地質(zhì)鉆探技術(shù)與方法研究

  引言

 

  地質(zhì)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(zhì)鉆探是整個(gè)水文地質(zhì)調查勘探工程中最為重要的一個(gè)部分。顧名思義，水文地質(zhì)鉆探即是為查明地下水的埋藏條件、運動(dòng)規律、水質(zhì)、水量等水文地質(zhì)條件,以獲取合理開(kāi)發(fā)及利用地下水所需資料而采用的一種主要技術(shù)手段及方法。文章通過(guò)對地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展現狀及意義的分析，進(jìn)一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進(jìn)行探討。

 

  1.地質(zhì)鉆探技術(shù)現狀及意義

 

  目前來(lái)說(shuō)地質(zhì)鉆探是對地下水進(jìn)行研究最可靠也是最重要的手段，因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)及方法愈發(fā)受到水文工作者的重視。盡管地質(zhì)鉆探技術(shù)在地質(zhì)勘探的過(guò)程中應用廣泛，但由于其設計未得到及時(shí)的更新，所以技術(shù)水平相對來(lái)說(shuō)還比較落后。例如當前只能依賴(lài)進(jìn)口的液壓動(dòng)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(shù)的落后使其潛能未能得到充分發(fā)揮。雖然有一些新的地質(zhì)鉆探技術(shù)應用于勘探工程當中，但涉及的范圍還有待擴大。

 

  換個(gè)層面來(lái)看，國家和地方政府雖然對現階段的地質(zhì)鉆探工作極力支持，且基本常用的鉆探技術(shù)方法也有，但可能由于國內先進(jìn)鉆機的研制能力不夠，會(huì )直接導致地質(zhì)鉆探過(guò)程中出現一系列的問(wèn)題。為此，需要對地質(zhì)鉆探新技術(shù)的研發(fā)加大力度，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)以便能夠縮小國外與國內鉆探技術(shù)的差距。

 

  由于地質(zhì)鉆探技術(shù)涉及的范圍比較廣，其中包括礦產(chǎn)資源、地質(zhì)狀況及地下水開(kāi)發(fā)等。因此，地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展對人類(lèi)的生活和生產(chǎn)活動(dòng)會(huì )造成一定程度上的影響。首先，地質(zhì)鉆探是各種地質(zhì)試驗的必備工程，同時(shí)也是對地質(zhì)測繪、物探成果的檢驗手段。其次，伴隨著(zhù)地質(zhì)鉆探階段的逐漸深入，地質(zhì)鉆探工作量在礦產(chǎn)地質(zhì)勘察全程中具有關(guān)鍵性的作用及地位。由于地質(zhì)鉆探的設備較為沉重，施工技術(shù)較為復雜，成本昂貴且工期較長(cháng)，因此地質(zhì)鉆探對整個(gè)礦產(chǎn)地質(zhì)勘察項目的完成及投資起著(zhù)決定性的作用。所以對地質(zhì)鉆探技術(shù)方法的研究勢在必行。

 

  2.地質(zhì)鉆探的技術(shù)與方法

 

  由于地質(zhì)鉆孔在地質(zhì)調查勘探的過(guò)程中會(huì )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(jìn)方法極為重要。其常用的鉆進(jìn)方法包括正循環(huán)回轉鉆進(jìn)、反循環(huán)回轉鉆進(jìn)、沖擊回轉鉆進(jìn)、機械沖擊鉆進(jìn)及特殊鉆進(jìn)技術(shù)與特種工藝[2]。以下主要對前三種鉆進(jìn)方法及技術(shù)參數予以詳細分析闡述。

 

  2.1正循環(huán)回轉鉆進(jìn)

 

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

 

  （1）基本方法：根據鉆孔直徑和深度對鉆具級配進(jìn)行合理選擇，且按照GB9808-9812和DZ/T0008標準來(lái)要求鉆具的規格、質(zhì)量和技術(shù)。鉆進(jìn)時(shí)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(shí)，應使用異徑導向鉆具鉆進(jìn)，導向鉆具長(cháng)3～5m。

 

