浅谈野外地质钻探工艺的优化

2014-04-07范晓东

陕西水利 2014年3期

赵涛范晓东齐江

（核工业二一六大队新疆乌鲁木齐 830011）

1 引言

近年来，大型水利枢纽、高层建筑物的建造以及道路工程的快速发展，钻探工程、坑探工程和地球物理勘探已成为地质勘探的主要方法。钻探就是在地质勘探中，利用钻机向地层中钻孔，采取岩芯，通过对岩芯的观察以及试验，从而了解地下岩层、地下水的分布情况以及确定岩土的物理指标及岩土特性，为工程的施工设计提供了详细的地质资料。钻探适用性强，一般不受地形、地质条件的限制，可以在各种环境下进行；勘探深度可达几千米以上，效率高，并且岩芯和取样能够被直接观察，提供了较为精确的地质资料。正由于这些坑探、物探所不及的优点，所以被广泛应用于矿产、地下水、油气藏、地热的寻找及地下工程、隧道工程等岩土工程的勘探中。然而在实际勘探工程中，既要考虑钻进的效率，又需顾及经济性、合理性，达到施工成本、施工进度和施工质量的最优化，面对钻探工艺和地质环境的多样化，钻探工艺的选型及优化尤为重要。

2 钻探设备

钻探机械主要包括钻机、泥浆泵、动力机和钻塔等。钻机是用于向地下钻孔的最重要的机械设备。泥浆泵又称钻井泵，是向钻孔里输送泥浆或清水等冲洗液的机械设备。钻塔又称井架，是架设在钻场或井场上方，配合钻机绞车进行升降钻具的塔架。总体来说，钻机分为立轴式钻机、转盘式钻机和顶驱式钻机三类。①立轴式钻机：该钻机用机械或者液压作为动力，通过立轴来驱动钻杆的回转，因其具有运行可靠度高、功能强大、结构简单、拆卸方便、操作简单、适应性强等特点，已成为地质勘探的主力设备。例如XY系列钻机，其中XY-4型钻机是一种具有中国特色的新型高速金刚石岩芯钻机。②转盘式钻机：该钻机利用自身的重量加压并辅以液压给进。该钻机相对较重，移位不方便，其口径较大、转速低、转矩也大，一般用于大口径硬合金岩芯钻探和水文水井钻探中。③顶驱式钻机：该钻机利用全液压作为动力，以液压马达来驱动转轴回转。其具有转速高、自动化程度高、运转平稳、无级调速调压等优点，然而由于其造价高，液压元件质量的限制，还未能广泛应用于钻探工程中。总之，三类钻机各有优势，在钻探工程中，应结合具体的地质环境，在考虑实用性及经济性的基础上择优而用。

3 钻探工艺

钻探工艺和钻进方法有很多种，其按钻进时不同情况分为不同的类型：按破碎岩石的外力性质可分为冲击钻进、冲击回转钻进、回转钻进、振动钻进等；按是否取样可分为取芯钻进和不取芯钻进；按破碎岩石所使用磨料的种类可分为钻粒钻进、硬质合金钻进和金刚石钻进等。

3.1 钻进方法

3.1.1 金刚石钻进

金刚石钻进[4]有着如下优点：①钻进的效率较高。当钢粒钻进和金刚石钻进同时应用于相同的地质条件中，金刚石钻进比钢粒钻进小时速率高数倍，月效率高50%以上，其适合于Ⅵ级以上的岩石。而且金刚石钻进效率有一定的提升空间，例如采用高强度钻杆和减震润滑剂实现高转速钻进，以此提高小时效率；采用绳索取芯钻进和井底换钻头技术，将尽可能减少辅助时间，提升台月效率；②钻孔质量较好。利用金刚石钻进可以以高采取率取得代表性较好的岩矿芯。在完整和较完整的地层中，金刚石单管钻进的岩矿芯采取率可达90%以上，即使在破碎和裂隙发育的地层中，利用双管钻进，岩矿芯采取率也能达90%左右。钻孔弯曲度小，所取岩矿芯结构完整，表面清晰光滑，品质好，这将有利于真实地反映地质情况；③设备工具轻，劳动强度低。与钢粒钻进的设备相比，金刚石钻进的全套设备轻1倍左右，这将有利于设备的搬迁运输，安装和拆卸，更有利于地形条件比较复杂、交通不变的地区的钻探施工。而且金刚石钻进口径较小，钻头在孔底回转扭矩也较小，升降钻具时，钻杆拧卸容易，总体减轻了劳动强度；④孔内事故少。小口径金刚石钻进时，孔内事故较少，并且钻杆与孔壁间隙小，一旦发生钻杆折断事故也容易处理。

