淺談鉆探新技術(shù)的應用

劉 敏 劉云山 段元清

（河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016）

1、鉆探新技術(shù)的應用概況

在西部大開發(fā)、國土資源地質(zhì)大調(diào)查中，黨中央及國土資源部已把水資源的勘查與開發(fā)列為重中之重。全國地下水資源調(diào)查評價是地質(zhì)大調(diào)查中的一項重要工作內(nèi)容，要想按時按質(zhì)的完成任務和達到預定的目標，除采用先進的地質(zhì)理論和地質(zhì)技術(shù)外，還必須采用先進的取心取樣鉆探新技術(shù)。若采用常規(guī)的鉆探技術(shù)進行施工，有很多地區(qū)存在著不少技術(shù)難題，如勘探速度慢、效率低、成本高；孔內(nèi)卡、埋鉆事故頻繁；易堵塞生產(chǎn)層裂隙、泥皮粘糊孔壁等；缺水地區(qū)還存在著大量的生產(chǎn)用水難以解決，不可避免的影響對水資源的勘查與評價。這一系列因素，要求我們改變原有的觀念，進行技術(shù)革新，選擇適合一定地區(qū)的、先進的鉆探技術(shù)，提高鉆探效率、降低成本、保質(zhì)保量的完成任務，從而帶動鉆探新技術(shù)的推廣應用。

1.1 多工藝空氣鉆探技術(shù)

空氣鉆進是指用壓縮空氣或含有壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進時的循環(huán)沖洗介質(zhì)，或者既用其作為破巖機具的動力，又兼作沖洗介質(zhì)的一種鉆進工藝方法。近幾年來發(fā)展很快，技術(shù)成熟，逐漸形成包括循環(huán)介質(zhì)、循環(huán)方式、碎巖方法和應用領(lǐng)域的多工藝空氣鉆進技術(shù)體系。其主要特點如下：低密度介質(zhì)有利于提高碎巖速度；能有效冷卻鉆頭、清除巖屑和快速判層；能在不穩(wěn)定地層中保護孔壁和少污染環(huán)境；有利于保護含水層和低壓油氣層并提高產(chǎn)出率；特別有利于在干旱缺水地區(qū)和嚴寒、凍結(jié)層施工；亦利于忌用液體循環(huán)的抗滑錨固孔和露天礦爆破孔施工；空氣潛孔錘鉆進能大幅度提高硬巖鉆孔速度；氣舉反循環(huán)鉆進能實現(xiàn)2～3m以上大直徑井孔和超過2000m深井施工。多工藝空氣鉆探被視為當今應用最廣和最有發(fā)展前景的鉆探技術(shù)之一，通過"七五"、"八五"期間的攻關(guān)研究與完善，已形成較為成熟的現(xiàn)代快速綜合鉆探技術(shù)，"多工藝空氣鉆探技術(shù)推廣應用"已被國家科委遴選編入"國家科技成果重點推廣計劃項目創(chuàng)產(chǎn)值超億元100例"。

1.2 多介質(zhì)反循環(huán)鉆探技術(shù)

所謂反循環(huán)鉆進就是指鉆探過程中循環(huán)介質(zhì)同常規(guī)鉆探方法的循環(huán)方向相反，反循環(huán)鉆進一般采用雙壁鉆具，循環(huán)介質(zhì)主要分為壓縮空氣和液體兩種。鉆進過程中，循環(huán)介質(zhì)經(jīng)過雙壁氣水龍頭、雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)隙到達孔底，驅(qū)動孔底破巖器具破碎巖石，并攜帶巖心及巖屑經(jīng)鉆桿的中心通道到達地表的巖心或巖樣的收集裝置。

由于反循環(huán)鉆進具有獨特的雙壁鉆具結(jié)構(gòu)，無需提出孔內(nèi)鉆具就能獲取所需的地質(zhì)樣品，決定了該方法具有如下優(yōu)點：時間利用率高，鉆進效率高，勞動強度低，洗井效果好；孔底清潔，鉆頭壽命長，實現(xiàn)了鉆進、取樣同時進行，達到了優(yōu)質(zhì)、高效的目的。根據(jù)循環(huán)介質(zhì)的不同，反循環(huán)鉆探技術(shù)主要分為空氣反循環(huán)和水力反循環(huán)。

1.2.1 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)

空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探能夠適應多種地層巖心鉆機，動力頭鉆機進行取心或取樣連續(xù)鉆進，能夠滿足地質(zhì)上對巖心的要求；尤其適合干旱缺水地區(qū)水文地質(zhì)勘查孔鉆探施工等特點。由于循環(huán)介質(zhì)為空氣，不會堵塞水通道、對水質(zhì)無污染，且不會打丟含水層；鉆進過程中即可根據(jù)巖樣上返潮濕程度判斷是否進入含水層；隨著含水層鉆進深度的增加，孔口返水量逐漸增大，穿過含水層后，返水量趨于穩(wěn)定，從而可以大致地判斷含水層的位置，定性地判斷水量的大小。如寧夏二人山-金場子礦區(qū)原定為貧水區(qū)(5m3/24h)，用空氣反循環(huán)鉆探 20余孔，不僅孔孔見水，且涌水量達 20～30m3/h。又如，在周口店探工所院內(nèi)用常規(guī)方法鉆進數(shù)百米深未找到地下水，用本方法卻發(fā)現(xiàn)了較豐富的達飲用水標準的地下水。

1.2.2 水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)

