一种复杂地层护壁施工工艺

本发明涉及一种施工工艺，特别涉及一种复杂地层护壁施工工艺。

背景技术：

目前，矿山勘探开采必然形成钻孔，钻孔的形成破坏了岩土体受力平衡状态，使孔壁周围一定范围内的岩土体应力重新分布，产生局部应力集中现象，导致钻进过程中孔壁极易失稳破坏，一般表现为坍塌、掉块和缩径等。在松散破碎地层，砂卵石层、矿渣堆积层等复杂地层开展地质钻探存在孔壁失稳难题，例如：在钻进过程中，松散地层孔壁中的岩块脱落会造成卡钻等情况，提钻后钻孔坍塌，严重者会造成钻具无法从地层中提出来，导致钻孔的损坏和钻具的废弃，给实际生产带来较大的经济损失。目前常用的护壁措施有以下几种：(1)采用优质泥浆护壁，可根据不同的地层结构选用不同的泥浆，并随时调整泥浆参数，泥浆在循环过程中在孔壁上形成致密的泥皮，起到稳定孔壁的作用，但泥浆护壁方法施工成本高，且泥浆中有害化学物质较多，对周围环境造成污染。(2)跟管钻进技术，随着钻进的深入，套管随之进入已完成的孔段内，起到保护孔壁的作用，但跟管钻进技术所需设备过多，不同孔径需要不同直径的套管，套管需要定制，耗时长，施工成本高。

以上现有几种护壁技术均具有其局限性，如何针对不同地层的特点，综合考虑钻孔结构、现场条件和护壁效果，选用成本低、效果显著以及效率高的护壁技术，是确保矿产安全开采的重要环节。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有复杂地层孔壁失稳处理的局限性和不足的问题而提供的一种复杂地层护壁施工工艺。

本发明提供的复杂地层护壁施工工艺，其工艺包括如下步骤：

步骤一、配制黄土护壁材料：所用黄土天然含水率为21.5％，液限30.2％，塑限22.1％，将黄土含水率调制24％-28％之间后按质量配比为黄土：石灰：粉煤灰＝7：1：2配制黄土护壁材料；

步骤二、采用气动潜孔锤钻进技术进行钻孔；

步骤三、钻进3-4m后，缓慢提升钻杆，将气动潜孔锤从孔中取出，换用锥形钻头；

步骤四、将步骤一制得的黄土护壁材料缓慢倾倒至新钻进的孔段内，保证材料充满孔内；

步骤五、下入锥形钻头，沿已有钻孔缓慢钻进至孔底，保持钻机低转速回转，利用锥形钻头圆锥体将黄土护壁材料挤压至孔壁岩层或土层裂隙中；

步骤六、钻进至孔底后缓慢向上提起钻头，并保持钻机低转速回转，确保锥形钻头充分挤压密实黄土护壁材料，在孔壁形成具有一定强度的黄土材料加固层；

步骤七、提升钻杆，拆卸锥形钻头，换用潜孔锤及潜孔锤用钻头，重复步骤一至步骤六，直至作业至设计孔深。

步骤五中所用锥形钻头上部、中部和下部设计成圆台、圆柱体和圆锥体结构；钻具的下部采用锥体结构，在钻进过程中，由于钻孔直径固定，护壁材料在钻头圆锥体部分的挤压作用下充填至孔壁裂隙中，形成具有一定强度的黄土护壁层，起到稳定钻孔结构防止钻孔坍塌的作用；钻头的上部采用圆台形结构，此结构的作用是在提钻时，使钻进过程中未被挤密在孔壁上的剩余护壁材料，沿着圆台侧面下滑至钻头圆柱部分和孔壁间隙中，再次起到护壁作用。

本发明的有益效果：

本发明提供的复杂地层护壁施工工艺较好地解决了松散破碎地层、砂卵石层、矿渣堆积层孔壁失稳的技术难题，没有使用优质泥浆和跟管钻进技术，成本较低。采用锥形钻头挤密加固黄土护壁材料，粉煤灰、黄土、石灰的混合物被挤压进破碎岩石裂隙中，经挤密压实后发生水化反应形成灰土硬化物，并附着于孔壁裂隙表面，形成具有一定强度的孔壁加固层，起到了保护孔壁的作用，为施工计划顺利地实施和获取全面的地质资料提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明所述的复杂地层钻孔示意图。