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。

3.1.2 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。其有着如下优点：①钻进效率高。绳索取芯的钻头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，它综合了各种地质效果，其钻具打捞速度快，提升较平稳且岩芯堵塞后能及时报警，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。

3.1.3 硬质合金钻进

所谓硬质合金钻进就是将具有一定强度和形状的硬质合金材料，按钻进的要求固定在钻头上，使其切削破碎岩石的一种钻进方法。硬质合金钻进时工作平稳、振动较小，所取岩芯比较光滑完整，采取率也比较高。钻头结构可以根据不同的岩性灵活改变；该钻进方法操作简单方便，钻进参数易控制，孔内事故较少，并且应用范围不受孔深、孔径和孔向的限制；硬质合金钻进成本费用较低。然而，由于在不同地质环境条件下，岩石具有不同大小的强度，这就要求作为钻头的硬质合金材料必须具有非常大的硬度和耐磨性能，对其韧性、抗弯能力、热硬性和导热性的要求也很高。但是材料本身的硬度毕竟有限，且其强度和耐久性不是很高，故在坚硬岩层中钻进效率不高，钻头寿命较短，其一般用于Ⅱ-Ⅵ级岩石。

3.1.4 冲击回旋钻进

所谓冲击回转钻进就是指在钻头已承受一定静荷载的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法，也就是在回转钻进的条件下为提高钻进效率而加入一个具有一定冲击频率和冲击能量的冲击器的钻进方法，它又可分为气动冲击钻进和液动冲击钻进两种。冲击回旋钻进有着如下优点：与常规回转钻进法相比，冲击回转钻进只需较小的力就可达到破碎坚硬岩石的效果；该法最适用于岩石等级为Ⅵ-Ⅷ级及部分Ⅸ级的粗颗粒的不均质岩层；冲击回旋钻进不仅可以提高钻进效率和钻头寿命，还可以防止岩芯堵塞、钻孔弯曲倾斜等问题，总体提高了钻探质量，降低了钻探成本。

地质环境和成因条件千差万别，这就要求所选择的钻探工艺对其有不同的适宜性，并且准确确定岩土的物理力学指标及岩土特性，是保证钻探质量的关键。所以钻探工程施工技术工艺的选择要依据所钻探地层岩石的物理性质，选取合适的钻进方法。例如，如果采用小口径金刚石钻进，对于深孔时，就需要用适应的小口径金刚石绳索进行取芯和钻进；面对软弱粘性土层及可塑偏软粘性土层时，应考虑水位以上及水位以下土层的特点，选取不同的钻进方法，地下水位以上，由于该土层抗剪强度较低，所以可采用重锤冲击钻进或者螺旋钻进；地下水位以下，浅孔可采用套管螺旋钻，深孔应采用冲击回旋钻进。对于可塑偏硬、硬塑以及坚硬的粘性土层，应采用冲击回旋钻进。对于砂层，也应该考虑地下水的影响。地下水位以上应考虑砂土的粒径及粘粒含量的大小，较大时，可采用螺旋钻进，孔深较深时，可减小螺旋钻的直径。由以上对不同钻进方法的分析可知，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。

3.2 钻孔结构、钻具级配及钻进参数的调整[5]

钻探施工除了考虑上述钻探设备和钻进方法两个重要因素外，还需考虑钻孔结构、钻具的级配以及钻进参数的合理调整。以下笔者就金刚石钻进技术论述如何进行钻孔结构、钻具级配的选择和钻进参数的调整。

