工程地质钻探技术的发展现状及应用

  摘 要：工程地质钻孔的直径应根据工程要求、地质条件再结合钻探方法、钻探设备予以综合确定。为了划分地层而进行的钻孔，钻孔直径一般不宜小于33mm；为采取原状土样而进行的钻孔，孔径大小不宜小于108mm；为采取岩芯试样的钻孔，对于软质岩石其直径不宜小于108mm，对于硬质岩石其直径不宜小于89mm。常见的钻探方法有很多种，根据破碎岩土的方法可分为：冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探、振动钻探等。常用的地质钻探设备主要包括动力机、钻机、泥浆泵、钻杆和钻头等。本文就根据自身工作经验，针对地质钻探技术的相关要点进行详细阐述。  关键词：地质钻探；钻进技术；钻孔

 

  1 地质钻探技术设备现状

 

  钻探技术设备是钻孔工程中的关键组成部分，它随着钻探工艺和钻探方法的发展而变化，同时它也直接影响着钻探技术水平的进步。地质钻探设备是指直接用于钻探施工中的机械设备，主要包括动力机、钻机、泥浆泵等，其中最重要的部分，也是核心部分为钻机。这里主要对钻机现状进行阐述。

 

  1．1 全液压动力头岩芯钻机

 

  全液压动力头岩芯钻机现已成为国外钻探工程中的主流钻机机型，而且已经形成完整的规模，其具有如下结构特点：液压动力头式回转机构、无级调速模式、长行程的给进系统、机械化自动化程度高、液压绞车式提升系统、配套器具齐全、在钻孔中能做较大范围角度调整的桅杆机构等特点。

 

  1．2 新型中深孔钻机

 

  新型中深孔钻机多为多功能钻机。随着复合钻探技术的进步，即金刚石岩芯钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜行锤取样钻探等钻进工艺的广泛使用，适用该复合钻进的多功能钻机得到了飞速发展。

 

  1．3 自动化、智能化钻机 自动化、智能化钻机在欧美地区已经成熟使用。一些新型的钻机系列早已实现全自动化，如典型适合金刚石钻进的高转速低扭矩钻机适用于地表或巷道内工作。更有一系列的钻机真正实现了机台单人操作。

 

  1．4 国内钻探设备

 

  目前，国内地质钻探设备的主力机型仍为立轴式岩芯钻机，同时，全液压动力头岩芯钻机正在快速地增长中。而对于深部矿山区的钻探工程，国产的坑道钻机得到广泛使用，其也得到了大规模地发展。在煤气层钻探中所采用的煤层气钻机大多采用水源钻机、物探钻机或进口钻机，这也使得国内的煤层气钻机能有个广阔的市场。

 

  2 地质钻探技术

 

  地下钻探技术是向地质体钻孔并破碎孔底岩石的方法及钻进工艺的综合。根据不同的钻进目的，我们可以采取不同的钻进方式和钻探设备，从而形成各种不同钻探方法。在钻进的过程中，原始机械的方法进行岩石的破碎现在仍然被采用。  根据不同的外力的作用方式，可将现钻探方法分为冲击式钻探、回转式钻探、冲击回转式钻探和振动式钻探，个别特殊地层条件下喷射式钻探也常常被采用。如果根据钻探切削工具的不同又可将钻探方法分为钢粒钻探、硬质合金钻探和金刚石钻探。根据钻探的目的和作用不同可分为水文地质钻探、固体矿产钻探、工程地质钻探、地热钻探、砂矿床钻探、石油天然气钻探、科学（超深孔）钻探和地表取样钻探等。如按所用冲洗液和循环方式又可分为泥浆钻探、清水钻探、空气钻探、正循环钻探以及反循环钻探等。按钻探区域的不同又可分为极地钻探、陆地钻探、水域钻探以及月面钻探等。除此之外，还有一些高效的钻探方法如热力法、熔融法和化学方法等，但这些方法因为成本高、技术难度大而未得到广泛适用。其中热力法包括高频电流钻、火焰喷射钻、微波钻等，熔融法包含等离子钻、电热钻、激光钻等，而化学方法常用的是利用化学试剂将岩石进行破碎。

 

  2．1 冲击式钻探

 

  冲击式钻进是始创于中国的一种古老的钻井方法，早在11世纪传入西方，目前在中国和国外都还在广泛适用。其钻进原理在于使用钢丝绳或钻杆相连用一字型或十字形钻头，上下运动冲击岩石，同时捞出岩屑和岩粉，形成钻孔。

 

  影响冲击钻进的速度主要是冲击频率、冲击功、冲击方式及传递三要数。冲击频率对钻进速度的影响根据冲击的频率不同，可将其分为4类：低频、中频、高频和超高频。冲击频率与钻进效率是成正比的，但当冲击频率达到某一定值后，这个比例关系就不再存在，相反而有所下降。这是因为单位时间内的重复次数多，孔内的岩屑来不及排出，沉积在钻头部位起到一个缓冲的作用。另外，冲击频率大，必然冲击时间过短，导致冲击功对于岩石的作用时间不够长，破岩不够完全而达不到高效率的体积破碎。冲击功大小对钻进速度有着最直接的影响。研究表明：在钻头直径固定时，不同的冲击功破碎的单位体积岩石所需的冲击功是不同的，而且数值相差很大，这就说明了冲击功在冲击式钻进中的地位。

