地质工程钻探方法综述

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地质的钻探施工，对于钻探设备、钻探工艺、钻探规程和参数、人员操作方式等等都有不同于浅孔施工的要求。

1工程地质钻探的特点及适用条件

在工程地质勘察中，钻探是最基本最常用的勘探手段。不同类型的建筑物，不同的勘察阶段，不同的工程地质条件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用钻探方法。与地质找矿钻探相比，工程地质钻探的特点是：

(1)勘探工程钻孔布置，不光要考虑自然地质条件，还需结合工程类型及特点。如水坝一般应顺坝轴线布孔，工业与民用建筑则需按建筑物的轮廓线布孔等。

(2)钻进深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及为了解专门的地质问题(如控测深岩溶)外，孔深均为十余米至数十米，所以经常采用简易钻探法和轻便钻机。

(3)钻孔多具综合性目的，1个钻孔除了需查明地层岩性、地质结构和水文地质条件外，还要作各种试验、取样、长期观测。有些试验往往与钻进同时进行，所以进尺较慢。

(4)工程地质钻探在钻进方法、钻孔结构、钻进过程中的观测编录等方面，均有特殊的要求。与物探、坑探相比较，钻探工作有其独特的优点，它可以在各种环境下进行，不受地形地质条件的限制。它能直接观察岩心和采样，勘探精度高。勘探深度大，不受地下水的限制，钻进速度也较快，这是坑探所不能比拟的。

2钻头的选择和使用

金刚石钻头的硬度超过坚硬岩石的几倍到几十倍，从理论上说，金刚石钻头可以顺利地在各类地层中钻进，但在实践中，金刚石钻进技术经济效果与管理密切相关，只有科学地选择钻头，并合理地使用，才能提高钻速，减少事故，增加纯钻进时间和延长钻头寿命。

2．1金刚石钻头选择原则

金刚石钻头要求与岩石性质相适应，如选用得正确，便会得到好的效果；如选择不当，不但钻进效果不好，甚至引起其他方面的麻烦。钻头的选择往往涉及许多方面的因素，概括地说应遵循以下原则：

(1)硬的、坚硬致密而研磨性大的岩层，均匀性差，完整度差，甚至破碎地层宜用孕镶金刚石钻头。

(2)硬度级别较低的、完整均质岩层应选用表镶金刚石钻头。

(3)在中硬及中硬以下岩层钻进，选用优质聚晶(PCD)和复合片(PDC)钻头为好。

2．2金刚石钻头选择使用

依据上述原则，针对施工地区地层特点，确定钻头类型。冲击层钻进采用四翼螺旋肋骨取芯钻头和三翼阶梯式无芯钻头。在中硬以下岩层中钻进均采用复合片钻头，7级以上石英砂岩和火成岩等较硬岩层采用人造孕镶金刚石钻头钻进。同一类型的钻头又有不同的形状，我们选择了几种孕镶人造金刚石钻头和复合片取芯钻头及复合片无芯钻头进行了生产试验。从表l可以看出，圆弧形孕镶金刚石钻头各项工作指标都较高，故我们最终选择了圆弧形人造孕镶金刚石钻头钻进较硬的石英砂岩和火成岩。使用金刚石代替硬质合金钻进后，可大幅提高钻速，减少辅助工作时间，钻探效率提高30％以上。两种钻进方法的效果比较见表1。

3工艺参数

金刚石钻进效率除了取决于正确选择钻头外，还取决于钻进工艺参数：钻压、钻头转速和冲洗液量。影响钻进工艺程参数的因素很多，主要有岩层的性质和特点、钻头的类型、所用设备和钻具性能以及钻孔的直径和深度等。评定金刚石钻进工艺是否合理，主要依据钻速、钻头的总进尺和单位进尺金刚石的消耗量三个方面的指标来衡量。根据金刚石性质及破碎岩石的机理，金刚石钻进必须采用以高转速为主体的钻进工艺，配合适当的钻压和足够的冲洗液量。

