工程地质钻探主要用于各种工程的勘察, 如高层建筑、桥梁、水库、码头、地下铁路、跨江以及海底隧道等基础勘察。对工程地质进行勘察, 需要进行钻探取样, 经过样品分析、现场工程地质测试, 就可以获取建筑基础的地质资料和岩土层的各项参数, 常用的有物理参数、化学参数以及力学参数等, 为选择施工地点, 地基处理方式、构造物类型、结构制订合理的施工方案, 以及为防止各种突发地质灾害提供设计和施工的依据[1]。
1 地质钻探技术
地下钻探技术是向地质体钻孔并破碎孔底岩石的方法及钻进工艺的总和。根据不同的钻探目的, 可以采取不同的技术装备和技术工艺。从而形成各种不同的钻探方法。在钻进工程中, 主要采用机械的方式破碎岩石。根据外力作用的方式, 可以分为冲击式钻探、回转式钻探、冲击回转式钻探、振动式钻探以及喷射式钻探等。若按钻探切削工具的不同又可以分为:钢粒钻探、硬质合金钻探以及金刚石钻探;按所用冲洗液和循环方式可分为泥浆钻探、清水钻探、空气钻探、正循环钻探、反循环钻探等;按钻探区域不同可分为极地钻探、陆地钻探、水域钻探以及月面钻探等;按钻探目的和作用不同可分为水文地质钻探、同体矿产钻探、工程地质钻探、地热钻探、砂矿床钻探、石油天然气钻探、科学 (超深孔) 钻探和地表取样钻探等。除此之外, 一些效率高的钻探方法如热力法 (如高频电流钻、火焰喷射钻、微波钻) 、熔融法 (如等离子钻、电热钻、激光钻等) 、化学方法 (利用化学反应破碎岩石) 等, 但是由于技术难度大、成本过高还未在钻探中广为应用。
1.1 冲击式钻进
这是中国人发明的一种钻进方法, 在1l世纪传到国外, 目前在中同以及国外都还在应用。原理:用钢丝绳或钻杆相连用一字型或十字行钻头, 上下运动冲击岩石, 捞出岩屑和岩粉, 形成钻孔[2]。
1.2 回转式钻进
这是当前用的最普遍的钻进方法。原理:依靠钻具的回转运动破碎岩层而成孔。主要有大、小锅锥钻机, 正、反循环转盘式钻机, 液压动力头式钻机, 潜孔振动回转式钻机等。简单的回转式钻机只有钻进装置, 结构完善的回转式钻机则有钻进装置和循环洗井装置两部分组成。转盘式水井钻机的钻具包括钻杆和钻头。
1.3 冲击回转式钻进
用冲击和回转两种方式同时破碎岩石的钻探方法。这种方法是在回转的钻杆柱下端和取心钻具之间装上一个潜孔冲击器, 使冲击脉冲、轴向钻头压力和钻杆回转扭矩同时作用于钻头上, 实现钻进与采取岩心。这种钻探方法于19世纪初起源于欧洲, 1958年中国地质部开始研究, 70年代发展较快。其优点主要是能大幅度提高硬岩层钻速和回次进尺长度, 减少钻孔弯曲程度, 明显降低钻探成本。冲击回转钻探通常由两种冲击器实现。一种是利用钻孔冲洗液能量驱动的冲击器来实现, 称液动冲击回转钻探, 另一种是用压缩空气驱动的风动冲击器实现, 称气动冲击回转钻探。
1.4 振动式钻进
用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力。它除了地表振动器和钻具对地层产生垂直静载外, 还有钻具产生高频冲击振动所产生的动载, 使周围岩层或土壤也产生振动。由于振动频率较高, 岩层或土壤强度降低, 在钻具和振动器自重及振动力的联合作用下, 使钻头吃入 (沉入) 岩土层, 从而实现钻进。
2 钻进技术及其应用
2.1 钻进技术的分类
(1) 浅钻。当涌水量大时, 浅钻主要用来代替浅井。浅钻:用来勘探埋藏不深的矿床近地表部分的矿体, 并且可代替浇井。浅钻的种类有很多, 大多是自行的安装在汽车上。浅钻的特点是投入费用少, 使用便利, 孔相对较浅, 容易搬运, 但是不宜钻进硬度太大的岩石。
