鉆探工程施工技術(shù)工藝研究及注意事項(xiàng)

王金明

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 酒泉 735000）

在地質(zhì)勘探的過(guò)程中鉆探工程對(duì)勘探的效率和質(zhì)量有著非常重要的影響，其在地質(zhì)勘探的過(guò)程中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。地質(zhì)勘探工作展開的環(huán)境通常比較惡劣，存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)勘探工作的展開和勘探工作人員的安全都帶來(lái)了一定的威脅。鉆探施工是地質(zhì)勘探的過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較大的勘測(cè)技術(shù)手段之一，為保證地質(zhì)勘測(cè)的質(zhì)量和效率，以及參與地質(zhì)勘測(cè)中人員的安全，需要在鉆探施工開始之前對(duì)其有一個(gè)充分全面的認(rèn)識(shí)，在施工的過(guò)程中做好相關(guān)的管理和監(jiān)督工作，保證鉆探工作的順利進(jìn)行。

1 鉆探工程

鉆探工程是指依據(jù)相關(guān)的技術(shù)要求和規(guī)范，從地表向地殼內(nèi)部鉆孔并按照相關(guān)的要求從地殼內(nèi)部取出地質(zhì)樣品，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行分析進(jìn)而了解地質(zhì)情況的一種地質(zhì)勘探技術(shù)。隨著鉆探技術(shù)在使用過(guò)程中表現(xiàn)出諸多的優(yōu)異性，其在其他的工程項(xiàng)目建設(shè)的過(guò)程中也得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段將工程建設(shè)過(guò)程中為滿足特定的需求而向地表以下挖掘通道的工程泛稱為鉆探工程。文章主要研究地質(zhì)勘探過(guò)程中采用的鉆探工程技術(shù)。鉆探工程是在地下一定的深度進(jìn)行施工，因此其施工作業(yè)的環(huán)境通常都比較復(fù)雜，且存在較大的施工難度和施工危險(xiǎn)性，這幾個(gè)方面的因素導(dǎo)致了在鉆探施工的過(guò)程中對(duì)施工技術(shù)的要求較高。鉆探工程施工設(shè)備對(duì)整個(gè)鉆探工程的質(zhì)量和效率具有決定性的作用。鉆探技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)形成了成熟的理論和技術(shù)體系，在不同的地質(zhì)環(huán)境中可以采用不同的鉆探技術(shù)，以此有效提升整體的鉆探的質(zhì)量和效率。具體實(shí)施時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員要依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境選擇適宜的鉆探設(shè)備和鉆探方式。

2 鉆探設(shè)備

現(xiàn)階段在鉆探施工的過(guò)程中使用的鉆探設(shè)備主要由鉆頭、鉆桿、沖洗液和鋼管4個(gè)部分組成。

2.1 鉆頭

在進(jìn)行鉆探施工的過(guò)程中需要根據(jù)施工環(huán)境中的實(shí)際地質(zhì)條件選擇適宜的鉆頭。決定鉆頭的主要因素是巖石硬度。不同的鉆探深度巖石的硬度存在一定的差異，因此需要在鉆探的過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)巖石硬度并及時(shí)根據(jù)巖石的硬度變化選擇適宜的鉆頭?，F(xiàn)階段在鉆探施工中使用的鉆頭主要分為3種類型：金剛石類鉆頭、硬質(zhì)合金類鉆頭、鋼粒類鉆頭。不同類型的鉆頭適宜不同的巖石硬度，其中金剛石鉆頭通常被用來(lái)對(duì)最堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行鉆探。就鉆頭的使用范圍而言，金剛石鉆頭是最為廣泛的，主要原因是其在鉆探的過(guò)程中進(jìn)尺速度快、鉆探可靠性高。

2.2 鉆桿

鉆桿通常都是鋼材，其橫截面形狀一般為圓形，直徑在40～50mm。在實(shí)際施工的過(guò)程中通常選用的鉆桿長(zhǎng)度在4.5～6.0m。鉆桿的作用是帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆桿與鉆頭的連接方式主有兩2種：一是焊接，二是螺紋絲扣連接。螺紋絲扣連接由于易于進(jìn)行鉆桿和鉆頭的更換而在實(shí)踐中得到了更為廣泛的應(yīng)用。

2.3 沖洗液

在進(jìn)行鉆探作業(yè)的過(guò)程中，鉆頭會(huì)與地層巖石發(fā)生劇烈的摩擦進(jìn)而升溫導(dǎo)致工作效率降低，甚至對(duì)鉆頭及相關(guān)的部件造成一定的損傷，因此在鉆探施工的過(guò)程中需要采用清洗液。清洗液的配方需要根據(jù)施工環(huán)境中的具體需要進(jìn)行配置。在工程實(shí)踐的過(guò)程中已經(jīng)形成了針對(duì)流沙地層、泥巖地層等常見(jiàn)地層的清洗液配方，極大地簡(jiǎn)化了相關(guān)的工作。

