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中煤第五建设有限公司第三工程处 221600
摘要：工程地质钻探中的钻进目的是为了取得岩芯样品从而获得岩层的各项力学、物理、化学参数，为地面的建筑设计或岩层矿物的钻探提供依据。常见的钻探方法可根据岩石的破碎方式分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探和振动钻探等，钻进技术一般又可分为浅钻、岩芯钻和地下钻等。
关键词：工程地质；钻探；钻进技术；钻探应用
近年来，中国煤炭地质总局在全国11座矿区部署施工了煤层气参数井和生产试验井25口中，施工单位基本上摒弃了刮刀和硬质合金钻头钻进的传统工艺方法，采用了金刚石绳索取心钻进和牙轮钻头扩孔成井的综合钻探工艺方法进行钻探。储层测试、固井及排采工作程序借用了常规天然气井的有关技术。施工中我们获得了一些经验，但煤层气井勘探开发中的钻探工艺技术尚需完善。
1、地质钻探技术设备现状
1.1全液压动力头岩芯钻机
全液压动力头岩芯钻机现已成为国外钻探工程中的主流钻机机型，而且已经形成完整的规模，其具有如下结构特点：液压动力头式回转机构、无级调速模式、长行程的给进系统、机械化自动化程度高、液压绞车式提升系统、配套器具齐全、在钻孔中能做较大范围角度调整的桅杆机构等特点。
1.2新型中深孔钻机
新型中深孔钻机多为多功能钻机。随着复合钻探技术的进步，即金刚石岩芯钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜行锤取样钻探等钻进工艺的广泛使用，适用该复合钻进的多功能钻机得到了飞速发展。
1.3自动化、智能化钻机
自动化、智能化钻机在欧美地区已经成熟使用。一些新型的钻机系列早已实现全自动化，如典型适合金刚石钻进的高转速低扭矩钻机适用于地表或巷道内工作。更有一系列的钻机真正实现了机台单人操作。
1.4国内钻探设备
目前，国内地质钻探设备的主力机型仍为立轴式岩芯钻机，同时，全液压动力头岩芯钻机正在快速地增长中。而对于深部矿山区的钻探工程，国产的坑道钻机得到广泛使用，其也得到了大规模地发展。在煤气层钻探中所采用的煤层气钻机大多采用水源钻机、物探钻机或进口钻机，这也使得国内的煤层气钻机能有个广阔的市场。
2、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综合，在钻进的过程中，原始机械的方法进行岩石的破碎现在仍然被采用。根据不同的外力的作用方式，可将现钻探方法分为冲击式钻探、回转式钻探、冲击回转式钻探和振动式钻探
2.1冲击式钻探
影响冲击钻进的速度主要是冲击频率、冲击功、冲击方式及传递三要数。冲击频率对钻进速度的影响根据冲击的频率不同，可将其分为4类：低频、中频、高频和超高频。冲击频率与钻进效率是成正比的，但当冲击频率达到某一定值后，这个比例关系就不再存在，相反而有所下降。这是因为单位时间内的重复次数多，孔内的岩屑来不及排出，沉积在钻头部位起到一个缓冲的作用。另外，冲击频率大，必然冲击时间过短，导致冲击功对于岩石的作用时间不够长，破岩不够完全而达不到高效率的体积破碎。冲击功大小对钻进速度有着最直接的影响。研究表明：在钻头直径固定时，不同的冲击功破碎的单位体积岩石所需的冲击功是不同的，而且数值相差很大，这就说明了冲击功在冲击式钻进中的地位。冲击方式及传递对钻进速度的影响按振动源不同可分为机械式、气（液）动式和电磁式3种类型。其中重点介绍机械式冲击钻，机械式也称为机械惯性式。这种利用凸轮的旋转产生冲击力的冲击方式的最大特点就是结构简单、制造容易、振动力大，但同时其结构特点也限制了在水平孔钻进中的应用。
