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探析工程地质钻探技术

 探析工程地质钻探技术

付林  河南省有色金属地质矿产局第四地质大队  河南郑州

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

11 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

12 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

13 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

14 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

21 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

22 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607389114mm4钻头分全面钻进用钻头和环状钻进用钻头2大类

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

23 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

24 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

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