2.4 鋼管

鋼管的作用是對(duì)已經(jīng)鉆探成功的鉆孔壁進(jìn)行一定的支撐，在實(shí)踐的過(guò)程中這一設(shè)備還有其他的名稱，但是其發(fā)揮的作用是一致的，即有效防止鉆孔壁在鉆探的過(guò)程中出現(xiàn)坍塌等地質(zhì)危害，影響鉆探工作的進(jìn)一步展開。

3 鉆探方法

鉆探這一技術(shù)在實(shí)踐中有著長(zhǎng)久的發(fā)展歷程，現(xiàn)階段已經(jīng)形成了3種比較成熟的鉆探方法，在地質(zhì)勘探的過(guò)程中可以根據(jù)自身的實(shí)際需要和地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)選擇恰當(dāng)?shù)你@探方式進(jìn)而有效提升鉆探施工的效率。

3.1 回轉(zhuǎn)鉆探

采用這種鉆探模式進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，鉆頭的鉆進(jìn)模式有兩種：一是環(huán)狀鉆進(jìn)模式，二是全面鉆進(jìn)模式。這種鉆探方式的優(yōu)點(diǎn)是非常便于取樣工作的展開。在鉆探的過(guò)程中，當(dāng)鉆頭的鉆進(jìn)模式為環(huán)狀鉆進(jìn)時(shí)就可以進(jìn)行取樣作業(yè)；當(dāng)鉆頭的鉆進(jìn)模式為全面鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)的軌道為一螺旋曲線，不適宜進(jìn)行地質(zhì)樣品的提取。

3.2 沖擊鉆探

這種鉆進(jìn)方式主要應(yīng)用在對(duì)硬度較高的巖層和土層進(jìn)行鉆探作業(yè)中。其優(yōu)點(diǎn)是能夠有效克服地質(zhì)條件硬度大對(duì)鉆探工作帶來(lái)的不利影響，極大提升鉆探作業(yè)的施工效率。在實(shí)際施工的過(guò)程中通常是借助鉆機(jī)提供的沖擊力實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的切削進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆探的目的。

3.3 振動(dòng)鉆探

振動(dòng)鉆探的鉆探深度一般較小，其通常只適應(yīng)于硬度較小的地質(zhì)環(huán)境中，但是其施工過(guò)程簡(jiǎn)單、施工成本較低、工作效率較高，適宜于地質(zhì)勘探過(guò)程中的檢測(cè)科研性鉆探作業(yè)。

4 鉆探工程施工工藝

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段在地質(zhì)勘探的過(guò)程中使用范圍最廣的鉆探設(shè)備是金剛石鉆機(jī)，在地質(zhì)勘探的過(guò)程中由于其目的通常是取得一定的樣品，因此采用的鉆機(jī)口徑都較小。小口徑金剛石在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中其鉆孔的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，在鉆探施工之前需要進(jìn)行周密的計(jì)劃，盡可能避免換徑?，F(xiàn)階段在鉆探施工的過(guò)程中鉆孔深度通常較大，因此在制定鉆探施工的方案時(shí)需要重視鉆具的材質(zhì)和地質(zhì)變化對(duì)鉆探施工帶來(lái)的一系列影響。在鉆探工程開始之前應(yīng)該明確鉆進(jìn)工程可能的最大鉆進(jìn)深度，并以此來(lái)選擇合適的鉆進(jìn)初始口徑，避免在后期的鉆進(jìn)過(guò)程中由于口徑的選擇不當(dāng)影響鉆進(jìn)的效率和質(zhì)量。如果鉆探設(shè)備中的鉆桿外徑同鉆孔壁之間的間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致清洗液上返速度慢，無(wú)法及時(shí)有效地清除在鉆探的過(guò)程中產(chǎn)生的渣土，有可能造成燒埋鉆頭和鉆桿折斷的現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響鉆探施工進(jìn)度，甚至帶來(lái)生產(chǎn)安全事故。因此在進(jìn)行鉆探作業(yè)的過(guò)程中需要慎重選擇鉆口口徑，可以在相關(guān)參考資料的基礎(chǔ)上增大一道兩徑，以此來(lái)保證鉆探施工的安全和效率。

4.2 鉆具級(jí)配

在進(jìn)行鉆探作業(yè)的過(guò)程中鉆具的級(jí)配主要指2個(gè)方面：一是根據(jù)鉆探的深度確定鉆探口徑的大小，二是鉆桿同鉆頭之間的搭配。在進(jìn)行鉆探深度和鉆口口徑的級(jí)配時(shí)，應(yīng)盡可能擴(kuò)大鉆口的直徑，為后續(xù)鉆探施工計(jì)劃的變更留出足夠的變更余量。在進(jìn)行鉆桿和鉆頭的搭配時(shí)，應(yīng)盡可能使鉆桿的直徑大于鉆頭的直徑。在進(jìn)行鉆具級(jí)配的過(guò)程中，要盡可能提升鉆具的扭矩力，縮小鉆具同孔壁之間的摩擦力。此外，也需要考慮到鉆孔內(nèi)部發(fā)生常見(jiàn)事故的處理以及對(duì)常見(jiàn)鉆探故障的防范。

