山区特高压输电线路钻探设备应用探讨

张卫东

（国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

山区特高压输电线路岩土工程勘察中钻探工作量大、钻探深度较一般线路深、设备搬迁频繁、工期紧凑，采用传统钻探方法具有设备重量大、搬迁困难、耗水量大、山区钻进效率低及作业安全隐患大等缺点，这就限制了传统钻探设备的使用。

表1为传统常见钻探设备与轻便型钻探设备优缺点及适用条件对比表，通过分析对比，结合山区特高压输电线路勘测规范要求及山区钻探作业的特点，采用轻便型的绍尔背包钻机及TGQ-15浅层取样钻机，具有重量轻、操作简单、搬迁快捷，耗水量较少、适应性较广等优势［1］，在酒泉至湖南±800 kV 特高压直流输电线路工程、锡盟至江苏±800 kV特高压直流输电线路工程、上海庙至山东±800 kV特高压直流输电线路工程中均取得了良好的应用效果，钻探技术质量满足规范设计要求，现结合近年来其在特高压输电线路勘察中的应用情况及相关经验方法予以简单分析探讨。

1 TGQ-15浅层取样钻机

1.1 钻机性能特点

TGQ-15浅层取样钻机整机重量较轻，通过单杠四冲程汽油机提供动力，采用模块化设计，安装、拆卸简便，操作简单，搬迁快捷，可用于受地形、植被、交通等条件限制的山区钻探作业。

表1 传统常见钻探设备与轻便型钻探设备对比表

1.2 钻进工艺

该类钻机具有金刚石取芯钻进、硬质合金取芯钻进、绳索取芯单动双管钻进、螺旋钻进等多种钻进工艺，通过钻井液循环-回转钻进原理实现钻进取芯。表2是钻遇不同地层常用钻具组合及钻井液类型配置。

表2 钻具组合及钻井液配置

该类钻机主要采用效果较好的孕镶金刚石钻头，因此下面仅对孕镶金刚石钻头的钻进规程探讨分析［2］。

1）钻压。钻压的选取应保证钻头有效破碎孔底岩石，机械钻速在一定限度内与钻头压力成正比，但钻压过高会使金刚石切入岩石深度过大，使钻头底部排粉间隙过小，恶化孔底的净化和冷却条件，造成岩粉堵塞、钻速下降、钻头磨损严重、甚至烧钻。对于孕镶金刚石钻头，钻压还应保证钻头正常地自锐。

钻压的确定，可根据下式计算：

式中：P—钻头总压力，N；p—推荐的单位压力，MPa，参照表3选取；A—钻头端面与岩石接触面积，m2。

表3 不同岩层推荐单位压力

2）转速。在多数硬岩中，机械钻速与金刚石转速成正比，而单位进尺金刚石耗量并不明显增加，所以一般情况下单位时间内应尽量增加钻头的转速，实现多次破碎，才能获得较快的进尺，一般要求钻头的圆周线速度达到 1.5～3.0 m／s。

3）钻井液量。由于该类钻机钻孔直径较小，钻具与孔底、孔壁间隙小的特点，钻井液的流通阻力大，为了克服钻井液流通阻力，必须有较大的泵压和较高的流速，适宜的泵量，实际钻进中，排除岩粉所需钻井液量要大于冷却钻头所需量，因此主要以能够满足排除岩粉来确定钻井液量，钻井液排粉效率取决于钻井液上返流速，故依此确定所需钻井液量，一般可按下式计算：

式中：Q—钻井液量，L／min；S—钻孔与钻杆之间的环状面积，cm2；v—推荐的返流速度，m／s， 一般不应小于 0.4～0.6 m ／s。

钻进中钻压、转速、泵水量三者相互配合，互相制约，由于地层的复杂多变性，施工中应根据地层岩性和不同工艺措施，通过现场试验选择最优的配合关系。钻进参数推荐见表4。

表4 钻进参数推荐表

实际工程应用中，一般地层采用普通回转钻进工艺；在破碎复杂地层、需重点查明部位（如滑动带、软弱夹层）可采用绳索连续取芯单动双管钻进；在水源缺乏地区可采用螺旋钻杆钻进探明覆盖层，该类钻进无须水源，但只限于粘性土、粉土、胶结性较好的砂土地层。

3 绍尔背包钻机

3.1 钻机性能特点

该钻机是目前国内最轻型浅层取芯钻机，整机采用一体化设计，操作简单，设备小巧轻便，可单人背负搬迁，不受地形约束，可实现全地形到达，对生态植被破坏达到最小化，尤其适用于特高压输电线路中山区高差大、交通条件差的塔位钻探作业。

