工程地質勘察中鉆探技術的應用分析

田玉娟

摘? 要：隨著我國經濟的快速化發展，建筑工程的規模也越來越龐大，為了讓工程能夠安全地、高效率地施工，需要在實際施工前對工程地質進行仔細的勘察，全方位了解地質的特點，然后再設計相對應的施工方案;其中，在地質勘察中發揮著核心作用的就是鉆探技術，先進的鉆探技術能夠大大提升施工的質量和效率。本文首先對工程地質勘察工作做了大概的闡述，然后對鉆探技術在地質勘察中的應用進行了系統的分析和研究，最后針對現實情況下經常會遇到的復雜地層環境，設計了一種靈活的工程解決方案，該方案主要是利用潛孔錘取芯跟管鉆探技術來處理復雜地層鉆探這一難題，此鉆探技術包含了氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術，通過配合潛孔錘取芯跟管鉆具的使用，大大提升了鉆探的效率。

關鍵詞：地質勘察;鉆探技術;應用

隨著工業現代化的普及，越來越多的先進技術運用到了工程實施過程中來，我國的地質勘察也趕上了國家經濟騰飛和工業快速發展這個契機，勘察事業在這十幾年得到了飛速的發展，其中鉆探技術作為地質勘察中的主要應用手段，技術水平也得到了很大的提高;地質勘察是任何工程施工前都要進行的準備工作，它很大程度決定了施工質量的好壞，由于鉆探技術能夠在施工過程中幫助勘察精確定位、準確施工，是地質勘察過程中一項不可或缺的技術支撐，對整個工程的順利實施起著巨大的作用。

一、工程地質勘察概述

建設工程項目設計一般有三個階段，分別是可行性研究階段、初步設計階段和施工圖設計階段，每個階段都需要有相應的工程地質資料為工程設計提供支撐，為了能順利地獲得這些詳細信息，必須要在工程開始前開展地質勘察工作。針對工程地質條件復雜的建筑工程，往往需要先進行可行性分析研究，然后再施工勘察，當面對地質條件相對簡單的建筑工程，可以適當簡化勘察階段的流程。

工程地質勘察的概念是指為了查明影響工程建筑物的地質因素而進行的地質調查研究工作。一般需要勘察的地質因素主要包含地質結構或地質構造：地貌、水文地質條件、土和巖石的物理力學性質，自然地質現象和天然建筑材料等。這些通常稱為工程地質條件。查明工程地質條件后，需根據設計建筑物的結構和運行特點，預測工程建筑物與地質環境相互作用的方式、特點和規模，并做出正確的評價，為確定保證建筑物穩定與正常使用的防護措施提供依據。

工程地質勘察工作起始于20世紀初，目前在發達國家的工程建設中已經成為必不可少的一個環節，我國的地質勘察起步相對較晚，地質勘察方面的理論研究與工程實踐都還不夠成熟，需要進步和完善的地方還很多，但是隨著我國經濟能力的日益發展，國家在此領域的投入也在日漸增大，同時依托著計算機技術在社會各行業的廣泛運用，地質勘察在這兩年得到了飛速的發展。眾所周知，我國擁有全球最大的基建市場，為了較好地完成現代化工程建設的質量要求，工程中基坑以及基礎的開挖深度越來越大，這使得工程地質勘察任務愈發艱巨，一些老的地質勘察技術已經慢慢變得不適應當前時代的設計標準。

地質勘察在工程建設中扮演著中樞神經的作用，其中最重要的地質勘察方法就是鉆探技術，當面對一些比較復雜的地質條件時，鉆探技術可以充分保證勘察探測工作的準確性，除此之外，鉆探技術也是測試孔內原位與采集巖土樣品最為重要的協助手段，如果鉆探技術在工程中運用的不合理，就無法得到準確的力學參數，同時也不能精確地估計地層結構，這樣就會對工程的綜合質量造成非常嚴重的影響。

二、鉆探技術在工程地質勘察中的應用

鉆探技術是伴隨著工業水平進步不斷發展的，從十八世紀五十年代誕生的依靠人力的巖芯鉆機，到如今的全液壓動力頭鉆機，鉆機經過了一百多年的發展，已經變得越來越自動化和智能化，同時通過多年來對鉆探工程中鉆探設備、鉆探工藝、鉆進技術和護壁技術等關鍵技術的深入研究，西方發達國家已經形成了一套成熟的鉆探技術，在先進技術進一步的帶動下，鉆探工藝的種類會變得越來越多樣化，鉆探作業也會更加專業化和技術化，同時鉆探工作會更加注重高效環保，鉆探質量和效率會得到進一步提升，鉆探成本也將會得到進一步控制。