2.2回转式钻探
回转式钻进是当前用的最普通的钻进方法，这是利用钻具的回转运动破碎岩层而成孔的一种钻进方法。钻机分为大、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。相对简单的回转钻机只有简单的钻进装置，完善结构的回转式钻机除了具备钻进装置外还具有循环洗井装置。回转钻机中的另一种转盘式水井钻机的钻具包括钻杆和钻头。回转速度视钻机而异，如石油钻机在一般情况下最高为160r/min，金刚石钻机最高可达到2400r/min。常用的钻杆的名义直径有60、73、89和114mm等4种，钻头分全面钻进用钻头和环状钻进用钻头2大类。
大、小锅锥利用其锅锥形钻具旋转切削土层，两者都可由人力或动力驱动。旋转过程中切下的土屑或岩屑掉落到锅内，随后提升到地面倒出。其结构简单工效低，只能用于一般的土层或软质岩层地层条件。正、反循环泥浆洗井转盘式钻机由塔架、卷扬机、转盘、钻具、泥浆泵、水龙头和电动机等组成。作业时，动力机提供的扭矩通过传动装置驱动转盘，由主动钻杆带动钻头旋转破碎岩层。泥浆通过泥浆泵注入钻杆与孔壁之间的环形区域起到润滑钻杆和冷却钻头的作用。
2.3冲击回转式钻探
冲击回转式钻进是指用冲击和回转2种方式同时破碎岩石的钻探方式。作业时，以钻杆带动钻头低转速回转，在轴向钻头的压力下，再利用通过钻杆中心的液体或气体产生的冲击力，以冲击和回转2种方式破碎岩石，充分发挥冲击和回转切削2种作用来形成钻孔或采取岩芯。这种方法起源于19世纪的欧洲，1958年才被中国地质部所重视而开始研究，20世纪70年代发展较快。冲击回转式钻进的优点在于其能大大提高硬质层转速和回转进尺长度，降低钻孔弯曲程度，明显降低工程成本。冲击回转钻探通常采用以下2种冲击器实现，一种是利用钻孔中冲洗液能量驱动的冲击器来实现，称液动冲击回转钻探；另一种则利用压缩空气驱动的风动冲击器实现，称气动冲击回转钻探。
液动冲击回转钻探系统是有泥浆泵将冲洗液注入冲击器驱动液动锤来产生动力对岩芯管和钻头进行冲击，钻杆则有钻机提供扭矩回转并同时对钻头施压。这种钻探方法也常与绳索取芯钻具相结合，被称为绳索取芯式液动冲击回转钻探。液动冲击器是冲击回转钻探中的关键组成部分。液动冲击回转钻探适用于地质岩芯钻探、工程地质钻探等，而且适合反循环钻探和深孔钻探中。 2.4振动式钻探
振动式钻进过程中利用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力。它除利用地表振动器和钻具对地层产生垂直静载外，还有钻具上下振动产生的高频冲击振动所产生的动载，对岩层周围或土层产生振动。在高频的振动下，岩层或土层的强度下降，岩层和土层在钻具和振动器自重和振动力的联合作用下，使钻头钻进岩土层，从而实现钻进的过程。
振动钻进常采用机械式双轮双轴振动器，其采用双轴水平布置外，还可以上下平行布置。这样布置后不仅可以产生垂直振动，还可以产生横向振动。此外，还有单轴单轮振动器和单轴双轮振动器等布置方式。常用的振动器有无簧式和有簧式2类。其中有簧式振动锤由电动机、振动器、弹簧、冲头、砧子和接头组成。其特点是振动其与钻具分开，这样既可振动钻进，又可进行冲击振动钻进。
3、钻进技术及其应用
3.1钻孔技术的分类