  大口徑鉆進(jìn)，若示量不能使孔內沖洗液上返速度達到0.1m/s時(shí)，宜在鉆具組合中增加取粉管，回次鉆進(jìn)結束時(shí)要沖孔撈渣。鉆進(jìn)過(guò)程中要隨時(shí)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(shí)，要立即采取措施，經(jīng)處理無(wú)效時(shí)要及時(shí)提鉆檢查。停鉆時(shí)，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(jìn)技術(shù)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(cháng)度所需壓力計算：在中硬以上較硬巖層中鉆進(jìn)宜采用3～4kN/cm， 在中硬以下較軟地層中鉆進(jìn)可采用1～3kN/cm。轉速：線(xiàn)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(shí)，可采用快速，用常規口徑鉆進(jìn)的轉速為70～200r/min，大口徑為30～60r/min。泵量：以滿(mǎn)足沖洗液上返速度0.1～0.5m/s為宜，有條件時(shí)應選大值。

 

  2.2反循環(huán)回轉鉆進(jìn)

 

  反循環(huán)回轉鉆進(jìn)是指攜帶巖屑的鉆探?jīng)_洗介質(zhì)經(jīng)過(guò)鉆桿內孔返回地面的鉆進(jìn)方法。與常規循環(huán)方式的鉆進(jìn)相比，反循環(huán)鉆進(jìn)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(shí)的排出并迅速返回地表。

 

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

 

  要求循環(huán)管路中，內壁光滑沒(méi)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(huán)鉆進(jìn)，其鉆頭的水口應利于巖屑吸入。下鉆時(shí)，不能將鉆具直接下到孔底，應在距孔底0.3～0.5m處開(kāi)始循環(huán)，待排渣口出水后，邊回轉邊下鉆。鉆進(jìn)中要隨時(shí)觀(guān)察排渣情況，并及時(shí)調整鉆進(jìn)速度，必要時(shí)提動(dòng)鉆具，停止進(jìn)尺，待排渣正常后再繼續鉆進(jìn)。要挖設專(zhuān)用供水池，以防孔內突然漏水能及時(shí)補充。其供水池容積為鉆孔體積的3～5倍。

 

  （2）射流反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)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(guò)8%～10%，孔淺時(shí)取大值，孔深時(shí)取小值。鉆桿內徑應根據鉆孔直徑的大小來(lái)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(shí)，其泵量為：120～150m3/h。 一般采用低鉆壓慢轉速鉆進(jìn)。轉速為15～40r/min，鉆壓根據地層和鉆頭直徑來(lái)合理確定，一般鉆頭直徑單位長(cháng)度壓力為0.6kN/cm。

 

  2.3沖擊回轉鉆進(jìn)

 

  沖擊回轉鉆進(jìn)是指通過(guò)利用沖擊及回轉兩種方式進(jìn)行同時(shí)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(shí)作用于鉆頭上，實(shí)現鉆進(jìn)與采取巖心。其主要的優(yōu)勢在于能夠大幅度提高硬巖層鉆速及回次進(jìn)尺的長(cháng)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(jìn)技術(shù)參數  風(fēng)量、風(fēng)壓：取心鉆進(jìn)所用風(fēng)量和風(fēng)壓較不取心潛孔錘鉆進(jìn)要低。一般風(fēng)量為6～15m3/min；風(fēng)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(jìn)相同。

 

  （2）潛孔錘空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)參數  溶液濃度：應根據泡沫性質(zhì)、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(shí)，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(jìn)速度、巖屑顆粒大小和送風(fēng)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(fēng)量之比即為液氣比，一般為1/100～1/300。風(fēng)量與風(fēng)壓：氣液上返速度為常規潛孔錘鉆進(jìn)的1/15～1/20就可排渣，所以空氣泡沫鉆進(jìn)風(fēng)量、風(fēng)壓均低于常規潛孔錘鉆進(jìn)，一般風(fēng)量2～3m3/min，風(fēng)壓為0.6MPa即可。鉆壓與轉速：鉆壓低于常規潛孔錘鉆進(jìn)，一般為8～12kN，轉速可略高于常規潛孔錘鉆進(jìn)，一般為20～40r/min。

 

  2.4地質(zhì)觀(guān)測

 

