現(xiàn)代鉆探技術(shù)

一、鉆探施工過(guò)程

1、鉆孔的概念

鉆孔是從地表(或坑道中)向巖石中開(kāi)鑿的圓形斷面的空間，一般具有較小的直徑和較大的深度。直徑在25～500mm之間，稱(chēng)為鉆孔。鉆孔的深度從數(shù)厘米到數(shù)千米，目前的鉆孔深度已超過(guò)10000m。鉆孔包括孔口、孔底、孔壁。2/9/20231現(xiàn)代鉆探技術(shù)一、鉆探施工過(guò)程2、鉆探施工的主要工序

鉆進(jìn)按下列工序進(jìn)行：用升降機(jī)把鉆具下入孔內(nèi)；連接好所有接頭，開(kāi)泵；給鉆具加壓，并帶動(dòng)其回轉(zhuǎn)，破碎巖石；提鉆取心或更換鉆具；下鉆繼續(xù)鉆進(jìn)；鉆進(jìn)一段時(shí)間后及時(shí)測(cè)斜；提出全套鉆具，停鉆；封孔。2/9/20232現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、鉆探工程的應(yīng)用范圍和分類(lèi)(一)鉆探方法的分類(lèi)1、根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)取心的特點(diǎn)分類(lèi)——巖心鉆探和不取心(無(wú)巖心、無(wú)心、全面)鉆探。2、根據(jù)鉆孔用途分類(lèi)——按鉆探的應(yīng)用范圍分出相應(yīng)類(lèi)型。3、根據(jù)鉆孔中心線的傾角和方位角分類(lèi)——垂直孔(上、下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。4、根據(jù)鉆孔位置的分類(lèi)——地表鉆探、水上(河、湖、海)鉆探、地下坑道鉆探。2/9/20233現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、鉆探工程的應(yīng)用范圍和分類(lèi)(一)鉆探方法的分類(lèi)5、根據(jù)鉆孔布置方法分類(lèi)——叢狀鉆探

(圖1.2)、多井筒鉆探(圖1.3)、多孔底鉆探

(圖1.4)。圖1.2叢狀布孔圖1.3多井筒布孔圖1.4多孔底布孔2/9/20234現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、鉆探工程的應(yīng)用范圍和分類(lèi)(一)鉆探方法的分類(lèi)6、根據(jù)破巖形式分類(lèi)(1)物理方法破巖：①高溫（1400℃～3500℃）、高壓（200~250MPａ）破巖；②用超聲波和低聲波破巖；③用爆破、高壓水射流等方法破巖。(2)化學(xué)方法破巖：此法使用較少，如溶解、軟化巖石等。(3)機(jī)械方法破巖：使用最為廣泛，其分類(lèi)如圖1.5所示。

2/9/20235現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、鉆探工程的應(yīng)用范圍和分類(lèi)(一)鉆探方法的分類(lèi)7、根據(jù)鉆進(jìn)使用的沖洗液分類(lèi)清水鉆進(jìn)；乳化液鉆進(jìn)；泥漿鉆進(jìn)(含加重泥漿)；飽和鹽溶液鉆進(jìn)(鉆鹽井，以防溶解巖心和孔壁)；空氣鉆進(jìn)；泡沫鉆進(jìn)；霧化鉆進(jìn)；充氣泥漿鉆進(jìn)(降低泥漿比重，以防漏失)。2/9/20236現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、鉆探工程的應(yīng)用范圍

和分類(lèi)

(一)鉆探方法的分類(lèi) 8、根據(jù)沖洗液循環(huán)方式分類(lèi)

鉆孔沖洗液的循環(huán)方式示意圖如圖1.5所示。沖洗液正循環(huán)鉆進(jìn)沖洗液反循環(huán)鉆進(jìn)全孔反循環(huán)鉆進(jìn)孔底局部反循環(huán)鉆進(jìn)圖1.5鉆孔沖洗液的循環(huán)方式a-全孔正循環(huán)；b-全孔反循環(huán)；c-孔底局部反循環(huán).1-來(lái)自泵；2-往沖洗液沉淀系統(tǒng)2/9/20237現(xiàn)代鉆探技術(shù)第二章巖心鉆探設(shè)備第一節(jié)鉆機(jī)第二節(jié)泥漿泵第三節(jié)動(dòng)力機(jī)第四節(jié)鉆塔及其附屬設(shè)備2/9/20238現(xiàn)代鉆探技術(shù)第一節(jié)鉆機(jī) 一、鉆探工藝對(duì)鉆機(jī)功能的基本要求

