根据岩石破碎原理的不同,可把钻探方法分成物理属性完全不同的几类,见图1-3。
(1)机械钻探:通过钻头直接把机械能作用于孔底岩石表面使其产生局部破碎的钻探方法。
机械钻探具有可获取实物岩矿石样品(为编制地质剖面及综合地质研究服务)和钻进定向孔等优点。因此,基于钻头的机械钻探方法得到了广泛应用,目前仍在全球各类钻探作业中占统治地位。根据施工地质条件及工作任务的不同,可以选择不同的机械钻探类型。
机械钻探的缺点:①钻头的工作单元易磨损,需要及时更换,而为更换孔底钻头需花费大量时间升降钻具,从而促使人们开始寻找其他“无钻头”破碎岩石的钻进方法。②需通过细长的钻杆柱把来自地表钻机的机械能传递至孔底钻头上,能量利用率很低。随着钻孔加深该缺点越明显,于是出现了直接驱动钻头(岩心管)的孔底动力机。不过孔底动力机仍无法克服第一条缺点。
(2)高压水射流钻探:借助高压水射流来破碎或溶解(蚀)孔底岩石的钻探方法。
射流全面破碎孔底并形成孔身,随岩石强度的不同破碎岩石的射流压力为2~200MPa。当射流水中加入的研磨材料(钢粒、石英砂)体积浓度达5%~15%时,射流破碎岩石的能力得以加强。
图1-3 钻探方法分类图
水射流只能部分地破碎和软化孔底岩石,孔身的形成还要靠带加速射流喷嘴的钻头。这种方法在软和疏松的岩石中进行无岩心钻进时得到了实际应用。
(3)热钻、火钻或喷火钻:通过高温作用使岩石破碎。
从钻杆中往孔底下入双喷嘴火焰枪,由高压喷嘴中喷出的煤油在氧射流中燃烧并产生2300℃左右的高温(喷枪被水冷却)。孔底未被加热的围岩将阻碍高温下的岩石自由扩展,从而产生很大的热应力,形成大量岩石薄片并从母体剥落,然后被做完功的气体和蒸汽从喷枪作用区带走,返回地表。(www.xing528.com)
火钻可钻进深度为8~50m、直径为160~250mm的孔,已用于打爆破孔。在石英岩中火钻的小班效率约为30m/班,而用传统的冲击回转钻进为3~3.5m/班。但热钻尚未应用于勘探钻进作业。
(4)热力机械钻进:首先用局部加热方法软化孔底岩石,接着用普通回转钻进工具破碎岩石。
(5)电热熔钻进:靠电热器熔化永冻的冰层成孔。
电热熔钻进可在南极冰层中钻成1000m深、直径φ300mm的孔,并实现100%的岩心采取率。电热丝的功率为8kW。孔内钻具中带有轴流泵,可及时把冰溶化产生的水抽上来。
(6)爆炸法钻进:用定向爆破方法使孔底岩石发生破碎。
用装满炸药的塑料小瓶每隔一定时间沿着钻杆在高压水流的作用下射向孔底,在冲击孔底的同时引爆炸药破碎岩石,通过冲洗液把被爆炸能破碎的岩屑带至地表。
当钻具内准备的炸药小瓶足够多时(300个/h),爆炸法可在沉积岩中钻至孔深2800m,但孔内液柱压力使单次爆炸的能量随孔深的增加而减少。爆炸法钻进仍处于实验阶段,尚未得到实际应用。
(7)电物理方法钻进:直接采用电能来破碎岩石的钻进方法,包括:①电液效应。在水中高压放电,占有一定体积的电火花瞬间强力推开液体,引起动水头冲击破碎岩石。②电脉冲效应。让孔内充满电阻大于岩石电阻的液体(例如变压器油),在紧压孔底的两个电极上通以高压电流,电流便会从孔底岩石中流过,出现的电弧将击穿并有效地破碎岩石。
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