工程地質(zhì)鉆探技術研究

鄒艷輝

【摘 要】工程地質(zhì)鉆孔的直徑應根據(jù)工程要求、地質(zhì)條件再結合鉆探方法、鉆探設備予以綜合確定。為了劃分地層而進行的鉆孔，鉆孔直徑一般不宜小于33mm；為采取原狀土樣而進行的鉆孔，孔徑大小不宜小于108mm；為采取巖芯試樣的鉆孔，對于軟質(zhì)巖石其直徑不宜小于108mm，對于硬質(zhì)巖石其直徑不宜小于89mm。常見的鉆探方法有很多種，根據(jù)破碎巖土的方法可分為：沖擊鉆探、回轉鉆探、沖擊回轉鉆探、振動鉆探等。常用的地質(zhì)鉆探設備主要包括動力機、鉆機、泥漿泵、鉆桿和鉆頭等。本文就根據(jù)自身工作經(jīng)驗，針對地質(zhì)鉆探技術的相關要點進行詳細闡述。

【關鍵詞】地質(zhì)鉆探；鉆進技術；鉆孔

Engineering geology drilling technology

Zou Yan-hui

（Jiangxi Geology and Mineral Exploration and Development Bureau 901 Geological Brigade Pingxiang Jiangxi 337000）

【Abstract】Engineering geology drilling diameter should be based on engineering requirements， geological conditions combined drilling method， drilling equipment shall be determined comprehensively. Drilling carried out in order to divide the formation， the hole diameter is generally not less than 33mm； drilling to take undisturbed soil samples carried out， the pore size of not less than 108mm； to take samples of drill core， for soft rock with a diameter not less than 108mm， to hard rock with a diameter not less than 89mm. There are many common drilling methods， depending on the broken rock and soil can be divided into： the impact of drilling， rotary drilling， rotary drilling shock， vibration drilling. Common geological drilling equipment including power machine， drilling rig， mud pump， drill and drill and so on. In this paper， based on their experience relevant points for geological drilling technology will be described in detail.

【Key words】Geological Drilling；Drilling technology；Drilling

1. 地質(zhì)鉆探技術設備現(xiàn)狀

鉆探技術設備是鉆孔工程中的關鍵組成部分，它隨著鉆探工藝和鉆探方法的發(fā)展而變化，同時它也直接影響著鉆探技術水平的進步。地質(zhì)鉆探設備是指直接用于鉆探施工中的機械設備，主要包括動力機、鉆機、泥漿泵等，其中最重要的部分，也是核心部分為鉆機。這里主要對鉆機現(xiàn)狀進行闡述。

1.1 全液壓動力頭巖芯鉆機。

全液壓動力頭巖芯鉆機現(xiàn)已成為國外鉆探工程中的主流鉆機機型，而且已經(jīng)形成完整的規(guī)模，其具有如下結構特點：液壓動力頭式回轉機構、無級調(diào)速模式、長行程的給進系統(tǒng)、機械化自動化程度高、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)整的桅桿機構等特點。

1.2 新型中深孔鉆機。

新型中深孔鉆機多為多功能鉆機。隨著復合鉆探技術的進步，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工藝的廣泛使用，適用該復合鉆進的多功能鉆機得到了飛速發(fā)展。

1.3 自動化、智能化鉆機。

自動化、智能化鉆機在歐美地區(qū)已經(jīng)成熟使用。一些新型的鉆機系列早已實現(xiàn)全自動化，如典型適合金剛石鉆進的高轉速低扭矩鉆機適用于地表或巷道內(nèi)工作。更有一系列的鉆機真正實現(xiàn)了機臺單人操作。

1.4 國內(nèi)鉆探設備。

目前，國內(nèi)地質(zhì)鉆探設備的主力機型仍為立軸式巖芯鉆機，同時，全液壓動力頭巖芯鉆機正在快速地增長中。而對于深部礦山區(qū)的鉆探工程，國產(chǎn)的坑道鉆機得到廣泛使用，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大多采用水源鉆機、物探鉆機或進口鉆機，這也使得國內(nèi)的煤層氣鉆機能有個廣闊的市場。

2. 地質(zhì)鉆探技術

2.1 地下鉆探技術是向地質(zhì)體鉆孔并破碎孔底巖石的方法及鉆進工藝的綜合。根據(jù)不同的鉆進目的，我們可以采取不同的鉆進方式和鉆探設備，從而形成各種不同鉆探方法。在鉆進的過程中，原始機械的方法進行巖石的破碎現(xiàn)在仍然被采用。

2.2 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、回轉式鉆探、沖擊回轉式鉆探和振動式鉆探，個別特殊地層條件下噴射式鉆探也常常被采用。如果根據(jù)鉆探切削工具的不同又可將鉆探方法分為鋼粒鉆探、硬質(zhì)合金鉆探和金剛石鉆探。根據(jù)鉆探的目的和作用不同可分為水文地質(zhì)鉆探、固體礦產(chǎn)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、地熱鉆探、砂礦床鉆探、石油天然氣鉆探、科學（超深孔）鉆探和地表取樣鉆探等。如按所用沖洗液和循環(huán)方式又可分為泥漿鉆探、清水鉆探、空氣鉆探、正循環(huán)鉆探以及反循環(huán)鉆探等。按鉆探區(qū)域的不同又可分為極地鉆探、陸地鉆探、水域鉆探以及月面鉆探等。除此之外，還有一些高效的鉆探方法如熱力法、熔融法和化學方法等，但這些方法因為成本高、技術難度大而未得到廣泛適用。其中熱力法包括高頻電流鉆、火焰噴射鉆、微波鉆等，熔融法包含等離子鉆、電熱鉆、激光鉆等，而化學方法常用的是利用化學試劑將巖石進行破碎。endprint

