工程钻探与取样技术中的钻探基本过程

一般说来，地表以上的部分，如钻机、水泵、动力机、钻塔等属于钻探设备部分；地表以下，包括孔底破碎岩石的过程、冲洗液循环状况、钻具、钻杆柱、钻孔结构及套管设计等属于钻孔工艺学的研究范围。在实际工作中，地表设备部分与地下钻进工艺是不可分割的。

由地表的工作机械（钻机及水泵）通向孔底工作面有两条渠道：其一为钻杆柱和钻具及钻头，用以进行钻岩工序；其二为冲洗液，通过钻杆柱中心通道，流经孔底，由井筒环状间隙返回地面。由这两条渠道连续完成钻井工序。钻塔和绞车（升降机）是完成钻杆柱或其他工具升降的必需设备。动力机是驱动工作机械的动力源，是任何工作机械不可缺少的，其余部分则属于辅助工具和附属条件。

为了使钻进工作能够连续不断地进行，必须进行破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁3项必需的工作环节。因此，这三者乃是钻探工作的基本作业。当然，在不同的地层中钻进时，三者的难度是不同的。例如在松软地层中钻进时，破碎岩石较为容易，清除岩屑的工作量就较大，维护孔壁就成为工作中的难点或重点；而在坚硬完整的地层中钻进时，破碎岩石就成为难点，清除岩屑和维护孔壁就较容易一些。

在完成这3项基本作业过程中，随着孔的不断延伸，钻杆柱逐渐增长。在作业过程中或因需要更换被磨钝的钻头及磨损的钻具，或因需要把钻得的岩心提取上来，就必须把孔内的钻杆柱和钻具提出孔外；如需继续钻进时，还需把钻杆柱等又重新下入孔内。此时，必须进行升降操作。这样，钻探工作包括钻进和升降两个必要的基本作业程序（或称工序）。钻进工作是实在的生产工序，而升降工作是必不可少的非生产工序。在钻探工程中，除了上述两项基本工序外，还有许多不可少的非生产性的辅助性工序，如设备的搬迁运输、安装及维修、冲洗液的制备。此外，孔内工作，如测量孔斜、物探测井、水文观察、下入和起拔套管、事故处理等，也是要常常按时完成的工序。但从钻进工作来说，都属于非生产性工序，因为它们没有增加钻孔的进尺。

在钻探工程中，为了取得实体的地质资料，在钻进工程中要求采取岩心或收集岩屑。这是地质勘探钻探的一个中心问题和必要环节。如何保证取得满足地质要求的岩心是钻探工作的一个专门课题。对岩心不仅要求有足够的数量，还要求不受污染地保持原有的质量、准确无误地测得其在孔中的位置。因此，岩心的采取属于钻探工作重要的质量指标之一。在钻进作业中，实际钻孔往往偏离预定的钻孔中心，而发生孔位偏差，称为钻孔弯曲或孔斜，它也是衡量钻孔质量的重要指标之一。因此，岩心采取和防止钻孔弯曲都是钻探工作的重要内容。

岩心钻探全貌见图1-4。开钻前，在设计钻孔孔位的地点平整场地；挖掘冲洗液池和地基用坑；安装钻塔。在钻塔内地基上安装有钻机（7）、水泵（18）、驱动钻机和水泵用的电机（19）。没有电能时，钻机和水泵采用内燃机驱动。钻探设备检查、调整后，按照规定的方向开钻，然后用导向管（6）加固孔口。同时装备净化泥浆中钻屑（岩屑）用的循环系统。

图1-4　岩心钻探全貌

1—钻头；2—岩心；3—岩心管；4—异径接头；5—钻杆柱；6—孔口（导向管）；7—钻机；8—回转器立轴；9—卡盘；
10—提引水龙头；11—游动滑车；12—钢丝绳；13—天车；14—塔腿；15—机房；16—升降机；17—高压软管；
18—水泵；19—电机；20—循环槽；21—沉淀池；22—接收箱；23—吸水管；24—指重表；25—立根台

