用于冻土的便携式钻井

我们正在为永久冻土扩展项目钻探钻孔包括北极环极地区的学校。项目的目的是在学校建立永久冻土监测站，并有学生教师参与收集数据。我们钻了一个6米深的钻孔以供监测台测量地面温度。有超过建立了50个网站，许多学校位于偏远地区村庄。这为开发便携式设备创造了巨大的机会和必要性，轻型小直径钻头。然而，永久冻土条件和当地的地质变化很大。这种便携式钻机系统受到了严重的影响被冷冻材料的颗粒大小所影响。螺旋钻和取心的设计细粒冻土的碎片（机械性能）已经很好了。发展。然而,冻结砾石,博尔德，冰川沉积物在使用时是极其困难的较重的轨道安装液压钻机系统。在我们的外展项目中，我们试着开发一种用便携式的方法在冰冻的砾石上钻孔的方法。钻系统。这个研究展示了我们的实验和介绍便携式钻机系统的不同技术。

介绍

便携式钻井系统可能是为了寻找浅层地下水而开发的一种冲击系统。样本敲击系统在18世纪早期在日本被广泛应用为“Kazusa-hori”。

工业革命后，回转式钻机系统比传统的冲击式钻机系统更受欢迎。今天，有更多不同类型的钻井系统被广泛用于钻井。表1显示了钻机系统的分类。

我们这个实验的目标应该满足以下条件:1).重量轻;所有的系统都应该足够紧凑和轻，能够携带小型飞机、直升机、雪上移动设备以及小船到达偏远的村庄。2)。便携式系统;这项行动只需要一或两个人开始和完成建立监测站的所有工作。3)。小直径孔;该钻孔只需足够大，以安装1英寸(25mm)的PVC套管。孔应尽可能小，以减少现场干扰。4)能适应不同类型的冻土(材料)。大多数遗址都包含各种不同类型的祭祀地质。要想在每个学校成功地进行训练，必须能够适应各种地面条件。

特别是由美国陆军工兵部队冷区研究和工程实验室(CRREL)(例如Mellor, 1976)对冻土、砂等细粒土的钻探技术进行了深入的研究和发展;罗森和Brockett,1980;Sellmann Brockett,1986;1988)。Sellmann和Mellor(1986)总结了冻土细砂钻头设计的非凡成果。他们得出的结论是，钻头的最佳性能应该是:1)尽可能长时间保持锋利，2)抵抗任何粗粒度材料的撞击造成的损伤，3)足够大，以允许以最大的可行设计速率穿透。间隙角不足是一个常见的问题。

本研究主要集中讨论冻结粗粒物料(如冰冻砂砾)的移动式钻井系统的方法，因为这种材料是最难钻取的材料之一，在研究现场也很常见。我们需要能够在许多偏远的村庄钻钻孔，即使是通过这些材料。

方法

钻机系统

水射流钻头

水射流(热水射流)系统(图1)广泛应用于冰川学研究。这种方法对于冰川上的钻孔、海冰、冰以及富含冰的永久冻土都是有效的。我们使用了本田5HP压力喷射泵和定制的喷嘴，也测试了Kovacs企业有限公司的热水喷射装置。

图1。热水射流系统，用于旧钻孔(左)和原型轻型紧凑拆卸旋转钻机，采用空气旋转(右)。

手提钻

手提钻是一种强有力的工具，可以打破坚硬的固体材料，如岩石和/或冰。钻具深度的能力将是这个工具的弱点。通常，手提钻只能挖1-3米或更少。然而，我们用的是瑞典式旋转手摇手锤(Pionjar 120)。它可以钻一个6米深的洞，甚至可以钻穿花岗岩。

下孔钻(内嵌冲击钻)

众所周知，冲击(振动)作用对于碎石或基岩钻孔分离每一粒颗粒是非常有效的。我们尝试将这个动作应用到我们的便携式钻机系统中。我们修改了使用空气锤工具(airld air hammer:镗孔直径19.05mm，每分钟4500次，平均每分钟空气消耗量143立方米)(图2)。

