地質鉆探技術與方法研究

  引言

 

  地質調查勘探工程通常由鉆探、坑探、槽探及物探四部分組成，水文地質鉆探是整個水文地質調查勘探工程中最為重要的一個部分。顧名思義，水文地質鉆探即是為查明地下水的埋藏條件、運動規律、水質、水量等水文地質條件,以獲取合理開發及利用地下水所需資料而采用的一種主要技術手段及方法。文章通過對地質鉆探技術發展現狀及意義的分析，進一步對地質鉆探的技術和方法進行探討。

 

  1.地質鉆探技術現狀及意義

 

  目前來說地質鉆探是對地下水進行研究最可靠也是最重要的手段，因此，地質鉆探技術及方法愈發受到水文工作者的重視。盡管地質鉆探技術在地質勘探的過程中應用廣泛，但由于其設計未得到及時的更新，所以技術水平相對來說還比較落后。例如當前只能依賴進口的液壓動力鉆頭；金剛石繩索鉆探取芯法盡管在國內得到廣泛的應用，但由于操作技術的落后使其潛能未能得到充分發揮。雖然有一些新的地質鉆探技術應用于勘探工程當中，但涉及的范圍還有待擴大。

 

  換個層面來看，國家和地方政府雖然對現階段的地質鉆探工作極力支持，且基本常用的鉆探技術方法也有，但可能由于國內先進鉆機的研制能力不夠，會直接導致地質鉆探過程中出現一系列的問題。為此，需要對地質鉆探新技術的研發加大力度，引進先進技術以便能夠縮小國外與國內鉆探技術的差距。

 

  由于地質鉆探技術涉及的范圍比較廣，其中包括礦產資源、地質狀況及地下水開發等。因此，地質鉆探技術的發展對人類的生活和生產活動會造成一定程度上的影響。首先，地質鉆探是各種地質試驗的必備工程，同時也是對地質測繪、物探成果的檢驗手段。其次，伴隨著地質鉆探階段的逐漸深入，地質鉆探工作量在礦產地質勘察全程中具有關鍵性的作用及地位。由于地質鉆探的設備較為沉重，施工技術較為復雜，成本昂貴且工期較長，因此地質鉆探對整個礦產地質勘察項目的完成及投資起著決定性的作用。所以對地質鉆探技術方法的研究勢在必行。

 

  2.地質鉆探的技術與方法

 

  由于地質鉆孔在地質調查勘探的過程中會碰到不同硬度的巖層，因此根據巖層的結構選用正確的鉆進方法極為重要。其常用的鉆進方法包括正循環回轉鉆進、反循環回轉鉆進、沖擊回轉鉆進、機械沖擊鉆進及特殊鉆進技術與特種工藝[2]。以下主要對前三種鉆進方法及技術參數予以詳細分析闡述。

 

  2.1正循環回轉鉆進

 

  正循環回轉鉆進方法主要包括鉆機的就位、初鉆、鉆進速度、泥漿性能及鉆孔位置的準確。其中在鉆進速度的控制上要根據土層的性質來進行調整，比如在粘質土中鉆進時，由于泥漿粘性大，鉆錐所受阻力太大，因此在正循環回轉鉆進時最好選用尖底鉆錐、中等轉速、大泵量、稀泥漿鉆進。

 

  （1）基本方法：根據鉆孔直徑和深度對鉆具級配進行合理選擇，且按照GB9808-9812和DZ/T0008標準來要求鉆具的規格、質量和技術。鉆進時鉆桿在孔內位置應定期倒換，淺孔可抽上換下，深孔宜用抽中間換兩頭的方法交替使用。鉆孔換徑時，應使用異徑導向鉆具鉆進，導向鉆具長3～5m。

 

  大口徑鉆進，若示量不能使孔內沖洗液上返速度達到0.1m/s時，宜在鉆具組合中增加取粉管，回次鉆進結束時要沖孔撈渣。鉆進過程中要隨時注意孔內情況變化，若出現回轉阻力增大，負荷突變，泥漿壓力 不足或蹩泵，孔口返漿減少或不返漿、巖心堵塞以及鉆速突然降低等異狀時，要立即采取措施，經處理無效時要及時提鉆檢查。停鉆時，鉆具不準在孔底停放，必須將鉆具提至孔外或安全孔段。

 

