全斷面復合片PDC鉆頭在印尼Jatigede水電站大壩帷幕灌漿工程中的應用

史青松

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 工程概述

Jatigede水庫工程位于印度尼西亞西爪哇省Cimanuk河上，控制流域面積1414 km2，最大壩高110 m，總庫容 1062.78 ×106m3，水庫正常蓄水位高程260 m，電站裝機容量110 MW，多年平均發電量約4.5億kW·h。大壩鉆孔灌漿工程分為大壩主壩混凝土蓋板灌漿和灌漿廊道灌漿兩部分，帷幕灌漿鉆孔深度為20～100 m，帷幕灌漿總計60000 m。

壩址區大部分被表土和基巖風化物質覆蓋。鉆孔灌漿施工區域內的地層巖性為上第三系上新統(N2)火山角礫巖巖組。該巖組由火山角礫巖、火山礫巖及砂巖組成，傾角平緩。兩壩肩下游壩基位于上第三系上新統(N2)火山角礫巖頂部，巖石已風化成含孤塊石的砂質粘土，透水性較強。

巖體為壩址區兩岸上第三系中新統(N12)粘土巖巖組(可能為HaLang組上段)，該粘土巖位于N2火山角礫巖之下，兩者呈不整合接觸。該巖組主要為灰綠色蒙脫石粘土巖，少量為砂巖、火山角礫巖、凝灰巖和粉砂巖，厚度大于5 m。砂巖、凝灰巖和粉砂巖大多位于該巖組下部3～9 m。圍巖工程地質分類為:粘土巖及風化角礫巖為V類，新鮮角礫巖為Ⅳ類。

基巖灌漿是水利水電工程基礎處理領域的重要內容之一，大中型水電站在大壩基礎加固和防滲處理方面灌漿工作是必不可少的。一般而言，灌漿工作的特點是工程量大、工期要求短、造孔深度淺及不用提取巖芯等。本工程根據設計施工規范及我部多年積累的施工經驗，通過認真分析地質條件，提出了采用全斷面不取芯鉆頭施工工藝。根據國內施工情況，我部在前期針對鉆頭選擇了復合片PDC鉆頭、小口徑牙輪鉆頭及金剛石牙輪破芯鉆頭進行了對比試驗，采用清水鉆進工藝。

2 復合片鉆頭、牙輪鉆頭及金剛石牙輪破芯鉆頭試驗

2.1 三種鉆頭的簡介及破巖機理

(1)復合片鉆頭。

復合片PDC鉆頭是使用金剛石復合片做切削刃的鉆頭。該鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動的零部件，結構比較簡單，具有高強度、高耐磨和抗沖擊的能力，為20世紀80年代世界鉆孔三大新技術之一。該鉆頭在軟-中硬地層中鉆進時具有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩、孔內事故少、孔身質量好等優點。該鉆頭不但使用時間長，還可以重復利用，返廠修復的金剛石鉆頭使用起來和出廠的新鉆頭使用效果差不多，能大量節約鉆井成本。

該鉆頭的破巖作用是由金剛石顆粒完成的。在堅硬地層中，單粒金剛石在鉆壓作用下使巖石處于極高的應力狀態，從而使巖石發生巖性轉變，由脆性變為塑性。單粒金剛石嵌入地層，在扭矩作用下切削破巖，切削深度基本上等于金剛石顆粒的嵌入深度。這一過程如同“犁地”，故稱為金剛石鉆頭的犁式切削作用。在一些脆性較大的巖石里(如砂巖、石灰巖等)，鉆頭上的金剛石顆粒在鉆壓、扭矩的同時作用下，破碎巖石的體積遠大于金剛石顆粒的吃入與旋轉體積。當壓力不大時，只能沿金剛石的運動方向形成小溝槽，加大壓力則會使小溝槽深部與兩側的巖石破碎，超過金剛石顆粒的斷面尺寸。復合片鉆頭在地層表面切削范圍內形成碎渣，在鉆孔液的帶動下放排出孔內，形成鉆孔。

(2)牙輪鉆頭。

小口徑牙輪鉆頭由支架體、牙輪、密封滑動軸承等組成，材料主要采用優質硬質合金鋼。支架使用鎳鋼，牙輪采用鉻鋼。

該鉆頭的碎巖機理主要為:在牙輪鉆頭工作時，在一定的鉆壓以及從鉆桿柱獲得的旋轉作用下，鉆頭沿順時針方向公轉，而鉆頭自身的輪自轉，牙輪鉆頭就是依靠自轉、公轉等多種復合運動產生的沖擊壓碎和剪切作用破碎巖石。

