地质钻探技术与方法研究

  引言

 

  地质调查勘探工程通常由钻探、坑探、槽探及物探四部分组成，水文地质钻探是整个水文地质调查勘探工程中最为重要的一个部分。顾名思义，水文地质钻探即是为查明地下水的埋藏条件、运动规律、水质、水量等水文地质条件,以获取合理开发及利用地下水所需资料而采用的一种主要技术手段及方法。文章通过对地质钻探技术发展现状及意义的分析，进一步对地质钻探的技术和方法进行探讨。

 

  1.地质钻探技术现状及意义

 

  目前来说地质钻探是对地下水进行研究最可靠也是最重要的手段，因此，地质钻探技术及方法愈发受到水文工作者的重视。尽管地质钻探技术在地质勘探的过程中应用广泛，但由于其设计未得到及时的更新，所以技术水平相对来说还比较落后。例如当前只能依赖进口的液压动力钻头；金刚石绳索钻探取芯法尽管在国内得到广泛的应用，但由于操作技术的落后使其潜能未能得到充分发挥。虽然有一些新的地质钻探技术应用于勘探工程当中，但涉及的范围还有待扩大。

 

  换个层面来看，国家和地方政府虽然对现阶段的地质钻探工作极力支持，且基本常用的钻探技术方法也有，但可能由于国内先进钻机的研制能力不够，会直接导致地质钻探过程中出现一系列的问题。为此，需要对地质钻探新技术的研发加大力度，引进先进技术以便能够缩小国外与国内钻探技术的差距。

 

  由于地质钻探技术涉及的范围比较广，其中包括矿产资源、地质状况及地下水开发等。因此，地质钻探技术的发展对人类的生活和生产活动会造成一定程度上的影响。首先，地质钻探是各种地质试验的必备工程，同时也是对地质测绘、物探成果的检验手段。其次，伴随着地质钻探阶段的逐渐深入，地质钻探工作量在矿产地质勘察全程中具有关键性的作用及地位。由于地质钻探的设备较为沉重，施工技术较为复杂，成本昂贵且工期较长，因此地质钻探对整个矿产地质勘察项目的完成及投资起着决定性的作用。所以对地质钻探技术方法的研究势在必行。

 

  2.地质钻探的技术与方法

 

  由于地质钻孔在地质调查勘探的过程中会碰到不同硬度的岩层，因此根据岩层的结构选用正确的钻进方法极为重要。其常用的钻进方法包括正循环回转钻进、反循环回转钻进、冲击回转钻进、机械冲击钻进及特殊钻进技术与特种工艺[2]。以下主要对前三种钻进方法及技术参数予以详细分析阐述。

 

  2.1正循环回转钻进

 

  正循环回转钻进方法主要包括钻机的就位、初钻、钻进速度、泥浆性能及钻孔位置的准确。其中在钻进速度的控制上要根据土层的性质来进行调整，比如在粘质土中钻进时，由于泥浆粘性大，钻锥所受阻力太大，因此在正循环回转钻进时最好选用尖底钻锥、中等转速、大泵量、稀泥浆钻进。

 

  （1）基本方法：根据钻孔直径和深度对钻具级配进行合理选择，且按照GB9808-9812和DZ/T0008标准来要求钻具的规格、质量和技术。钻进时钻杆在孔内位置应定期倒换，浅孔可抽上换下，深孔宜用抽中间换两头的方法交替使用。钻孔换径时，应使用异径导向钻具钻进，导向钻具长3～5m。

 

  大口径钻进，若示量不能使孔内冲洗液上返速度达到0.1m/s时，宜在钻具组合中增加取粉管，回次钻进结束时要冲孔捞渣。钻进过程中要随时注意孔内情况变化，若出现回转阻力增大，负荷突变，泥浆压力 不足或蹩泵，孔口返浆减少或不返浆、岩心堵塞以及钻速突然降低等异状时，要立即采取措施，经处理无效时要及时提钻检查。停钻时，钻具不准在孔底停放，必须将钻具提至孔外或安全孔段。

