旋挖钻进硬岩的“钻探工艺”钻头制造技术

旋挖钻进硬岩的“钻探工艺”钻头，为大口径桩孔施工钻头。其不失旋挖之便捷、高效，科学、完美的利用钻探工艺学，解决旋挖钻岩各种致命缺陷：孔底泥浆性能得不到及时修复、对孔壁冲刷及抽吸扰动大、硬岩钻进效率低、清孔慢。旋挖机仅正常“下钻—回转—提钻”，就能完美实现“优质泥浆直送至孔底——局部反循环钻进、岩渣收存——提卸岩渣及孔底泥浆”作用。每回次“下钻—回转—提钻”，又是在换浆护壁、清除岩渣岩粉。下钻、提钻过程几乎不会冲刷与抽吸孔壁，特别有利于孔壁稳定。不仅解决缺陷，且有“使更大直径的桩孔能够采用取芯方法高效钻进”优势；有“利于减小泥浆循环阻力、减小钻头回转阻力、减少磨损、提高合理布齿空间、可合理减少齿数”优势。优势。

【技术实现步骤摘要】
旋挖钻进硬岩的“钻探工艺”钻头


[0001]“旋挖钻孔”工艺，被誉为钻孔灌注桩工程的绿色环保钻孔工艺。初期用于稳定易钻的地层，由于使用方便快捷，钻孔效率高，泥浆排放少，得到了广泛应用。
[0002]而近年来，随着旋挖钻机市场投放量的快速增长，国家对环保管控力度的急剧提升，市场竞争的日益激烈，厂家销售的大力宣传，“旋挖钻孔”工艺被盲目地推向了更加复杂、更加坚硬难钻的地层。其钻孔效率极低，成孔风险很高，未显“旋挖钻孔”工艺任何优势，尽显全部劣势，几乎陷入万劫不复深渊。投资者盲目跟风，趋之若鹜，倾家荡产者比比皆是。
[0003]目前，“旋挖钻孔”工艺还存在诸多致命缺陷，与“钻探工艺”相悖，至今还未得到改进，仍不适合坚硬及复杂地层钻孔作业。
[0004]对于粘土、砂土、粉土、粉粘、强风化岩等“易钻不易塌”地层的钻孔，虽因“孔底泥浆性能得不到及时修复，造成护壁质量差”，存在“缩径”现象，但凭“不塌孔、成孔快且无风险”而论，还是非常适合当前的“旋挖钻孔”工艺，尽显旋挖之快捷优势。不过，此类钻孔必须尽快灌注成桩，否则，延误时间越长，“缩径”越严重。
[0005]对于淤泥、页岩、砂卵砾石、粉砂、流沙等水敏性、松散性复杂地层的钻孔，由于“孔底泥浆护壁质量差、频繁下钻提钻对孔壁冲刷及抽吸扰动大”，导致塌孔风险很高，很不适合当前的“旋挖钻孔”工艺。
[0006]对于泥岩等水敏打滑软岩层的钻孔, 由于“孔底泥浆性能得不到及时修复，失水率过大”，导致钻进出现“打滑”、“缩径”现象，且钻进非常缓慢，非常不适合当前的“旋挖钻孔”工艺。
[0007]对于强风化-中风化岩、中风化岩等硬岩的钻孔，随着岩石完整程度、硬度级别、抗压强度的提高，钻进越来越慢，截齿消耗越来越大，成本越来越高的离谱，令旋挖人望而生畏，谈“石”色变，根本不适合当前的“旋挖钻孔”工艺。
[0008]如遇上段为水敏、松散等复杂地层，下段为坚硬岩层、软岩打滑层的钻孔，当前的“旋挖钻孔”工艺不仅岩层钻进非常缓慢，而且因钻孔时间超长，上部不稳定复杂地层常常发生“缩径”、塌孔，甚至引起重大事故，令旋挖人雪上加霜，苦不堪言。
[0009]目前在旋挖钻孔的同时，不能进行清孔作业，孔终后才能清孔，且还非常费时。“清孔慢”为旋挖钻孔成桩效率低的又一重要因素。
[0010]改进目前的“旋挖钻孔”工艺，消除“孔底泥浆性能得不到及时修复、对孔壁冲刷及抽吸扰动大、硬岩钻进效率低、清孔慢”缺陷，旋挖钻机就能低风险高效率适应上述水敏、松散、坚硬的复杂钻孔施工。这无疑会为广大旋挖人带来希望，“消除钻孔风险，重铸昔日辉煌”不再遥远。
[0011]改进上述缺陷，唯有改进钻头而使然，才不失旋挖之便捷，凸显旋挖之高效。而钻头的改进必须以钻探科学原理为前提，使之成为符合“钻探工艺”的钻头。

