淺談野外地質鉆探工藝的優化

趙 濤 范曉東 齊 江

（核工業二一六大隊 新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

近年來，大型水利樞紐、高層建筑物的建造以及道路工程的快速發展，鉆探工程、坑探工程和地球物理勘探已成為地質勘探的主要方法。鉆探就是在地質勘探中，利用鉆機向地層中鉆孔，采取巖芯，通過對巖芯的觀察以及試驗，從而了解地下巖層、地下水的分布情況以及確定巖土的物理指標及巖土特性，為工程的施工設計提供了詳細的地質資料。鉆探適用性強，一般不受地形、地質條件的限制，可以在各種環境下進行；勘探深度可達幾千米以上，效率高，并且巖芯和取樣能夠被直接觀察，提供了較為精確的地質資料。正由于這些坑探、物探所不及的優點，所以被廣泛應用于礦產、地下水、油氣藏、地熱的尋找及地下工程、隧道工程等巖土工程的勘探中。然而在實際勘探工程中，既要考慮鉆進的效率，又需顧及經濟性、合理性，達到施工成本、施工進度和施工質量的最優化，面對鉆探工藝和地質環境的多樣化，鉆探工藝的選型及優化尤為重要。

2 鉆探設備

鉆探機械主要包括鉆機、泥漿泵、動力機和鉆塔等。鉆機是用于向地下鉆孔的最重要的機械設備。泥漿泵又稱鉆井泵，是向鉆孔里輸送泥漿或清水等沖洗液的機械設備。鉆塔又稱井架，是架設在鉆場或井場上方，配合鉆機絞車進行升降鉆具的塔架。總體來說，鉆機分為立軸式鉆機、轉盤式鉆機和頂驅式鉆機三類。①立軸式鉆機：該鉆機用機械或者液壓作為動力，通過立軸來驅動鉆桿的回轉，因其具有運行可靠度高、功能強大、結構簡單、拆卸方便、操作簡單、適應性強等特點，已成為地質勘探的主力設備。例如XY系列鉆機，其中XY-4型鉆機是一種具有中國特色的新型高速金剛石巖芯鉆機。②轉盤式鉆機：該鉆機利用自身的重量加壓并輔以液壓給進。該鉆機相對較重，移位不方便，其口徑較大、轉速低、轉矩也大，一般用于大口徑硬合金巖芯鉆探和水文水井鉆探中。③頂驅式鉆機：該鉆機利用全液壓作為動力，以液壓馬達來驅動轉軸回轉。其具有轉速高、自動化程度高、運轉平穩、無級調速調壓等優點，然而由于其造價高，液壓元件質量的限制，還未能廣泛應用于鉆探工程中。總之，三類鉆機各有優勢，在鉆探工程中，應結合具體的地質環境，在考慮實用性及經濟性的基礎上擇優而用。

3 鉆探工藝

鉆探工藝和鉆進方法有很多種，其按鉆進時不同情況分為不同的類型：按破碎巖石的外力性質可分為沖擊鉆進、沖擊回轉鉆進、回轉鉆進、振動鉆進等；按是否取樣可分為取芯鉆進和不取芯鉆進；按破碎巖石所使用磨料的種類可分為鉆粒鉆進、硬質合金鉆進和金剛石鉆進等。

3.1 鉆進方法

3.1.1 金剛石鉆進

金剛石鉆進[4]有著如下優點：①鉆進的效率較高。當鋼粒鉆進和金剛石鉆進同時應用于相同的地質條件中，金剛石鉆進比鋼粒鉆進小時速率高數倍，月效率高50%以上，其適合于Ⅵ級以上的巖石。而且金剛石鉆進效率有一定的提升空間，例如采用高強度鉆桿和減震潤滑劑實現高轉速鉆進，以此提高小時效率；采用繩索取芯鉆進和井底換鉆頭技術，將盡可能減少輔助時間，提升臺月效率；②鉆孔質量較好。利用金剛石鉆進可以以高采取率取得代表性較好的巖礦芯。在完整和較完整的地層中，金剛石單管鉆進的巖礦芯采取率可達90%以上，即使在破碎和裂隙發育的地層中，利用雙管鉆進，巖礦芯采取率也能達90%左右。鉆孔彎曲度小，所取巖礦芯結構完整，表面清晰光滑，品質好，這將有利于真實地反映地質情況；③設備工具輕，勞動強度低。與鋼粒鉆進的設備相比，金剛石鉆進的全套設備輕1倍左右，這將有利于設備的搬遷運輸，安裝和拆卸，更有利于地形條件比較復雜、交通不變的地區的鉆探施工。而且金剛石鉆進口徑較小，鉆頭在孔底回轉扭矩也較小，升降鉆具時，鉆桿擰卸容易，總體減輕了勞動強度；④孔內事故少。小口徑金剛石鉆進時，孔內事故較少，并且鉆桿與孔壁間隙小，一旦發生鉆桿折斷事故也容易處理。