  （2）牙輪鉆進技術參數  鉆壓：宜達到所鉆巖石的破碎強度值，并結合設備能力和鉆具強度等安全因素合理選擇。按鉆頭直徑單位長度所需壓力計算：在中硬以上較硬巖層中鉆進宜采用3～4kN/cm， 在中硬以下較軟地層中鉆進可采用1～3kN/cm。轉速：線速度以0.8～1.5m/s為宜，遇卵礫石層或嚴重破碎地層可降低到0.6m/s；地層完整、硬度較低、鉆孔較淺時，可采用快速，用常規口徑鉆進的轉速為70～200r/min，大口徑為30～60r/min。泵量：以滿足沖洗液上返速度0.1～0.5m/s為宜，有條件時應選大值。

 

  2.2反循環回轉鉆進

 

  反循環回轉鉆進是指攜帶巖屑的鉆探沖洗介質經過鉆桿內孔返回地面的鉆進方法。與常規循環方式的鉆進相比，反循環鉆進的液流上返速度快，攜帶巖粉能力強，且孔底被鉆下的巖石能夠及時的排出并迅速返回地表。

 

  （1）基本方法：一般采用“水壓”鉆進，即自開孔至完孔的全過程中，要保持水源池與孔內連通，注滿孔內液體。在地下水位小于3m的松散易坍塌地層鉆進時，必須采取可靠措施進行護壁。

 

  要求循環管路中，內壁光滑沒有變徑和凹凸臺面，避免巖屑堵塞管路。所用鉆頭適合于反循環鉆進，其鉆頭的水口應利于巖屑吸入。下鉆時，不能將鉆具直接下到孔底，應在距孔底0.3～0.5m處開始循環，待排渣口出水后，邊回轉邊下鉆。鉆進中要隨時觀察排渣情況，并及時調整鉆進速度，必要時提動鉆具，停止進尺，待排渣正常后再繼續鉆進。要挖設專用供水池，以防孔內突然漏水能及時補充。其供水池容積為鉆孔體積的3～5倍。

 

  （2）射流反循環鉆進技術參數：鉆桿內流體上返速度一般控制在3～4m/s。鉆桿內巖屑含量一般不得超過8%～10%，孔淺時取大值，孔深時取小值。鉆桿內徑應根據鉆孔直徑的大小來選擇，一般鉆桿內徑不得小于鉆孔直徑的1/10，且不宜小于70mm。鉆孔直徑愈大，所需射流泵引射流流量相應增加，鉆孔直徑為300～500mm時，其泵量為：120～150m3/h。 一般采用低鉆壓慢轉速鉆進。轉速為15～40r/min，鉆壓根據地層和鉆頭直徑來合理確定，一般鉆頭直徑單位長度壓力為0.6kN/cm。

 

  2.3沖擊回轉鉆進

 

  沖擊回轉鉆進是指通過利用沖擊及回轉兩種方式進行同時碎巖的鉆探方法，其主要是在回轉的鉆桿柱下端及取芯鉆具之間安裝潛孔沖擊器，以便能夠使沖擊脈沖、軸向鉆頭壓力及鉆桿回轉扭矩同時作用于鉆頭上，實現鉆進與采取巖心。其主要的優勢在于能夠大幅度提高硬巖層鉆速及回次進尺的長度，減少鉆孔彎曲的程度，極大降低了鉆探成本。

 

  （1）潛孔錘取心鉆進技術參數  風量、風壓：取心鉆進所用風量和風壓較不取心潛孔錘鉆進要低。一般風量為6～15m3/min；風壓為0.7～1.5MPa。鉆壓、轉速：鉆壓不要太高，一般為8～12kN，轉速與普通潛孔錘鉆進相同。

 

  （2）潛孔錘空氣泡沫鉆進技術參數  溶液濃度：應根據泡沫性質、孔內涌水量合理確定溶液配制濃度。十二烷基苯一般濃度為0.6～1.0%，若孔內涌水量大時，溶劑易被稀釋可加大其濃度。灌注量與氣液比：應根據孔內涌水量、鉆進速度、巖屑顆粒大小和送風量等因素，合理確定泡沫溶液灌注量。其量應不小于孔內涌水量，一般灌注量為4～6L/min。灌注量與風量之比即為液氣比，一般為1/100～1/300。風量與風壓：氣液上返速度為常規潛孔錘鉆進的1/15～1/20就可排渣，所以空氣泡沫鉆進風量、風壓均低于常規潛孔錘鉆進，一般風量2～3m3/min，風壓為0.6MPa即可。鉆壓與轉速：鉆壓低于常規潛孔錘鉆進，一般為8～12kN，轉速可略高于常規潛孔錘鉆進，一般為20～40r/min。