技术介绍

[0012]目前针对水敏、松散、坚硬的复杂地层，“旋挖钻孔”工艺如下所述：孔口补浆，以静
态泥浆平衡地层水压力和构造压力护壁；以“捞砂钻头”钻进土、砂、强风化岩等容易钻进的地层；以“筒钻+短螺旋钻头+捞砂钻头”组合破岩捞渣，钻进完整坚硬岩层。
[0013]完整坚硬岩层钻孔，首先用筒钻钻出一定深度的环槽，如采取措施取出了岩芯（较小芯径工况），则继续钻槽取芯；如不能取出岩芯（较大芯径工况），则换用短螺旋钻头全面破芯钻进,岩渣积聚多了，则换用“捞砂钻头”捞出孔外，待岩芯全部破碎捞出后，继续钻槽，如此重复。
[0014]其存在如下钻头结构缺陷和工艺缺陷：。
[0015]1、“静态泥浆+硬岩层孔底钻头段未实现局部循环泥浆”工艺缺陷，导致泥浆在钻进过程不具备“冷却钻头、及时冲洗孔底、悬浮携带排出岩粉”的作用，严重提高成本、降低钻进效率。
[0016]①
不循环流动泥浆不能冲走孔底岩渣，岩渣在孔底环槽内被重复破碎，致使钻速大大降低。
[0017]②
不循环流动泥浆不能悬浮携带排出岩粉，孔底环槽狭窄，岩屑堆积卡塞钻头，致使回转扭矩大大增加。这不仅增加了机械的动力成本和维修成本，而且增加了钻杆、钻头的材料成本（钻杆、截齿、齿座断裂频率大大增加，筒体磨损大大加快）。
[0018]③
孔底泥浆不循环、不更换，随钻进一直在孔底，并持续受沉积砂土和岩粉的污染而愈来愈稠，完全失去冷却钻头作用。截齿合金头长期在高温下工作，强度、硬度大大降低，出现崩块、掉渣、不耐磨现象（甚至遇坚硬岩只磨齿不进尺），严重缩短截齿使用寿命，降低钻进效率。
[0019]2、“静态泥浆+孔口补浆+孔底不排废浆”工艺缺陷，致“孔底泥浆的性能”愈来愈差，容易引发安全、质量事故，造成巨大经济损失。
[0020]随孔深增加，孔口是不断补充的优质泥浆，孔底却是愈来愈失效的报废泥浆。废泥浆排不出孔口，好泥浆送不到孔底。孔底的失效泥浆完全得不到及时修复，对孔壁、孔底的“病灶”完全失去了治愈、保护能力，导致水敏性地层因吸水膨胀而“缩径”、因剥落掉块而塌孔、泥岩因打滑而慢钻；松散透水层因泥砂堆积虚厚而“缩径”、因冲刷抽吸扰动而塌孔。“缩径”了要再扩孔，塌孔了要回填后再重钻，否则冒险进行下道工序，又会造成后续清孔困难、再塌孔、钢筋笼下不到位、断桩、短桩等安全、质量事故，得不偿失。
[0021]无论任何“优良材料+优良配方”的泥浆，只要不实现“孔底排废浆、补好浆”，泥浆仅能实现“部分压力平衡钻进作用（由于渗漏）”。反之，便可“彻底修复孔底失效泥浆的各项指标”，不仅能治愈孔壁、孔底的“病灶”，防“缩”、防“塌”、防“打滑”，充分实现压力平衡钻进；而且能改善泥浆其它性能，利于清孔和实现泥浆在钻进过程的“冷、冲、浮”作用。
[0022]3、“钻头不能清孔”的结构缺陷，导致“钻孔的同时不能清孔，终孔后才能清孔”的工艺缺陷，孔底沉渣、泥浆浮砂必须通过“终孔后，正或反循环泥浆”工艺来清孔，相比“钻头清孔，随钻随清，孔终孔清”的清孔工艺，消耗非常高，效率非常低。
[0023]即使采用无齿双底板的捞砂钻头，也无法捞取孔底泥浆中的虚松沉渣，且因捞砂钻头底板与筒体的密封性能差，在提升过程岩渣不断从缝隙涌出，再次汇入泥浆。
[0024]4、“钻筒与孔壁的环状间隙过小”的结构缺陷，再遇“污染变质的稠浆”工况，在钻头频繁提、下钻过程中，加剧抽吸、冲刷孔壁，极易引发松散地层塌孔。
[0025]5、对坚硬岩石，旋挖钻机加压力有限，“钻头截齿数量相对过多”结构缺陷，造成单
齿所加压力严重不足，达不到“动、静载耦合”加压所需峰值压力，只能靠研磨或疲劳破坏岩石获得微小进尺，钻进效率极低。
[0026]6、大直径桩孔，筒钻钻进后，由于“筒钻内径大”的结构缺陷，致使岩芯直径过大，不能取芯，只好进行短螺旋全面破芯钻进，再捞渣排出孔外。“破芯钻进排渣”工艺相比“楔断岩芯、卡芯提出”工艺，消耗非常高，效率非常低。

技术实现思路

[0027]一、旋挖钻进硬岩的“钻探工艺”钻头结构图。
[0028]见说明书附图1～附图5。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.针对“回转钻头实现孔底泥浆局部反循环，清除孔底的粗大岩渣”技术特征，请求保护“泥浆循环系统和岩渣收纳排卸系统”。2.针对“回次提、下钻头，实现孔底静态泥浆...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明星，
申请(专利权)人：杨明星，
类型：发明
国别省市：