淺析鉆探鉆機(jī)在煤層氣中施工技術(shù)的應(yīng)用

中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處 221600

摘要：工程地質(zhì)鉆探中的鉆進(jìn)目的是為了取得巖芯樣品從而獲得巖層的各項(xiàng)力學(xué)、物理、化學(xué)參數(shù)，為地面的建筑設(shè)計(jì)或巖層礦物的鉆探提供依據(jù)。常見的鉆探方法可根據(jù)巖石的破碎方式分為沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探和振動(dòng)鉆探等，鉆進(jìn)技術(shù)一般又可分為淺鉆、巖芯鉆和地下鉆等。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)；鉆探；鉆進(jìn)技術(shù)；鉆探應(yīng)用

近年來(lái)，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局在全國(guó)11座礦區(qū)部署施工了煤層氣參數(shù)井和生產(chǎn)試驗(yàn)井25口中，施工單位基本上摒棄了刮刀和硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)的傳統(tǒng)工藝方法，采用了金剛石繩索取心鉆進(jìn)和牙輪鉆頭擴(kuò)孔成井的綜合鉆探工藝方法進(jìn)行鉆探。儲(chǔ)層測(cè)試、固井及排采工作程序借用了常規(guī)天然氣井的有關(guān)技術(shù)。施工中我們獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，但煤層氣井勘探開發(fā)中的鉆探工藝技術(shù)尚需完善。

1、地質(zhì)鉆探技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀

1.1全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)

全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)現(xiàn)已成為國(guó)外鉆探工程中的主流鉆機(jī)機(jī)型，而且已經(jīng)形成完整的規(guī)模，其具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：液壓動(dòng)力頭式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、無(wú)級(jí)調(diào)速模式、長(zhǎng)行程的給進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械化自動(dòng)化程度高、液壓絞車式提升系統(tǒng)、配套器具齊全、在鉆孔中能做較大范圍角度調(diào)整的桅桿機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)。

1.2新型中深孔鉆機(jī)

新型中深孔鉆機(jī)多為多功能鉆機(jī)。隨著復(fù)合鉆探技術(shù)的進(jìn)步，即金剛石巖芯鉆探、空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探、空氣潛行錘取樣鉆探等鉆進(jìn)工藝的廣泛使用，適用該復(fù)合鉆進(jìn)的多功能鉆機(jī)得到了飛速發(fā)展。

1.3自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)

自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)在歐美地區(qū)已經(jīng)成熟使用。一些新型的鉆機(jī)系列早已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，如典型適合金剛石鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速低扭矩鉆機(jī)適用于地表或巷道內(nèi)工作。更有一系列的鉆機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)臺(tái)單人操作。

1.4國(guó)內(nèi)鉆探設(shè)備

目前，國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探設(shè)備的主力機(jī)型仍為立軸式巖芯鉆機(jī)，同時(shí)，全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)正在快速地增長(zhǎng)中。而對(duì)于深部礦山區(qū)的鉆探工程，國(guó)產(chǎn)的坑道鉆機(jī)得到廣泛使用，其也得到了大規(guī)模地發(fā)展。在煤氣層鉆探中所采用的煤層氣鉆機(jī)大多采用水源鉆機(jī)、物探鉆機(jī)或進(jìn)口鉆機(jī)，這也使得國(guó)內(nèi)的煤層氣鉆機(jī)能有個(gè)廣闊的市場(chǎng)。

2、地質(zhì)鉆探技術(shù)

地下鉆探技術(shù)是向地質(zhì)體鉆孔并破碎孔底巖石的方法及鉆進(jìn)工藝的綜合，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，原始機(jī)械的方法進(jìn)行巖石的破碎現(xiàn)在仍然被采用。根據(jù)不同的外力的作用方式，可將現(xiàn)鉆探方法分為沖擊式鉆探、回轉(zhuǎn)式鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探和振動(dòng)式鉆探

