關(guān)于幾種綠色勘查鉆探技術(shù)的論述

盧榮彪

（湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三0二大隊，湖南 郴州 423000）

地質(zhì)勘探主要采用溝槽探查、鉆孔探查、深坑勘探等工程對礦化體進(jìn)行勘探，以達(dá)到相應(yīng)的地質(zhì)目的。由于其對周圍的生態(tài)環(huán)境會造成巨大損害，雖然損壞的部分在施工工作完成后被回填，但通常沒有恢復(fù)處理，易于崩潰和其他二級災(zāi)害，通過擴(kuò)大損壞的范圍，易于引起局部桑德化，從而導(dǎo)致持續(xù)損壞生態(tài)環(huán)境。而實(shí)施“綠色勘查”就是解決上述問題的應(yīng)對方法。以下對幾種綠色勘查鉆探技術(shù)逐一進(jìn)行論述。

1 一基多孔、一孔多支”技術(shù)

“一基多孔，一孔多支”技術(shù)，即是多個鉆孔技術(shù)用于在鉆機(jī)上使用定向鉆孔技術(shù)，或者在同一個孔內(nèi)的許多分支孔以實(shí)現(xiàn)揭露不同的地層和不同的層位礦體。一基多孔，一孔多支技術(shù)采用定向鉆孔技術(shù)來實(shí)現(xiàn)減少基臺數(shù)量的目的，減少機(jī)器的數(shù)量，基臺、道路施工和材料重組工作，是有效實(shí)現(xiàn)中深孔鉆井的綠色勘探的技術(shù)手段。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)

目前有多種定向鉆孔方法，主要采用機(jī)械連續(xù)造斜器，螺桿電機(jī)/帶鉆測斜技術(shù)（無纜和有纜技術(shù)），還有組合鉆具等，但每種方法都有其適合使用的條件和特點(diǎn)，螺桿鉆進(jìn)技術(shù)在定向鉆進(jìn)中的優(yōu)點(diǎn)有：①鉆探桿不用旋轉(zhuǎn)，這可以降低鉆桿的疲勞和磨損，從而減少鉆探桿損壞事；②鉆探桿不旋轉(zhuǎn)，這不僅降低了鉆探桿和套管、井筒之間的磨損，還防止井筒擴(kuò)張，使井孔變大，最終因摩擦而引起卡鉆、掉塊和塌陷事故；③它可以用高精度定向儀器協(xié)作，用來準(zhǔn)確地控制鉆孔軌跡和遠(yuǎn)程遙控鉆孔。④它不僅可以用于硬性和堅硬型的完整地層，而且還可以用于破碎的地層，松軟型、中硬和軟硬型不均地層造斜及第四系地層；⑤它可用于長、中、短軸率半徑的定向孔和各種特殊項目，有線隨鉆定向配套如圖1所示，無線隨鉆則不采用電纜和測井絞車及通纜水龍頭。

圖1 有線隨鉆定向示意圖

3 環(huán)保泥漿技術(shù)

在鉆井工作中，由于過去的環(huán)保觀念薄弱，生產(chǎn)的泥漿材料僅考慮鉆井技術(shù)和性能方面，忽略了泥漿原料對自然環(huán)境的潛在污染和毒性危害，這使得鉆井泥土成為地質(zhì)勘探過程中的主要污染源之一。泥漿是由基礎(chǔ)造漿材料和處理劑組成的，它的材料性質(zhì)的優(yōu)化是綠色地質(zhì)勘探的重要保障措施，以優(yōu)化的泥漿處理劑，可以有效防止毒性和有害治療劑的高濃度積累。倡導(dǎo)使用生物聚合物環(huán)境保護(hù)泥漿系統(tǒng)，這不僅具有防止井壁坍塌、潤滑和封堵的鉆井功能，還符合生物自然降解的特點(diǎn)，不會損害環(huán)境的酸堿平衡，是無毒的，免除泥漿有害成分和廢漿造成的環(huán)境污染，目前環(huán)保泥漿主要有四類：聚合醇鉆井液、有機(jī)鹽鉆井液、硅酸鹽鉆井液和甲基葡萄糖苷鉆井液。

4 泥漿的無害化處理及不落地處理

4.1 泥漿的無害化處理

由于鉆井工藝的需要，經(jīng)常會加入各種化學(xué)添加劑，造成廢棄鉆井泥漿中的成分非常復(fù)雜，如果不處理好會使對環(huán)境有危害，這些物質(zhì)包含各種油類、鹽類、可溶性重金屬元素（Zn、Pb、Hg、As、Cu、Be、Cr）和有機(jī)硫化物、有機(jī)磷等。隨著對固化處理技術(shù)的不斷研究，目前出現(xiàn)了多種固化處理技術(shù)。根據(jù)所用固化劑及固化工藝的不同，適合處理鉆井廢泥漿的主要固化處理工藝可分為以下幾種。

