工程地質(zhì)鉆探技術(shù)分類和全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆探方法

      摘 要：工程地質(zhì)鉆孔的直徑應(yīng)根據(jù)工程要求、地質(zhì)條件再結(jié)合鉆探方法、鉆探設(shè)備予以綜合確定。為了劃分地層而進(jìn)行的鉆孔，鉆孔直徑一般不宜小于33mm；為采取原狀土樣而進(jìn)行的鉆孔，孔徑大小不宜小于108mm；為采取巖芯試樣的鉆孔，對(duì)于軟質(zhì)巖石其直徑不宜小于108mm，對(duì)于硬質(zhì)巖石其直徑不宜小于89mm。常見(jiàn)的鉆探方法有很多種，根據(jù)破碎巖土的方法可分為：沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探、振動(dòng)鉆探等。常用的地質(zhì)鉆探設(shè)備主要包括動(dòng)力機(jī)、鉆機(jī)、泥漿泵、鉆桿和鉆頭等。本文就根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)地質(zhì)鉆探技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
      地質(zhì)鉆探技術(shù)設(shè)備現(xiàn)狀
鉆探技術(shù)設(shè)備是鉆孔工程中的關(guān)鍵組成部分，它隨著鉆探工藝和鉆探方法的發(fā)展而變化，同時(shí)它也直接影響著鉆探技術(shù)水平的進(jìn)步。地質(zhì)鉆探設(shè)備是指直接用于鉆探施工中的機(jī)械設(shè)備，主要包括動(dòng)力機(jī)、鉆機(jī)、泥漿泵等，其中最重要的部分，也是核心部分為鉆機(jī)。這里主要對(duì)鉆機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。
      全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)

全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)現(xiàn)已成為國(guó)外鉆探工程中的主流鉆機(jī)機(jī)型，而且已經(jīng)形成完整的規(guī)模，其具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：液壓動(dòng)力頭式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、無(wú)級(jí)調(diào)速模式、長(zhǎng)行程的給進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械化自動(dòng)化程度高、液壓絞車式提升系統(tǒng)、配套器具齊全、在鉆孔中能做較大范Χ角度調(diào)整的Φ桿機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)。

      新型中深孔鉆機(jī)
新型中深孔鉆機(jī)多為多功能鉆機(jī)。隨著復(fù)合鉆探技術(shù)的進(jìn)步，即金剛石巖芯鉆探、空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探、空氣潛行錘取樣鉆探等鉆進(jìn)工藝的廣泛使用，適用該復(fù)合鉆進(jìn)的多功能鉆機(jī)得到了飛速發(fā)展。
      自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)
自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)在歐美地區(qū)已經(jīng)成熟使用。一些新型的鉆機(jī)系列早已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，如典型適合金剛石鉆進(jìn)的高轉(zhuǎn)速低扭矩鉆機(jī)適用于地表或巷道內(nèi)工作。更有一系列的鉆機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)臺(tái)單人操作。
      國(guó)內(nèi)鉆探設(shè)備
目前，國(guó)內(nèi)地質(zhì)鉆探設(shè)備的主力機(jī)型仍為立軸式巖芯鉆機(jī)，同時(shí)，全液壓動(dòng)力頭巖芯鉆機(jī)正在快速地增長(zhǎng)中。而對(duì)于深部礦山區(qū)的鉆探工程，國(guó)產(chǎn)的坑道鉆機(jī)得到廣泛使用，其也得到了大規(guī)模地發(fā)展。在ú氣層鉆探中所采用的ú層氣鉆機(jī)大多采用水源鉆機(jī)、物探鉆機(jī)或進(jìn)口鉆機(jī)，這也使得國(guó)內(nèi)的ú層氣鉆機(jī)能有個(gè)廣闊的市場(chǎng)。
      地質(zhì)鉆探技術(shù)
地下鉆探技術(shù)是向地質(zhì)體鉆孔并破碎孔底巖石的方法及鉆進(jìn)工藝的綜合。根據(jù)不同的鉆進(jìn)目的，我們可以采取不同的鉆進(jìn)方式和鉆探設(shè)備，從而形成各種不同鉆探方法。在鉆進(jìn)的過(guò)程中，原始機(jī)械的方法進(jìn)行巖石的破碎現(xiàn)在仍然被采用。
根據(jù)不同的外力的作用方式，可將現(xiàn)鉆探方法分為沖擊式鉆探、回轉(zhuǎn)式鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探和振動(dòng)式鉆探，個(gè)別特殊地層條件下噴射式鉆探也常常被采用。如果根據(jù)鉆探切削工具的不同又可將鉆探方法分為鋼粒鉆探、硬質(zhì)合金鉆探和金剛石鉆探。根據(jù)鉆探的目的和作用不同可分為水文地質(zhì)鉆探、固體礦產(chǎn)鉆探、工程地質(zhì)鉆探、地?zé)徙@探、砂礦床鉆探、石油天然氣鉆探、科學(xué)（超深孔）鉆探和地表取樣鉆探等。如按所用沖洗液和循環(huán)方式又可分為泥漿鉆探、清水鉆探、空氣鉆探、正循環(huán)鉆探以及反循環(huán)鉆探等。按鉆探區(qū)域的不同又可分為極地鉆探、?地鉆探、水域鉆探以及月面鉆探等。除此之外，還有一些高效的鉆探方法如熱力法、熔融法和化學(xué)方法等，但這些方法因?yàn)槌杀靖?、技術(shù)難度大而δ得到廣泛適用。其中熱力法包括高頻電流鉆、火焰噴射鉆、微波鉆等，熔融法包含等離子鉆、電熱鉆、激光鉆等，而化學(xué)方法常用的是利用化學(xué)試劑將巖石進(jìn)行破碎。