（1）浅钻。浅钻一般用来勘探埋藏深度不深的矿床近地表部分的矿体，当涌水量大时，浅钻可以代替浇井，其用途与浅井相似。浅钻的类型有很多，多半是自行安装在汽车上，机动性较强。其优点在于投入费用相对较少（经济）、使用便利（便利）、钻孔相对较浅（孔浅）、容易搬运（易搬），其缺点在于不能在硬质岩层地区进行钻探。
（2）岩芯钻。作为一个用来了解矿体深部地质情况的工程手段，岩芯钻在对矿场进行勘探的过程中得到广泛运用。为了了解矿场规模或矿体向地下深部延伸情况，或者为了寻找并勘探盲矿体等，一般都要用到岩芯钻，不管是在山区或者平地，无论有无矿种或者矿场的复杂程度怎样，通过观测在钻进过程中钻机所采取的岩芯及岩粉，可详细地研究钻头所穿过的岩石以及矿场的地质构造，同时计算矿产的产量。
（3）地下钻。水平坑道中打进的岩芯钻称为地下钻，也叫坑内钻。这种钻探的工程手段在对许多矿体数量多、矿体产状复杂的矿床进行详细勘探或生产勘探时非常有效，同时其时效性、经济性是其他方法无法比拟的。
3.2钻进技术应用
在地质勘查工作中，利用钻探设备向地下钻进形成的直径较小、深度较大的柱状圆孔，又称钻井。总体来讲，地质矿产埋藏深度和钻孔用途决定钻孔的直径和深度的大小，一般在钻探石油、天然气或地下水的钻井直径较大些。
钻进的作用：（1）形成钻孔，获得全面的第一手地质体资料。这一资料的获得在于从钻孔中取得的岩芯、矿芯、岩屑甚至液、气态样品，有时还需从内孔壁补充侧壁上的岩体进行分析研究。（2）可形成人工通道供观测地下水层及水文地质动态之用。（3）作为一种便于观测并获取岩矿层各种地球物理信息的通道。（4）一些钻孔可与采探结合，用于开采地下水、地热、油气资源等。
参考文献：
[1]张林霞：我国地质找矿钻探技术装备现状及发展趋势分析，：探矿工程，2012年，第3期
[2]陈平安：论工程地质钻探的钻进技术，工程技术，2011年，第16期
摘要：工程地质钻探中的钻进目的是为了取得岩芯样品从而获得岩层的各项力学、物理、化学参数，为地面的建筑设计或岩层矿物的钻探提供依据。常见的钻探方法可根据岩石的破碎方式分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探和振动钻探等，钻进技术一般又可分为浅钻、岩芯钻和地下钻等。
关键词：工程地质；钻探；钻进技术；钻探应用
近年来，中国煤炭地质总局在全国11座矿区部署施工了煤层气参数井和生产试验井25口中，施工单位基本上摒弃了刮刀和硬质合金钻头钻进的传统工艺方法，采用了金刚石绳索取心钻进和牙轮钻头扩孔成井的综合钻探工艺方法进行钻探。储层测试、固井及排采工作程序借用了常规天然气井的有关技术。施工中我们获得了一些经验，但煤层气井勘探开发中的钻探工艺技术尚需完善。
1、地质钻探技术设备现状
1.1全液压动力头岩芯钻机
全液压动力头岩芯钻机现已成为国外钻探工程中的主流钻机机型，而且已经形成完整的规模，其具有如下结构特点：液压动力头式回转机构、无级调速模式、长行程的给进系统、机械化自动化程度高、液压绞车式提升系统、配套器具齐全、在钻孔中能做较大范围角度调整的桅杆机构等特点。
1.2新型中深孔钻机
新型中深孔钻机多为多功能钻机。随着复合钻探技术的进步，即金刚石岩芯钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜行锤取样钻探等钻进工艺的广泛使用，适用该复合钻进的多功能钻机得到了飞速发展。
1.3自动化、智能化钻机