面對鉆探技術這一發展趨勢，我國的地質鉆探發展需要進一步完善，要快速形成一系列先進的鉆進技術，用來克服鉆進過程中遇到的鉆進技術難題，包括復雜地層鉆孔如何護壁堵漏技術問題、提高取芯技術問題等，同時發展高精度定向鉆探技術，不斷提升我國自主創新能力，使我國鉆探裝備與施工技術能夠媲美西方發達國家。

下面羅列幾個典型的鉆探技術進行分析研究。

1、繩索取心技術

繩索取心技術原理比較簡單易懂，一般采用雙層鉆桿和金剛石作為設備所需材料，該技術是目前運用最為簡易的地質勘察手段，但是該技術受限于高成本支出，比較難以廣泛應用。繩索取心技術的原理是通過鋼絲繩打撈器對地下的巖石進行巖芯提取，不依賴于鉆孔機械，如果鉆頭有損壞才會使用鉆機，這對于工程施工人員來說，大大增強了操作友好性。采用繩索取心技術時需要提前做好相應的準備工作，施工前，施工人員需要對地質情況進行仔細地勘察，針對地層變形、坍塌等問題進行詳細的研究和分析，同時還要考察此地的地理情況以及周邊環境，積極采取相應的防范措施，工程人員對地質情況進行全面勘察后，要形成勘察資料，為以后的工程設計與施工提供數據支撐。

2、反循環鉆探技術

反循環鉆探或RC鉆探是一種使用雙壁鉆桿的鉆探方法，該鉆桿由外鉆桿和內管組成，這些中空的內管使巖屑可以連續，穩定地流回地面。與鉆石鉆孔不同，RC鉆獲得的是巖屑樣本，而不是巖芯。鉆探原理是通過氣動錘驅動鎢鋼鉆頭擊碎巖層。反復稱為錘的氣動往復活塞，該錘又驅動鎢鋼鉆頭，該鉆頭用于破碎堅硬的巖石，當壓縮空氣吹出時，壓力偏移會產生反向循環，從而使巖屑向上進入內管，當巖屑到達地面時，通過軟管連接到旋風分離器進行樣品縮分，然后樣品從底部開口掉入樣品袋中，這些樣品袋標有收集樣品的位置和深度，可以直接運送到化驗室進行分析。巖屑通過鉆桿內管進入樣品收集器，不會接觸其他區域，從而避免了交叉污染，從而獲得高質量，可靠的樣品，樣品易于分類和追蹤，有確切的位置和深度，能夠準確的定位礦化位置，同時RC鉆每天可以鉆進200到300m，RC鉆孔可以更快地獲得鉆探結果，花費的時間更少，與金剛石鉆孔相比，RC鉆成本相比金剛石鉆探最多可降低40%。RC鉆是用于露天采礦品位控制的最好方法，通過RC鉆孔獲得的樣品不會受到污染·收集到的樣品直接發送到實驗室進行測試，不需要復雜的前處理，可降低成本并縮短開采流程時間，除此之外，由于RC鉆機的鉆機占地面積小，因此無需進行大量的土方工程，這意味著RC鉆孔對環境的影響最小。

3、液動潛孔鉆探技術

液動潛孔錘又叫液動沖擊器，它是利用鉆探泥漿泵輸出的高壓沖洗液作為動力傳輸介質，驅動井下鉆具組合中液動潛孔錘內地沖錘作軸向的往復運動，對鉆頭施加沖擊載荷以提高鉆進效率的井底動力機具。液動潛孔錘通常連接在鉆頭或巖芯管的上部與鉆桿、鉆鋌或其他孔底動力機具之間，因而能量傳遞損耗小、效率高。由于驅動液動潛孔錘的動力來自于回轉鉆探用的泥漿泵，而泥漿泵目前的泵壓可以達到7到12MPa，所以正常情況下鉆孔的深度可以達到幾千米，遠遠超出目前鉆孔施工所要求的深度。液動潛孔錘的特點和適用范圍如下：

1）只需依賴現場的常規設備，需要投資力度較小;

2）目前最大的井深超過5千米，并且最大深度還在繼續下探;

3）液動潛孔錘鉆探技術能量損失小;

4）給鉆頭施加的載荷是高頻脈動載荷，瞬時可達極高值，輕易能使巖石碎裂，大大提高了鉆探效率;