2.1沖擊式鉆探

影響沖擊鉆進(jìn)的速度主要是沖擊頻率、沖擊功、沖擊方式及傳遞三要數(shù)。沖擊頻率對(duì)鉆進(jìn)速度的影響根據(jù)沖擊的頻率不同，可將其分為4類：低頻、中頻、高頻和超高頻。沖擊頻率與鉆進(jìn)效率是成正比的，但當(dāng)沖擊頻率達(dá)到某一定值后，這個(gè)比例關(guān)系就不再存在，相反而有所下降。這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)多，孔內(nèi)的巖屑來(lái)不及排出，沉積在鉆頭部位起到一個(gè)緩沖的作用。另外，沖擊頻率大，必然沖擊時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致沖擊功對(duì)于巖石的作用時(shí)間不夠長(zhǎng)，破巖不夠完全而達(dá)不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對(duì)鉆進(jìn)速度有著最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時(shí)，不同的沖擊功破碎的單位體積巖石所需的沖擊功是不同的，而且數(shù)值相差很大，這就說(shuō)明了沖擊功在沖擊式鉆進(jìn)中的地位。沖擊方式及傳遞對(duì)鉆進(jìn)速度的影響按振動(dòng)源不同可分為機(jī)械式、氣（液）動(dòng)式和電磁式3種類型。其中重點(diǎn)介紹機(jī)械式?jīng)_擊鉆，機(jī)械式也稱為機(jī)械慣性式。這種利用凸輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生沖擊力的沖擊方式的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、振動(dòng)力大，但同時(shí)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也限制了在水平孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用。

2.2回轉(zhuǎn)式鉆探

回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是當(dāng)前用的最普通的鉆進(jìn)方法，這是利用鉆具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)破碎巖層而成孔的一種鉆進(jìn)方法。鉆機(jī)分為大、小鍋錐鉆機(jī)，正、反循環(huán)轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，潛孔振動(dòng)回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)等。相對(duì)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)只有簡(jiǎn)單的鉆進(jìn)裝置，完善結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)除了具備鉆進(jìn)裝置外還具有循環(huán)洗井裝置?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)中的另一種轉(zhuǎn)盤式水井鉆機(jī)的鉆具包括鉆桿和鉆頭?；剞D(zhuǎn)速度視鉆機(jī)而異，如石油鉆機(jī)在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機(jī)最高可達(dá)到2400r/min。常用的鉆桿的名義直徑有60、73、89和114mm等4種，鉆頭分全面鉆進(jìn)用鉆頭和環(huán)狀鉆進(jìn)用鉆頭2大類。

大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉(zhuǎn)切削土層，兩者都可由人力或動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切下的土屑或巖屑掉落到鍋內(nèi)，隨后提升到地面倒出。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工效低，只能用于一般的土層或軟質(zhì)巖層地層條件。正、反循環(huán)泥漿洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)由塔架、卷?yè)P(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動(dòng)機(jī)等組成。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力機(jī)提供的扭矩通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，由主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖層。泥漿通過(guò)泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區(qū)域起到潤(rùn)滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。

2.3沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探

沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是指用沖擊和回轉(zhuǎn)2種方式同時(shí)破碎巖石的鉆探方式。作業(yè)時(shí)，以鉆桿帶動(dòng)鉆頭低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，在軸向鉆頭的壓力下，再利用通過(guò)鉆桿中心的液體或氣體產(chǎn)生的沖擊力，以沖擊和回轉(zhuǎn)2種方式破碎巖石，充分發(fā)揮沖擊和回轉(zhuǎn)切削2種作用來(lái)形成鉆孔或采取巖芯。這種方法起源于19世紀(jì)的歐洲，1958年才被中國(guó)地質(zhì)部所重視而開始研究，20世紀(jì)70年代發(fā)展較快。沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于其能大大提高硬質(zhì)層轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)進(jìn)尺長(zhǎng)度，降低鉆孔彎曲程度，明顯降低工程成本。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探通常采用以下2種沖擊器實(shí)現(xiàn)，一種是利用鉆孔中沖洗液能量驅(qū)動(dòng)的沖擊器來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探；另一種則利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的風(fēng)動(dòng)沖擊器實(shí)現(xiàn)，稱氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探系統(tǒng)是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅(qū)動(dòng)液動(dòng)錘來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力對(duì)巖芯管和鉆頭進(jìn)行沖擊，鉆桿則有鉆機(jī)提供扭矩回轉(zhuǎn)并同時(shí)對(duì)鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結(jié)合，被稱為繩索取芯式液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。液動(dòng)沖擊器是沖擊回轉(zhuǎn)鉆探中的關(guān)鍵組成部分。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探適用于地質(zhì)巖芯鉆探、工程地質(zhì)鉆探等，而且適合反循環(huán)鉆探和深孔鉆探中。

