如何在岩土勘察中选择钻探工艺

如何在岩土勘察中选择钻探工艺

发表时间：2016-12-06T14:56:26.217Z 来源：《基层建设》2016年21期作者：徐华

[导读] 摘要：岩土勘察中的钻探施工是取得场地工程地质资料的主要途径，如何获得完整的岩芯材料，是提供准确的岩土特性、地层构造等勘察资料的关键，选择合理的钻探工艺有助于顺利达成该目的，因此本文对相关内容进行了分析。

武汉市测绘研究院

摘要：岩土勘察中的钻探施工是取得场地工程地质资料的主要途径，如何获得完整的岩芯材料，是提供准确的岩土特性、地层构造等勘察资料的关键，选择合理的钻探工艺有助于顺利达成该目的，因此本文对相关内容进行了分析。

关键词：岩土勘察；钻探工艺；选择

钻探是岩土勘察中历史悠久、应用广泛的一种技术，是取得地下实物信息、场地工程地质资料、验证地下信息推断与解释的主要途径。其受环境、地形和地质条件影响小，深可达万米，水域、冰上都能作业，具有很强的适用性。岩芯取样可以直接观察地下实物的形貌和地层构造特征，反映较为精确的工程地质信息，为物探、坑探等勘察手段所不及[1]。但钻探施工不仅仅为了取得准确的勘察资料，还要考虑施工效率，这样才能获得较好的经济效益。钻探工艺的选择反映了这方面的需求，因此本文进行了分析。

1 钻探工艺类型与特点

1.1 钻探工艺类型

按钻进是否取芯，分为取芯钻进和不取芯钻进。按岩土破碎形式分类，钻探分为三大类：（1）冲击钻进，利用钻具冲击动能破岩，例如钢丝绳冲击钻进、钻杆冲击钻进；（2）回转钻进，利用钻具回转运动破岩，例如手动回转钻进、机械回转钻进、深井回转钻进；（3）其他钻进，如螺旋钻进、振动钻进、冲击回转钻进。按破岩磨料种类，分为硬质合金钻进、金刚石钻进和钻粒钻进。按钻进所使用的冲洗液，分为清水钻进、空气钻进、泡沫钻进、雾化钻进、泥浆钻进、乳化液钻进、饱和盐溶液钻进、充气泥浆钻进等。若按冲洗液循环方式，分为正循环钻进和反循环钻进。

1.2 常用钻探工艺特点

1.2.1 绳索取芯钻探工艺

绳索取芯即不提钻取芯钻探技术。当岩芯装满岩心管或岩芯堵塞时，不需要提升钻杆，而是通过绳索打捞器取出岩心管。由于减少了升降钻具的辅助时间，提高了钻进时间利用率，钻进效率高。而绳索打捞减少了岩芯磨损，采芯率高，工程质量好。因为钻头磨损小，所以钻头寿命长。由于减少了提钻次数，工人劳动条件改善，劳动强度低。钻杆可以发挥导向护壁作用，孔内事故率低。钻探所产生的经济效益和地质效果都比较好，因而获誉“四高、三低、两好”[2]。

1.2.2 液动潜孔锤钻探工艺

液动潜孔锤是回转冲击钻探的一种，利用冲洗液脉动冲击，提高钻进效率。我们知道钻探坚硬、致密的岩层，钻头容易“打滑”和被“抛光”，这样钻进效率就会大幅下降。这种情况下，可在钻头上增加高频冲击负荷，利用坚硬岩层脆性大、抗剪强度低的特点，破岩效率就很容易提起来。这种工艺对泥浆质量要求较高，最好配置专用净化设备或增加沉淀级数。

1.2.3 反循环钻探工艺

按循环方式，反循环分为冲洗液全孔反循环和孔底局部反循环。若按循环介质，反循环分为空气反循环和水力反循环。空气反循环带出地表的样品为岩屑，无法反映地层结构和构造，所以岩土勘察更多地采用水力反循环工艺，利用清水或泥浆将岩芯从孔底提到地表，而且取芯质量好、地层判别及时、劳动强度低。当然，空气反循环用于地下水的勘察效果非常好，因为空气对水没有任何影响，可以准确探测含水层位置和估算水量。

1.2.4 不同磨料钻探工艺

岩土勘察工程中，最常使用的磨料类型是硬质合金和金刚石。硬质合金钻进是利用镶嵌在钻头上的硬质合金进行破岩的方法。镶嵌硬质合金操作简便，钻头参数设置灵活，而且成本比较低，工作平稳，震动小，但难以钻进较硬、耐磨的岩层，适于Ⅱ～Ⅵ级之间的岩石。金刚石是硬度最高的物质，耐磨性好，可以钻进高硬岩石，尤其是Ⅵ级以上的岩层；而且岩芯完整、光滑，钻孔质量好；设备轻巧，劳动强度低；孔内事故率低，应用广泛。