5）高頻脈動沖擊有利于金剛石出刃，減少鉆頭打滑的概率。

4、數值巖芯技術

數字巖心技術是近幾年來獲得廣泛關注的一種巖心分析方法，它在砂巖、碳酸鹽巖和頁巖等巖心分析領域應用廣泛。數字巖心技術的基本原理是通過二維掃描電鏡圖像或三維CT 掃描圖像，借助計算機圖像處理技術，通過一定的算法完成數字巖心重構。但是目前來看，該技術在工程上的應用還不是很到位，目前除了用來測試低滲致密巖石的孔滲，嘗試一下巖石物理及礦物分析以及部分scal分析外，其他發展前景還沒能夠體現出來，尤其是與現有地質、測井、地震和油藏現有技術的結合方面，做得不是很到位，這是目前制約該項技術發展的主要問題。數字巖心技術在理論上發展了這么多年，但在應用上無法拿出一套完整的解決方案來將做出來的微觀空隙模型與宏觀方面的認識進行結合，而且目前該項技術成本還是相對較高，雖然在非常規方面存在一定應用價值，但是目前受油價影響中國非常規油氣發展遇到很大困難，僅憑非常規市場難以支撐起該項技術的發展。在常規方面面對一些常規手段難以解決的復雜問題又無從下手，缺乏一系列成熟的解決方案。

三、針對復雜地層環境的鉆探技術研究

復雜地層鉆探一直以來都是工程地質勘察中最難解決的一個難題，它在鉆進、護孔、取心和控制孔斜等多方面都給工程施工人員帶來了巨大的挑戰，如何應對工程施工中復雜地層鉆探問題往往直接關系到整個工程的安全性和經濟效益。本文基于上述探討的鉆探技術的特點并結合傳統的鉆探技術的優勢，采用多技術交叉的方法，重點研究了具有更強復雜地層適應性的潛孔錘取芯跟管鉆進技術，該鉆探技術包括氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術，是解決復雜地層鉆進與取樣問題的最有效方法之一。

下面是潛孔錘取芯跟管鉆進技術的技術路線圖。

在復雜的地層鉆進工程中，主要會遇到鉆進過程緩慢、孔壁保護難度大和取心復雜等一系列問題。雖然目前國內外也有一些解決方案能處理這些復雜地層鉆進問題，但是，復雜地層的模式多種多樣，很多模式換了一種應用環境就會失去作用。

一般情況下，處理復雜地層的地質勘探要分如下兩個步驟。

1） 全面仔細的分析復雜地層的形成原因、地層的屬性類別，并且要結合當下鉆探工程的要求，分析和確定鉆探工程的施工難點，同時要配合工程力學、流體力學等理論，必要時需要用科學的理論知識來指導實踐工作;

2） 要全面細致地分析現有的鉆探技術特點，對各個鉆探方法的使用效果進行調研，確定它們的適應范圍，然后選擇合適的具有實際適用性的鉆探技術進行組合，爭取能發揮各個鉆探技術的優勢，形成一套完善的、經濟的、高效的、能解決復雜地層問題的鉆探工程技術。

針對復雜地層的鉆探問題，本人設計了一種靈活性強的解決方案，擬采用一種適應能力強的潛孔錘取芯跟管鉆探技術來處理復雜地層鉆探這一工程難題，該鉆探技術包含了氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術，配合氣動、液動潛孔錘取芯跟管鉆具，采用氣動潛孔錘取芯跟管鉆具和液動潛孔錘取芯跟管鉆具的鉆進工藝規程，大大提升了鉆探的效率。

下面具體介紹一下潛孔錘取芯跟管鉆進流程。

1） 在孔位上定位放置套管靴，將中心鉆具放入套管內部，送入空氣，然后開動鉆機進行沖擊回轉鉆進，開孔的過程中，因為套管上沒有制動阻力，肯定會隨著取芯鉆具回轉，當套管跟著到達一定深度以后，在孔壁的摩擦阻力的限制下，套管就不必跟隨鉆具轉動了。

2） 先要準確判斷鉆具是否到位，判斷的準則是根據孔內鉆具長度、套管長度和鉆具到位情況下的機上余尺來計算鉆具是否到位，這些測量的數值都要求很準確，精確度要達到厘米。

3） 一般鉆進過程中，應當根據地層情況，在規定范圍內調整鉆進規程參數。當地層較為松散的情況下，采用小鉆壓配合大風量，當地層較為堅硬時，則采用低轉速配合大鉆壓。

結論：

隨著我國經濟的飛速發展，大量的工程建設需要通過更科學、更高效的勘察方法去保障，因此采用合理的鉆探技術去幫助地質勘察精確分析地層特征，是十分有必要的。現有的鉆探技術有很多，各自都有自己的優勢和短板，譬如巖芯鉆探技術適用于采集巖芯，而潛孔錘跟管鉆進技術更適合于工程進度要求比較高的工程，所以我們在工程中經常要結合起來使用，尤其在面對復雜地層的地質勘探任務時，需要先全面分析復雜地層的形成原因和屬性類別，要盡量去選擇適合本地地質特征的鉆探技術，爭取能使其優勢最大化，更經濟高效地去解決復雜的鉆探工程難題。

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