图2为本发明所述的注入护壁材料示意图。

图3为本发明所述的下入锥形钻头挤压护壁材料示意图。

图4为本发明所述的提起锥形钻头示意图。

图5为本发明所述的材料护壁后潜孔锤钻进示意图。

上图中的标注如下：

1、黄土护壁材料2、气动潜孔锤3、钻杆5、黄土材料加固层

6、圆台7、圆柱体8、圆锥体。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

步骤一、配制黄土护壁材料1：所用黄土天然含水率为21.5％，液限30.2％，塑限22.1％，将黄土含水率调制24％-28％之间后按质量配比为黄土：石灰：粉煤灰＝7：1：2配制黄土护壁材料1；

步骤二、参见图1，由于地层坚硬破碎，采用气动潜孔锤2钻进技术进行钻孔，钻至3-4m，所用钻杆3直径φ89mm、钻头直径φ140mm；

步骤三、缓慢提升钻杆3，将气动潜孔锤2从孔中取出，换用直径为φ140mm锥形钻头；

步骤四、参见图2，向孔内缓慢注入黄土护壁材料1，确保黄土护壁材料1充满新钻进的孔段内；

步骤五、参见图3，下入锥形钻头，沿已有钻孔缓慢钻进至孔底，保持钻机低转速回转,利用锥形钻头的圆锥体8将黄土护壁材料1挤压至孔壁岩层及土层的裂隙中；

步骤六、参见图4，钻进至孔底后缓慢向上提起钻头，提钻速度保持3-4m/h，钻机保持低转速回转，确保钻头充分挤压密实黄土护壁材料1，形成具有一定强度的黄土材料加固层5；

步骤七、参见图5，提升钻杆，换用潜孔锤及潜孔锤用钻头，重复步骤一至步骤六，直至作业至设计孔深。

步骤五中所用锥形钻头上部、中部和下部设计成圆台6、圆柱体7和圆锥体8结构；钻具的下部采用锥体结构，在钻进过程中，由于钻孔直径固定，护壁材料在钻头圆锥体8部分的挤压作用下充填至孔壁裂隙中，形成具有一定强度的黄土护壁层，起到稳定钻孔结构防止钻孔坍塌的作用；钻头的上部采用圆台形结构，此结构的作用是在提钻时，使钻进过程中未被挤密在孔壁上的剩余护壁材料，沿着圆台6侧面下滑至钻头圆柱部分和孔壁间隙中，再次起到护壁作用。

技术特征：

1.一种复杂地层护壁施工工艺，其特征在于：其工艺包括如下步骤：

步骤一、配制黄土护壁材料：所用黄土天然含水率为21.5％，液限30.2％，塑限22.1％，将黄土含水率调制24％-28％之间后按质量配比为黄土：石灰：粉煤灰＝7：1：2配制黄土护壁材料；

步骤二、采用气动潜孔锤钻进技术进行钻孔；

步骤三、钻进3-4m后，缓慢提升钻杆，将气动潜孔锤从孔中取出，换用锥形钻头；

步骤四、将步骤一制得的黄土护壁材料缓慢倾倒至新钻进的孔段内，保证材料充满孔内；

步骤五、下入锥形钻头，沿已有钻孔缓慢钻进至孔底，保持钻机低转速回转，利用锥形钻头圆锥体将黄土护壁材料挤压至孔壁岩层或土层裂隙中；

步骤六、钻进至孔底后缓慢向上提起钻头，并保持钻机低转速回转，确保锥形钻头充分挤压密实黄土护壁材料，在孔壁形成具有一定强度的黄土材料加固层；

步骤七、提升钻杆，拆卸锥形钻头，换用潜孔锤及潜孔锤用钻头，重复步骤一至步骤六，直至作业至设计孔深。

2.根据权利要求1所述的一种复杂地层护壁施工工艺，其特征在于：所述的步骤五中所用锥形钻头上部、中部和下部设计成圆台、圆柱体和圆锥体结构。

技术总结
本发明公开了一种复杂地层护壁施工工艺，其工艺为：步骤一、配制黄土护壁材料；步骤二、采用气动潜孔锤钻进技术进行钻孔；步骤三、换用锥形钻头；步骤四、将黄土护壁材料倾倒至新钻进的孔段内；步骤五、下入锥形钻头；步骤六、在孔壁形成黄土材料加固层；步骤七、重复步骤一至步骤六，直至作业至设计孔深。有益效果：成本较低。采用锥形钻头挤密加固黄土护壁材料，粉煤灰、黄土、石灰的混合物被挤压进破碎岩石裂隙中，经挤密压实后发生水化反应形成灰土硬化物，并附着于孔壁裂隙表面，形成具有一定强度的孔壁加固层，起到了保护孔壁的作用，为施工计划顺利地实施和获取全面的地质资料提供了技术支持。

技术研发人员：王茂森;韦昭杰;郭明义;博坤
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.05.08
技术公布日：2021.07.30