浅析工程地质钻探施工

　　摘 要：本文作者通过对多年来的工程地质勘察外业施工工作的总结，在钻孔结构设计，钻进方法选择、钻探技术及操作方法等几个方面，提出个人的几点体会，供读者在工程实践中参考。

　　关键词：工程;地质钻探;施工

　　1 钻孔结构设计

　　在实际施工作业中，既要考虑钻探的时效性，又要顾及经济性。在理想的条件下，要达到钻探施工成本和施工进度的最优化。因此在钻探工作开始之前。就需做出合理的钻孔结构设计。

　　本文所指的钻孔结构设计，属于钻孔工艺范畴。流程上是以所钻区域岩层的物理力学性质、表面岩层厚度、水文地质条件、钻孔深度、终孔直径、所选钻进方法以及钻探设备等为依据，进行综合确定。对于稳定地层，应尽可能简化钻孔结构，减少换径次数。开孔穿过表面岩层或风化带钻入基岩3～5m，下入表层套管止水封固后，尽可能实现一径到底。在复杂地层，原则上应尽可能采用泥浆、水泥浆和化学桨液护壁堵漏，在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，力争少换杆，少下或不下套管，最大限度地简化钻孔结构，以提高钻进效率和降低钻探成本。

　　2 钻进方法选择

　　目前对地层的钻进方法主要有：硬质合金钻进、钢粒钻进、牙轮钻进、金刚石钻进。这几种钻进方法各有优缺点和适应范围。

　　2.1 硬质合金钻进

　　钻头切削刃具是片状硬质合金，适合钻凿2～6级的软质岩石。在6级以上的硬岩工况下，不宜采用。这是因为采用硬质合金钻进硬岩，与金刚石钻进相比，存在工效低，钻机振动幅度大，成孔质量差和综合钻孔成本高等缺陷。随着金刚石钻头的普遍采用，硬质合金钻进必将越来越局限于软质岩石。

　　2.2 钢粒钻进

　　钢粒钻进适应于中硬以上岩石，它是利用在钻进过程中不断地投入到孔底的钢粒来磨削岩石。其适应的岩石硬度情况与金刚石钻头差不多，但由于钻进效率低，最高的纯钻速仅50mm/h，功耗大，每米钻孔的综合成本反而高于金刚石钻进。目前，绝大部分熟悉金刚石钻头的施工者，基本上不再采用钢粒钻进这一相对落后的钻进手段。

　　2.3 牙轮钻进

　　牙轮钻进对岩石硬度的适应范围广，特别是适合软至中硬的粒径不大于200mm的碎石土。一般采用的是小口径牙轮钻进(直径76mm、59mm)，用于不需要取芯的工程灌浆孔。与金刚石钻进相比，其钻速高出2倍以上。其缺点是成孔质量较差，易塌孔、卡钻，钻进需要有高的压力，轻便钻机由于机塔自重小，钻机难以给出很高的压力而效果不佳，由于牙轮钻进无法获取岩心，许多施工场合不允许采用。另外牙轮钻头本身的技术性能尚不够完善。目前，国内引进的小口径牙轮钻头使用寿命只有20～30m，且易掉轮，掉轮后很难打捞，往往造成废孔。

　　2.4 金刚石钻进

　　金刚石钻进适合于6级以上的岩石。其特点是钻进效率高，成孔质量好，取得的岩芯光滑完整，且比任何其它钻进方法的取芯成功率高。

　　对于坚硬、致密、易出现打滑的地层，金刚石钻进如果选择钻头的品牌和产品胎体硬度不当，就有可能造成困难。对付这种岩层，一般制造厂家采取改变钻头胎体的几何形状结构等办法，比如将钻头刃部做成锯齿状或单双块形状。这样的措施可能带来钻头使用寿命不长，并且易出现碰损掉块等严重后果。

　　3 钻探技术及操作方法

　　3.1 钻进参数的调整

　　钻进中的钻进推力(钻压)、转速和泵量(冲洗液量)，通常称之为钻进的“三要素”。合理调控这三个参数，就可以控制钻进状态，取得良好的效果。调控的主要依据是钻头对岩石的切入量，其方便的度量办法是测量钻头每转的进尺量。

　　钻头对岩石的切入量(以下简称切入量)直接影响着孔底工作状态、孔底的功率消耗和金刚石、胎体的工作条件等。总之，钻头钻进时的切入量是钻进工艺的一个关键参数，调控钻进的效果好坏依此而定。

　　如何合理的用好金刚石钻头，获得最优效益?通常我们对其钻进的要求为“定钻速”钻进(即定切入量钻进)，可通过随时调节钻压和转速来获得。这是因为在岩石性质和所选用的钻头品质确定以后，即存在一个最优钻进速度。控制钻进的中心环节是通过调控钻压和转速达到优化钻进，即控制其每转切入量，使系统保持一个基本恒定的钻进速度。也就是说，金刚石钻头不宜采用恒压钻进。钻压过大，会造成钻头过量消耗，降低钻头使用寿命;钻压过小，会使钻头刃口很快抛光而无法钻进。所以，金刚石钻进在理论上讲，必须采用控制每转切入量的钻进工艺，钻压随切入量的需要而变，即要求操作者随时观察钻进速度的变化，及时调整钻压和转速，使系统始终保持一个最优的，量值上基本恒定的速度。

　　3.2 常用的钻探操作技术

　　根据我们的经验，应用以下操作较为关键。

　　3.2.1 钻进过程中，提动钻具次数不宜过频、过高，否则会造成岩芯破坏，岩芯脱出岩芯管。当岩芯掉入孔底后，引起岩芯堵塞，会造成重复破碎或自磨，降低岩芯采取率和品质，也造成钻头进尺寿命减少。遇到地层较为破碎和取芯困难时，应尽量降低泵量，最小可降到20 L/min(一般在15～18L/min)，只要孔内不断流，就不会烧坏钻头。

　　3.2.2 钻进破碎夹层、薄砂层或夹泥层时，最好钻穿该夹层并进入到稳定岩层10cm以上，然后在提钻，以避免岩芯脱落。如果破碎层、夹层较厚，一个回次(一杆)钻不穿时，回次末应停泵钻进10cm以上，使其通过岩浆的自然堵塞后再提钻。

　　3.2.3 在复杂地层中，提升钻具不宜过快，并随时向孔内泵送冲洗液，防止抽汲作用导致垮孔，保障孔壁稳定。

　　3.2.4 下钻遇阻、轻转无效，或岩芯堵塞、提钻骤降，或发现钻探“打滑”，均应提钻检查。

　　3.2.5 下钻前要配好机上余尺，在回次钻进过程中，不得将钻具提离孔底加长钻杆。

　　3.2.6 卡盘卡好主动钻杆后，用液压缸顶起钻具离开孔底少许，再合好离合器进行慢放钻进，否则将造成钻头的不正常磨损。

　　3.2.7 再钻进中如需要倒杆时，应将钢丝绳垃直，离合器必须离开，待钻机停止转动后再倒杆。

　　3.2.8 保持孔底干净，才能提高取芯质量，增加回次进尺，提高钻头寿命。

　　3.2.9 不得用金刚石钻头扫残留岩芯、合金掉块、探头石等。

　　3.2.10 施工孔深1000m以浅的钻孔，采用75mm金刚石钻头钻进，下入73mm技术套管，改用56mm金刚石钻头钻进一径到底。孔深1000m以深的钻孔，从钻探力学和震动力学角度分析，适合采用小口径金刚石钻进工艺，钻孔结构越简单越好，尽量减少换径次数。

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