1.2.5 螺旋钻进工艺

螺旋钻进是利用螺旋钻杆破岩，并将岩屑输送到孔口，属于干式回转钻进方法。具有不使用冲洗液、取样及时、钻进效率高、成本低等特点。全部钻杆都有螺旋的称为长螺旋钻进，钻杆底部有1～4个螺旋的称为短螺旋钻进。主要用于松软岩层的勘察。

2 钻探工艺的选择与应用

2.1 钻探工艺选择一般原则

首先，根据岩土勘察任务要求，如钻孔目的、孔深、孔径、地层地质条件等，选择合适的钻进方法以及设备、工器具等。然后再考虑钻孔结构、钻具级配、钻进参数等内容。例如有直观鉴别要求，可采取螺旋钻进、回转岩芯钻进、锤击钻进和振动钻进。再加上不扰动试样要求，振动钻进就不太合适了，应选择前三种方法。钻进地层为黏性土，上述三种方法都适用；钻进地层为粉土和砂土，螺旋钻进不太适合，回转岩芯钻进、锤击钻进适用；钻进地层为岩石，只有回转岩芯钻进能够适用[3]。钻孔结构、钻具级配取决于钻孔深度。对于较浅的孔，尽量选用简单的钻孔结构和少的钻具级配；较深的孔，一种孔径钻到底，会因钻具扭矩大、冲洗液返回困难等原因，不利于事故处理，应在常规孔径基础上增大一到两径，同样钻具级配也应取大一到两径。钻进参数主要是转速、转压和冲洗液量，由于影响钻进参数的因素多，而且各因素之间相互制约，所以应根据实际情况综合分析后选择。

2.2 基于地层特点的钻探工艺选择

2.2.1 软弱土层

在软塑甚至流动状态的黏土层中钻进，由于土层抗剪强度低，首选低角度长螺旋钻进方法。如果水位以下钻进，应采用套管螺旋钻，或者冲击回转钻，后者尤其适合深孔钻进。采用冲击回转钻进方法时，应采用优质泥浆，并尽量采用小流量，以免水流冲蚀土层后混入泥浆，取芯时应采用干钻钻进方法。

2.2.2 偏硬黏性土层

在偏硬黏性土层中钻进，虽然也可采用螺旋钻，但因土层强度较高，螺旋钻进的效率远低于偏软黏性土层，最好采用冲击回转钻进，套管跟进。钻头应采用小肋骨形式，并且肋骨部分外径比岩芯管大10～14mm，可保证原状土层的采样质量。

2.2.3 松散砂层

在含水的松散砂层中钻进容易发生流砂涌升现象。为避免这种现象，可采用小冲程管钻冲击，其冲程控制在0.1～0.2m，并且每回次钻进不超过0.5m。钻进时采用人工注水方式，保证孔内水位不低于地下水位，必要时还可利用泥浆增加管内压力。当然，也可采用低角度螺旋钻，适于含有一定粘粒的粉细砂。

2.2.4 碎石地层

粒径在20cm以下的碎石地层或卵石地层，可采用冲击钻头破成小石块，再采用阀管钻提取。冲击钻宜采用一字或十字钻头，每冲一次钻具转过15°～30°角，这样可以让石块破碎更为均匀，而且孔壁也更圆。如果石块较大可进行孔内爆破。如果石块松散且漏水，可投入黏土球再冲击钻进，岩芯可采用勺钻或管钻提取。

2.2.5 岩溶地层

在岩溶地层钻进时，容易发生漏水、掉钻或钻孔歪斜等问题。在钻进前要做好预案，发现岩层变软、进尺加快、突然漏水现象时要意识到遇到岩溶，应降低转速，并采取下放导向管或接长岩芯管等办法。钻穿岩溶顶板后继续在岩溶底板慢速钻进。出现漏水问题可采用黏土或水泥封闭。

3 结语

钻探工艺的选择受到地质环境、设备条件、操作水平等多种因素的影响，而且每一种钻探工艺都存在优势和劣势，这就要求岩土勘察人员充分调研勘察地区岩土层特性，借鉴以往施工经验，通过各种工艺的对比，扬长避短，选择技术经济效果最佳的方案，实现勘察质量、效率、效益的统一。