工程地质钻探中的钻孔技术分析

工程地质钻探中的钻孔技术分析

在工程地质钻探中，钻孔技术是获取有效地质资料的重要手段，本文总结了钻孔技术的类别和各自的特点及应用条件，对钻孔技术的技术发展做出了展望并提出自己的见解，对钻孔技术的研究有一定的参考价值。

标签： 工程地质;钻探;钻孔技术;技术特点;发展趋势

一、钻井技术的类别

我国幅员辽阔，在地质勘探中面临着复杂的地质环境，对于钻探钻孔技术有着很高的要求，像陆地和海洋天然气资源的勘探、高原地区的勘探以及天然气资源的开发等技术，钻探的岩石和施工状况不同，钻井技术也要有相应的针对性。在工程地质的钻探中，钻孔技术是矿产勘查以及地质调查必要的技术方法，只有通过该技术才可以从地下获取地质样品。随着地质钻探的要求越来越高，传统钻孔技术渐渐无法满足复杂的地质钻探要求，只有钻探技术的应用水平提高了，才可以有效地提升工程勘探的找矿水平和效率。在工程地质钻探前，要综合分析工程地质状况，制定科学合理的钻探方法，切实保障地质钻探的正常运行，并从实践中提升我国的钻井技术水平。

与地质找矿钻探相比，工程地质钻探的特点是：

（1）勘探工程钻孔布置，不光要考虑自然地质条件，还需结合工程类型及特点。如水坝一股应顺坝轴线布孔，工业与民用建筑则需按建筑物的轮廓线布孔等。

（2）钻进深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及为了解专门的地质问题（如控测深岩溶）外，孔深均为十余米至数十米，所以经常采用简易钻探法和轻便钻机。

（3）钻孔多具综合性目的，1个钻孔除了需查明地层岩性、地质结构和水文地质条件外，还要作各种试验、取样、长期观测。有些试验往往与钻进同时进行，所以进尺较慢。

（4）工程地质钻探在钻进方法、钻孔结构、钻进过程中的观测编录等方面，均有特殊要求。与物探、坑探相比较，钻探工作有其独特的优点，它可以在各种环境下进行，不受地形地质条件的限制。它能直接观察岩心和采样，勘探精度高。勘探深度大，不受地下水的限制，钻进速度也较快，这是坑探所不能比拟的。

根据不同的外力的作用方式，可将现钻探方法分为冲击式钻探、回转式钻探、冲击回转式钻探和振动式钻探，个别特殊地层条件下喷射式钻探也常常被采用。如果根据钻探切削工具的不同又可将钻探方法分为钢粒钻探、硬质合金钻探和金刚石钻探。根据钻探的目的和作用不同可分为水文地质钻探、固体矿产钻探、工

程地质钻探、地热钻探、砂矿床钻探、石油天然气钻探、科学（超深孔）钻探和地表取样钻探等。如按所用冲洗液和循环方式又可分为泥浆钻探、清水钻探、空气钻探、正循环钻探以及反循环钻探等。按钻探区域的不同又可分为极地钻探、陆地钻探、水域钻探以及月面钻探等。除此之外，还有一些高效的钻探方法如热力法、熔融法和化学方法等，但这些方法因为成本高、技术难度大而未得到广泛适用。其中热力法包括高频电流钻、火焰喷射钻、微波钻等，熔融法包含等离子钻、电热钻、激光钻等，而化学方法常用的是利用化学试剂将岩石进行破碎。

地质钻探技术包含向地下钻孔破碎岩石的方法和钻进工艺两方面的内容。不同的钻探方法取决于不同的钻探目的，目前最为常用的钻探方法为机械破碎岩石法，该方法根据破碎方式及作用力的不同又可细分为振动钻探、冲击钻探、冲击回转钻探、回转钻探等（见表1），而常用的钻孔技术则包括浅钻、地下钻、岩心钻等。

1.岩心钻技术

在矿床勘探中，岩心钻主要用来获取深层矿体的地质信息以及水文参数。岩心钻技术有着广泛的应用范围，应用中不会受到条件的限制，不管是平地、山区，还是面临复杂的矿床和矿种，都可以通過岩心钻技术勘探矿床规模和矿体在地下的延伸状况。在地质钻探中，利用钻机取得的岩心以及岩粉，可以详细地分析出钻孔的地质地貌。实际应用时，岩心钻的采取率不能低于60%，假如矿体的倾角比较大，就要采取倾斜钻孔方式;假如矿体的倾角比较小时，通常采取垂直钻孔的方式，从而保障地质钻探的工程施工，其实钻孔技术的水平。

