鉆探工藝教案第0章 緒論

《鉆探工程》教案緒論第一節(jié)概論《鉆探工程》是一門應用技術課程，是鉆探技術專業(yè)的主要專業(yè)課程。本課程的主要內(nèi)容包括：巖石的性質(zhì)與可鉆性、硬質(zhì)合金鉆進、金剛石鉆進、沖擊鉆進與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進、巖礦芯采取、繩索取心鉆進、鉆孔彎曲與測量、定向鉆進、沖孔與護壁堵漏、工程鉆探技術等。本課程的任務是研究、闡述鉆探工藝的基本理論、鉆探施工的技術方法、鉆探生產(chǎn)工藝流程。通過本課程的講授，應使學生較全面地掌握各種鉆探工藝的基本知識、基本技能和基本理論；了解巖石性質(zhì)與鉆探的關系，巖石可鉆性及其定級方法；掌握不同地層的鉆探施工方法和操作技能；掌握各種鉆探工具、儀器的工作原理，并會合理的選擇、使用和維護；能初步學會復雜地層鉆進技術；沖孔與護壁堵漏技術及沖洗液的配制方法；掌握工程地質(zhì)鉆探技術?！躲@探工程》又是一門實踐性極強的課程。因此，在教學過程中必須重視實踐性教學中的各個環(huán)節(jié)，要充分利用試驗、實習和參加生產(chǎn)實踐的機會，做到理論與實踐相結合，以培養(yǎng)學生的實際操作技能和獨立工作的能力。第二節(jié)鉆探工程應用范圍凡是利用鉆機及其它鉆探設備向地下進行鉆鑿孔眼，并取出巖心、巖粒，向孔內(nèi)投放測試儀器，以了解不同深度巖層的地質(zhì)情況，為礦床勘探、工程施工等提供地質(zhì)資料的工作，可統(tǒng)稱為鉆探工程。一般說，凡是要取出孔內(nèi)巖心的鉆探工作，統(tǒng)稱為巖心鉆探。而為開采地下石油、天然氣、鹽水或地下水等的鉆進工作，統(tǒng)稱為鉆井工程。凡為了探查壩基、橋基、路基、港口碼頭、大型或高層建筑的基礎鉆探工作，通常稱為工程鉆探。凡進行各種基礎灌注柱、地下連續(xù)墻、土層錨桿、地基加固等技術鉆進工作，通稱為工程施工鉆或巖土工程鉆。鉆探工程在國民經(jīng)濟中占有很重要的地位，它的應用極為廣泛?，F(xiàn)將鉆探工程的主要用途歸納如下：(1)地質(zhì)普查鉆探：為揭露地表，探明基巖性質(zhì)、產(chǎn)狀、分布、地質(zhì)構造等，或為配合物探工作而進行爆破鉆孔，以及普查找礦鉆探等。在地質(zhì)普查找礦中常用地表取樣鉆或淺孔輕便鉆等。(2)礦產(chǎn)勘探鉆探：詳細查明礦區(qū)地質(zhì)構造、礦體產(chǎn)狀、品位、儲量及礦區(qū)水文地質(zhì)等，為礦產(chǎn)的開采提供必要的地質(zhì)資料。通常在勘探礦區(qū)布置一定的勘探網(wǎng)或勘探線，一般用固定式鉆機進行鉆探。(3)水文地質(zhì)鉆探：為查明地下水的賦存狀態(tài)、水質(zhì)水量及其運動規(guī)律等水文地質(zhì)情況，以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防、生活用水等，都需要進行水文鉆探；根據(jù)探采結合的精神，有時在水文勘查后進行水井的成井工作。水文水井鉆探多以專門的水文水井鉆機進行鉆探或鉆井。(4)工程地質(zhì)鉆探：為查明橋基、壩基、路基、水庫、港口、大型建筑物和大型設備基礎的鉆探工作，鉆孔大多為淺孔并有特殊的取樣要求。工作中都用特制的工程鉆機進行鉆探。(5)油、氣田鉆探：石油、天然氣的勘探及開采都需要進行鉆探工作。通常石油、天然氣勘探鉆井和開采鉆井結合在一起，通稱石油鉆井。此類鉆井較深，大都用專門的設備進行鉆探。(6)工程技術鉆探：利用鉆探工程進行工程施工和為達到工程技術目的進行的鉆探工作，如坑道掘進指示孔、探氣孔、通風孔、排水孔、凍結孔、灌漿孔、運輸孔、安裝線路和管路的鉆孔，各種觀測孔及專門的航標孔鉆探等。(7)工程施工鉆探：多應用于基礎樁的灌注建造工作及地下連續(xù)墻、土層錨桿、地基加固等工程；以及為巖土工程服務的各項工程施工的鉆鑿工作。