淺析鉆探鉆機在煤層氣中施工技術的應用

中煤第五建設有限公司第三工程處 221600

摘要：工程地質鉆探中的鉆進目的是為了取得巖芯樣品從而獲得巖層的各項力學、物理、化學參數，為地面的建筑設計或巖層礦物的鉆探提供依據。常見的鉆探方法可根據巖石的破碎方式分為沖擊鉆探、回轉鉆探、沖擊回轉鉆探和振動鉆探等，鉆進技術一般又可分為淺鉆、巖芯鉆和地下鉆等。

關鍵詞：工程地質；鉆探；鉆進技術；鉆探應用

近年來，中國煤炭地質總局在全國11座礦區部署施工了煤層氣參數井和生產試驗井25口中，施工單位基本上摒棄了刮刀和硬質合金鉆頭鉆進的傳統工藝方法，采用了金剛石繩索取心鉆進和牙輪鉆頭擴孔成井的綜合鉆探工藝方法進行鉆探。儲層測試、固井及排采工作程序借用了常規天然氣井的有關技術。施工中我們獲得了一些經驗，但煤層氣井勘探開發中的鉆探工藝技術尚需完善。

1、地質鉆探技術設備現狀

1.1全液壓動力頭巖芯鉆機

全液壓動力頭巖芯鉆機現已成為國外鉆探工程中的主流鉆機機型，而且已經形成完整的規模，其具有如下結構特點：液壓動力頭式回轉機構、無級調速模式、長行程的給進系統、機械化自動化程度高、液壓絞車式提升系統、配套器具齊全、在鉆孔中能做較大范圍角度調整的桅桿機構等特點。

1.2新型中深孔鉆機

新型中深孔鉆機多為多功能鉆機。隨著復合鉆探技術的進步，即金剛石巖芯鉆探、空氣反循環連續取樣鉆探、空氣潛行錘取樣鉆探等鉆進工藝的廣泛使用，適用該復合鉆進的多功能鉆機得到了飛速發展。

1.3自動化、智能化鉆機

自動化、智能化鉆機在歐美地區已經成熟使用。一些新型的鉆機系列早已實現全自動化，如典型適合金剛石鉆進的高轉速低扭矩鉆機適用于地表或巷道內工作。更有一系列的鉆機真正實現了機臺單人操作。

1.4國內鉆探設備

目前，國內地質鉆探設備的主力機型仍為立軸式巖芯鉆機，同時，全液壓動力頭巖芯鉆機正在快速地增長中。而對于深部礦山區的鉆探工程，國產的坑道鉆機得到廣泛使用，其也得到了大規模地發展。在煤氣層鉆探中所采用的煤層氣鉆機大多采用水源鉆機、物探鉆機或進口鉆機，這也使得國內的煤層氣鉆機能有個廣闊的市場。

2、地質鉆探技術

地下鉆探技術是向地質體鉆孔并破碎孔底巖石的方法及鉆進工藝的綜合，在鉆進的過程中，原始機械的方法進行巖石的破碎現在仍然被采用。根據不同的外力的作用方式，可將現鉆探方法分為沖擊式鉆探、回轉式鉆探、沖擊回轉式鉆探和振動式鉆探

2.1沖擊式鉆探

影響沖擊鉆進的速度主要是沖擊頻率、沖擊功、沖擊方式及傳遞三要數。沖擊頻率對鉆進速度的影響根據沖擊的頻率不同，可將其分為4類：低頻、中頻、高頻和超高頻。沖擊頻率與鉆進效率是成正比的，但當沖擊頻率達到某一定值后，這個比例關系就不再存在，相反而有所下降。這是因為單位時間內的重復次數多，孔內的巖屑來不及排出，沉積在鉆頭部位起到一個緩沖的作用。另外，沖擊頻率大，必然沖擊時間過短，導致沖擊功對于巖石的作用時間不夠長，破巖不夠完全而達不到高效率的體積破碎。沖擊功大小對鉆進速度有著最直接的影響。研究表明：在鉆頭直徑固定時，不同的沖擊功破碎的單位體積巖石所需的沖擊功是不同的，而且數值相差很大，這就說明了沖擊功在沖擊式鉆進中的地位。沖擊方式及傳遞對鉆進速度的影響按振動源不同可分為機械式、氣（液）動式和電磁式3種類型。其中重點介紹機械式沖擊鉆，機械式也稱為機械慣性式。這種利用凸輪的旋轉產生沖擊力的沖擊方式的最大特點就是結構簡單、制造容易、振動力大，但同時其結構特點也限制了在水平孔鉆進中的應用。

2.2回轉式鉆探

回轉式鉆進是當前用的最普通的鉆進方法，這是利用鉆具的回轉運動破碎巖層而成孔的一種鉆進方法。鉆機分為大、小鍋錐鉆機，正、反循環轉盤式鉆機，液壓動力頭式鉆機，潛孔振動回轉式鉆機等。相對簡單的回轉鉆機只有簡單的鉆進裝置，完善結構的回轉式鉆機除了具備鉆進裝置外還具有循環洗井裝置。回轉鉆機中的另一種轉盤式水井鉆機的鉆具包括鉆桿和鉆頭?；剞D速度視鉆機而異，如石油鉆機在一般情況下最高為160r/min，金剛石鉆機最高可達到2400r/min。常用的鉆桿的名義直徑有60、73、89和114mm等4種，鉆頭分全面鉆進用鉆頭和環狀鉆進用鉆頭2大類。