旋转钻和土钻

旋转钻和土钻都需要旋转动作才能钻进。我们使用了三种不同的源来旋转钻头:1)最容易使用，但弱的方法是电动的。电钻很容易，在较冷的温度下也很好用。2)机械钻(图1)可能是便携式钻最常用的方法。因为它重量轻，强度高，虽然在较冷的温度下很难启动。3)水压是深钻孔的最佳方法，易处理，更强等。这就是为什么大多数的商用钻机都采用这种方法。但是由于系统需要很多不同的重型部件(图3)，所以无法转化为便携式钻机(见图3)，而且在运行过程中液压液需要保温。

图2。头类型下孔钻单元(内联冲击钻)。

图3。移动式液压主轴(旋转式)钻孔机。与履带式钻机相比，这是一种重量较轻的设备。然而，它仍然重(超过100公斤)携带。

冲击钻

电动冲击/旋转钻机是便携式钻机的理想系统之一。我们尝试了重型电动冲击钻机，看看能否将其应用到永冻层的钻孔中(图4)。

图4。带水龙头的电动冲击钻。该锤钻具有14A/120V功率，120-250 RPM转速，具有冲击(能量:13.3英尺/磅)。

钻头

钻头是钻井最重要的组成部分之一。我们为这个实验测试了许多不同的比特。带有旋转系统的螺旋钻头更快更容易钻。然而，这在砾石层中是很困难的。岩心钻头一般用于岩心取样，也可用于砂砾层的钻孔。我们使用了几种不同形状的硬质合金或金刚石芯片的芯块(图5)。

图5。超过20个不同的螺旋钻/核心比特被测试为这个实验。

图6。带有热敏电阻和电阻率接触点的原型冲击钻头(温纳结构)。

图7。商用岩石锤钻头(右4位)和干孔金刚石钻头(左)连接到我们的钻井系统。

图8。砾石(负倾角)和淤泥(正倾角)的取心钻头直径为30mm(右)。

结论：

我们在冰冻的岩石海滩和泛滥的平原材料上测试了旋转手提钻。手锤可以产生两个动作，旋转和打击。然而，旋转并不是设计上的主要动作，而只是作为次要动作进行旋转。当地面材料从钻孔中熔化时，钻孔会被融化的淤泥材料弄湿，转动的传动轴会粘在泥浆上，停止转动。动作产生的湿粉质材料和融水也吸收了手提钻的冲击力。因此，杰克汉默斯在干燥的基岩中工作得很好，但对冰冻的粉质砾石却不行。

一般来说，潜孔钻头直线式打击方法比使用旋转钻更有效。图10显示了在细粒和粗粒材料中，使用直线敲击和不使用直线敲击进行旋转钻的实验结果。

这个表格显示了内联系统对(细粒度和粗粒度)材料都很有效。然而，在粗碎石中，打击乐的效果更明显。与只使用旋转钻机相比，内联冲击钻机系统的效率要高出2.2倍(图10:开放点)。

图10。采用/不采用冲击动作(在线)对冻结的淤泥和砾石进行钻速。

使用水/空气是一种很好的方法来从钻孔中去除材料(细)，同时保持钻头尖端的清洁。当钻头旋转时，水/空气旋转可以将压力水/空气连接到钻杆，并通过钻头的尖端。矿泥被吹出钻孔。该系统需要一台大型空压机(>100 CFM)或高压水泵(2GPM)，并且与我们的便携式钻机系统配合良好。当钻头旋转时，可将受压水或空气连接到钻杆上。该钻井系统包括三个主要组成部分:挖地时，1)旋转作用，2)高压强迫水/空气推动作用，去屑作用，3)冲击作用。旋转接头能够承受高压强迫水/空气的推动作用，并能从钻孔中吹出泥浆。然而，在使用永冻层时，我们希望在钻孔时使研究现场保持冰冻。因此，在通过转轴输送水/空气之前需要一个冷冻(冷却)系统。如果使用过冷水或冷空气，系统会引起最小的干扰。