1、提供使鉆桿柱及碎巖鉆具(鉆頭)破巖所需的回轉(zhuǎn)動(dòng)力； 2、提供鉆具克入巖石的壓力，并能調(diào)節(jié)； 3、具有起下鉆具的能力。 二、鉆機(jī)的類(lèi)型

用于巖心鉆探的鉆機(jī)分為：機(jī)械式鉆機(jī)(包括立軸式鉆機(jī)和轉(zhuǎn)盤(pán)鉆機(jī))、全液壓鉆機(jī)。 當(dāng)然還有旋挖鉆機(jī)、車(chē)裝鉆機(jī)、履帶式鉆機(jī)。2/9/20239現(xiàn)代鉆探技術(shù)XY-4型立軸式巖心鉆機(jī)GPS—15型轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆機(jī)2/9/202310現(xiàn)代鉆探技術(shù)

G-3型全液壓鉆機(jī)全液壓坑道鉆機(jī)2/9/202311現(xiàn)代鉆探技術(shù)旋挖鉆機(jī)旋挖鉆機(jī)2/9/202312現(xiàn)代鉆探技術(shù)車(chē)裝鉆機(jī)履帶式跟管鉆機(jī)2/9/202313現(xiàn)代鉆探技術(shù)一、鉆塔3、鉆探的類(lèi)型按制造鉆塔的材質(zhì)分類(lèi)金屬鉆塔木質(zhì)鉆塔按鉆塔的構(gòu)造分類(lèi)三角鉆塔四角鉆塔兩腳輕便鉆塔桅桿式鉆塔二、鉆塔的附屬設(shè)備天車(chē)游動(dòng)滑車(chē)提引鋼絲繩梯道安全欄桿或土電梯簡(jiǎn)易場(chǎng)房防雨天棚蓋避雷針2/9/202314現(xiàn)代鉆探技術(shù)帶普通手搖轆的三腳架2/9/202315現(xiàn)代鉆探技術(shù)兩腳輕便鉆塔1-下主腿；2-中主腿；3-上主腿；4-副腿；5-天車(chē)帽；6-天輪；7-天輪軸；8-繃?yán)K；9-塔衣繃?yán)K；10-活動(dòng)工作臺(tái)四角鉆塔1-上部工作面活動(dòng)棚頂；2-上部工作面；3-活動(dòng)棚頂；4-玻璃窗；5-塔外安全掛梯2/9/202316現(xiàn)代鉆探技術(shù)桅桿的結(jié)構(gòu)及豎立形式a-整體豎立式；b-折疊式；c-伸縮式角鋼四腳斜塔結(jié)構(gòu)示意圖2/9/202317現(xiàn)代鉆探技術(shù)一、鉆進(jìn)工具

鉆進(jìn)工具常指水接頭、主動(dòng)鉆桿、鉆桿、鉆鋌、液動(dòng)(風(fēng)動(dòng))沖擊器、巖心管、擴(kuò)孔器、異徑接頭、取粉管、套管、鉆頭等。右圖為鉆具在孔底的連接情況?？變?nèi)鉆具連接情況示意圖2/9/202318現(xiàn)代鉆探技術(shù)金剛石鉆進(jìn)用的巖心鉆具鉆粒鉆進(jìn)用的巖心鉆具1-鉆頭；2-提斷外殼；3-提斷彈簧；4-巖心管；5-異徑接頭；6-鉆桿1-鉆粒鉆頭；2-巖心管；3-異徑接頭；4-巖粉管；5-鉆桿2/9/202319現(xiàn)代鉆探技術(shù)第二節(jié)開(kāi)孔工作一、鉆孔的結(jié)構(gòu)及其選擇

鉆孔結(jié)構(gòu)是由孔口、孔深、孔壁等要素組成。在實(shí)際鉆進(jìn)中遇特殊情況，可適當(dāng)調(diào)整鉆孔的結(jié)構(gòu)，但應(yīng)滿足地質(zhì)或工程要求。右圖5-2為常見(jiàn)的鉆孔結(jié)構(gòu)圖，有的僅下孔口管，有的可能還下幾層套管。圖5-2鉆孔結(jié)構(gòu)圖2/9/202320現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-9階梯高肋骨鉆頭示意圖圖6-10燕尾補(bǔ)強(qiáng)鉆頭示意圖2/9/202321現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-11排狀硬質(zhì)合金自磨式鉆頭示意圖2/9/202322現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、硬質(zhì)合金鉆頭(二)全面鉆頭

1、三翼刮刀全面鉆頭

(圖6-12)