大、小鍋錐利用其鍋錐形鉆具旋轉切削土層，兩者都可由人力或動力驅動。旋轉過程中切下的土屑或巖屑掉落到鍋內，隨后提升到地面倒出。其結構簡單工效低，只能用于一般的土層或軟質巖層地層條件。正、反循環泥漿洗井轉盤式鉆機由塔架、卷揚機、轉盤、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動機等組成。作業時，動力機提供的扭矩通過傳動裝置驅動轉盤，由主動鉆桿帶動鉆頭旋轉破碎巖層。泥漿通過泥漿泵注入鉆桿與孔壁之間的環形區域起到潤滑鉆桿和冷卻鉆頭的作用。

2.3沖擊回轉式鉆探

沖擊回轉式鉆進是指用沖擊和回轉2種方式同時破碎巖石的鉆探方式。作業時，以鉆桿帶動鉆頭低轉速回轉，在軸向鉆頭的壓力下，再利用通過鉆桿中心的液體或氣體產生的沖擊力，以沖擊和回轉2種方式破碎巖石，充分發揮沖擊和回轉切削2種作用來形成鉆孔或采取巖芯。這種方法起源于19世紀的歐洲，1958年才被中國地質部所重視而開始研究，20世紀70年代發展較快。沖擊回轉式鉆進的優點在于其能大大提高硬質層轉速和回轉進尺長度，降低鉆孔彎曲程度，明顯降低工程成本。沖擊回轉鉆探通常采用以下2種沖擊器實現，一種是利用鉆孔中沖洗液能量驅動的沖擊器來實現，稱液動沖擊回轉鉆探；另一種則利用壓縮空氣驅動的風動沖擊器實現，稱氣動沖擊回轉鉆探。

液動沖擊回轉鉆探系統是有泥漿泵將沖洗液注入沖擊器驅動液動錘來產生動力對巖芯管和鉆頭進行沖擊，鉆桿則有鉆機提供扭矩回轉并同時對鉆頭施壓。這種鉆探方法也常與繩索取芯鉆具相結合，被稱為繩索取芯式液動沖擊回轉鉆探。液動沖擊器是沖擊回轉鉆探中的關鍵組成部分。液動沖擊回轉鉆探適用于地質巖芯鉆探、工程地質鉆探等，而且適合反循環鉆探和深孔鉆探中。

2.4振動式鉆探

振動式鉆進過程中利用振動器帶動鉆桿和碎巖工具產生周期性振動力。它除利用地表振動器和鉆具對地層產生垂直靜載外，還有鉆具上下振動產生的高頻沖擊振動所產生的動載，對巖層周圍或土層產生振動。在高頻的振動下，巖層或土層的強度下降，巖層和土層在鉆具和振動器自重和振動力的聯合作用下，使鉆頭鉆進巖土層，從而實現鉆進的過程。

振動鉆進常采用機械式雙輪雙軸振動器，其采用雙軸水平布置外，還可以上下平行布置。這樣布置后不僅可以產生垂直振動，還可以產生橫向振動。此外，還有單軸單輪振動器和單軸雙輪振動器等布置方式。常用的振動器有無簧式和有簧式2類。其中有簧式振動錘由電動機、振動器、彈簧、沖頭、砧子和接頭組成。其特點是振動其與鉆具分開，這樣既可振動鉆進，又可進行沖擊振動鉆進。

3、鉆進技術及其應用

3.1鉆孔技術的分類

（1）淺鉆。淺鉆一般用來勘探埋藏深度不深的礦床近地表部分的礦體，當涌水量大時，淺鉆可以代替澆井，其用途與淺井相似。淺鉆的類型有很多，多半是自行安裝在汽車上，機動性較強。其優點在于投入費用相對較少（經濟）、使用便利（便利）、鉆孔相對較淺（孔淺）、容易搬運（易搬），其缺點在于不能在硬質巖層地區進行鉆探。

（2）巖芯鉆。作為一個用來了解礦體深部地質情況的工程手段，巖芯鉆在對礦場進行勘探的過程中得到廣泛運用。為了了解礦場規模或礦體向地下深部延伸情況，或者為了尋找并勘探盲礦體等，一般都要用到巖芯鉆，不管是在山區或者平地，無論有無礦種或者礦場的復雜程度怎樣，通過觀測在鉆進過程中鉆機所采取的巖芯及巖粉，可詳細地研究鉆頭所穿過的巖石以及礦場的地質構造，同時計算礦產的產量。

（3）地下鉆。水平坑道中打進的巖芯鉆稱為地下鉆，也叫坑內鉆。這種鉆探的工程手段在對許多礦體數量多、礦體產狀復雜的礦床進行詳細勘探或生產勘探時非常有效，同時其時效性、經濟性是其他方法無法比擬的。

3.2鉆進技術應用

在地質勘查工作中，利用鉆探設備向地下鉆進形成的直徑較小、深度較大的柱狀圓孔，又稱鉆井?？傮w來講，地質礦產埋藏深度和鉆孔用途決定鉆孔的直徑和深度的大小，一般在鉆探石油、天然氣或地下水的鉆井直徑較大些。

鉆進的作用：（1）形成鉆孔，獲得全面的第一手地質體資料。這一資料的獲得在于從鉆孔中取得的巖芯、礦芯、巖屑甚至液、氣態樣品，有時還需從內孔壁補充側壁上的巖體進行分析研究。（2）可形成人工通道供觀測地下水層及水文地質動態之用。（3）作為一種便于觀測并獲取巖礦層各種地球物理信息的通道。（4）一些鉆孔可與采探結合，用于開采地下水、地熱、油氣資源等。

參考文獻：

[1]張林霞：我國地質找礦鉆探技術裝備現狀及發展趨勢分析，：探礦工程，2012年，第3期

[2]陳平安：論工程地質鉆探的鉆進技術，工程技術，2011年，第16期