 

  （2）牙轮钻进技术参数  钻压：宜达到所钻岩石的破碎强度值，并结合设备能力和钻具强度等安全因素合理选择。按钻头直径单位长度所需压力计算：在中硬以上较硬岩层中钻进宜采用3～4kN/cm， 在中硬以下较软地层中钻进可采用1～3kN/cm。转速：线速度以0.8～1.5m/s为宜，遇卵砾石层或严重破碎地层可降低到0.6m/s；地层完整、硬度较低、钻孔较浅时，可采用快速，用常规口径钻进的转速为70～200r/min，大口径为30～60r/min。泵量：以满足冲洗液上返速度0.1～0.5m/s为宜，有条件时应选大值。

 

  2.2反循环回转钻进

 

  反循环回转钻进是指携带岩屑的钻探冲洗介质经过钻杆内孔返回地面的钻进方法。与常规循环方式的钻进相比，反循环钻进的液流上返速度快，携带岩粉能力强，且孔底被钻下的岩石能够及时的排出并迅速返回地表。

 

  （1）基本方法：一般采用“水压”钻进，即自开孔至完孔的全过程中，要保持水源池与孔内连通，注满孔内液体。在地下水位小于3m的松散易坍塌地层钻进时，必须采取可靠措施进行护壁。

 

  要求循环管路中，内壁光滑没有变径和凹凸台面，避免岩屑堵塞管路。所用钻头适合于反循环钻进，其钻头的水口应利于岩屑吸入。下钻时，不能将钻具直接下到孔底，应在距孔底0.3～0.5m处开始循环，待排渣口出水后，边回转边下钻。钻进中要随时观察排渣情况，并及时调整钻进速度，必要时提动钻具，停止进尺，待排渣正常后再继续钻进。要挖设专用供水池，以防孔内突然漏水能及时补充。其供水池容积为钻孔体积的3～5倍。

 

  （2）射流反循环钻进技术参数：钻杆内流体上返速度一般控制在3～4m/s。钻杆内岩屑含量一般不得超过8%～10%，孔浅时取大值，孔深时取小值。钻杆内径应根据钻孔直径的大小来选择，一般钻杆内径不得小于钻孔直径的1/10，且不宜小于70mm。钻孔直径愈大，所需射流泵引射流流量相应增加，钻孔直径为300～500mm时，其泵量为：120～150m3/h。 一般采用低钻压慢转速钻进。转速为15～40r/min，钻压根据地层和钻头直径来合理确定，一般钻头直径单位长度压力为0.6kN/cm。

 

  2.3冲击回转钻进

 

  冲击回转钻进是指通过利用冲击及回转两种方式进行同时碎岩的钻探方法，其主要是在回转的钻杆柱下端及取芯钻具之间安装潜孔冲击器，以便能够使冲击脉冲、轴向钻头压力及钻杆回转扭矩同时作用于钻头上，实现钻进与采取岩心。其主要的优势在于能够大幅度提高硬岩层钻速及回次进尺的长度，减少钻孔弯曲的程度，极大降低了钻探成本。

 

  （1）潜孔锤取心钻进技术参数  风量、风压：取心钻进所用风量和风压较不取心潜孔锤钻进要低。一般风量为6～15m3/min；风压为0.7～1.5MPa。钻压、转速：钻压不要太高，一般为8～12kN，转速与普通潜孔锤钻进相同。

 

  （2）潜孔锤空气泡沫钻进技术参数  溶液浓度：应根据泡沫性质、孔内涌水量合理确定溶液配制浓度。十二烷基苯一般浓度为0.6～1.0%，若孔内涌水量大时，溶剂易被稀释可加大其浓度。灌注量与气液比：应根据孔内涌水量、钻进速度、岩屑颗粒大小和送风量等因素，合理确定泡沫溶液灌注量。其量应不小于孔内涌水量，一般灌注量为4～6L/min。灌注量与风量之比即为液气比，一般为1/100～1/300。风量与风压：气液上返速度为常规潜孔锤钻进的1/15～1/20就可排渣，所以空气泡沫钻进风量、风压均低于常规潜孔锤钻进，一般风量2～3m3/min，风压为0.6MPa即可。钻压与转速：钻压低于常规潜孔锤钻进，一般为8～12kN，转速可略高于常规潜孔锤钻进，一般为20～40r/min。