4.3 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆探施工的過(guò)程中鉆進(jìn)參數(shù)是指鉆探設(shè)備在工作的過(guò)程中可以調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)，其主要指鉆機(jī)壓力、鉆頭轉(zhuǎn)速、泵壓、泵率以及其他不同地質(zhì)環(huán)境中的一些參數(shù)。在進(jìn)行鉆探施工的過(guò)程中鉆進(jìn)參數(shù)的設(shè)置發(fā)揮著非常重要的作用，其在一定程度上直接影響了鉆探工作的質(zhì)量和效率。在實(shí)際的鉆探施工的過(guò)程中影響鉆探參數(shù)的因素非常多，且各個(gè)因素之間呈現(xiàn)了一定的關(guān)聯(lián)性。鉆探施工人員在進(jìn)行鉆探之前需要將可能影響鉆探參數(shù)的各個(gè)因素進(jìn)行全面的匯總并深入分析，以此制定恰當(dāng)?shù)你@進(jìn)參數(shù)，提升鉆探作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

5 鉆探施工注意事項(xiàng)

5.1 上部地層鉆探注意事項(xiàng)

不同地區(qū)的地層都有著自身的特殊性，在上部地層進(jìn)行鉆探時(shí)應(yīng)該盡可能避免在地層的空洞區(qū)進(jìn)行鉆探，避免將鉆孔設(shè)置在巖石層地質(zhì)環(huán)境中，防止發(fā)生整體性破壞事故。在進(jìn)行鉆探施工之前，需要對(duì)待鉆探區(qū)域的整體地質(zhì)構(gòu)造情況有一個(gè)深入全面的了解并以此制訂一份系統(tǒng)全面的鉆探施工計(jì)劃，在地質(zhì)環(huán)境極為惡劣的情況下進(jìn)行鉆探時(shí)應(yīng)采用兩路鋼管的施工工藝。在鉆探施工的過(guò)程中要就實(shí)際鉆探情況同前期研究的理論進(jìn)行對(duì)證，當(dāng)鉆探實(shí)際情況同前期理論研究結(jié)論偏差過(guò)大時(shí)，應(yīng)暫停鉆探，深入研究造成這一現(xiàn)狀的原因，在采取一定的措施之后再恢復(fù)鉆探施工。

5.2 坍塌嚴(yán)重孔壁中鉆探注意事項(xiàng)

由于地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性在鉆探過(guò)程中不可能避免地會(huì)面臨在坍塌嚴(yán)重的孔壁中進(jìn)行鉆探施工作業(yè)的情況。在這種環(huán)境中進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，需要對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行有效的控制。通常在這種環(huán)境中進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)需要降低鉆探壓力和鉆探速度，盡可能減小鉆探工作對(duì)孔壁帶來(lái)的影響，以此來(lái)增強(qiáng)孔壁的穩(wěn)定性。在極端情況下應(yīng)對(duì)孔壁進(jìn)行技術(shù)性處理以達(dá)到繼續(xù)鉆探的相關(guān)要求，如果孔壁坍塌情況無(wú)法得到有效的控制，應(yīng)該更換鉆探位置，重新開始施工，避免在不滿足施工條件的環(huán)境下進(jìn)行施工進(jìn)而造成嚴(yán)重的鉆探生產(chǎn)安全事故。

5.3 地層傾角較大區(qū)域鉆探注意事項(xiàng)

在鉆探施工的過(guò)程中遭遇地層傾角較大的環(huán)境時(shí)，鉆探施工操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的坍塌問(wèn)題。因此，在面對(duì)這種地質(zhì)環(huán)境時(shí)應(yīng)采用全孔灌漿的方式保證孔壁的穩(wěn)定性。同時(shí)，面對(duì)此種地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行鉆探時(shí)要對(duì)相關(guān)的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，選擇適宜的鉆進(jìn)速度，避免在鉆探的過(guò)程中出現(xiàn)鉆探事故。

6 抱鉆現(xiàn)象

在鉆探施工的過(guò)程中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是出現(xiàn)抱鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是鉆頭進(jìn)入地質(zhì)傾角較大的區(qū)域，鉆頭的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地質(zhì)層結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈破碎引起了周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的坍塌。避免出現(xiàn)這種情況的有效措施是采用沖孔再加尺的鉆探方法，還需要在鉆探的過(guò)程中保證泥漿循環(huán)正常。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著時(shí)間的推移，我國(guó)鉆探行業(yè)得到了極大的發(fā)展，并在很大程度上滿足了相關(guān)市場(chǎng)對(duì)資源的需求。不過(guò)，在部分施工單位的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于其自身經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱，無(wú)法及時(shí)更換鉆探設(shè)備，導(dǎo)致實(shí)際鉆探過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備損壞等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，相關(guān)人員需要加強(qiáng)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用，并結(jié)合單位自身實(shí)際情況，嚴(yán)格遵守有關(guān)部門的規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)鉆探工作的了解，提高鉆探工作的水平與質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)社會(huì)整體的進(jìn)一步發(fā)展。