(3)金剛石牙輪破芯鉆頭。

金剛石牙輪破芯鉆頭主要由金剛石鉆頭及擴孔器內嵌兩輪牙輪組成，該鉆頭對于巖層堅硬的地層進行全斷面不取芯鉆進具有很大益處。

該鉆頭的碎巖機理主要是由金剛石鉆頭首先將巖層切削成柱狀巖芯，再由內部的牙輪在壓力和旋轉力的作用下對柱狀體進行切削破碎，以達到不取芯和減少提下鉆勞動強度的目的。

2.2 三種鉆頭的試驗情況

本工程采用重慶探礦機械廠生產的XY－2B型地質鉆機，鉆頭均為φ75，復合片鉆頭采用湖南飛洋鉆探工具有限公司生產的金剛石全斷面復合片PDC鉆頭，鉆頭類型為φ75，三翼;牙輪鉆頭采用三輪形式，金剛石牙輪破芯鉆頭采用兩輪內嵌式，三種鉆頭具體的試驗效果見表1～3。

3 試驗成果分析及性能參數對比

表1 金剛石全斷面復合片PDC鉆頭應用效果表

表2 牙輪鉆頭應用效果表

表3 金剛石牙輪破芯鉆頭應用效果表

3.1 鉆進效率

通過本項目初期的試驗，將小口徑牙輪鉆頭、金剛石牙輪破芯鉆頭同復合片鉆頭的應用情況進行對比，單就鉆進效率而言，金剛石牙輪破芯鉆頭在本項目上鉆進效率是最低的，每h僅為2 m左右;牙輪鉆頭的鉆進效率平均每h達到了11 m，與復合片鉆頭的鉆進效率(平均每h鉆進約14 m)基本相差不大。

3.2 使用壽命

本項目進行初始試驗時，對三種鉆頭的使用壽命進行了對比。但由于金剛石牙輪破芯鉆頭的鉆進效率太低，故只用其造了一個20 m的孔就沒有再應用，但其并未損壞;使用牙輪鉆頭鉆進80 m時有一輪掉入孔內，該鉆頭報廢，以后就沒有再使用牙輪鉆進;復合片鉆頭一個鉆頭即可造孔320 m，復合片及鉆頭磨損嚴重，鉆頭報廢。

本項目到目前為止，由于施工中嚴格進行控制，使用了復合片鉆頭120個，鉆進孔深40000余m，平均壽命達到了330 m/個，為項目施工節約了大量成本。

3.3 鉆頭成本

本項目鉆頭使用價格(規格均為φ75)為:牙輪鉆頭人民幣890元/個，復合片鉆頭人民幣951元/個，金剛石牙輪破芯鉆頭價格為人民幣1005元/個。很明顯，金剛石牙輪破芯鉆頭價格高，鉆進效率低，是不可取的;牙輪鉆頭根據其使用壽命計算，約合人民幣11元/m;復合片鉆頭合人民幣2.9元/m。顯然，成本越低，其越能創造效益。

3.4 其他性能對比

材質及制作工藝:牙輪鉆頭，包括破芯鉆頭內嵌的牙輪，材質主要是優質合金鋼。硬質合金需要韌性強、強度高的鎢鈷材料，為了提高加工精度和效率，一般需要使用數控機床等，牙輪小軸要進行滲碳處理;另外，牙輪上的球齒焊接技術性要求較高、潤滑及密封問題大，這些均影響牙輪鉆頭的質量;而復合片的技術相對要成熟一些，PDC鉆頭的材料主要為鑄造碳化鎢和金剛石復合片，故其壽命長，價值高;該鉆頭屬一體式鉆頭，整個鉆頭沒有活動的零部件，結構比較簡單，具有高強度、高耐磨和抗沖擊能力。

由于牙輪鉆頭的制造材料和工藝上的缺陷，容易出現掉輪現象，致使孔內事故多，從而影響施工進度;復合片鉆頭一般不會產生這種問題，不會對孔內產生影響。

4 結語

金剛石牙輪破芯鉆頭在對相對較軟的地層進行全斷面鉆進時，從鉆進效率上講是不適宜的。

小口徑牙輪鉆頭和復合片PDC鉆頭雖然在施工效率上相差不多，但牙輪鉆頭目前存在的缺陷對施工的經濟成本和施工中的技術工藝都不如復合片PDC鉆頭優越。

通過分析與對比，在本項目或與本項目類似的地層中采用復合片PDC鉆頭鉆進施工是可行的，不但提高了鉆進速度，也降低了孔內事故，還節約了成本，特此推薦此施工工藝。

［1］ 李世忠.鉆探工藝學［M］.北京:地質出版社，1994.