2.浅钻技术

在地质钻探是，浅钻和浅井的用途比较相似，当钻井时出现较大的涌水量就可以代替浅井应用。所以，浅钻通常勘探的矿床都埋藏比较浅，也常用于不需要采取深钻钻井技术的矿井。相对于岩心钻技术，浅钻技术适用于孔浅的地质，搬动设备方便，比较容易操作较简单，而且成本低，容易获取浅层地表的矿体数据信息，因此使用比较方便。浅钻技术种类多种多样，大多是自行安装于汽车上，不过钻探时，对岩石有一定限制，硬度不能太大。

3.地下钻技术

通常，人们把水平坑道里使用的岩心钻称为地下钻，又叫坑内钻。在实际应用于，地下钻技术过于复杂，使用成本高，因此适用范围相对较小。不过，在矿体复杂的矿床中以及地质复杂多变的矿井里钻探时，可以得到精确的数据信息，效率也很高，也有一定的应用优势的。

二、钻孔技术应用和发展趋势

1.钻孔技术应用

在工程地质钻探时，利用钻探设备在地下钻出一定深度以及较小直径的柱状圆孔，即地质钻孔。通常，钻孔的深度以及直径大小和地质状况以及钻孔用途有着直接的联系。钻孔可以得到矿心、岩心、岩屑、液体以及气体的样品等地下直接的地质实物资料，有利于勘探人员综合分析地下的地质状况，像地热、油气以及地下水等各种资源的数据信息。

孔口是指钻井的起始部位，其直径称为孔径;孔底是指钻井底部其直径称为终孔直径;孔壁是指钻井侧部;孔深是指孔底与孔口的距离;孔径是指钻孔的直径，孔段则是指钻井中某一段的距离。钻孔深度与直径的选择一般由钻探的目的及矿产的种类及埋藏深度决定，一般情况下，地下水、天然气、石油的钻探，其钻孔直径相对较大。钻孔的功用可包括以下几个方面：①为提取地下层水文特征及动态资料开通人工通道;②为提取岩（矿）层的各种信息数据开通观测通道;③从钻井中取出岩（矿）心、岩屑以及气态或液态样本，研究分析地下岩（矿）层相关资料;④部分钻井可将勘探与开采相结合，进行油气、地热、地下水等的开采。随着钻探技术的不断成熟与完善，已经在许多领域中广泛使用，钻孔的用途也因此变得越来越广泛，其中包括：①石油钻井，用于天然气、石油的勘探与开采;②水文地质钻孔，用于地下水文地质的勘察;③开发钻孔，用于硫磺、溶解岩盐、地下卤水等资源开发;④地热钻孔，用于蒸汽、地下热水等资源的勘探与开发;⑤施工钻孔，用于通讯及建筑的管线安装、灌浆、取样、爆破等;或用于隧道及采矿施工时的运输探气探水、冻结、排水、通风等;或者作为隧道及采矿施工时的辅助钻孔;⑥地质勘探钻孔，用于找矿、了解地质构造以及矿产储量勘察;⑦工程地质钻孔，用于勘察水库、坝址、桥梁、建筑等工程的施工地质情况;⑧基础施工钻孔，用于建筑工程基础建设中的管桩、基础桩的施工钻孔;⑨水井钻孔，用于农业、工业及日常生活中地下水的水文研究。

目前，钻孔技术在选多地质勘探上都得到广泛的应用，应用前景的形势很好。第一，钻探水井，使用钻孔技术有利于人们勘探地下水资源，主要包括工业、农业、生活用水以及国防需要等，借助钻井技术都可以获取精确的水文地质数据，从而节省开采地下水资源的成本。第二，在工程钻孔时，施工人员要详细勘察施工场地的地质条件，主要包括地质、地下溶解岩盐以及水文等数据参数，从而为加固工程的基础提供有力的保障。第三，在矿床或者隧道等一些工程的施工时，常常需要进行钻孔施工，借助钻孔施工可以适用于探水、排水、探气、爆破、冻结以及安装通讯管线等各种不同的施工需要，而且会大大提升施工的效率。第四，钻孔技术适用于石油钻井和水文的勘察，在开发石油以及天然气时也可以用于地质钻探。第五，通过钻井技术，勘探人员可以详细了解所勘探的地质构造和地貌，通过地质钻孔或者地质普查，人们就可以综合分析地质状况，从而确定矿床的位置并探明矿产储量。

