刍议深部地质钻探钻柱失稳行为
地质工程的钻探对于工程建设项目和科学研究活动的顺利进行有重要的意义。随着时代的发展，人们认识自然的理论基础不断丰富和完善，对于改造自然世界的技术水平也有了较大程度的增长。当前社会的发展，离不开先进的科学与技术的应用。例如，在世界各地广泛存在的各类建筑工程项目，极大改善了人们的生产生活水平，提升了整个社会的面貌。建筑工程想要有效发挥其在人们生活中的作用，必须要保证项目在建设时，工程地质条件得到有效的确定，然后采取一定措施确保建筑能够长期稳定存在于这样的地质层上，因此，必须要对地质钻探进行研究。随着目前越来越多的高架桥、高层建筑等的建设以及对地质深层资源开采方面存在的紧迫性，要求深部地质钻探技术水平不断取得突破。在当前，虽然钻探技术取得了一定的突破，但是钻探过程中，存在的钻柱弯曲、变形或者是钻进受到阻力不均时，都会对钻柱的运动产生一定的影响，这些影响带来的后果就是钻柱会发生横向、纵向、扭转或者是涡动等各种形式的不良振动，但是，至今我国的科研人员都不能将这些深部地质钻探过程中存在的钻探柱失稳的现象的深层次原因解析出来，主要是对钻柱力学特性的描述不够准确。基于此，笔者结合自身工作经验，并通过一定的文献资料查阅、调查采访和实验，对深部地质钻探中存在的钻探柱失稳的行为进行一定的研究。
1深部地质钻探钻柱失稳行为研究的目的和意义
对于钻探工作而言，钻柱的失稳行为将会严重阻碍工作的有效开展和顺利推进。在钻机钻进过程中，如果钻探柱失稳，将会增大钻进的摩擦阻力，使钻压的传递难度增大，还会导致卡钻或者是自锁事故的发生，对于维持孔壁的稳定会带来重要的损害，而且还会使得钻孔轨迹的控制难度加大。
对于深部地质钻探过程中存在的钻柱失稳行为，我国已经研究了几十年，虽然取得了一定的突破，但是研究的中心放在了对于钻柱失稳行为的定性和过程描述上，所得到的结果也一般都是近似的结果，没有提出具体的理论。因此，对于钻柱的系统性研究还有待进一步加强。由于钻柱的失稳不仅有着地质结构自身的复杂性特点，而且还存在着一定的无法直观观测的难处，因此，对于钻柱的失稳需要进行更多的实验和探讨，以帮助更好的确定钻柱失稳的过程，及时的发现钻柱的失稳并弄清其真正原因，将已有的理论、经验等进行深化和完善，促进我国地质钻探工作的更为高效的开展。
2深部地质钻探工艺及技术流程
2.1钻孔位置选取
在钻探工作正式进行之前，首先需要确定钻孔的位置。确定钻孔的位置需要结合工程实际需要和相关的地质调查历史依据进行综合考虑确定。
2.2钻孔结构设计
笔者结合某地质勘查工作中需要进行的钻探工程为例，分析其钻孔结构的设计。
对于K2地块深层矿石储量的钻探施工，主要是结合本地区的多年的地质调查结论和附近的多个钻孔获取的大量的地质资料，对本区域1000米范围内的地质情况有一定认识，但是桩井附近的深部构造研究的地球物理资料相对较少。通过对临近地区的地质资料的分析，对本地区的地层岩石的物理力学性能，尤其是硬度、稳定性和水敏性有了一定的认识，对勘测区域的综合地层柱状图做了一个简要的分析，然后，结合实际情况，设计钻探过程中的钻孔结构为：在钻孔进行开孔过程中，采用直径为150毫米的硬质铝合金钻头进行，当钻探通过10米厚的覆盖层达到稳定砂岩后，再下入直径为146毫米的孔口管。第一次进行钻探采用的是122毫米的绳索取心钻具钻进至600米深度，下入直径为108毫米的套管；第二次开采采用的是直径为96毫米的绳索取心金刚石钻头钻进400米，下入直径为89毫米的套管；第三次开钻采用的是直径为76毫米的绳索取心钻具钻进800米，形成终孔。然后再采用优质的泥浆进行钻进。对于钻孔结构的设计，如图一所示。
图一 钻孔结构示意图
2.3钻进参数及钻具组合