钻孔按下列次序进行钻进。使用升降机（16）把钻具下入孔内。钻具由下列部分组成：钻头（1）、岩心管（3）、异径接头（4）、钻杆柱（5）。钻杆柱长度随钻孔的加深而增加。钻具的所有部件都借助于密封的、高强度的螺纹接头彼此连接起来。

上部主动钻杆穿过钻机回转器立轴（8），并卡在卡盘（9）中。主动钻杆上部接有提引水龙头（10）。提引水龙头用高压软管（17）与水泵（18）连接，一边回转，一边冲洗，将钻头下到孔底开始钻进。(www.xing528.com)

根据所钻岩石的物理力学性质和钻头直径、类型的不同，借助立轴，使钻具以不同的转速回转，并借助于给进调节器给钻头以必要的轴向载荷。钻头转速根据钻头类型、钻头直径和孔深选用。使用给进调节器可以产生必要的钻头载荷和孔底载荷。钻头回转并切入岩石，钻环状孔底，形成岩心（2）。随着钻孔的加深，岩心充满岩心管。

为了冷却钻头、净化孔底岩屑并将岩屑排到地表，要冲洗孔底。水泵通过吸水管（23）把冲洗液从接收箱（22）中吸出，经高压软管（17）、提引水龙头（10）和钻杆柱（5）送入孔底。

用冲洗液冲洗孔底、冷却钻头切削具，把破碎的岩石颗粒（岩屑）从孔底沿着井筒送到地表上。冲洗液从孔内涌出经循环槽（20）流入沉淀池（21），岩石颗粒在沉淀池沉淀，净化的冲洗液流入接收箱（22），从接收箱再送入孔内。在这个过程中冲洗液会有一些损耗，所以应该适时地给以补充。

如果钻进是在稳定岩石中进行的，则可使用清水冲洗钻孔。在不够稳定的岩石中钻孔时，则用泥浆或其他可以保护弱稳定性孔壁的溶液来冲洗钻孔。在相对无水岩石和冻结岩石中钻孔时，可以使用压缩空气或气体来吹洗孔底。

高转速金刚石钻进时，使用有助于降低钻杆柱和孔壁摩擦力及减少高转速时钻杆柱振动的稀乳化溶液来冲洗钻孔。

岩心管充满岩心后，应把钻具提到地表。在硬岩和研磨性岩石中钻进时，有时由于钻头切削具磨钝、钻速大大降低而停止钻进并提钻；在破碎岩石中钻进时，常常由于岩心卡在岩心管内使钻速降低而提钻。开始提钻前，应把岩心牢固地卡在岩心钻具的下部并扭断之。岩心卡住并扭断后关掉水泵，借助升降机（16）、钢丝绳（12）、天车（13）、带有大钩和提引器的游动滑车（11）把钻具提到地表上，并把钻杆柱卸成立根。立根长度取决于钻塔高度。立根由2根或3根，有时由4根钻杆拧接而成。立根长度比钻塔高度小3～6m。立根摆放在立根台（25）上。所提钻杆柱的重量，可借助于指重表（24）确定。

岩心钻具提到地表以后，卸下钻头，并小心谨慎地从岩心管中取出岩心，然后配好钻具，再下入孔内继续钻进。每一次提钻时，均应检查钻头，在钻头确已磨损时，需用完好的钻头更换。

冲洗岩心并净化岩心上的泥皮，测量岩心长度，按次序把岩心摆在岩心箱内，标出提取岩心时的钻孔深度和岩心采取率。

如果钻孔穿过需要使用专门冲洗液的塌落或膨胀的不稳定岩石时，则可向孔内下套管柱以覆盖不稳定岩石，此后用较小的直径钻头继续钻进。每钻进50～100m，测量一次钻孔倾角和方向（方位角）。钻孔穿过矿体并进入底板无矿岩石后停止钻进，把钻具提升上来并拧卸后，就可以在孔内进行地球物理研究，测量钻孔弯曲度、温度，检查钻孔深度，然后对钻孔注水泥进行封孔。