隨著科學技術和國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，鉆探工程又開辟了許多新的領域，例如目前正在大力開展的為開發(fā)地熱資源及大陸架海底石油、天然氣資源的地熱鉆探和海洋(石油)鉆探、濱海鉆探、海底地質(zhì)鉆探和大型建筑工程施工鉆探等。為了解新地區(qū)和地球深部地質(zhì)情況，還進行了南極極地鉆探和超深井鉆探，以及月球表層鉆探等。以上情況，進一步表明鉆探工程的應用范圍有了新的擴展。第三節(jié)常用鉆探方法根據(jù)破碎巖石的機理不同，鉆探方法可分為機械的、物理的和化學的三種。物理和化學破碎巖石的方法，目前尚處于實驗室研究、試驗階段，還不能有效地用于生產(chǎn)實踐。用機械方法可破碎所有類型的巖石，因此，在鉆探生產(chǎn)中廣泛應用。機械方法破碎巖石，主要是以外集中載荷使巖石中產(chǎn)生很大的局部應力而破碎。因此，在機械破碎巖石時，根據(jù)外力作用的性質(zhì)和施加方式的不同，機械鉆探方法主要分為沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探三大類。沖擊鉆探?jīng)_擊鉆探是利用鉆頭鑿刃，周期性地對孔底巖石進行沖擊，使巖石受到突然的集中沖擊載荷而破碎。為使鉆孔保持圓柱狀，鉆頭每沖擊孔底一次需轉(zhuǎn)一定角度后再次進行沖擊。當孔底巖粉(屑)達到一定數(shù)量后，應提出鉆頭，下人專門的撈砂(屑)工具，將巖粉撈出清除，然后再下入鉆頭繼續(xù)沖擊破碎巖石。如此反復地進行沖擊鉆鑿，以加深鉆孔。根據(jù)所采用的動力不同，沖擊鉆探可分為人力沖擊鉆探和機械沖擊鉆探兩種。根據(jù)沖擊工具的不同，又可分為鋼繩沖擊鉆探和鉆桿沖擊鉆探兩類。沖擊鉆探多用于工程地質(zhì)勘查、第四紀卵礫石層鉆井和開采淺層地下水的水井鉆探，以及大直徑灌漿孔、露天礦開采中的爆破鉆孔等。回轉(zhuǎn)鉆探回轉(zhuǎn)鉆探是利用鉆頭在軸向壓力和水平回轉(zhuǎn)力同時作用下，在孔底以切削、壓皺、壓碎和剪切等方式破碎巖石，被破碎的巖屑、巖粉隨冷卻鉆頭的沖洗液及時帶出孔外。隨著鉆進時間的延長，鉆頭被逐漸磨鈍，鉆進速度(進尺)也隨之降低；這時，應從孔內(nèi)把鉆頭提出，更換新鉆頭后再下人孔內(nèi)繼續(xù)鉆進。根據(jù)破碎巖石時的切削具(磨料)不同，回轉(zhuǎn)鉆探分為硬質(zhì)合金鉆進、鋼粒鉆進和金剛石鉆進三種。也可根據(jù)破碎孔底巖石的不同形式，分為無巖心鉆探(全面鉆進)和巖心鉆探兩大類。巖心鉆探可從孔內(nèi)取出完整的柱狀標本——巖心，從而能夠揭示地下巖層的巖性、產(chǎn)狀、層序、層厚等，是研究地下地質(zhì)情況的較可靠根據(jù)。因此，巖心鉆探是勘察固體、液體和氣體礦產(chǎn)及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探的主要方法。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆探是鉆頭在孔底回轉(zhuǎn)破碎巖石的同時，施加以沖擊載荷，兼有回轉(zhuǎn)和沖擊兩種破碎巖石的作用。根據(jù)動力傳動介質(zhì)的不同，沖擊回轉(zhuǎn)鉆探分為液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆和風動沖擊回轉(zhuǎn)鉆兩類。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探主要應用于堅硬巖石，對提高堅硬巖石鉆進效率和保持鉆孔的垂直度方面有顯著效果。鉆探工作的程序現(xiàn)以巖心鉆探為例，說明鉆探工作的程序。其設備安裝布置如圖0—SEQ圖_\*ARABIC\s11所示。