自动化、智能化钻机在欧美地区已经成熟使用。一些新型的钻机系列早已实现全自动化，如典型适合金刚石钻进的高转速低扭矩钻机适用于地表或巷道内工作。更有一系列的钻机真正实现了机台单人操作。
1.4国内钻探设备
目前，国内地质钻探设备的主力机型仍为立轴式岩芯钻机，同时，全液压动力头岩芯钻机正在快速地增长中。而对于深部矿山区的钻探工程，国产的坑道钻机得到广泛使用，其也得到了大规模地发展。在煤气层钻探中所采用的煤层气钻机大多采用水源钻机、物探钻机或进口钻机，这也使得国内的煤层气钻机能有个广阔的市场。
2、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综合，在钻进的过程中，原始机械的方法进行岩石的破碎现在仍然被采用。根据不同的外力的作用方式，可将现钻探方法分为冲击式钻探、回转式钻探、冲击回转式钻探和振动式钻探
2.1冲击式钻探
影响冲击钻进的速度主要是冲击频率、冲击功、冲击方式及传递三要数。冲击频率对钻进速度的影响根据冲击的频率不同，可将其分为4类：低频、中频、高频和超高频。冲击频率与钻进效率是成正比的，但当冲击频率达到某一定值后，这个比例关系就不再存在，相反而有所下降。这是因为单位时间内的重复次数多，孔内的岩屑来不及排出，沉积在钻头部位起到一个缓冲的作用。另外，冲击频率大，必然冲击时间过短，导致冲击功对于岩石的作用时间不够长，破岩不够完全而达不到高效率的体积破碎。冲击功大小对钻进速度有着最直接的影响。研究表明：在钻头直径固定时，不同的冲击功破碎的单位体积岩石所需的冲击功是不同的，而且数值相差很大，这就说明了冲击功在冲击式钻进中的地位。冲击方式及传递对钻进速度的影响按振动源不同可分为机械式、气（液）动式和电磁式3种类型。其中重点介绍机械式冲击钻，机械式也称为机械惯性式。这种利用凸轮的旋转产生冲击力的冲击方式的最大特点就是结构简单、制造容易、振动力大，但同时其结构特点也限制了在水平孔钻进中的应用。
2.2回转式钻探
回转式钻进是当前用的最普通的钻进方法，这是利用钻具的回转运动破碎岩层而成孔的一种钻进方法。钻机分为大、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。相对简单的回转钻机只有简单的钻进装置，完善结构的回转式钻机除了具备钻进装置外还具有循环洗井装置。回转钻机中的另一种转盘式水井钻机的钻具包括钻杆和钻头。回转速度视钻机而异，如石油钻机在一般情况下最高为160r/min，金刚石钻机最高可达到2400r/min。常用的钻杆的名义直径有60、73、89和114mm等4种，钻头分全面钻进用钻头和环状钻进用钻头2大类。
大、小锅锥利用其锅锥形钻具旋转切削土层，两者都可由人力或动力驱动。旋转过程中切下的土屑或岩屑掉落到锅内，随后提升到地面倒出。其结构简单工效低，只能用于一般的土层或软质岩层地层条件。正、反循环泥浆洗井转盘式钻机由塔架、卷扬机、转盘、钻具、泥浆泵、水龙头和电动机等组成。作业时，动力机提供的扭矩通过传动装置驱动转盘，由主动钻杆带动钻头旋转破碎岩层。泥浆通过泥浆泵注入钻杆与孔壁之间的环形区域起到润滑钻杆和冷却钻头的作用。
2.3冲击回转式钻探