在深孔岩心钻探中，常常采用的钻进方法有金刚石钻进、复合片钻进和硬质合金钻进等；常常采用的取心方法有绳索取心、双管取心和单管取心。在深孔岩心钻探中，采用单动双管取心钻具，显著的特点是在钻进过程中，内管不转动，只有外管转动，这样的取心方式不仅有效防止了冲刷，而且对于避免岩心管震动、摩擦等机械损伤和对于岩心的扰动都有重要的意义。对于桩处的地质工程勘探，比较适合的钻探方法是选用孕镶金刚石绳索取心钻进方法钻进。
钻进规程参数的选取：
（1）钻压：对于K2地块地质的钻探，采用了孕镶金刚石绳索取心钻进方法钻进，对于钻进过程中钻压，结合有关工程实践，当进行直径为96毫米的钻具进行钻进时，正常的钻压应控制在12～15千牛之间；使用直径为76毫米口径的钻头钻进时，正常的钻压应控制在10～12千牛之间。
（2）转速：由于K2地块所处的地质条件较为复杂，设计的钻孔结构比较复杂、换径次数较多和环状空间大等特点，为了保证钻具能够有效钻进，防止孔内事故的出现，在钻进过程中，转速应从初始时的700转每分钟逐渐降低为350转每分钟。
（3）泵量：在钻进过程中，需要利用泥浆泵对钻进过程中产生的泥浆进行抽取，理论上，泥浆泵的上返流速应为1米每秒左右，从而能够有效防止岩屑的存在同时对润滑钻头进行冷却。在直径为960毫米的钻孔区间时，正常的泵量应控制在6050升每分钟；在直径为760毫米的钻孔区间时，正常的泵量应控制在4030升每秒。 （4）钻头选择：在钻探工作中，钻头作为对岩石进行切削和破碎的首要工具，钻头的选择对于井眼质量高低有着密切的关系，而且岩石的钻遇地层与钻头类别匹配程度越高，施工效率越高，钻头损坏越小。因此，结合本次工程实践，选择的钻头主要是平底型孕镶金刚石取心钻头。
2.4钻探取心
进行钻探施工，做好钻探取心工作，在这个过程中，即是钻柱失稳行为发生的阶段。笔者结合K2地块的深部地质勘探工作，对其中存在的钻柱失稳行为的机理进行一定的分析。
3深部地质钻探钻柱失稳行为分析
由于深部地质钻探钻柱孔内的运动形式十分的复杂，而且伴随着孔深度的变化，钻柱的真实运动的情形很难进行确定，因此，结合实践和实验，确定钻柱是出于线性的弹性形变，钻柱和孔壁的横截面是规则的圆形，对于存在的剪力，由于很小，故而忽略其对钻柱的影响，对动力效应进行了忽略。本文只从钻柱屈曲方面分析其存在的失稳行为。
钻柱屈曲问题是几何非线性的问题分析，可以以有限元的分析方法来完成钻柱失稳临界载荷的分析，模拟失稳屈曲的模态和形状，例如：钻柱受到延劳破坏等情况，而钻柱有限元的分析方法在研究中可以以下几步来完成：
第一步：将钻柱进行假设性的分割，分割成若干单元体，在各个单元之间的节点处加以练习，由一个集体建立单元集合的整体，替代原本的钻柱，在节点位置引入等效的加载条件和适当的约束，代替钻柱实际外载荷和边界条件。
第二步：对于单元特性进行分析。分析时按照分块相似的原则，按照一定的基本函数关系与力学关系建立求解未知数的参数和相关钻柱节点之间的相互作用。
第三步：求解节点的未知量对节点变量的未知参数方程进行求解。要确定节点未知变量具体的数值，而钻柱可以根据有限元的分析方法，确定无限自由度钻柱，如果只是有限自由度钻柱的单元集合体，就可以把问题简化为方便数值求解结构方面的问题。
第四步：得到结论。对于本文中采用的钻探工艺进行的实验，并结合实验室实验，并采用前述的钻柱失稳屈曲模拟分析，充分考虑了钻柱的自重、孔壁间正压力、表现纵向和横向的摩擦力等因素充分考虑，按照钻柱失稳的屈曲变形，确定钻柱的失稳分成了三个阶段：稳定、正弦屈曲、螺旋屈曲三个阶段，从而确定钻柱屈曲失稳临界的载荷，确定钻柱载荷的应力。
4结语
深部钻探中钻柱失稳的现象至今存在，结合上述实验和分析，可以有效的确定钻柱的屈曲失稳临界的载荷，因此，只需采取一定措施进行克服即可有效的防止这种现象的出现。
