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
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 关于地质钻探施工的相关设备简介
就地质钻探施工本身而言, 涉及到的钻探设备和机械主要涵盖:钻井设备、泥浆泵送设备、动力传动设备及钻井塔架结构。钻探设备是用于地质钻探及钻孔施工过程中较为关键的设备之一, 泥浆泵送设备又称为钻井高压泵, 是实现持续向钻孔内部输送泥浆及清洗液体的主要机械设备。钻井塔架结构又称为井架, 主要用于承重, 并未设备提供支撑。一般情况而言, 钻孔设备分为立柱式钻井设备、旋转式钻井设备及顶部驱动式钻井设备。其中, 立柱式钻井设备主要动力来源为液压传动组件, 通过曲柄连杆转动带动钻探杆上下运动, 该设备具备运转可靠性强、结构构造简洁、利于拆卸和组装等诸多优点, 该设备目前已经成为地质勘探过程中主流的设备之一。市面上比较流行的XY型钻机就是典型的具备我国工程施工特色的金刚石钻头钻井设备。旋转式钻井设备主要是利用自身的自重并配合液压系统提供动力, 该设备自重较大, 移动困难, 且钻井口径较大, 适用于大口径钻井施工。顶部驱动式钻井设备主要动力来源也是液压系统, 通过液压电动机设备提供转动力, 该设备具备转速快, 自动化程度高及运转噪声小等诸多优势, 能够实现转速的快速切换, 但考虑到该设备造价较为昂贵, 目前在工程实践中使用较少。综上所述, 上述三种钻井设备在具体的钻探施工过程中各具优势, 在具体使用过程中, 必须结合当地的地质条件, 综合考虑经济性做出选择。
2 关于金刚石钻探杆钻探技术分析
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。
3 关于绳索吊装取芯钻探法的分析
本段提及的绳索取芯体钻进技术的原理和本质主要是针对于在钻探杆钻进过程中, 如果遇到钻探设备内部被芯体充满的情况, 可以先不用取出岩石芯体, 可以通过钻探杆内部的孔道, 凭借绳索吊装技术将多余的岩石芯体取出钻孔外, 保证钻孔内部的空间, 和传统的取芯方法相比, 其不需要将钻井设备完全取出就可以将岩石芯体抽出, 能够有效提升钻探效率和质量, 降低风险发生概率, 适合在工程实践中推广使用。
使用绳索吊装取芯技术主要具备如下几方面优势:第一, 钻探效率较高, 能够显着缩短钻探时间。选用绳索取岩石芯体的方式同传统方法相比, 其钻头侧壁较厚, 由于自重影响, 在相同输出功率下, 其钻进过程中的转速偏低。考虑到使用该技术在钻井过程中不需要额外提取芯体, 这样也弥补了钻速较低带来的延误, 总体上依旧能够缩短钻进时间。第二, 使用绳索取芯体技术, 地质反馈情况较好。选用绳索取芯法是当下性价比较高的取芯方式之一, 该技术有效综合了各种地质条件效果, 能够在短时间内快速提升钻孔内部的岩石芯体, 且在提升全过程中过程平稳, 不会发生大幅度抖动, 在孔道内部出现岩石芯体拥堵时, 还具备提前预警功能, 能够提醒钻井技术人员控制钻速, 有效降低了岩石芯体的表面损耗。第三, 使用绳索岩石芯体提升技术能够显着延长相应钻头的使用寿命和钻探杆的服役年限。考虑到设备在钻进过程中需要多次提井, 采用绳索提升技术能够降低钻探过程中的提井次数, 进而避免了多次提井操作对钻头导致的磨损和碰撞;此外, 由于钻进过程中钻探杆与内部孔道的距离较小, 工作平稳性有效提升, 某种程度上也延伸了设备的使用寿命。
4 关于选用冲击旋转钻进方式的分析
本段提及的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。
结语
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。
参考文献
[1]戴文君, 张向阁.地质钻探工艺技术中的安全与生产管理[J].民营科技, 2012 (11) :279.
[2]梁志英.浅析地质勘查与深部地质钻探找矿技术工作[J].黑龙江科技信息, 2014 (36) :122.