冲击回转式钻进是指用冲击和回转2种方式同时破碎岩石的钻探方式。作业时，以钻杆带动钻头低转速回转，在轴向钻头的压力下，再利用通过钻杆中心的液体或气体产生的冲击力，以冲击和回转2种方式破碎岩石，充分发挥冲击和回转切削2种作用来形成钻孔或采取岩芯。这种方法起源于19世纪的欧洲，1958年才被中国地质部所重视而开始研究，20世纪70年代发展较快。冲击回转式钻进的优点在于其能大大提高硬质层转速和回转进尺长度，降低钻孔弯曲程度，明显降低工程成本。冲击回转钻探通常采用以下2种冲击器实现，一种是利用钻孔中冲洗液能量驱动的冲击器来实现，称液动冲击回转钻探；另一种则利用压缩空气驱动的风动冲击器实现，称气动冲击回转钻探。
液动冲击回转钻探系统是有泥浆泵将冲洗液注入冲击器驱动液动锤来产生动力对岩芯管和钻头进行冲击，钻杆则有钻机提供扭矩回转并同时对钻头施压。这种钻探方法也常与绳索取芯钻具相结合，被称为绳索取芯式液动冲击回转钻探。液动冲击器是冲击回转钻探中的关键组成部分。液动冲击回转钻探适用于地质岩芯钻探、工程地质钻探等，而且适合反循环钻探和深孔钻探中。 2.4振动式钻探
振动式钻进过程中利用振动器带动钻杆和碎岩工具产生周期性振动力。它除利用地表振动器和钻具对地层产生垂直静载外，还有钻具上下振动产生的高频冲击振动所产生的动载，对岩层周围或土层产生振动。在高频的振动下，岩层或土层的强度下降，岩层和土层在钻具和振动器自重和振动力的联合作用下，使钻头钻进岩土层，从而实现钻进的过程。
振动钻进常采用机械式双轮双轴振动器，其采用双轴水平布置外，还可以上下平行布置。这样布置后不仅可以产生垂直振动，还可以产生横向振动。此外，还有单轴单轮振动器和单轴双轮振动器等布置方式。常用的振动器有无簧式和有簧式2类。其中有簧式振动锤由电动机、振动器、弹簧、冲头、砧子和接头组成。其特点是振动其与钻具分开，这样既可振动钻进，又可进行冲击振动钻进。
3、钻进技术及其应用
3.1钻孔技术的分类
（1）浅钻。浅钻一般用来勘探埋藏深度不深的矿床近地表部分的矿体，当涌水量大时，浅钻可以代替浇井，其用途与浅井相似。浅钻的类型有很多，多半是自行安装在汽车上，机动性较强。其优点在于投入费用相对较少（经济）、使用便利（便利）、钻孔相对较浅（孔浅）、容易搬运（易搬），其缺点在于不能在硬质岩层地区进行钻探。
（2）岩芯钻。作为一个用来了解矿体深部地质情况的工程手段，岩芯钻在对矿场进行勘探的过程中得到广泛运用。为了了解矿场规模或矿体向地下深部延伸情况，或者为了寻找并勘探盲矿体等，一般都要用到岩芯钻，不管是在山区或者平地，无论有无矿种或者矿场的复杂程度怎样，通过观测在钻进过程中钻机所采取的岩芯及岩粉，可详细地研究钻头所穿过的岩石以及矿场的地质构造，同时计算矿产的产量。
（3）地下钻。水平坑道中打进的岩芯钻称为地下钻，也叫坑内钻。这种钻探的工程手段在对许多矿体数量多、矿体产状复杂的矿床进行详细勘探或生产勘探时非常有效，同时其时效性、经济性是其他方法无法比拟的。
3.2钻进技术应用
在地质勘查工作中，利用钻探设备向地下钻进形成的直径较小、深度较大的柱状圆孔，又称钻井。总体来讲，地质矿产埋藏深度和钻孔用途决定钻孔的直径和深度的大小，一般在钻探石油、天然气或地下水的钻井直径较大些。
钻进的作用：（1）形成钻孔，获得全面的第一手地质体资料。这一资料的获得在于从钻孔中取得的岩芯、矿芯、岩屑甚至液、气态样品，有时还需从内孔壁补充侧壁上的岩体进行分析研究。（2）可形成人工通道供观测地下水层及水文地质动态之用。（3）作为一种便于观测并获取岩矿层各种地球物理信息的通道。（4）一些钻孔可与采探结合，用于开采地下水、地热、油气资源等。
参考文献：
[1]张林霞：我国地质找矿钻探技术装备现状及发展趋势分析，：探矿工程，2012年，第3期
[2]陈平安：论工程地质钻探的钻进技术，工程技术，2011年，第16期