2.2.1 沖擊式鉆探。

（1）沖擊式鉆進是始創(chuàng)于中國的一種古老的鉆井方法，早在11世紀傳入西方，目前在中國和國外都還在廣泛適用。其鉆進原理在于使用鋼絲繩或鉆桿相連用一字型或十字形鉆頭，上下運動沖擊巖石，同時撈出巖屑和巖粉，形成鉆孔。

（2）影響沖擊鉆進的速度主要是沖擊頻率、沖擊功、沖擊方式及傳遞三要數(shù)。沖擊頻率對鉆進速度的影響根據(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。沖擊頻率與鉆進效率是成正比的，但當沖擊頻率達到某一定值后，這個比例關系就不再存在，相反而有所下降。這是因為單位時間內(nèi)的重復次數(shù)多，孔內(nèi)的巖屑來不及排出，沉積在鉆頭部位起到一個緩沖的作用。另外，沖擊頻率大，必然沖擊時間過短，導致沖擊功對于巖石的作用時間不夠長，破巖不夠完全而達不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對鉆進速度有著最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時，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，這就說明了沖擊功在沖擊式鉆進中的地位。

（3）沖擊方式及傳遞對鉆進速度的影響按振動源不同可分為機械式、氣（液）動式和電磁式3種類型。其中重點介紹機械式?jīng)_擊鉆，機械式也稱為機械慣性式。這種利用凸輪的旋轉產(chǎn)生沖擊力的沖擊方式的最大特點就是結構簡單、制造容易、振動力大，但同時其結構特點也限制了在水平孔鉆進中的應用。

2.2.2 回轉式鉆探。

（1）回轉式鉆進是當前用的最普通的鉆進方法，這是利用鉆具的回轉運動破碎巖層而成孔的一種鉆進方法。鉆機分為大、小鍋錐鉆機，正、反循環(huán)轉盤式鉆機，液壓動力頭式鉆機，潛孔振動回轉式鉆機等。相對簡單的回轉鉆機只有簡單的鉆進裝置，完善結構的回轉式鉆機除了具備鉆進裝置外還具有循環(huán)洗井裝置?；剞D鉆機中的另一種轉盤式水井鉆機的鉆具包括鉆桿和鉆頭。回轉速度視鉆機而異，如石油鉆機在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機最高可達到2400r/min。常用的鉆桿的名義直徑有60、73、89和114mm等4種，鉆頭分全面鉆進用鉆頭和環(huán)狀鉆進用鉆頭2大類。

（2）大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉切削土層，兩者都可由人力或動力驅動。旋轉過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。其結構簡單工效低，只能用于一般的土層或軟質(zhì)巖層地層條件。正、反循環(huán)泥漿洗井轉盤式鉆機由塔架、卷揚機、轉盤、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動機等組成。作業(yè)時，動力機提供的扭矩通過傳動裝置驅動轉盤，由主動鉆桿帶動鉆頭旋轉破碎巖層。泥漿通過泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區(qū)域起到潤滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。

2.2.3 沖擊回轉式鉆探。

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

（2）液動沖擊回轉鉆探系統(tǒng)是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅動液動錘來產(chǎn)生動力對巖芯管和鉆頭進行沖擊，鉆桿則有鉆機提供扭矩回轉并同時對鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結合，被稱為繩索取芯式液動沖擊回轉鉆探。液動沖擊器是沖擊回轉鉆探中的關鍵組成部分。液動沖擊回轉鉆探適用于地質(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。

2.2.4 振動式鉆探。

（1）振動式鉆進過程中利用振動器帶動鉆桿和碎巖工具產(chǎn)生周期性振動力。它除利用地表振動器和鉆具對地層產(chǎn)生垂直靜載外，還有鉆具上下振動產(chǎn)生的高頻沖擊振動所產(chǎn)生的動載，對巖層周圍或土層產(chǎn)生振動。在高頻的振動下，巖層或土層的強度下降，巖層和土層在鉆具和振動器自重和振動力的聯(lián)合作用下，使鉆頭鉆進巖土層，從而實現(xiàn)鉆進的過程。

（2）振動鉆進常采用機械式雙輪雙軸振動器，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，還可以產(chǎn)生橫向振動。此外，還有單軸單輪振動器和單軸雙輪振動器等布置方式。常用的振動器有無簧式和有簧式2類。其中有簧式振動錘由電動機、振動器、彈簧、沖頭、砧子和接頭組成。其特點是振動其與鉆具分開，這樣既可振動鉆進，又可進行沖擊振動鉆進。

（3）另外噴射式鉆探技術是利用鉆孔沖洗液流經(jīng)鉆頭噴嘴所形成的高壓高能射流充分地清洗孔底的鉆屑，使鉆屑免于重復削切，并與機械作用聯(lián)合破碎孔底巖石，達到提高機械轉速的一種鉆進技術。

3. 結束語

隨著科學技術的進步和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鉆探工程在地質(zhì)勘探、礦物開采等很多領域的應用將會日益增大，并且與其他尖端的科技將會結合應用，如地殼科學深鉆等。科學的不斷發(fā)展在一定程度上為鉆探工程提供了一個更為廣闊的應用前景，同時也給鉆探工程帶來了緊迫感。鉆探技術的發(fā)展進步可能對整個地質(zhì)學理論帶來挑戰(zhàn)，從而促使資源、新材料以及地質(zhì)災害的防治提供更為全面、準確的數(shù)據(jù)。endprint