2、矛式全面鉆頭(圖6-13)圖6-12翼片全面鉆頭2/9/202323現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-13矛式全面鉆頭2/9/202324現(xiàn)代鉆探技術(shù)硬質(zhì)合金釬頭2/9/202325現(xiàn)代鉆探技術(shù)硬質(zhì)合金鑲齒三牙輪鉆頭球齒狀硬質(zhì)合金全面鉆頭（潛孔錘鉆進(jìn)用）2/9/202326現(xiàn)代鉆探技術(shù)第一節(jié)概述一、金剛石金剛石天然金剛石復(fù)合片(PDC)按晶形、雜質(zhì)含量、粒度分為首飾級(jí)和工業(yè)級(jí)金剛石。按品種和用途共分9個(gè)等級(jí)，地質(zhì)鉆探用為第9級(jí)單晶微粉聚晶(PCD)人造金剛石柱狀三角狀天然金剛石2/9/202327現(xiàn)代鉆探技術(shù)人造金剛石復(fù)合片（PDC）（PolycrystallineDiamondCompact）人造金剛石聚晶（PCD）（PolyCrystalline

Diamond）2/9/202328現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、孕鑲鉆頭碎巖機(jī)理

孕鑲鉆頭所用的金剛石的粒度小，且埋藏于胎體中，其實(shí)際碎巖機(jī)理和砂輪磨削類(lèi)似，如圖8-3所示。以刃具面多而小的硬質(zhì)點(diǎn)——金剛石對(duì)巖石進(jìn)行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。

三、復(fù)合片(PDC)鉆頭碎巖機(jī)理

PDC鉆頭以切削方式破碎巖石，如圖8-4所示。圖8-3孕鑲鉆頭的金剛石顆粒工作圖1-胎體；2-金剛石；3-巖石圖8-4PDC切削齒破巖工作圖2/9/202329現(xiàn)代鉆探技術(shù)天然表鑲金剛石取心鉆頭孕鑲金剛石取心鉆頭2/9/202330現(xiàn)代鉆探技術(shù)鋼體式PDC取心鉆頭PDC肋骨式取心鉆頭模型2/9/202331現(xiàn)代鉆探技術(shù)PDC內(nèi)外錐全面鉆頭（常用于石油鉆進(jìn)）2/9/202332現(xiàn)代鉆探技術(shù)PDC三翼刮刀無(wú)心鉆頭PDC四翼刮刀無(wú)心鉆頭2/9/202333現(xiàn)代鉆探技術(shù)PDC內(nèi)凹三翼無(wú)心鉆頭PDC圓弧支柱無(wú)心鉆頭2/9/202334現(xiàn)代鉆探技術(shù)圖9-5潛孔錘鉆頭示意圖圖9-4沖擊回轉(zhuǎn)硬質(zhì)合金鉆頭結(jié)構(gòu)圖a-大八角肋骨硬質(zhì)合金鉆頭；b-長(zhǎng)方片狀肋骨式硬質(zhì)合金鉆頭（a）（b）四、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭2/9/202335現(xiàn)代鉆探技術(shù)按孔深部位依次擺放的巖心2/9/202336現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、單動(dòng)雙管取心鉆具

(三)金剛石鉆具

下圖10-4所示的是金剛石鉆進(jìn)一般地層常用的單動(dòng)雙管鉆具。它主要由異徑接頭，單動(dòng)裝置回流閥，內(nèi)、外管和卡心裝置等組成。圖10-4金剛石單動(dòng)雙管取心鉆具1-異徑接頭；2-合金；3-內(nèi)管接頭；4-“O”型密封圈；5-滾動(dòng)軸承；6-注油孔；7-外管；8-彈簧；9-球閥座；10-內(nèi)管；11-內(nèi)管短節(jié)；12-擴(kuò)孔器；13-卡簧；14-卡簧座；15-鉆頭2/9/202337現(xiàn)代鉆探技術(shù)圖10-5SC—56型繩索取心鉆具1-上接頭；2-茅頭；3-彈簧銷(xiāo)；4-收卡筒；5-彈卡彈簧；6-彈卡室；7-彈卡板；8、10-彈簧銷(xiāo)；9-支塊；11-彈卡支座；12-內(nèi)接頭；13-鍵；14-彈簧；15-墊片；16-鎖母；17-插銷(xiāo)；18-彈簧室；19-油杯；20-螺母；21、23-軸承；22-軸承座；24-調(diào)節(jié)螺母，25-內(nèi)管接頭；26-心軸；27-外管；28-內(nèi)管；29-擴(kuò)孔器；30短節(jié)；31-卡簧；32-卡簧座；33-鉆頭三、繩索取心鉆具2/9/202338現(xiàn)代鉆探技術(shù)三、繩索取心鉆具圖10-6SC—56型繩索取心打撈器1-撈鉤；2-彈簧銷(xiāo)；3-撈鉤室；4-彈簧；5-銷(xiāo)軸；6-套筒；7-重錘；8-鋼繩接頭；9-繩頭節(jié)