  地質(zhì)觀(guān)測主要是在進(jìn)行地質(zhì)鉆探的工作時(shí)記錄的相關(guān)地質(zhì)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(guān)測水位：在進(jìn)行水位觀(guān)測時(shí)，有二種情況：一是清水為沖洗液時(shí)，應間隔5分鐘以上于提鉆后、下鉆前各對水位進(jìn)行測量，當層次出現漏水嚴重的現象時(shí)，應該采取穩定或近似穩定的水位觀(guān)測方法。二是泥漿為沖洗液時(shí)，鉆孔通常無(wú)需進(jìn)行水位觀(guān)測，其主要的測量方法是在沖洗液鉆進(jìn)中，憑借孔內水位變化的深度來(lái)進(jìn)行判斷。如潛水的初見(jiàn)水位等同于穩定水位，承壓水德穩定水位高于初見(jiàn)水位。

 

  （2）觀(guān)測消耗沖洗液情況：在進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探的工作時(shí)，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(guān)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(shí)，需要間隔10-30分鐘對沖洗液的消耗量及漏失情況進(jìn)行觀(guān)測。

 

  （3）觀(guān)測地質(zhì)構造活動(dòng)性:在新構造運動(dòng)活躍的地區，為監測活動(dòng)斷層的位移和地應力場(chǎng)的變化，要用精密水準測量大地形變；對垂直活動(dòng)斷層帶，定期進(jìn)行短水準測量；同時(shí)設置專(zhuān)門(mén)地震臺網(wǎng)，監測微地震和有感地震的活動(dòng)，用以分析區域構造穩定，以及水庫地震發(fā)生和發(fā)展的可能性。

 

  3.地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應用

 

  隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟不斷的飛速發(fā)展，地質(zhì)鉆探技術(shù)也在不斷的革新，因此，為適應區域的鉆探技術(shù)，提高鉆探效率及保質(zhì)保量的要求，地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應用推廣也勢在必行。

 

  （1）空氣鉆探技術(shù)：空氣鉆探技術(shù)主要是指通過(guò)壓縮空氣作為鉆進(jìn)時(shí)的循環(huán)沖洗介質(zhì)的鉆進(jìn)工藝方法。其特點(diǎn)是其低密度介質(zhì)加快了碎巖速度，在不穩定地層中對孔壁進(jìn)行良好的保護。該技術(shù)的應用不僅很大程度上提高了地質(zhì)鉆探的速度及質(zhì)量，而且也產(chǎn)生了較為巨大的社會(huì )經(jīng)濟效益。

 

  （2）繩索取芯鉆探技術(shù)：此技術(shù)因對底層適應性高而在地質(zhì)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(jìn)時(shí)間，進(jìn)而使巖心采取率達到90-100%。

 

  （3）液動(dòng)沖擊回轉鉆探技術(shù)：此技術(shù)是基于回轉鉆進(jìn)的前提下，增加洗井液驅動(dòng)并對液動(dòng)潛孔錘加以利用。一方面其本身能夠產(chǎn)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(lái)，此技術(shù)已應用于地下水勘查及地質(zhì)巖心鉆探等地質(zhì)勘察領(lǐng)域中，并且促進(jìn)了良好的社會(huì )經(jīng)濟效益。

 

  （4）受控定向鉆探技術(shù)：此技術(shù)主要是通過(guò)孔底馬達及彎接頭控制方向順著(zhù)設計好的軌跡進(jìn)行的鉆進(jìn)工藝。其應用于水文地質(zhì)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(gè)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(shí)也節約了鉆探成本。

 

  4.結語(yǔ)

 

  綜上所述，地質(zhì)鉆探技術(shù)與方法在礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中的運用，能夠更好地為社會(huì )經(jīng)濟效益的發(fā)展服務(wù)。但由于目前我國在地質(zhì)鉆探技術(shù)方面的應用現狀中還存在著(zhù)一些不足及問(wèn)題，因此，本文基于地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展現狀及意義分析的前提下，進(jìn)一步對地質(zhì)鉆探的技術(shù)和方法進(jìn)行了探討與分析，并大致的介紹了地質(zhì)鉆探新技術(shù)的應用情況，以便能夠為礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)提供些許有價(jià)值的參考建議。