鉆進時，根據(jù)所鉆巖石性質(zhì)和鉆頭直徑、類型的不同，使鉆機立軸帶動鉆具以不同的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，并借助于鉆機上的給進裝置給鉆頭以必要的軸向壓力。于是鉆頭回轉(zhuǎn)，并切入巖石而鉆出環(huán)狀孔底，形成巖心2。隨著鉆孔的加深，巖心進入巖心管3。鉆頭鉆進巖石時，產(chǎn)生大量的熱量和巖粉。為了冷卻鉆頭，凈化孔底巖粉，并將巖粉排到地表，需要不斷沖洗鉆孔。水泵通過吸水膠管23把沖洗液從水源箱22中吸出，通過高壓膠管17、提引水接頭10和鉆桿柱5送入孔內(nèi)，沖洗孔底并冷卻鉆頭，把破碎的巖石顆粒(巖粉)從孔底沿著鉆孔送到地表。沖洗液從孔內(nèi)出來流入沉淀箱21和循環(huán)槽20，巖粉在此進行沉淀和凈化；被凈化的沖洗液再流入水源箱22，從水源箱再送入孔內(nèi)。鉆進過程中，當巖心管充滿巖心或因某種原因不能繼續(xù)鉆進時，應著手提鉆，將鉆具提出鉆孔。開始提鉆前，應把巖(礦)心卡牢在巖心管底部，并扭斷；巖心卡住后借助于升降機16、游動鋼繩12、天車13、帶有提引器的游動滑車11將鉆具提到地表，并將鉆桿柱卸成單個的立根，立根由兩根以上的鉆桿連接而成。立根長度取決于鉆塔的高度；擺放在立根臺上。巖心鉆具提到地表以后，卸下鉆頭，并小心謹慎地從巖心管中取出巖(礦)心，配好鉆具，再下入孔內(nèi)繼續(xù)鉆進。每一次提鉆時，均應檢查鉆頭，當鉆頭確已磨損時，須用完好的鉆頭替換。從每次下降鉆具，經(jīng)過鉆進，到采取巖(礦)心、提起鉆具為一個鉆程，稱為一個鉆進回次。每個鉆孔視鉆孔的深度，通過幾個至數(shù)百個鉆進回次，使鉆孔達到設計孔深。圖0SEQ圖\*ARABIC\s11巖心鉆探設備概貌圖1—鉆頭；2—巖心；3—巖芯管；4—連接巖芯管與鉆桿用的異徑接頭；5—鉆桿柱；6—導向管；7—鉆機；8—回轉(zhuǎn)器；9—卡盤；10—提引水接頭；11—游動滑車：12—游動鋼繩；13—天車；14—鉆塔腿；15—鉆機房：16—鉆機升降機；17—高壓膠管；18—鉆探水泵；19—電動機；20—凈化沖洗液巖屑的循環(huán)槽；21—沉淀箱；22—水源箱；23—吸入膠管；24-按于鋼繩固定端的指重表；25—排出部分沖洗液用的軟管；26—立根座巖心鉆探的深度一般在2000m以內(nèi)，有的已達4000m；孔徑在36～150mm之間。石油鉆井的深度可達數(shù)千米，有的已達萬米，井徑一般在500mm以內(nèi)。第四節(jié)鉆探技術的發(fā)展概況鉆探技術是我國古代許多科學技術發(fā)明之一，古代人為了尋找飲用水而挖鑿水井。故從鉆探技術的演變過程來說，“鑿井”可算作我國鉆探歷史的開端，鑿井可追朔到春秋戰(zhàn)國時代和周朝，甚至更早。以四川鹽井而言。史書記載開始于秦，實際上鑿淺井取鹵水在秦以前(公元前約400年)已開始。在出土文物漢磚上就有自鹽井汲取鹵水煮鹽的圖案。據(jù)歷史材料記載，唐朝鑿井已有640余口。明朝宋應星著《天工開物》中對四川地區(qū)開鑿鹽井有如下記載：“凡蜀中石山在向下遠者。多可造井取鹽，鹽井周圍不過數(shù)寸，其上口一小盂覆之有余。深必十丈以外，乃得鹵信，故造井功費甚難，其器冶鐵錐，如錐嘴形，其尖使極剛利，向石山舂鑿成孔。其身破竹，纏繩夾懸此錐。每舂深入數(shù)尺，則又以竹接其身，使引而長。初人丈許，或以足踏錐梢，如舂米形。太深則用手棒持頓下，所舂石成粉碎，隨以長竹接引，懸鐵盞之而上。大抵深者半載，淺者月余，乃得一井成就?！币陨嫌涊d，說明當時是采用人力鉆桿沖擊的方法開鑿鹽井，所用鉆頭是錐嘴形、其刃堅固而鋒利的鐵錐，鈷桿是竹片，隨井的加深而加長。沖擊破碎后的巖粉，用專門工具“鐵盞”撈取干凈，然后再繼續(xù)鉆進。深井約半年左右完成。淺井一個月左右即可完成。