雙管部分由外管總成和內(nèi)管總成組成。外管總成包括：彈卡擋頭、彈卡室、穩(wěn)定接頭(擴(kuò)孔器)外管、擴(kuò)孔器和鉆頭；內(nèi)管總成包括：撈矛、彈卡、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、內(nèi)管及卡取巖心機(jī)構(gòu)。2/9/202339現(xiàn)代鉆探技術(shù)四、反循環(huán)鉆進(jìn)取心 (一)全孔反循環(huán) 在大口徑樁基孔施工時(shí)，若用正循環(huán)鉆進(jìn)，環(huán)空上返速度過(guò)慢，不易排粉，故采用全孔反循環(huán)。 其工作原理如圖10-7所示。泥漿從外環(huán)直接流入，然后用泵從中心抽出。1-流入；2-抽出圖10-7全孔反循環(huán)2/9/202340現(xiàn)代鉆探技術(shù)四、反循環(huán)鉆進(jìn)取心

(三)噴射式孔底反循環(huán)

利用射流泵的工作原理來(lái)形成孔底反循環(huán)。其工作原理如圖10-9所示。 可用于7級(jí)以上硬脆碎巖礦層；也可用于4~6級(jí)松軟、膠結(jié)性差及易磨損的巖礦層；還可用于漏水、涌水地層中的直孔和斜孔鉆進(jìn)。 與無(wú)泵反循環(huán)鉆進(jìn)相比，優(yōu)點(diǎn)是：使用操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)強(qiáng)度??；孔內(nèi)清潔，鉆效高，埋鉆少，巖礦心采取率有所提高。不足之處：對(duì)破碎性巖礦心，噴射作用過(guò)強(qiáng)時(shí)容易造成層次混亂和分選現(xiàn)象；孔深時(shí)，沿程損失大，局部反循環(huán)效果降低且難控制，容易造成巖屑堵塞或發(fā)生事故。1-噴嘴；2-混合室；3-喉管；4-擴(kuò)散室；5-彎管圖10-9噴射式孔底反循環(huán)鉆具2/9/202341現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、取土器

1、限制球閥式

這種取土器在取土過(guò)程中，取土器內(nèi)的液體、氣體將球頂起排出。當(dāng)停止取土?xí)r，由于球上部彈簧的作用將球壓回原閥位置，以起封密作用，如圖13-4所示。這種球閥裝置較自由球閥式（上部無(wú)彈簧）密封可靠，但要選擇適當(dāng)?shù)膹椈蓮?qiáng)度，以及調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)膲毫?。球的直徑與排水孔的直徑相適應(yīng)，以使水、氣、泥排出。1-接頭；2-調(diào)節(jié)墊片；3-調(diào)節(jié)螺絲；4-彈簧；5-球閥；6-異徑接頭；7-余土管；8-襯管；9-取土管；10-管靴圖13-4限制球閥取土器2/9/202342現(xiàn)代鉆探技術(shù)二、取土器

2、回轉(zhuǎn)壓入式 這種取土器有兩層管，外管回轉(zhuǎn)（帶有硬質(zhì)合金鉆頭），內(nèi)管壓入，內(nèi)管與一般球閥式取土器類(lèi)似?？捎萌肆剞D(zhuǎn)和機(jī)械回轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)，適于深層取土。 人力回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，一般不用沖洗液，取土?xí)r，在回轉(zhuǎn)壓入過(guò)程中所克取的廢土由外管外表面的螺旋片帶出孔口，如圖13-5所示。機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)一般用沖洗液，取土?xí)r內(nèi)管壓入取土，外管回轉(zhuǎn)克取的廢土由沖洗液排出孔口。1-接頭；2-導(dǎo)向頭；3-異徑接頭；4-余土管；5-外管；6-取土管；7-螺旋片；8-管靴圖13-5回轉(zhuǎn)壓入式取土器2/9/202343現(xiàn)代鉆探技術(shù)沖抓錐鉆進(jìn)施工沖抓錐2/9/202344現(xiàn)代鉆探技術(shù)機(jī)械旋挖鉆進(jìn)施工機(jī)械螺旋鉆進(jìn)施工2/9/202345現(xiàn)代鉆探技術(shù)三、導(dǎo)向鉆進(jìn)施工原