进，到硬层或到达与机上主动钻杆长度相当的深度，此时翼片钻头内分水阀如图1所示自行打开，泵入的“水”沿钻孔中孔喷向孔底，并携带钻头钻出的泥土沿孔壁与钻杆的间隙上返出孔口，直钻到预定深度；钻头回转上升时，如图2所示钻头内分水阀关闭钻头中孔；钻头的分水阀4与接头2是花键连接，只能纵向移动，径向同步转动，“水”从钻头上两个径向的喷嘴喷出，形成高压射流，冲刺孔壁岩土，扩大孔径，细土颗粒被水携带返出孔口，砂砾石级粗粒落到孔底；之后钻头再次向下钻进，到达孔底时钻头分水阀打开，喷“水”排泥，钻头再到孔底。

实施例3：

当钻孔已穿过坍塌层，且坍塌层位于孔底已有较大距离时，需事先用专用木塞下到坍塌层位下的孔壁坚固的孔段并固定，以此堵截钻孔，形成新孔底后，钻头回转上升时，“水”从钻头上两个径向的喷嘴喷出，形成高压射流，冲刺孔壁岩土，扩大孔径，细土颗粒被水携带返出孔口，砂砾石级粗粒落到孔底；钻头径向喷嘴高压喷射水泥浆，钻头慢转慢提升，高压喷射的水泥浆使孔径进一步扩大，同时与孔内的砂砾石土混拌形成混凝土，待混凝土凝固后，用原孔径钻头钻进混凝土；恢复正常钻探生产。

Claims (4)

1.钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于：根据坍塌层在孔内的不同位置，其工艺步骤如下：

(1)、当钻孔进入坍塌层，但未穿过该层时，

①向坍塌层内钻孔

翼片钻头在坍塌层内继续向下钻进，到硬层或到达与机上主动钻杆长度相当的深度，此时翼片钻头内分水阀自行打开，泵入的“水”沿钻头中孔喷向孔底，并携带钻头钻出的泥土沿孔壁与钻杆的间隙上返出孔口，直钻到预定深度；

②钻头回转上升高压射水破土扩径

钻头回转上升时，钻头内分水阀关闭钻头中孔；钻头的分水阀与接头是花键连接，只能纵向移动，径向同步转动，“水”是一种防坍性强的无固相聚合物冲洗液；其漏斗粘度不大于22s；从钻头上两个径向的喷嘴喷出，形成高压射流，冲刺孔壁岩土，扩大孔径，细土颗粒被水携带返出孔口，砂砾石级粗粒落到孔底；

③钻头再次向下钻进，接触岩土时钻头分水阀打开，喷“水”排泥，钻头再到孔底；

钻头再到孔底前t′时间起开泵水泥浆液，

t′＝t＝(10^-3d²H+V)/Q    (分)

式中：t′-钻头下钻某深度时，预估钻头到孔底的时间，(分)；

      t-开始泵送水泥浆液时起到水泥浆液到孔底的时间，(分)；

d-钻喷管内径，                        (mm)；

H-钻喷管总长度，                      (m)；

V-地表泵和管线的内容积，              (升)；

Q-泵量，(升/分)；

④钻头径向喷嘴高压喷射水泥浆液，钻头慢转慢提升

高压喷射的水泥浆液使孔径进一步扩大，扩径时钻头提速为0.2-0.4m/s，转数50-80r/min；喷浆上升时，提速0.1-0.2m/s，转数30-50r/min；同时与孔内的砂砾石土混拌形成混凝土，其直径是钻孔直径的10-30倍；待混凝土凝固后，用原孔径钻头钻进混凝土；

⑤此时的孔壁变为稳固的混凝土孔壁，而且其厚度为钻孔半径的10-30倍，此后恢复正常钻探生产；

(2)、当钻孔穿过坍塌层，孔壁仍有塌落现象时，按上述①-⑤的工艺步骤完成；

(3)、当钻孔已穿过坍塌层，且坍塌层位与孔底已有较大距离时；需事先用专用木塞下到坍塌层位下的孔壁坚固的孔段并固定，以此堵截钻孔，形成新孔底后，再按上述②-⑤工艺步骤完成。

2.根据权利要求1所述的钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于所述的喷射注浆加固时与钻杆相连的钻头，由翼片钻头体(1)、分水阀(4)、接头(2)及喷嘴(3)组成，其中翼片钻头体(1)上连接有分水阀(4)，分水阀(4)与接头(2)用花键(5)连接，接头(2)的径向有喷嘴(3)，钻头体(1)有轴向中心孔。

3.根据权利要求1所述的钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于所述的钻探孔壁喷射注浆固壁方法的技术参数包括泵量：80-120L/min，泵压：加固层深度600m以内20MPa，大于600m时，25-40MPa，所述的钻头的提速和转速。

4.根据权利要求1所述的钻探孔壁喷射注浆加固方法，其特征在于所述的固壁喷射的浆液包括

(1)凝结时间可调的普通水泥浆

用水泥外加剂调节浆液的可泵期和凝结时间，水灰比0.6-0.7；

(2)特种水泥的水泥浆

硫铝酸盐水泥和高铝水泥，水灰比0.7左右；

(3)水泥-化学浆液

水泥：普通水泥或特种水泥；

化学浆液：是一种粘度似同于水的浆液，其主剂为烯烃的小分子，在交联剂、引发剂和促进剂作用下，在可调的时间内形成固结体；在该浆液中添加水泥；

其一次加固的浆液量V₀

V₀＝khQ/(60υ)

式中：K-浆液损耗系数，取1.1-1.5；

      h-被加固孔段长度，m；

      Q-泵量，L/min；

      υ-喷浆钻头提速，m/s。

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