陈琛
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【摘要】在地质勘探作业中钻探工程是其最重要的技术手段之一，其主要目的是为了获取完整的岩矿芯，并对岩土物理学相关指标及其特性进行进一步明确，从而为工程设计提供准确而有效的勘察资料。而钻探的质量是整个工程建筑稳定，安全的关键，因此，优化钻探工艺十分重要。本文以各种地质钻探技术为研究对象，介绍了关于如何制定科学合理的钻探施工方案的策略，以期望对后续的地质钻探提供参考和借鉴。
【关键词】地质钻探；钻探工艺；方案优化
【引言】在日常的地质工程钻探实践中, 钻探过程是地质勘察的主要方式和手段之一, 通过地质钻探能够获取较为完整的芯体, 从而更加精确和完整的判定岩石的物力性质, 提供较为精准的地质勘察资料, 为后期的工程设计和施工提供参照。在具体的钻探工程实践中, 保证钻探质量是确保工程建设效率的关键, 加之水文地质条件的复杂和多变, 选取合理的钻探技术显得尤为关键。
1野外地质钻探设备简介
钻探设备是期探人员开展工作必不可少的工具，主要有以下几种类型，比如钻机，泥浆汞、动力机以及钻塔等。其中钻机设备的功能很简单，用于地下钻孔。泥浆汞，其又被称为钻井汞，它的功能输送泥浆，或是清洗，塔井又称井架，主要架设在钻场，或是井场上方，与钻井绞车相互协调工作，完成升降钻具。总体来说，钻机可以分为三种，分别是立轴式钻机转盘式钻机以及顶驱式钻机，每个钻机都有自身的功能，勘擦工人根据野外地质环境特点合理使用钻机。
2钻探工艺
2.1金刚石钻进
?采用金刚石钻探杆作为钻井设备主要具备以下基本优势:首先, 由于金刚石钻探杆材料坚硬, 在具体的钻探过程中不需要考虑钻探杆的损伤, 其钻探效率较高。对于同一位置的地层钻进施工, 选用金刚石钻头与普通钢钻相比, 其单位时间的推进距离至少高出几倍, 以月为统计单位计算, 其钻探效率要明显高于普通钻头80%以上, 选用金刚石钻探能够适应强度等级在Ⅵ级及以上的岩石。此外, 选用金刚石钻头钻探, 其钻探效率还有继续提高的可能, 譬如, 可以配合使用刚度较高的钻杆和性能良好的钻探液可以进一步加快钻速, 提升钻探效率;采用井下换钻技术能够削减辅助设施准备时间, 间接提高设备效率。
??再者是, 使用金刚石钻头所钻进的井位整体质量较高。使用金刚石钻头可以在短时间内获取较为完整的岩石芯体, 科学研究表面, 在完整的岩石中, 使用金刚石钻头一次性获取满足要求的岩石芯体的概率在95%以上, 对于稍微裂隙发育的岩层, 通过使用改良的双孔钻井技术一次性获取完整岩石芯体的概率也在85%以上。此外, 由于设备刚度较大, 在外部冲击荷载的作用下出现的变形较小, 能够保证所取岩石芯体的完整性和表面平整性, 利于客观反应岩层内部的真实力学特性。由于金刚石钻头钻井过程中对周围岩层的扰动较小, 孔内出现钻井内部垮塌的事故风险较低, 且钻杆与孔壁间距较小, 出现钻探杆故障容易快速解决。综上, 高效率、高质量、低劳动强度、低事故降低了钻探成本, 致使金刚石钻进在钻探工程中被广泛使用, 然而, 对于坚硬、致密、易出现打滑的地层, 如果钻头选择不当, 就有可能造成麻烦, 降低钻进效率。对付这种岩层, 可采取改变钻头胎体的几何形状结构等办法, 比如将钻头刃部改为锯齿状或单双块形状。但是这种措施降低了钻头的使用寿命, 可能造成碰损掉块等不良后果。
2.2绳索取芯钻进