 

  2.4地质观测

 

  地质观测主要是在进行地质钻探的工作时记录的相关地质资料。其详细内容包括了钻孔中水位的变化、消耗漏失冲洗液情况、涌水位置、出水量、水温异常及遇溶洞、老巷、大裂隙、流砂及钻具突然掉落的层位和深度。

 

  （1）观测水位：在进行水位观测时，有二种情况：一是清水为冲洗液时，应间隔5分钟以上于提钻后、下钻前各对水位进行测量，当层次出现漏水严重的现象时，应该采取稳定或近似稳定的水位观测方法。二是泥浆为冲洗液时，钻孔通常无需进行水位观测，其主要的测量方法是在冲洗液钻进中，凭借孔内水位变化的深度来进行判断。如潜水的初见水位等同于稳定水位，承压水德稳定水位高于初见水位。

 

  （2）观测消耗冲洗液情况：在进行水文地质钻探的工作时，最能反映岩层透水性变化的是冲洗液消耗量，因此，对冲洗液消耗量的观测也极为重要。当钻孔穿透含水层地板，出现冲洗液大量消耗及漏失现象时，需要间隔10-30分钟对冲洗液的消耗量及漏失情况进行观测。

 

  （3）观测地质构造活动性:在新构造运动活跃的地区，为监测活动断层的位移和地应力场的变化，要用精密水准测量大地形变；对垂直活动断层带，定期进行短水准测量；同时设置专门地震台网，监测微地震和有感地震的活动，用以分析区域构造稳定，以及水库地震发生和发展的可能性。

 

  3.地质钻探新技术的应用

 

  随着社会经济不断的飞速发展，地质钻探技术也在不断的革新，因此，为适应区域的钻探技术，提高钻探效率及保质保量的要求，地质钻探新技术的应用推广也势在必行。

 

  （1）空气钻探技术：空气钻探技术主要是指通过压缩空气作为钻进时的循环冲洗介质的钻进工艺方法。其特点是其低密度介质加快了碎岩速度，在不稳定地层中对孔壁进行良好的保护。该技术的应用不仅很大程度上提高了地质钻探的速度及质量，而且也产生了较为巨大的社会经济效益。

 

  （2）绳索取芯钻探技术：此技术因对底层适应性高而在地质取芯钻探中应用较为广泛，其不仅能够减少钻具升降次数，减少岩心腐蚀，而且能够增加纯钻进时间，进而使岩心采取率达到90-100%。

 

  （3）液动冲击回转钻探技术：此技术是基于回转钻进的前提下，增加洗井液驱动并对液动潜孔锤加以利用。一方面其本身能够产生一定的冲击能量，另一方面也从很大程度上提高底层钻探效率。近年来，此技术已应用于地下水勘查及地质岩心钻探等地质勘察领域中，并且促进了良好的社会经济效益。

 

  （4）受控定向钻探技术：此技术主要是通过孔底马达及弯接头控制方向顺着设计好的轨迹进行的钻进工艺。其应用于水文地质钻探中不仅能够更好地扩大地热井的采集面积及增加钻孔丰富的出水量，而且能够在一个主孔的基础上延伸出深度方向不一的分枝孔，因此大幅度提高了钻探效率，同时也节约了钻探成本。

 

  4.结语

 

  综上所述，地质钻探技术与方法在矿产地质勘查中的运用，能够更好地为社会经济效益的发展服务。但由于目前我国在地质钻探技术方面的应用现状中还存在着一些不足及问题，因此，本文基于地质钻探技术发展现状及意义分析的前提下，进一步对地质钻探的技术和方法进行了探讨与分析，并大致的介绍了地质钻探新技术的应用情况，以便能够为矿产的开发提供些许有价值的参考建议。