3.2 钻进工艺

该类钻机可实现金刚石取芯钻进、硬质合金取芯钻进两种钻进工艺，其钻进原理即通过一体式动力头带动钻具回转提供转速，人力推进提供钻压，压水桶或背负式农用水泵提供钻井液，从而使钻头切削具或金刚石颗粒切入、高速回转切削地层达到碎岩效果，克取岩心进入钻具，回次终了后提出钻具取出岩心，重复以上操作实现钻进。与传统钻进工艺相比，该钻机小巧轻便，操作简单，主要通过高转速回转切削破碎岩石，取芯口径小，用水量相对较少。

实际应用中能完成山区各类地形地貌的钻探取芯工作，主要适用于粘性土，碎块石含量较少粘性土，粉土，各类完整、较完整、部分较破碎基岩钻进［3］。

3.3 工程实例

锡盟至江苏±800 k V特高压直流输电线路工程采用绍尔钻探，钻进中随着钻进深度增加，孔内土层粘性增大对管壁的摩擦阻力，土遇水稠度增大，黏糊于内管间，造成钻杆堵孔，钻进遇阻［4］，通过采用背负式农用水泵替换手动式压水桶增大泵压提高返屑、清除孔内残屑作用，配置适量无固相聚合物钻井液起润滑消阻、护壁等作用，基本解决了此难题。

4 工程中遇到的问题及技术改进建议

4.1 工程中遇到的问题

此类钻机对于钻进强风化花岗岩地层的应用效果较差，由于钻机口径较传统钻机小，转速高，当钻头齿吃入强风化花岗岩层内，由于强风化花岗岩体颗粒间胶结性较差［5］，在岩心管内由于高速转动扰动岩心而散体，加之钻井液的浸泡作用，造成岩体崩解，取出岩心质量差或无岩心。由于XY-100型钻机相对TGQ-15钻机钻压大、转速低、钻孔口径大，对岩心扰动性小，在强风化花岗岩层钻进，采用传统XY-100型钻机取芯效果明显好于TGQ-15钻机，单纯从岩心上看，容易误导地质专业人员对地层判别错误，造成塔基基础设计不合理的后果。

由于绍尔背包钻机口径较小、供水系统泵压低、过流断面小的限制，目前只能进行清水钻进，其钻井液护壁、携带岩屑、润滑的性能较差，在钻遇破碎复杂地层时钻进效率较低，且不能进行钻井液循环钻进。

TGQ-15浅层取样钻机水泵为轻型柱塞式水泵，过流断面过小，随着钻进深度增加，钻井液重复利用而固相含量增大，粘度变大，密度变大，造成水泵吸水机构堵塞，密封磨损而性能降低，泵水量少或无法泵水，且由于水泵过流断面小，钻井液配方的选取受限，只能采用清水或无固相聚合物，对某些特殊地层钻井液性能无法达到要求，从而影响使用。

钻进过程中，通过调节泵压，能提高钻进效率，且通过泵压显示，能对孔内异常情况进行判别，但两种钻机水泵均无直观压力表显示。

4.2 技术改进建议

1）在强风化花岗岩地区钻探，通过增大钻孔口径、采取绳索单动双管取芯工艺，同时改进钻井液工艺，提高携带岩屑能力，达到岩心扰动最小化，提高取芯质量。

2）研制新型绍尔背包钻机泥浆泵，实现可采用多种类型钻井液的循环钻进系统，减少孔内事故，提高破碎复杂地层的钻进效率，将水源需求最小化，保证缺水山区作业。

3）改进TGQ-15浅层取样钻机水泵，通过研制新型吸水机构，达到可进行固相含量相对较高的泥浆循环钻进目的，满足各类特殊复杂地层钻进需要。

4）水泵上设置可直观显示泵压的压力表，通过压力表合理调节泵压，及时对孔内异常情况作出准备判断。

5 结论

1）相比传统型钻机，轻便型的绍尔背包钻机及TGQ-15浅层取样钻机具有体积小、重量轻、搬迁快捷、操作简单、用水量较少等优势，在山区特高压输电线路勘察中取得了良好的应用效果。

2）山区钻探作业效率较高，能够满足地质设计人员探明塔基工程地质条件的目的，其钻探技术质量满足规范设计要求。

3）针对强风化花岗岩地层钻进效果较差、TGQ-15浅层取样钻机水泵不能循环固相含量较高的泥浆、绍尔背包钻机不能实现多种类型钻井液循环钻进系统、水泵压力值不能直观显示等问题，建议进一步改进解决，以满足工程需要。

4）新研发的TGQ-15浅层取样钻机绳索单动双管取芯技术有待以后的工程中进一步实践验证。