所谓绳索取芯钻进，就是指在钻进的过程中，遇到岩芯充满岩芯管的情况时，不需要提钻取掉岩芯，而是以钻杆内的孔为通道，同时借助于绳索等打捞器，把取芯管提升到孔外的取芯钻进的方法，它是一种最新开发的取芯方法，并没有完全推广到钻探工程中。其有着如下的优点：①钻进效率高。绳索取芯的钻头壁较其它普通取芯钻头壁厚，钻进时机械钻速略低。但由于钻进时不用提钻取芯，增加了纯钻进时间，故总体上钻进效率较普通钻头高；②地质效果好。绳索取芯钻探技术是最好的钻探技术方法，它综合了各种地质的效果，其钻具打捞速度快，提升较平稳且岩芯堵塞后能即时报警，这便于问题的立即处理，减小了岩矿芯的损耗，因此，该技术岩芯采取率高且质量好；③钻头寿命长。由于提钻次数减少，因此钻头在升降过程中的拧卸、碰撞的机会以及扫空时的磨损相应减少。另外，钻杆与孔壁的小间隙保证了钻头在孔内的平稳工作，一定程度上也提高了钻头的寿命；④有利于复杂地层的钻进、孔内安全和便于测斜工作。提钻次数的减少，缩短了孔壁的裸露时间，也减少了升降钻具时对孔壁的破坏。而且钻杆能够起到套管的作用，保护了孔壁，也使下放测斜仪器更加便利；⑤减轻了劳动强度，整体降低了钻探成本。起下钻具次数的减少，很大程度上降低了劳动强度，在深孔时这个优点更为明显。再加之钻进效率较高，钻头寿命长，整体降低了钻探成本。
然而，该种钻探技术钻杆的内径大而管壁薄，要求较高的连接强度，而且钻头壁较厚，切削孔底岩石的面积较大，使得钻进时碎岩功率消耗较大。由此，绳索取芯钻探技术有着钻杆的可靠性较低以及其使用寿命较短的缺点。
2.3冲击旋转钻进
冲击旋转钻进施工技术主要针对于在钻进过程中, 钻头已承受一定荷载作用的前提下, 借助设备的沿孔道方向的冲击力及钻头的旋转离心力的合力实现对钻进位置岩层的快速切削, 以实现钻进行为。依照动力来源的差异, 可以将冲击旋转钻进设备具体划分为气体动力式钻进设备和液压传动式冲击钻进设备;其中, 选用气体动力的钻进设备和液压动力设备虽然动力来源有差异, 但在具体钻进过程中发挥出的优势基本一致。与传统的钻进技术相比, 使用冲击与旋转耦合作用模式的钻头仅需要较小的力就可以实现对岩层的快速切削, 该钻进技术被广泛应用在强度等级超过Ⅵ级的岩石层中, 尤其对于颗粒分布不均匀的岩层钻井效果最佳。
除此以外, 使用冲击旋转钻井施工技术在能够显着提高钻进设备行进速度的前提下, 还可以有效防止钻杆内部的孔道阻塞或孔道内部倾斜故障, 提升钻探设备的钻探精度, 增加钻探过程的性价比, 减低施工投入。由于拟钻进位置的外部环境较为复杂且存在很多程度的不可预见性, 这就需要因地制宜地选取合理的钻探技术, 保证钻探技术能够更好地发挥优势, 以最快的方式获取拟定深度位置的岩石芯体力学指标及相关参数。因此, 在具体的岩层钻探施工过程中, 对于钻探工艺的选取必须以岩石的物理性质为准绳, 针对性选取合理的钻探方式, 譬如:对于孔道直径较小的井口, 为了保证后期的钻孔内部的芯体能够及时取出, 可以考虑选用金刚石钻进与绳索调取配合的方式。
3结语
综上所述，每种钻进方法都有自己的优势和劣势, 这就要求在实际钻探工程中, 扬长避短, 施工设计人员需认真结合实际地质环境, 充分分析研究该区岩土层的工程特性, 借鉴当地以往类似的地质勘察施工经验, 充分考虑各种方法的应用范围, 并且进行工艺对比, 合理、经济地选择其中一种或者多种钻进方法, 达到互相补充的效果, 保证该次勘察任务的质量、效率以及经济性。
【参考文献】
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