綜上，高效率、高質量、低勞動強度、低事故降低了鉆探成本，致使金剛石鉆進在鉆探工程中被廣泛使用，然而，對于堅硬、致密、易出現打滑的地層，如果鉆頭選擇不當，就有可能造成麻煩，降低鉆進效率。對付這種巖層，可采取改變鉆頭胎體的幾何形狀結構等辦法，比如將鉆頭刃部改為鋸齒狀或單雙塊形狀。但是這種措施降低了鉆頭的使用壽命，可能造成碰損掉塊等不良后果。

3.1.2 繩索取芯鉆進

所謂繩索取芯鉆進，就是指在鉆進的過程中，遇到巖芯充滿巖芯管的情況時，不需要提鉆取掉巖芯，而是以鉆桿內的孔為通道，同時借助于繩索等打撈器，把取芯管提升到孔外的取芯鉆進方法，它是一種最新開發的取芯方法，并沒有完全推廣到鉆探工程中。其有著如下優點：①鉆進效率高。繩索取芯的鉆頭較其它普通取芯鉆頭壁厚，鉆進時機械鉆速略低。但由于鉆進時不用提鉆取芯，增加了純鉆進時間，故總體上鉆進效率較普通鉆頭高；②地質效果好。繩索取芯鉆探技術是最好的鉆探技術方法，它綜合了各種地質效果，其鉆具打撈速度快，提升較平穩且巖芯堵塞后能及時報警，便于問題的立即處理，減小了巖礦芯的損耗，因此，該技術巖芯采取率高且質量好；③鉆頭壽命長。由于提鉆次數減少，因此鉆頭在升降過程中擰卸、碰撞的機會以及掃空時的磨損相應減少。另外，鉆桿與孔壁的小間隙保證了鉆頭在孔內的平穩工作，一定程度上也提高了鉆頭的壽命；④有利于復雜地層的鉆進、孔內安全和便于測斜工作。提鉆次數的減少，縮短了孔壁的裸露時間，也減少了升降鉆具時對孔壁的破壞。而且鉆桿能夠起到套管的作用，保護了孔壁，也使下放測斜儀器更加便利；⑤減輕了勞動強度，整體降低了鉆探成本。起下鉆具次數的減少，很大程度上降低了勞動強度，在深孔時這個優點更為明顯。再加之鉆進效率較高，鉆頭壽命長，整體降低了鉆探成本。

然而，該種鉆探技術鉆桿的內徑大而管壁薄，要求較高的連接強度，而且鉆頭壁較厚，切削孔底巖石的面積較大，使得鉆進時碎巖功率消耗較大。由此，繩索取芯鉆探技術有著鉆桿的可靠性較低以及其使用壽命較短的缺點。

3.1.3 硬質合金鉆進

所謂硬質合金鉆進就是將具有一定強度和形狀的硬質合金材料，按鉆進的要求固定在鉆頭上，使其切削破碎巖石的一種鉆進方法。硬質合金鉆進時工作平穩、振動較小，所取巖芯比較光滑完整，采取率也比較高。鉆頭結構可以根據不同的巖性靈活改變；該鉆進方法操作簡單方便，鉆進參數易控制，孔內事故較少，并且應用范圍不受孔深、孔徑和孔向的限制；硬質合金鉆進成本費用較低。然而，由于在不同地質環境條件下，巖石具有不同大小的強度，這就要求作為鉆頭的硬質合金材料必須具有非常大的硬度和耐磨性能，對其韌性、抗彎能力、熱硬性和導熱性的要求也很高。但是材料本身的硬度畢竟有限，且其強度和耐久性不是很高，故在堅硬巖層中鉆進效率不高，鉆頭壽命較短，其一般用于Ⅱ-Ⅵ級巖石。