3.2.1 钻孔结构

小口径金刚石钻进工艺要求钻孔结构越简单越好，在施工过程中尽量减少换径次数。然而，钻孔较深时，必须考虑钻具材质及地层方面造成的不利因素。就1500mm深的钻孔而言，如果采用常规的56mm口径一径钻到底，这将因钻具扭矩大、钻杆外径和孔壁间隙小、冲洗液上返较困难等因素，使得事故处理难度较大，因此需要加大一到两径。

3.2.2 钻具级配

合理取用大一到两径钻具级配，这将会满足钻进时增大钻具扭矩力和减小钻具的钻杆外径与孔壁的间隙这一要求。例如，某一深度的钻孔开孔可采用相应大小的合金钻头进行钻进，当达到某一深度后，下入比前者小2mm的开孔套管。然后改用更小直径的绳索取芯钻具进行钻进，当钻至3/5目标孔深处，只需要更换钻具部分即可，钻杆仍用刚才的绳索取芯钻杆。

这样的级配设计优化，不仅增加了钻杆扭矩力，同时减小了钻杆和孔壁间的间隙，在一定程度上增强了钻具的稳定性，防止钻孔倾斜，事故发生率有所减小。

3.2.3 钻进参数的调整

钻进的三要素为转速、钻压和冲洗液量，这三个参数直接影响了钻进的效率、钻孔质量和材料消耗。合理对这三个参数进行调控，就可以控制钻进的状态，使得钻进取得较好的效果。钻头对岩石的切入量是对这三参数调控的主要依据，调控效果的好与坏也以此而定，因为切入量与孔底工作状态、孔底功率消耗以及钻头的工作条件密切相关，其度量办法一般为测量钻头每转的进尺量。然而，在钻探过程中，影响钻进技术参数的因素很多，这些因素互相制约互相关联。影响金刚石钻进技术参数的对应因素有很多，这些因素多是相互制约、互相关联。例如地层岩性特点、钻探设备选择，孔深、孔径、钻孔结构等。在具体施工设计中应根据实地条件，综合分析，进行合理的选取。

对于金刚石钻头，通常通过随时调节钻压和转速采用定切入量钻进。对于每一规格的钻头，均存在一个最优钻进速度。为了使系统保持这个最优钻进速度，需不断调控钻压及转速。如果钻压过大，将会造成钻头的过量磨损，使其使用寿命降低；钻压过小，会使钻头刃口很快抛光而不能钻进。由此可见，对钻压、转速两参数的调整尤为重要。

而对于硬质合金钻进，三参数的合理调整也非常重要。钻压的合理调整应该建立在保护钻头耐久性及保证获得最大的钻探速度上，钻速的提高依赖于钻头压力的增加，但是，当压力过大时又会造成崩刃、钻具折断、钻孔不直等不良现象。一般地，钻头速度的提高可以相应增大钻速，但是物极必反，当超过最优钻速时，钻头速度增大，钻速却快速降低，因此，对于岩性不同的地层，应该合理选择转速，在软、中硬岩中钻进时，可以采用较高的转速，在坚硬或者非均匀并有裂缝的岩石中钻进时，应当适当的降低转速。冲洗液的使用量应当根据岩性和孔径等因素来选择。一般情况下，面对较软的岩层，如果钻进速度较快，将会产生较多的岩石粉，这就需要大量的冲洗液，当岩石颗粒大、比重也大、孔深且孔径大时，冲洗液量同样应该加大，但是对于松散、破碎的地层，冲洗液量可相对减小。

综上所述，保质保量地完成一次钻探任务，应该按如下步骤进行：①大致了解该钻探地区的地形条件以及交通条件，从而选择适合的钻探设备，尤其是钻机。②根据地质历史资料或者借鉴该钻探区以往类似的地质勘察施工经验，大致了解该地层的特性，选择合理经济的钻进方法。③为了保证钻探的效率以及钻探的质量，必须考虑地层岩性特点、钻探设备的选型，孔深及孔径等因素，以此设计合理的钻孔结构、钻具级配，并且需对钻进三参数做出合理的调整。以上步骤的认真完成，将会使得钻探工艺达到最优化，地质勘察质量将会有所保障。