钻探专业实验教学的改革

[摘 要]钻探专业是应用性、实践性和操作性很强的专业,属于脑力和体力并用的艰苦职业.通过人才培养模式的转变,在专业实验教学过程中,不仅要培养学生掌握高超的职业技能和专业技艺,还要磨砺学生不畏艰辛、吃苦耐劳的精神与品质.

[关 键 词]钻探专业基础技能实验设计技能实验

由于钻探技术服务领域十分广泛,主要应用于建筑工程、地质找矿、地下水勘查和地质灾害预防治理等方面.在地质勘查施工过程中,对地下各种岩性特征、地质构造和资源蕴藏情况进行深部调查的行业,其从业环境主要为野外露天,无论在风沙弥漫的戈壁荒原、还是在森林茂密的群山重岭之中；严寒酷暑、栉风沐雨野外施工与生活不仅磨砺了钻探人的意志和,更使他们逐步培养成艰苦奋斗、吃苦耐劳的精神,因此要求学生掌握从事本专业领域实际工作的基本能力和关键技术显得尤为重要.特别是野外工作现场各种地质情况千变万化,需要施工人员必须具备多方面的适应能力和创新能力,方能达到预期的工作目的.

钻探专业实验不仅需要特定的实验场地和实验设备,更需要切合实际的实验内容和实验方法,在相关理论的指导下,注重培养学生实践技能和动手动脑的设计能力.

一、实验内容的结构分析

钻探专业的技能实验可分为基础技能实习和设计技能实习,又称为不变部分实习和可变部分实习.不变部分是指基本知识与基本技能；可变部分是指各种条件、参数和实现方法,可供设计调整和选择,或进行创新.

(一)基础技能实验

钻探专业的院内技能基础实习主要解决在野外施工中无法解决的基础技能训练问题,在各种拆装训练中,如岩性钻杆的拆装、液压传动部件的拆装、离心水泵工作原理剖析、卷扬机调整、竖井及配件的架设与迁移、各种特殊工具的有效使用和金工技能的操作掌握,等等,这些基础技能训练都将在行动导向教学过程分组进行,并能达到钻探技术领域和职业岗位（群）的技能要求和相关的职业资格标准,以便在今后工作岗位上解决实际操作过程的各种疑难问题.

传统的钻探实验一般为验证实验,在教师和实验技术人员的指导下,进行钻探设备操作训练,不仅需要练习各种钻机的启动,定位、提升、施压、转向等常规技能以外,更需要掌握各种故障的排除和隐患的发现以及各项操作规程的实施.

(二)设计技能实验

针对某项工作任务,要求学生主动设定针对性的完成目标及实施方案,进行相关资料搜集、分析,选择钻探技术及相关钻探设备与钻具,采用适当工艺及方法,并能在钻探工作中解决各种问题.

现以定向钻进技术设计为例,在设计技能实验过程中培养和锻炼学生分析问题和解决问题的能力,增强他们的创新精神和综合技能.

定向钻进技术是指采用人工造斜措施,避开各种障碍,保证钻孔按照设计的轨迹延伸,达到控制探清地下目标的技术标准.由于定向钻进能够节省进尺,保证钻探质量,如果在一个机台上施工一机多孔,还可以节约修筑道路、平整场地、赔偿青苗、拆卸、搬迁、安装设备等费用.对地面情况限制和地质条件复杂的工程项目而言,定向钻进技术将是最佳选择.

定向钻进技术可以分为多种类型,对应不同的地质条件可以采用不同定向钻进技术.如勘探在水体、沼泽、城镇、大型建筑及公共设施等障碍物下部的矿体,可以采用平面弯曲定向单孔钻进；山高坡陡,难以修筑道路、平整场地,可以移位定向钻进；矿体埋藏较深,覆盖层复杂,可以采用多孔底方式钻进,避免多次穿过复杂地层；需要基本确定出水量、出油率、出气量,或排出瓦斯,如煤的地下气化、硫的地下熔化、油页岩的地下蒸馏、汞的升华、甲烷的排除等等,都应该打多孔底孔.