      沖擊式鉆探
沖擊式鉆進(jìn)是始創(chuàng)于中國(guó)的一種古老的鉆井方法，早在11世紀(jì)傳入西方，目前在中國(guó)和國(guó)外都還在廣泛適用。其鉆進(jìn)原理在于使用鋼絲繩或鉆桿相連用一字型或十字形鉆頭，上下運(yùn)動(dòng)沖擊巖石，同時(shí)撈出巖屑和巖粉，形成鉆孔。
影響沖擊鉆進(jìn)的速度主要是沖擊頻率、沖擊功、沖擊方式及傳遞三要數(shù)。沖擊頻率對(duì)鉆進(jìn)速度的影響根據(jù)沖擊的頻率不同，可將其分為4類：低頻、中頻、高頻和超高頻。沖擊頻率與鉆進(jìn)效率是成正比的，但當(dāng)沖擊頻率達(dá)到某一定值后，這個(gè)比例關(guān)系就不再存在，相反而有所下降。這是因?yàn)閱桅藭r(shí)間內(nèi)的重復(fù)次數(shù)多，孔內(nèi)的巖屑來(lái)不及排出，沉積在鉆頭部λ起到一個(gè)緩沖的作用。另外，沖擊頻率大，必然沖擊時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致沖擊功對(duì)于巖石的作用時(shí)間不夠長(zhǎng)，破巖不夠完全而達(dá)不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對(duì)鉆進(jìn)速度有著最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時(shí)，不同的沖擊功破碎的單λ體積巖石所需的沖擊功是不同的，而且數(shù)值相差很大，這就說(shuō)明了沖擊功在沖擊式鉆進(jìn)中的地λ。
沖擊方式及傳遞對(duì)鉆進(jìn)速度的影響按振動(dòng)源不同可分為機(jī)械式、氣（液）動(dòng)式和電磁式3種類型。其中重點(diǎn)介紹機(jī)械式?jīng)_擊鉆，機(jī)械式也稱為機(jī)械慣性式。這種利用凸輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生沖擊力的沖擊方式的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、振動(dòng)力大，但同時(shí)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也限制了在水平孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用。
      回轉(zhuǎn)式鉆探
回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是當(dāng)前用的最普通的鉆進(jìn)方法，這是利用鉆具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)破碎巖層而成孔的一種鉆進(jìn)方法。鉆機(jī)分為大、小鍋錐鉆機(jī)，正、反循環(huán)轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，潛孔振動(dòng)回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)等。相對(duì)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)只有簡(jiǎn)單的鉆進(jìn)裝置，完善結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)除了具備鉆進(jìn)裝置外還具有循環(huán)洗井裝置?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)中的另一種轉(zhuǎn)盤式水井鉆機(jī)的鉆具包括鉆桿和鉆頭?；剞D(zhuǎn)速度視鉆機(jī)而異，如石油鉆機(jī)在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機(jī)最高可達(dá)到2400r/min。常用的鉆桿的名義直徑有60、73、89和114mm等4種，鉆頭分全面鉆進(jìn)用鉆頭和環(huán)狀鉆進(jìn)用鉆頭2大類。
大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉(zhuǎn)切削土層，兩者都可由人力或動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切下的土屑或巖屑掉落到鍋內(nèi)，隨后提升到地面倒出。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工效低，只能用于一般的土層或軟質(zhì)巖層地層條件。正、反循環(huán)泥漿洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)由塔架、卷?yè)P(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動(dòng)機(jī)等組成。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力機(jī)提供的扭矩通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，由主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖層。泥漿通過(guò)泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環(huán)形區(qū)域起到潤(rùn)滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。
      沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探
沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)是指用沖擊和回轉(zhuǎn)2種方式同時(shí)破碎巖石的鉆探方式。作業(yè)時(shí)，以鉆桿帶動(dòng)鉆頭低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，在軸向鉆頭的壓力下，再利用通過(guò)鉆桿中心的液體或氣體產(chǎn)生的沖擊力，以沖擊和回轉(zhuǎn)2種方式破碎巖石，充分發(fā)揮沖擊和回轉(zhuǎn)切削2種作用來(lái)形成鉆孔或采取巖芯。這種方法起源于19世紀(jì)的歐洲，1958年才被中國(guó)地質(zhì)部所重視而開(kāi)始研究，20世紀(jì)70年代發(fā)展較快。沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于其能大大提高硬質(zhì)層轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)進(jìn)尺長(zhǎng)度，降低鉆孔彎曲程度，明顯降低工程成本。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探通常采用以下2種沖擊器實(shí)現(xiàn)，一種是利用鉆孔中沖洗液能量驅(qū)動(dòng)的沖擊器來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探；另一種則利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的風(fēng)動(dòng)沖擊器實(shí)現(xiàn)，稱氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探系統(tǒng)是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅(qū)動(dòng)液動(dòng)錘來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力對(duì)巖芯管和鉆頭進(jìn)行沖擊，鉆桿則有鉆機(jī)提供扭矩回轉(zhuǎn)并同時(shí)對(duì)鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結(jié)合，被稱為繩索取芯式液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。液動(dòng)沖擊器是沖擊回轉(zhuǎn)鉆探中的關(guān)鍵組成部分。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探適用于地質(zhì)巖芯鉆探、工程地質(zhì)鉆探等，而且適合反循環(huán)鉆探和深孔鉆探中。
      振動(dòng)式鉆探
振動(dòng)式鉆進(jìn)過(guò)程中利用振動(dòng)器帶動(dòng)鉆桿和碎巖工具產(chǎn)生周期性振動(dòng)力。它除利用地表振動(dòng)器和鉆具對(duì)地層產(chǎn)生垂直靜載外，還有鉆具上下振動(dòng)產(chǎn)生的高頻沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)載，對(duì)巖層周Χ或土層產(chǎn)生振動(dòng)。在高頻的振動(dòng)下，巖層或土層的強(qiáng)度下降，巖層和土層在鉆具和振動(dòng)器自重和振動(dòng)力的聯(lián)合作用下，使鉆頭鉆進(jìn)巖土層，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的過(guò)程。
振動(dòng)鉆進(jìn)常采用機(jī)械式雙輪雙軸振動(dòng)器，其采用雙軸水平布置外，還可以上下平行布置。這樣布置后不僅可以產(chǎn)生垂直振動(dòng)，還可以產(chǎn)生橫向振動(dòng)。此外，還有單軸單輪振動(dòng)器和單軸雙輪振動(dòng)器等布置方式。常用的振動(dòng)器有無(wú)簧式和有簧式2類。其中有簧式振動(dòng)錘由電動(dòng)機(jī)、振動(dòng)器、彈簧、沖頭、砧子和接頭組成。其特點(diǎn)是振動(dòng)其與鉆具分開(kāi)，這樣既可振動(dòng)鉆進(jìn)，又可進(jìn)行沖擊振動(dòng)鉆進(jìn)。
另外噴射式鉆探技術(shù)是利用鉆孔沖洗液流經(jīng)鉆頭噴嘴所形成的高壓高能射流充分地清洗孔底的鉆屑，使鉆屑免于重復(fù)削切，并與機(jī)械作用聯(lián)合破碎孔底巖石，達(dá)到提高機(jī)械轉(zhuǎn)速的一種鉆進(jìn)技術(shù)。
      結(jié)束語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鉆探工程在地質(zhì)勘探、礦物開(kāi)采等很多領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)日益增大，并且與其他尖端的科技將會(huì)結(jié)合應(yīng)用，如地殼科學(xué)深鉆等?？茖W(xué)的不斷發(fā)展在一定程度上為鉆探工程提供了一個(gè)更為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也給鉆探工程帶來(lái)了緊迫感。鉆探技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步可能對(duì)整個(gè)地質(zhì)學(xué)理論帶來(lái)挑戰(zhàn)，從而促使資源、新材料以及地質(zhì)災(zāi)害的防治提供更為全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。