3.1.4 沖擊回旋鉆進

所謂沖擊回轉鉆進就是指在鉆頭已承受一定靜荷載的基礎上，以縱向沖擊力和回轉切削力共同破碎巖石的鉆進方法，也就是在回轉鉆進的條件下為提高鉆進效率而加入一個具有一定沖擊頻率和沖擊能量的沖擊器的鉆進方法，它又可分為氣動沖擊鉆進和液動沖擊鉆進兩種。沖擊回旋鉆進有著如下優點：與常規回轉鉆進法相比，沖擊回轉鉆進只需較小的力就可達到破碎堅硬巖石的效果；該法最適用于巖石等級為Ⅵ-Ⅷ級及部分Ⅸ級的粗顆粒的不均質巖層；沖擊回旋鉆進不僅可以提高鉆進效率和鉆頭壽命，還可以防止巖芯堵塞、鉆孔彎曲傾斜等問題，總體提高了鉆探質量，降低了鉆探成本。

地質環境和成因條件千差萬別，這就要求所選擇的鉆探工藝對其有不同的適宜性，并且準確確定巖土的物理力學指標及巖土特性，是保證鉆探質量的關鍵。所以鉆探工程施工技術工藝的選擇要依據所鉆探地層巖石的物理性質，選取合適的鉆進方法。例如，如果采用小口徑金剛石鉆進，對于深孔時，就需要用適應的小口徑金剛石繩索進行取芯和鉆進；面對軟弱粘性土層及可塑偏軟粘性土層時，應考慮水位以上及水位以下土層的特點，選取不同的鉆進方法，地下水位以上，由于該土層抗剪強度較低，所以可采用重錘沖擊鉆進或者螺旋鉆進；地下水位以下，淺孔可采用套管螺旋鉆，深孔應采用沖擊回旋鉆進。對于可塑偏硬、硬塑以及堅硬的粘性土層，應采用沖擊回旋鉆進。對于砂層，也應該考慮地下水的影響。地下水位以上應考慮砂土的粒徑及粘粒含量的大小，較大時，可采用螺旋鉆進，孔深較深時，可減小螺旋鉆的直徑。由以上對不同鉆進方法的分析可知，每種鉆進方法都有自己的優勢和劣勢，這就要求在實際鉆探工程中，揚長避短，施工設計人員需認真結合實際地質環境，充分分析研究該區巖土層的工程特性，借鑒當地以往類似的地質勘察施工經驗，充分考慮各種方法的應用范圍，并且進行工藝對比，合理、經濟地選擇其中一種或者多種鉆進方法，達到互相補充的效果，保證該次勘察任務的質量、效率以及經濟性。

3.2 鉆孔結構、鉆具級配及鉆進參數的調整[5]

鉆探施工除了考慮上述鉆探設備和鉆進方法兩個重要因素外，還需考慮鉆孔結構、鉆具的級配以及鉆進參數的合理調整。以下筆者就金剛石鉆進技術論述如何進行鉆孔結構、鉆具級配的選擇和鉆進參數的調整。

3.2.1 鉆孔結構

小口徑金剛石鉆進工藝要求鉆孔結構越簡單越好，在施工過程中盡量減少換徑次數。然而，鉆孔較深時，必須考慮鉆具材質及地層方面造成的不利因素。就1500mm深的鉆孔而言，如果采用常規的56mm口徑一徑鉆到底，這將因鉆具扭矩大、鉆桿外徑和孔壁間隙小、沖洗液上返較困難等因素，使得事故處理難度較大，因此需要加大一到兩徑。

3.2.2 鉆具級配

合理取用大一到兩徑鉆具級配，這將會滿足鉆進時增大鉆具扭矩力和減小鉆具的鉆桿外徑與孔壁的間隙這一要求。例如，某一深度的鉆孔開孔可采用相應大小的合金鉆頭進行鉆進，當達到某一深度后，下入比前者小2mm的開孔套管。然后改用更小直徑的繩索取芯鉆具進行鉆進，當鉆至3/5目標孔深處，只需要更換鉆具部分即可，鉆桿仍用剛才的繩索取芯鉆桿。