3．1钻压

决定钻压既有钻进所需的一面，又有所用的设备和钻具可能施加其上的一面。实践证明，钻速在一定限度内随着钻压的上升而增加，当加在钻头上的压力大于所钻岩石的压人硬度时，岩石就由表面破碎转到体积破碎，钻速迅速增长，但当压力接近或超过金刚石本身抗压强度时，金刚石开始破损，导致钻速下降。因此，钻压有一个最优值，这个最优值应该处于岩石抗压强度和金刚石抗压强度之问，以保证钻头很好的磨锐，维持比较稳定的钻速。依据上述原则，结合钻头钻压推荐值，确定钻进不同岩层的钻压值：7级以上较硬岩层10～15kN，5~6级砂岩、细砂岩、粉砂岩，钻压控制在8～llkN，泥岩钻进钻压5～9kN，新地层钻进钻压在4kN以下(见表2)。在实际钻进中，我们根据不同地层条件和钻头情况，对钻压进行调整，以使孔底钻头获得所需钻压。对完整岩石选用钻压上限，对破碎、裂隙和软硬互层岩层选用下限。另外，钻压的施加还具有阶段性，金刚石钻头刚入孔底时，轻压慢转钻进4～5min，等钻头与孔底密合以后，再以正常规程钻进。这样既提高了钻进速度，又可降低钻头金刚石的消耗量，增加钻头的总进尺，特别是PDC钻头钻进，钻压由小逐渐增大对克服钻速衰减是十分必要和有效的，表3列出了3种不同加压方式钻进效果。

3．2转速

转速是影响钻进效率的重要因素。研究转速与机械钻速和钻头磨损之间的关系，对正确选择转速具有重要意义。首先我们选择在不同岩层条件下钻速与转速的变化规律进行试验研究，如图1。从图1曲线可以看出，在泥岩、细砂岩、石英砂岩中钻进，钻速和转速的变化近似呈线性关系，其中，泥岩对转速的增加最为敏感。当然，随着转速的增加，钻头单位时间内的磨损量有所增加，但是其单位时间内的进尺量亦随转速增加而增加，钻头磨损的增长低于破岩效率的提高，因而相对磨损量下降。虽然钻进效率随转速的增加而提高，但是生产中不能无限提高转速，而应结合钻头、设备、钻具能力、钻孔等因素来确定转速。在生产施工中，参照钻头的推荐值，结合设备、钻具情况，确定了比较合理的转速(表4)。

3．3冲洗液量

冲洗液量是金刚石钻进的另一重要规程参数，它除了冷却钻头，排除岩粉外，还具有调节金刚石胎体正常磨损，即适时暴露金刚石的作用，还有软化岩石、保护孔壁、润滑减振作用。金刚石钻进特点是岩粉细小，钻具与孔壁、孔底的间隙都很小，冲洗液流经狭窄的通道，阻力很大，般不需要大泵量。如泵量过大，不仅增加工作泵压，而且会冲坏孔壁，冲蚀岩芯，而易造成岩芯堵塞事故，还会造成钻压的过量减少，甚至会造成钻具的振动。当然，泵量不足也会发生排粉不畅，增大阻力，增大金刚石耗量，严重不足时，则会发生烧钻等严重事故。冲洗液排除岩粉和冷却钻头的效率，取决于液流返流速度，所以，现在常以冲洗液的上返流速来计算金刚石钻进所需的泵量，即：Q=6VF式中：O为冲洗液量Umin；V为环空间隙上返流速(≥0．3～0．5wds)：F为钻孔的环空面积(era2)。在实际操作中，随钻孔的不断延深而降低转速，取得较好效果(表4)。钻压和转速这二个工艺参数，虽然各有其作用和特点，但在钻进过程中是相互配合和相互制约的，因此不能孤立研究选择某一参数，必须综合权衡，使钻头在最优状态下工作，方能充分发挥金刚石钻进的有效能力。

4效益

4．1直接效益

随着该工艺技术研究、实践完善及其推广应用，使地质勘探钻进效率大幅提高，平均钻机月效由380m提高至现在的580m，最高突破1000m，提高52．6％。全年开动钻机18台，钻探作业总台时达146899，钻月数达204．026个，按市场价格280～320元，m，单机每个钻月可多创收60000元左右，公司可多刨产值1000多万元，经济效益相当可观。

4．2间接效益

工艺技术推广应用后，不仅提高了地质勘探的钻进效率和经济效率；同时也因所施工的钻孔质量好、工期短，受到甲方的肯定与好评和同行的敬佩与效仿，稳固并扩大了在这一行业中的市场份额。

5结束语

不同建筑场地的工程地质条件，不同的钻探目的，决定了工程地质钻探方法和设备的选择。目的明确，技术先进，方法多样，是工程地质钻探特有的技术特点，因此有必要对钻探技术加深认识，不断地学习和创新。