一般来说，物理理论的钻探依赖于三个主要方面，即钻头的旋转，向下的加载和去除。当其中一个方面不能正常工作时，钻速会显著降低，甚至停止钻速。在碎石区使用便携式钻机系统，切割刀片的深度明显小于砂砾的晶粒尺寸。在这种情况下，钻井理论的第一个方面并不令人满意。也需要水，空气，或螺旋飞艇来建立一个足够大的流动通道。流动路径的速度与细粒粒径有关。最大晶粒尺寸(G:mm)的计算公式如下(Mori, 1981)。

G = 0.0055v2 Gw/(Gs- Gw)

式中v:速度(cm/sec)， Gs:晶粒密度，Gw:水密度。用这个方程，6-10毫米直径的晶粒需要40-60厘米/秒的速度使用水。虽然这并不是不可能产生的压力，但它不太可能轻易地转化为便携式钻机系统。粗粒物料的钻削明显超过了物理理论的极限。因此，对于粗料钻削，我们得出了以下结论:

(1).旋转系统不能正常工作。

(2)冲击系统有助于去除颗粒。

(3)金字塔形(零表观前角)钻头(图9)用于去除卵石，尤其是在基体中存在高细粒物质含量的情况下。

(4).膨润土具有良好的墙体稳定性。

金刚石金属芯钻头适用于钻取任何类型的砾石、岩石和卵石。然而，这需要很长时间。

表2显示了我们实验的总结。冲击作用有助于分离每一粒颗粒，并将砾石从冻结的基体中移走，使砾石自由移动。然而，由于晶粒尺寸的原因，不能从钻孔中取出细粒(谷物)。小直径钻杆是成功钻透颗粒材料的重要参数。

图11。适用于不同冻料的便携式钻机系统，具有理想的主钻机系统和钻头性能。冰和细粒土的耙和浮力角在Sellmann和Mellor(1986)之后。

表2。细粒和粗粒冷冻材料的便携式钻井操作总结

结论

对于细粒物料，甚至是粗粒物料，如果孔隙空间充满淤泥或粘土材料，旋转钻机是非常有效的。冲击系统为粗粒物料层的钻孔创造了一个有效的作用(图11)。在驱动杆上加重重量可以产生更好的冲击能量。然而，在偏远村庄钻井的现实限制了人力冲击系统的大小约为30公斤(图12)。用较小直径的钻杆(12mm)以两种方式用撞击法辅助钻孔，而不是用重锤打孔。由于管径较小，钻孔速度加快，钻孔小到可以将颗粒状物质推入孔内壁。

采用冲击动作和钻头旋转相结合的方式，改进了钻削性能。复合作用是粗粒多年冻土钻孔的重要系统。我们还需要设计和建造一个内置打击系统，用于重型使用和更强的冲击能在未来。

图12。人力传统冲击系统采用钢条。

确认

这个项目由国家科学基金会EPSCoR, IPY项目和美国国家航空航天局IPY项目资助。我们要感谢UAF机械工程机械车间(Ned Manning and Eric Johansen)建造了proto式在线打击机系统，乔恩·霍尔姆格伦(Jon Holmgren)和萨姆·斯基德莫尔(Sam Skidmore)开发了许多proto类型的比特，VECO极地资源用于后勤支持。

引用

劳森,D。和B. Brockett, 1980。阿拉斯加北部冻土的钻探和取心。美国陆军冷硬研究与工程实验室，CRREL特别报告80- 12,14p。

梅勒米。,1976年。切削和钻孔的力学。第二部分:轴向旋转机械的运动学。美国陆军冷凝器研究与工程实验室，CRREL报告77- 7,85p。

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Sellmann,p V。B. Brockett, 1986年。用于冻结细粒土的钻头。美国陆军冷门研究与工程实验室，CRREL特别报告86-36。

Sellmann,p V。和B. Brockett, 1988年。冻土、沥青和混凝土中几种钻屑的评价。美国陆军冷硬研究与工程实验室，CRREL特别报告88- 8,10p。

Sellmann,p V。和M. Mellor, 1986年。为冰冻的细粒土钻孔。美国陆军冷硬研究与工程实验室，CRREL特别报告86-27。

文章翻译自：

Portable Drilling for Frozen Coarse-Grained Material

Tohru Saito

International Arctic Research Center, University of Alaska Fairbanks

Kenji Yoshikawa

Water and Environmental Research Center, University of Alaska Fairbanks