這樣的級配設計優化，不僅增加了鉆桿扭矩力，同時減小了鉆桿和孔壁間的間隙，在一定程度上增強了鉆具的穩定性，防止鉆孔傾斜，事故發生率有所減小。

3.2.3 鉆進參數的調整

鉆進的三要素為轉速、鉆壓和沖洗液量，這三個參數直接影響了鉆進的效率、鉆孔質量和材料消耗。合理對這三個參數進行調控，就可以控制鉆進的狀態，使得鉆進取得較好的效果。鉆頭對巖石的切入量是對這三參數調控的主要依據，調控效果的好與壞也以此而定，因為切入量與孔底工作狀態、孔底功率消耗以及鉆頭的工作條件密切相關，其度量辦法一般為測量鉆頭每轉的進尺量。然而，在鉆探過程中，影響鉆進技術參數的因素很多，這些因素互相制約互相關聯。影響金剛石鉆進技術參數的對應因素有很多，這些因素多是相互制約、互相關聯。例如地層巖性特點、鉆探設備選擇，孔深、孔徑、鉆孔結構等。在具體施工設計中應根據實地條件，綜合分析，進行合理的選取。

對于金剛石鉆頭，通常通過隨時調節鉆壓和轉速采用定切入量鉆進。對于每一規格的鉆頭，均存在一個最優鉆進速度。為了使系統保持這個最優鉆進速度，需不斷調控鉆壓及轉速。如果鉆壓過大，將會造成鉆頭的過量磨損，使其使用壽命降低；鉆壓過小，會使鉆頭刃口很快拋光而不能鉆進。由此可見，對鉆壓、轉速兩參數的調整尤為重要。

而對于硬質合金鉆進，三參數的合理調整也非常重要。鉆壓的合理調整應該建立在保護鉆頭耐久性及保證獲得最大的鉆探速度上，鉆速的提高依賴于鉆頭壓力的增加，但是，當壓力過大時又會造成崩刃、鉆具折斷、鉆孔不直等不良現象。一般地，鉆頭速度的提高可以相應增大鉆速，但是物極必反，當超過最優鉆速時，鉆頭速度增大，鉆速卻快速降低，因此，對于巖性不同的地層，應該合理選擇轉速，在軟、中硬巖中鉆進時，可以采用較高的轉速，在堅硬或者非均勻并有裂縫的巖石中鉆進時，應當適當的降低轉速。沖洗液的使用量應當根據巖性和孔徑等因素來選擇。一般情況下，面對較軟的巖層，如果鉆進速度較快，將會產生較多的巖石粉，這就需要大量的沖洗液，當巖石顆粒大、比重也大、孔深且孔徑大時，沖洗液量同樣應該加大，但是對于松散、破碎的地層，沖洗液量可相對減小。

綜上所述，保質保量地完成一次鉆探任務，應該按如下步驟進行：①大致了解該鉆探地區的地形條件以及交通條件，從而選擇適合的鉆探設備，尤其是鉆機。②根據地質歷史資料或者借鑒該鉆探區以往類似的地質勘察施工經驗，大致了解該地層的特性，選擇合理經濟的鉆進方法。③為了保證鉆探的效率以及鉆探的質量，必須考慮地層巖性特點、鉆探設備的選型，孔深及孔徑等因素，以此設計合理的鉆孔結構、鉆具級配，并且需對鉆進三參數做出合理的調整。以上步驟的認真完成，將會使得鉆探工藝達到最優化，地質勘察質量將會有所保障。

4 結論

（1）不同的鉆探設備、鉆進方法有著不同的適宜性，在實際鉆探工程中，應綜合考慮水文地質特點、鉆孔深度、鉆孔直徑以及設備與鉆進方法的優化配置等因素，充分發揮人的主觀能動性，通過各設備、各工藝的對比，揚長避短，使得效益最大化。

（2）鉆孔結構、鉆具級配的合理設計以及鉆進三參數的合理調整，將會更進一步提高鉆進的速率，保證鉆探的質量。

(3)保質保量地完成一次鉆探任務，應按如下流程進行：選擇鉆探設備——選擇鉆進方法——設計鉆孔結構、鉆具級配、調整鉆進三要素。陜西水利

[1]《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001).

[2]《礦區水文地質工程地質勘探規范》(GB12719-91).

[3]李奮強，彭振斌.超厚砂卵石地層氣舉反循環鉆探工藝[J].中南大學學報(自然科學版)，2006，37(1)：200-205.

[4]曾祥熹.金剛石鉆進的特點和對泥漿的要求 [J].中南礦冶學院學報,1980，1：55-64.

[5]王扶志.地質工程鉆探工藝與技術[M].武漢：中南大學，2008.