水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)以液體作為循環(huán)介質(zhì)，利用雙壁鉆具實現(xiàn)巖心的連續(xù)上返。該鉆探技術(shù)以硬質(zhì)合金和金剛石鉆頭為碎巖工具，以回轉(zhuǎn)磨削取心的方式鉆進。主要用于2～4級覆蓋地層、煤系地層以及較完整的中硬巖層中鉆進。實踐證明，水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)用于水文地質(zhì)勘查、地質(zhì)填圖、地球化學勘探、煤田取心鉆探及環(huán)境保護等鉆探施工中，具有較高的鉆探效率和較好的地質(zhì)效果。

1.3 繩索取心鉆探技術(shù)

繩索取心鉆探技術(shù)是一種應用較廣泛的地質(zhì)取心鉆探技術(shù)，該技術(shù)對地層適應性廣。1973年某勘探所首次研制成功用于巖心鉆探的繩索取心鉆具，后續(xù)逐步開發(fā)出多種系列產(chǎn)品：水文水井繩索取心鉆具系列，堅硬"打滑"地層用繩索取心鉆具系列，用于深孔的重型繩索取心鉆具。

破碎地層及煤系地層的繩索取心半合管鉆具系列和繩索取心塑料三層管和超前管鉆具等，與此同時，還開發(fā)了與其配套使用的鉆頭、擴孔器等，大大提高了我國金剛石鉆探的技術(shù)水平。應用繩索取心鉆探技術(shù)可以減少升降鉆具次數(shù)，增加純鉆進時間，減少巖心磨蝕和中途脫落機會，巖心采取率達.90～100%；能延長鉆頭壽命等；被譽為"四高、三低、兩好"，即工程質(zhì)量高，時間利用率高，鉆進效率高，鉆頭壽命高；事故率低、勞動強度低、設(shè)備材料消耗低；地質(zhì)效果好、經(jīng)濟效益好。為了滿足新一輪地質(zhì)大調(diào)查地質(zhì)鉆探需要和進一步提高我國地質(zhì)鉆探綜合水平而采用的一種新型鉆探技術(shù)-組合鉆探技術(shù)迎運而生，將空氣反循環(huán)連續(xù)取樣、水力反循環(huán)連續(xù)取心及繩索取心鉆探技術(shù)有機結(jié)合起來，采用一套鉆桿和輔助器具就能完成，達到了因地施鉆，滿足了地質(zhì)要求，提高了鉆探效率，降低了鉆探成本。

1.4 液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

液動潛孔錘鉆探技術(shù)是在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎(chǔ)上增加一個利用洗井液驅(qū)動的液動潛孔錘，它可產(chǎn)生具有一定沖擊能量和頻率的載荷，從而可大幅度提高5級以上地層鉆探效率，克服金剛石鉆進"打滑"問題，在巖心易堵塞的破碎巖層中延長回次進尺。勘探所先后開發(fā)出六個系列30多個規(guī)格的液動潛孔錘，如正作用系列、雙作用系列、繩索取心系列、水文水井鉆系列、液氣兩用系列，目前仍在開發(fā)深井用液動錘及噴反系列液動錘等。中國大陸科學鉆探是國家重點工程項目，它的實施從鉆探技術(shù)的角度來看將是全面檢驗和提高我國鉆探技術(shù)水平的一個極好的機會，其2000m先導孔及主孔施工采用了具有中國特色的先進技術(shù)：螺桿馬達/液動錘/金剛石取心鉆進工藝方法?？碧剿邪l(fā)的YZX127液動錘已成為CCSD主孔不可缺少的鉆探器具，目前正在3000多米的主孔中發(fā)揮著主導作用。

1.5 受控定向分枝孔鉆探技術(shù)

受控定向鉆探技術(shù)就是采用孔底馬達和必要的彎接頭或彎外殼控制方向沿設(shè)計的軌跡進行鉆進，來達到預定的靶區(qū)內(nèi)，該鉆探技術(shù)可在一個主孔的不同深度、不同方向鉆出多個分枝孔，可大大提高鉆探效率，節(jié)約成本，提高鉆孔的綜合利用率。

目前，受控定向分枝孔鉆探技術(shù)已成功地在固體礦產(chǎn)勘探中得到應用，定向鉆探對接井技術(shù)也廣泛用于鹽礦、地下煤層氣化等領(lǐng)域，可在一個主孔內(nèi)鉆出..6-9條分枝孔，可實現(xiàn)兩井相距500m的鉆孔在地下3000m的對接，勘探所已成功使用該技術(shù)完成對接井三十多對，2002年勘探所在湖北完成了深達2787m的對接，創(chuàng)國內(nèi)對接井之最。該技術(shù)的成功應用已為社會及生產(chǎn)單位帶來了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。受控定向多分枝孔鉆探技術(shù)用于開發(fā)地熱及水文水井鉆探等方面，能較好的擴大地熱井及水井的采集面積，豐富水源的水量；在涉臨枯竭的水井中，可以在同一主井實施放射狀水平井，以提高水井的采取率及延長使用壽命，使枯井起死回生；對接連通井技術(shù)可將地下干熱巖轉(zhuǎn)換成地熱，以充分發(fā)揮地下能源的有效作用，為民造福。

2、結(jié)語

近幾年來，鉆探新技術(shù)已在許多應用領(lǐng)域取得了較為突出的社會效益和經(jīng)濟效益。這些技術(shù)的推廣應用，改變了我國鉆探技術(shù)方法單一、技術(shù)水平發(fā)展緩慢的落后局面；使我國整體鉆探技術(shù)水平有了較大幅度的提高，并以其獨特的優(yōu)越性，解決了目前常規(guī)鉆探技術(shù)難以解決的技術(shù)難題，從而加速了地下水、固體礦產(chǎn)等資源的勘查與開發(fā)利用速度。

[1]卓寶熙.我國工程勘察技術(shù)的回顧和展望中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司 【期刊】工程勘察.2008-12-31