2.4振動(dòng)式鉆探

振動(dòng)式鉆進(jìn)過(guò)程中利用振動(dòng)器帶動(dòng)鉆桿和碎巖工具產(chǎn)生周期性振動(dòng)力。它除利用地表振動(dòng)器和鉆具對(duì)地層產(chǎn)生垂直靜載外，還有鉆具上下振動(dòng)產(chǎn)生的高頻沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載，對(duì)巖層周圍或土層產(chǎn)生振動(dòng)。在高頻的振動(dòng)下，巖層或土層的強(qiáng)度下降，巖層和土層在鉆具和振動(dòng)器自重和振動(dòng)力的聯(lián)合作用下，使鉆頭鉆進(jìn)巖土層，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的過(guò)程。

振動(dòng)鉆進(jìn)常采用機(jī)械式雙輪雙軸振動(dòng)器，其采用雙軸水平布置外，還可以上下平行布置。這樣布置后不僅可以產(chǎn)生垂直振動(dòng)，還可以產(chǎn)生橫向振動(dòng)。此外，還有單軸單輪振動(dòng)器和單軸雙輪振動(dòng)器等布置方式。常用的振動(dòng)器有無(wú)簧式和有簧式2類。其中有簧式振動(dòng)錘由電動(dòng)機(jī)、振動(dòng)器、彈簧、沖頭、砧子和接頭組成。其特點(diǎn)是振動(dòng)其與鉆具分開，這樣既可振動(dòng)鉆進(jìn)，又可進(jìn)行沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)。

3、鉆進(jìn)技術(shù)及其應(yīng)用

3.1鉆孔技術(shù)的分類

（1）淺鉆。淺鉆一般用來(lái)勘探埋藏深度不深的礦床近地表部分的礦體，當(dāng)涌水量大時(shí)，淺鉆可以代替澆井，其用途與淺井相似。淺鉆的類型有很多，多半是自行安裝在汽車上，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。其優(yōu)點(diǎn)在于投入費(fèi)用相對(duì)較少（經(jīng)濟(jì)）、使用便利（便利）、鉆孔相對(duì)較淺（孔淺）、容易搬運(yùn)（易搬），其缺點(diǎn)在于不能在硬質(zhì)巖層地區(qū)進(jìn)行鉆探。

（2）巖芯鉆。作為一個(gè)用來(lái)了解礦體深部地質(zhì)情況的工程手段，巖芯鉆在對(duì)礦場(chǎng)進(jìn)行勘探的過(guò)程中得到廣泛運(yùn)用。為了了解礦場(chǎng)規(guī)?；虻V體向地下深部延伸情況，或者為了尋找并勘探盲礦體等，一般都要用到巖芯鉆，不管是在山區(qū)或者平地，無(wú)論有無(wú)礦種或者礦場(chǎng)的復(fù)雜程度怎樣，通過(guò)觀測(cè)在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)所采取的巖芯及巖粉，可詳細(xì)地研究鉆頭所穿過(guò)的巖石以及礦場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)計(jì)算礦產(chǎn)的產(chǎn)量。

（3）地下鉆。水平坑道中打進(jìn)的巖芯鉆稱為地下鉆，也叫坑內(nèi)鉆。這種鉆探的工程手段在對(duì)許多礦體數(shù)量多、礦體產(chǎn)狀復(fù)雜的礦床進(jìn)行詳細(xì)勘探或生產(chǎn)勘探時(shí)非常有效，同時(shí)其時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性是其他方法無(wú)法比擬的。

3.2鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

在地質(zhì)勘查工作中，利用鉆探設(shè)備向地下鉆進(jìn)形成的直徑較小、深度較大的柱狀圓孔，又稱鉆井?？傮w來(lái)講，地質(zhì)礦產(chǎn)埋藏深度和鉆孔用途決定鉆孔的直徑和深度的大小，一般在鉆探石油、天然氣或地下水的鉆井直徑較大些。

鉆進(jìn)的作用：（1）形成鉆孔，獲得全面的第一手地質(zhì)體資料。這一資料的獲得在于從鉆孔中取得的巖芯、礦芯、巖屑甚至液、氣態(tài)樣品，有時(shí)還需從內(nèi)孔壁補(bǔ)充側(cè)壁上的巖體進(jìn)行分析研究。（2）可形成人工通道供觀測(cè)地下水層及水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)之用。（3）作為一種便于觀測(cè)并獲取巖礦層各種地球物理信息的通道。（4）一些鉆孔可與采探結(jié)合，用于開采地下水、地?zé)帷⒂蜌赓Y源等。

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