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
Abstract: The author would like to sum ​​up by years of engineering geological survey and construction work outside the industry raised a few personal experiences in several aspects of the drilling structure design, the choice of drilling method, drilling technology and methods of operation, for readers in reference to the practice of engineering.Keywords: engineering; geological drilling; construction
2095-2104（2012）

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，

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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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