當時的鉆探工藝(與現(xiàn)代工藝很相似)，創(chuàng)造了很多打撈工具和筑井方法。先民們用傳統(tǒng)的方法于清道光6年（1835年）鉆成了第一口超1000m（1001.42m）的燊海井，使鉆井技術達到了新高峰，該井被聯(lián)合國教科文組織定為19世紀中葉前的鉆井世界紀錄。英國著名科學史專家李約瑟博士在其《中國古代科學技術文明史》一書中認為，中國鉆探科學技術對世界石油天然氣勘探開發(fā)技術產(chǎn)生了巨大的啟蒙、奠基和推動作用，在國際上領先數(shù)百年至一千多年。因此，在美、英、德、俄等國出版的石油鉆井教材和鉆探手冊中，開篇總是介紹一些中國的古代鉆探史料。有的學者還將中國這一偉大的創(chuàng)造譽為是繼指南針、火藥、造紙、印刷術之后中國古代的第五大發(fā)明。隨著工業(yè)技術的進步，直接破碎巖石的磨料、鉆具形式及與之相適應的鉆探設備都在不斷改進。19世紀初葉，硬質(zhì)合金的問世給巖土鉆掘業(yè)開辟了新時代。以碳化鎢為基體的硬質(zhì)合金比以前各種鋼制切削具具有更高的硬度和耐磨性。利用這種切削具做成不同類型的鉆頭或釬頭，在Ⅶ～Ⅷ級以下的巖層中可以有效地進尺。19世紀末期，美國工程師提出在硬巖，特別是在裂隙性巖石中使用鋼粒鉆進。因為鉆進這種巖石時，昂貴的天然金剛石鉆頭消耗量甚大。前蘇聯(lián)、東歐和我國在推廣人造金剛石鉆進之前，也是主要采用鋼粒作為磨料來鉆進堅硬、研磨性高的巖石。鋼粒鉆頭可以在Ⅷ級以上的巖層中取得不錯的鉆探效率。即使在金剛石鉆進技術已普及的今天，由于成本關系，鋼粒鉆進仍在硬巖大口徑鉆進中得到應用。自1862年法籍瑞士工程師萊舒特首先將天然金剛石應用于礦山鉆探以來，西方國家的金剛石鉆探技術已有百余年的歷史。金剛石是世界上最硬的礦物，是鉆進深孔和堅硬、強研磨性巖石最理想的磨料。但是，天然金剛石資源有限，價格昂貴，從而制約了它的大面積推廣普及。1953年、1954年瑞典和美國通用電氣公司分別宣布用人工方法合成了單晶人造金剛石，幾年后投入了工業(yè)生產(chǎn)，從此世界各國的人造金剛石產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。前蘇聯(lián)1966年開始研制人造金剛石孕鑲鉆頭。我國1963年成功地合成了第一顆人造金剛石后，逐漸掌握了人造金剛石鉆頭的制造技術，從20世紀70年代末開始大批量生產(chǎn)。把人造金剛石鉆頭用于硬巖鉆進是我國鉆探工程界的一大突破，在短短十幾年的時間里普及率和生產(chǎn)效率迅速提高，得到了國際上的一致好評。除了碎巖材料的長足進步外，繩索取心工藝、反循環(huán)連續(xù)取樣工藝、多孔底定向鉆進技術、鉆探和掘進生產(chǎn)過程的自動化與最優(yōu)化、高分子聚合物材料護壁堵漏技術等等方面的技術創(chuàng)新，都在多年的巖土鉆探實踐中經(jīng)受了考驗，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益。鉆探工藝的技術進步，促進了鉆探設備的更新?lián)Q代。19世紀中期制造出了可以采取巖心的回轉(zhuǎn)式鉆機，這種鉆機在基巖中鉆進效率高，地質(zhì)效果好，因而逐漸在地質(zhì)找礦和工程施工的鉆進領域中占據(jù)了主導地位。目前各類新型液壓鉆機、轉(zhuǎn)盤鉆機和輕便多功能鉆機，無論在功能上、結構上和自動化程度上都與老一代鉆機截然不同。與此同時，配套的輔助機具、檢測儀表、產(chǎn)品的標準化、新型材料和信息技術的應用等方面都不斷走向成熟。使得鉆探工程學逐漸形成了一個相對獨立的學科門類。隨著科學技術的進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，鉆探工程在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越大的作用，應用范圍也越