(2) 岩心钻。在对矿床进行勘探的过程中, 岩心钻作为一个重要的工程手段可以用来了解矿体深部地质情的。不论在高原或者是平地, 也不论矿产种类或者矿床的复杂程度怎么样, 只要是想了解矿床规模、矿体的延伸情况以及寻矿探矿时, 一般多用岩心钻。通过钻机在钻进的过程中所采取的岩心及岩粉, 可详细地研究被钻孔所穿过的岩石以及矿床的地质构造, 并可计算出矿石的质量。总岩心采取率一般不应小于60%~70%。当矿体倾角较小时, 一般采用垂直钻孔;矿体倾角较大时, 则采用倾斜钻孔;在某些情况下, 在施工允许的弯曲范围内, 也打随钻进逐渐加深而使钻孔倾角规律性地变化, 按设计的角度来穿过矿体的定向钻。
(3) 地下钻。水平坑道中打进的岩心钻称之为地下钻, 也叫做坑内钻。这种钻探的工程手段是非常有效的, 尤其是对矿体数目多, 矿体产状复杂的矿床进行详细勘探或生产勘探, 其时效性, 和经济性是其他方法无法比拟的。
2.2 钻进技术应用
地质勘探过程中, 需要用钻探设备向地下钻深度较大而直径较小的柱状圆孔, 也称钻井。地下水的钻孔直径较小些, 相对而言钻探石油和火然气的孔要略大些。因此, 地质矿产埋藏深度和钻孔的用途决定着钻孔的直径和深度大小。
钻进的作用: (1) 获取全面的地下地质体资料, 这一过程包括从钻孔取取出岩心、矿心、岩屑甚至液、气态样品, 有时还需从孔壁补充提取及侧避岩体矿样; (2) 作为人工通道观测地下水文地质活动状态; (3) 作为测量地球物理信息的通道, 获取岩矿层各种地球物理信息; (4) 有的钻孔可勘探与开采相结合, 开采地下水、地热能、油气资源等。
钻探工程已经广泛运用于国民经济诸多部门, 按用途钻进可分为以下六类: (1) 地质普查或勘探钻进, 用于了解水文地质构造、寻找矿床或者探明已发现矿产储量; (2) 水文地质钻进, 勘察地下水文地质的基本情况; (3) 水井, 为工业、农业、日常生活及国防建设而开发利用或者补给地下水资源, 并且可以补充已有的水文地质资料; (4) 石油钻井, 勘查和开发利用石油、天然气资源; (5) 地热钻孔, 勘探和开发利用地热能; (6) 矿床开采或隧道开挖等工程的辅助钻孔, 用于通风、排水、运输、通讯、安装管线、爆破、取样、灌浆辅助施工等。
3 结语
随着科学技术的进步和国民经济的发展, 钻探工程在探查、开采以及施工等领域的应用将日益广泛, 并且与更多尖端科学项目的联系也更加密切, 如地壳科学深钻、南极极地钻探和月球表层钻探等, 科学的不断发展为钻探工程提供了一个更为广阔的应用前景, 甚至有可能对整个地学基础理论都提出挑战性的认识, 从而促使资源、新材料以及地质灾害的防治等领域有重大突破[3]。
摘要：工程地质钻探中的钻进目的是获取地质资料和岩土层的各项物理、化学参数, 来进一步确定力学参数。本文对工程地质钻探中的钻进技术及其应用做了说明。钻进方法有多种, 根据岩土的破碎方式可分为:冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进以及振动钻进等。笔者试图通过本文为从事工程钻探的朋友们提供设计和施工依据。
关键词：工程地质,钻进技术,钻进应用
参考文献
[1] 王达.中国大陆科学钻探工程科钻—井钻探工程技术[M].北京:科学出版社, 2007.
[2] 徐匡迪.工程师应不断提高自己的哲学思维能力[J].中国科院, 2006, 21 (3) .
[3] 李伯聪.工程哲学引论[M].郑州:大象出版社, 2002.