 

  2.4地質觀測

 

  地質觀測主要是在進行地質鉆探的工作時記錄的相關地質資料。其詳細內容包括了鉆孔中水位的變化、消耗漏失沖洗液情況、涌水位置、出水量、水溫異常及遇溶洞、老巷、大裂隙、流砂及鉆具突然掉落的層位和深度。

 

  （1）觀測水位：在進行水位觀測時，有二種情況：一是清水為沖洗液時，應間隔5分鐘以上于提鉆后、下鉆前各對水位進行測量，當層次出現漏水嚴重的現象時，應該采取穩定或近似穩定的水位觀測方法。二是泥漿為沖洗液時，鉆孔通常無需進行水位觀測，其主要的測量方法是在沖洗液鉆進中，憑借孔內水位變化的深度來進行判斷。如潛水的初見水位等同于穩定水位，承壓水德穩定水位高于初見水位。

 

  （2）觀測消耗沖洗液情況：在進行水文地質鉆探的工作時，最能反映巖層透水性變化的是沖洗液消耗量，因此，對沖洗液消耗量的觀測也極為重要。當鉆孔穿透含水層地板，出現沖洗液大量消耗及漏失現象時，需要間隔10-30分鐘對沖洗液的消耗量及漏失情況進行觀測。

 

  （3）觀測地質構造活動性:在新構造運動活躍的地區，為監測活動斷層的位移和地應力場的變化，要用精密水準測量大地形變；對垂直活動斷層帶，定期進行短水準測量；同時設置專門地震臺網，監測微地震和有感地震的活動，用以分析區域構造穩定，以及水庫地震發生和發展的可能性。

 

  3.地質鉆探新技術的應用

 

  隨著社會經濟不斷的飛速發展，地質鉆探技術也在不斷的革新，因此，為適應區域的鉆探技術，提高鉆探效率及保質保量的要求，地質鉆探新技術的應用推廣也勢在必行。

 

  （1）空氣鉆探技術：空氣鉆探技術主要是指通過壓縮空氣作為鉆進時的循環沖洗介質的鉆進工藝方法。其特點是其低密度介質加快了碎巖速度，在不穩定地層中對孔壁進行良好的保護。該技術的應用不僅很大程度上提高了地質鉆探的速度及質量，而且也產生了較為巨大的社會經濟效益。

 

  （2）繩索取芯鉆探技術：此技術因對底層適應性高而在地質取芯鉆探中應用較為廣泛，其不僅能夠減少鉆具升降次數，減少巖心腐蝕，而且能夠增加純鉆進時間，進而使巖心采取率達到90-100%。

 

  （3）液動沖擊回轉鉆探技術：此技術是基于回轉鉆進的前提下，增加洗井液驅動并對液動潛孔錘加以利用。一方面其本身能夠產生一定的沖擊能量，另一方面也從很大程度上提高底層鉆探效率。近年來，此技術已應用于地下水勘查及地質巖心鉆探等地質勘察領域中，并且促進了良好的社會經濟效益。

 

  （4）受控定向鉆探技術：此技術主要是通過孔底馬達及彎接頭控制方向順著設計好的軌跡進行的鉆進工藝。其應用于水文地質鉆探中不僅能夠更好地擴大地熱井的采集面積及增加鉆孔豐富的出水量，而且能夠在一個主孔的基礎上延伸出深度方向不一的分枝孔，因此大幅度提高了鉆探效率，同時也節約了鉆探成本。

 

  4.結語

 

  綜上所述，地質鉆探技術與方法在礦產地質勘查中的運用，能夠更好地為社會經濟效益的發展服務。但由于目前我國在地質鉆探技術方面的應用現狀中還存在著一些不足及問題，因此，本文基于地質鉆探技術發展現狀及意義分析的前提下，進一步對地質鉆探的技術和方法進行了探討與分析，并大致的介紹了地質鉆探新技術的應用情況，以便能夠為礦產的開發提供些許有價值的參考建議。