2.钻孔技术发展趋势

目前，钻探技术随着科技进步不断完善，钻孔技术也逐渐升级，在地质钻探中，越来越多的钻探施工设备得到应用，在提升钻探质量以及效率的同时，施工成本也在不断的降低。钻孔技术不仅应用于商业性质的地质钻探，也广泛服务到公益性质的地质勘探，在为公益性质的地质钻探服务时，公益性质主要表现在面

向社会公布勘探的地质成果，整个社会都可以收益，钻井技术的研究成果在这时就超过了科研本身具有的意义。

钻孔技术主要呈现为下面几种发展趋势：第一，在连通井技术的定向对接以及钻孔测量时采取定向钻进技术都要加大使用力度，从而使技术成果具有我国的自主知识产权。第二，注重研讨有关天然气水合物的钻探技术，要实现钻井技术实质性的突破，减少依赖国外技术的程度，使钻井技术更符合我国矿产勘探和开发的需求。第三，我国制造钻孔设备的技术还有待提升，主要包括钻具、钻头以及钻机等，要注重研发水平的提升。目前，我国的传统高性能钻具和钻头的研发和制造技术已经走向成熟，地质钻探的相关企业是实际应用中也收到了显著的经济效益。像质轻、强度高的合金钻杆、绳索取芯钻杆、高耐久聚晶金刚石的复合片制成的PDC钻头、多级伸缩钻杆技术等都在地质钻探中得到成功的应用。不过，由于当前地质钻孔的条件越来越复杂，对钻井技术的要求也随之提高，需要有些钻机可以适用于特殊地质条件，具体要求就是操作自动化、质量可靠、高效节能以及钻井质量高等，而且先进设备也要紧密结合施工工艺，因此钻井技术是地质钻探的关键。第四，在地质钻探是，外部环境也复杂多变，钻孔技术以及钻孔工艺的要求也不一样，施工人员在面临不同的地质和施工场地时，要综合分析地质状况，再结合已有的经验，制定有针对性的钻井技术。像取心钻井、定向钻井、坚硬地质的深孔钻井和坑道钻井等，要尽量采取金刚石钻井技术;假如面对软土层，可以借助螺旋钻、振动钻、机械静力成孔以及偏心套管钻井等技术;假如是比较坚硬的地质地貌时，钻井时要垂直钻孔，采取冲击回转式的机械成孔方法。第五，面对海洋新型矿产能源的开掘需要，我国的天然气水合物钻探技术还不够成熟，在实践中，要加快研究改进的步伐，力争重大的技术性突破，早日打破国外对这一技术的垄断。

三、目前面临的挑战

实践证明，钻探技术是目前地质勘探中最为有效的技术手段，然而随着钻探技术水平的不断提高，传统的钻孔技术已经无法满足钻探需求，从而制约了钻探技术的发展。再加上我国地质环境多样，其中包括高原高寒地区、海洋地区等复杂地质环境，钻孔技术必须满足不同地质环境的需求，才能圆满完成钻探任务，这就要求我们根据不同地质环境需求，投入更先进的设备，加大关键技术的研究力度，切实提高钻探技术水平。作为地质勘探的关键技术，钻孔技术目前面临的挑战包括以下几个方面：

（1）加强对技术方法及理论的完善，引进、借鉴国外先进技术，深入研究金刚石绳索取心钻探、多工艺空气钻进、液动冲击回转钻进等技术，进一步提高我国的钻孔技术水平。

（2）开发10～15km级的超深钻孔技术以及10km钻探深度的自动化、智能化钻探工艺及钻孔设备，以满足深海矿床等地质勘探需求。

（3）开发1.5km级的全液压高效地质岩心钻钻孔技术及配套设备，以便进一步开发我国东部地区的深藏矿床，满足其地质勘探需求。

四、总结

随着科技以及我国经济迅速发展，工程地质钻探水平也在不断提升，勘察、开采以及施工的应用领域不断扩展，钻井技术和尖端科学的联系越来越紧密，像海洋地底钻探、地壳科学深钻以及月球表面钻探等，钻井技术的发展越来越快，丰富了地质钻探的理论，为新能源、新材料、地震和地质灾害的防治做出重大的贡献。

参考文献：

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