 

  冲击方式及传递对钻进速度的影响按振动源不同可分为机械式、气（液）动式和电磁式3种类型。其中重点介绍机械式冲击钻，机械式也称为机械惯性式。这种利用凸轮的旋转产生冲击力的冲击方式的最大特点就是结构简单、制造容易、振动力大，但同时其结构特点也限制了在水平孔钻进中的应用。

 

  2．2 回转式钻探

 

  回转式钻进是当前用的最普通的钻进方法，这是利用钻具的回转运动破碎岩层而成孔的一种钻进方法。钻机分为大、小锅锥钻机，正、反循环转盘式钻机，液压动力头式钻机，潜孔振动回转式钻机等。相对简单的回转钻机只有简单的钻进装置，完善结构的回转式钻机除了具备钻进装置外还具有循环洗井装置。回转钻机中的另一种转盘式水井钻机的钻具包括钻杆和钻头。回转速度视钻机而异，如石油钻机在一般情况下最高为160r/min，金刚石钻机最高可达到2400r/min。常用的钻杆的名义直径有60、73、89和114mm等4种，钻头分全面钻进用钻头和环状钻进用钻头2大类。

 

  大、小锅锥利用其锅锥形钻具旋转切削土层，两者都可由人力或动力驱动。旋转过程中切下的土屑或岩屑掉落到锅内，随后提升到地面倒出。其结构简单工效低，只能用于一般的土层或软质岩层地层条件。正、反循环泥浆洗井转盘式钻机由塔架、卷扬机、转盘、钻具、泥浆泵、水龙头和电动机等组成。作业时，动力机提供的扭矩通过传动装置驱动转盘，由主动钻杆带动钻头旋转破碎岩层。泥浆通过泥浆泵注入钻杆与孔壁之间的环形区域起到润滑钻杆和冷却钻头的作用。

 

  2．3 冲击回转式钻探

 

  冲击回转式钻进是指用冲击和回转2种方式同时破碎岩石的钻探方式。作业时，以钻杆带动钻头低转速回转，在轴向钻头的压力下，再利用通过钻杆中心的液体或气体产生的冲击力，以冲击和回转2种方式破碎岩石，充分发挥冲击和回转切削2种作用来形成钻孔或采取岩芯。这种方法起源于19世纪的欧洲，1958年才被中国地质部所重视而开始研究，20世纪70年代发展较快。冲击回转式钻进的优点在于其能大大提高硬质层转速和回转进尺长度，降低钻孔弯曲程度，明显降低工程成本。冲击回转钻探通常采用以下2种冲击器实现，一种是利用钻孔中冲洗液能量驱动的冲击器来实现，称液动冲击回转钻探；另一种则利用压缩空气驱动的风动冲击器实现，称气动冲击回转钻探。

 

  液动冲击回转钻探系统是有泥浆泵将冲洗液注入冲击器驱动液动锤来产生动力对岩芯管和钻头进行冲击，钻杆则有钻机提供扭矩回转并同时对钻头施压。这种钻探方法也常与绳索取芯钻具相结合，被称为绳索取芯式液动冲击回转钻探。液动冲击器是冲击回转钻探中的关键组成部分。液动冲击回转钻探适用于地质岩芯钻探、工程地质钻探等，而且适合反循环钻探和深孔钻探中。

 

  2．4 振动式钻探

 

  振动式钻进过程中利用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力。它除利用地表振动器和钻具对地层产生垂直静载外，还有钻具上下振动产生的高频冲击振动所产生的动载，对岩层周围或土层产生振动。在高频的振动下，岩层或土层的强度下降，岩层和土层在钻具和振动器自重和振动力的联合作用下，使钻头钻进岩土层，从而实现钻进的过程。

 

  振动钻进常采用机械式双轮双轴振动器，其采用双轴水平布置外，还可以上下平行布置。这样布置后不仅可以产生垂直振动，还可以产生横向振动。此外，还有单轴单轮振动器和单轴双轮振动器等布置方式。常用的振动器有无簧式和有簧式2类。其中有簧式振动锤由电动机、振动器、弹簧、冲头、砧子和接头组成。其特点是振动其与钻具分开，这样既可振动钻进，又可进行冲击振动钻进。  另外喷射式钻探技术是利用钻孔冲洗液流经钻头喷嘴所形成的高压高能射流充分地清洗孔底的钻屑，使钻屑免于重复削切，并与机械作用联合破碎孔底岩石，达到提高机械转速的一种钻进技术。

 

  4 结束语

 

  随着科学技术的进步和国民经济的快速发展，钻探工程在地质勘探、矿物开采等很多领域的应用将会日益增大，并且与其他尖端的科技将会结合应用，如地壳科学深钻等。科学的不断发展在一定程度上为钻探工程提供了一个更为广阔的应用前景，同时也给钻探工程带来了紧迫感。钻探技术的发展进步可能对整个地质学理论带来挑战，从而促使资源、新材料以及地质灾害的防治提供更为全面、准确的数据。