进行设计技能实验,首先在学生获得必要的知识和技能以后,提出一个任务目标和相关条件,让学生自己设计实验方法及所需要的各种技能,并鼓励学生大胆设想和创新,选择解决问题、完成任务的定向钻进技术和有效途径及方法.

上述设计技能实验允许学生分组讨论,集思广益,群策群力,运用集体智慧形成最佳方案,要求每个小组有代表中心发言,并通过书面形式提交报告.

二、几个相关问题的讨论

首先,在筹建钻探实验室时,要充分考虑钻探设备的高度与宽度,尤其钻探设备启动展开后所需要的空间,在条件允许的情况下,尽可能满足上述条件.对于部分钻探设备所需空间过大时,可将实验室改为露天实验场,在室外进行实习训练,更切合实际施工场景.其次,钻探实验室（场）尽可能远离课堂教学的教室,钻机启动后,噪音很大,会影响教室上课.

在传统的钻探类专业高职教育中,实验室设备仅作为学习设备构造及原理的辅助工具,进行一些简单的模拟操作,无法进行实际的钻进实验.根本原因在于：一是钻机所在实验室空间高度不够.采用XY-4型钻机进行金刚石钻进所采用钻具组合为：主动钻杆、钻杆、岩心管及钻头,即便均采用最短钻具的组合,其总长度仍超过3m,无法在室内完成倒杆、钻进等正常工作.二是钻机位于实验室内,无法向地下钻孔,缺少钻进所需要的材料,因而无法实现实验室内正常钻进实验,钻机仅能完成模拟钻进的相关操作.由此可见,钻探实验室内现有的设备无法为行动导向教学改革提供充足的条件,因此,要为钻探类专业进行行动导向教学改革提供基础,就必须重新设计适用于实验室内钻进操作的钻具.

(三)怎样进行钻具设计改进

根据学院实验室的实际情况,结合学院设备的现状,针对金刚石岩心钻进工作提出钻具设计及改造方案.

1.岩心钻具的设计改进

进行金刚石取心钻进,必须要有整套的设备,包括钻机、泥浆泵、钻杆、岩心管及钻头.钻机和泥浆泵在实验室内均可完成正常的操作,但钻杆、岩心管及钻头等钻具组合的长度却超过了实验室的空间高度,要在实验室进行正常的钻进操作,必须对钻具重新进行设计.

由于钻具在实验室内工作主要受长度上的限制,因此,钻具设计的主要考虑因素包括：实验室允许高度、钻机给进行程、钻机立轴长度、钻具间配套等因素.综合考虑最终确定钻具组合依次为：主动钻杆、变丝接手、锁接手、短钻杆、岩心管及钻头.

主动钻杆不需改进设计,直接采用实验室内现有钻具,其作用是将钻机的给进力和回转扭矩传递给下部钻具.主动钻杆螺纹与普通钻杆锁接手螺纹形式有区别,故设计变丝接手用于主动钻杆与钻杆锁接手的连接,为在实验室有限的高度范围内完成岩心钻进所必须的给进、提升、倒杆等操作,短钻杆的长度设计有三种,分别为300mm、500mm及1000mm,行动导向教学所进行的岩心钻进实验钻深较浅,综合考虑实验室高度,应减小岩心管的长度,设计长度为500mm比较适中.

2.岩样卡具的设计改进

行动导向教学的课程教学和实践环节仍需要在实验室内完成,实验室内无法向地下钻孔,因此无法钻进真实的地层,而应钻进大块岩样.钻机钻进时钻头对岩样作用有巨大的压力和回转力,因此岩样必须有良好的固定,保证正常钻进工作并防止对实验人员造成伤害.根据XY-4型钻机钻进孔径大的大小,设计岩样夹持装置.通过卡具四周的长螺栓固定岩样并施加围压,模拟地层的真实情况.设计改进后的钻具组合.

设计改造后的钻具在教学过程及钻探技能竞赛中的应用均取得了良好的效果,使用重新设计的钻具可以有效的完成金刚石岩心钻进中所必须的钻进、提升、倒杆及取心工作,从而使实验室内钻探设备从展示品变成了行动导向教学中的实践设备,有效地为教学改革服务.

（作者单位：吉林大学应用技术学院吉林长春）