（1）水泥固化處理技術(shù)。水泥固化是一種用水泥為固化劑固化廢泥漿的處理方法，水泥的主要成分是二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鋁和三氧化二鐵。固化處理用的水泥品種最常用的是普通硅酸鹽水泥。固化的原理是通過硅酸鈣和水反應(yīng)，形成硅酸鈣水合凝膠，形成含有硅酸鹽纖維和氫氧化物的物質(zhì)，把有害物質(zhì)，和水泥一起逐漸硬化形成水泥固化體。

（2）石灰固化處理技術(shù)。石灰固化是一種用石灰作為主固化劑，用活性硅酸鹽類作為添加劑，來固化含有硫酸鹽或亞硫酸鹽的廢泥漿的固化方法。石灰凝固原理是：在和添加劑存在時，添加劑中的硅鋁酸鹽與廢棄泥漿反應(yīng)，逐漸凝結(jié)和硬化，最后達(dá)到固化目的。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，設(shè)備操作容易；材料廉價、處理過的廢泥不需要完全脫水并干燥；低滲透率；固化填料本身是待處理的廢物（如水泥窯灰），其等于用廢物處理廢物。然而，存在一些問題，例如添加石灰和其他的添加劑，使得固化體較大的體積膨脹和重量增加，這使得難以運(yùn)輸和處理；酸性物質(zhì)易侵蝕；凝固體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于水泥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此通常不單獨(dú)使用石灰固化，而是與其他固化劑組合使用。

（3）粉煤灰固化處理技術(shù)。粉煤灰是火山灰質(zhì)類混合材料，主要含二氧化硅，三氧化二鋁和其他潛在的活性成分組成。粉煤灰的凝固原理是，在水存在時，二氧化硅和氧化鋁通過泥漿中的堿性物質(zhì)激發(fā)，以產(chǎn)生水化和硬化，反應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的水合產(chǎn)物（CSH和CAH），CAH將加速反應(yīng)形成鈣礬石，進(jìn)一步提高了凝膠組合物和鉆井廢棄泥系統(tǒng)的硬化質(zhì)量，最終達(dá)到了固化的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：固化效果好，施工速度快，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，資源環(huán)保再利用，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都比較好。

（4）水玻璃固化處理技術(shù)。水玻璃是一種可溶性堿金屬硅酸鹽材料，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成。它是一種無色透明的粘性液體。水玻璃具有硬化，結(jié)合和包容的性質(zhì)，可用作膠結(jié)材料。水玻璃的固化方法是使用水玻璃作為主要固化基材，由無機(jī)酸性物質(zhì)（如硫酸，硝酸和磷酸）補(bǔ)充，然后根據(jù)合適的比例的成分與廢棄泥漿混合中和和縮合脫水反應(yīng)，使得有害物質(zhì)可以自動脫水，凝固和硬化，最后固化。這個固化方法的優(yōu)點(diǎn)有：原料源廣泛，價格低，處理成本低，耐酸性強(qiáng)，耐滲透性良好，抗浸出率低。然而，這種方法仍處于實(shí)驗階段，并且通常僅適用于毒性很少的廢棄物處理。目前，沒有一種固化劑，能夠適合所有固化任何類型的廢棄泥漿。上述固化劑通常僅適用于治理一種或某幾種泥漿，主要用于無機(jī)處理。因此，現(xiàn)在幾乎所有的油和天然氣田都使用組合固化劑，制備復(fù)合固化劑用于治理廢泥。

4.2 泥漿的不落地處理

目前廢棄泥漿無害處理的方法已普遍使用，但這種方法占地面積，環(huán)境風(fēng)險仍然很大。鉆井廢棄物的不落地技術(shù)通過使用物理和化學(xué)方法的組合來實(shí)現(xiàn)鉆井過程中的廢泥漿達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而且還降低了治理成本，并具有較小的環(huán)境風(fēng)險和可操作性，它具有廣泛的適用性。目前，鉆井廢泥的不落地處理已成為鉆井環(huán)境保護(hù)的發(fā)展趨勢。典型設(shè)備的核心技術(shù)如下：①鉆井廢物隨鉆處理：主要包括廢物收集裝置，凝膠破碎和脫穩(wěn)裝置，固液分離裝置等；②廢棄泥漿不落地處理技術(shù)包括：巖屑收集，分離砂石，化學(xué)處理，處理油污，泥餅脫水和水處理。③循環(huán)再利用技術(shù)：該技術(shù)采用螺旋輸送機(jī)和固相輸送機(jī)收集傳統(tǒng)固體控制設(shè)備產(chǎn)生的鉆孔碎屑，同時高頻振動篩和離心裝置用于去除廢泥漿中的有害固體顆粒；再用電化學(xué)系統(tǒng)去除細(xì)小和有害的固體以實(shí)現(xiàn)再利用。

5 無循環(huán)鉆進(jìn)工藝

無循環(huán)鉆進(jìn)是指在鉆探施工過程中，孔(井)內(nèi)沒有沖洗液或雖有穩(wěn)定液但不循環(huán)流動，依靠機(jī)械動力驅(qū)動鉆頭，回轉(zhuǎn)以破碎巖石，巖屑靠螺旋葉片或鉆斗排出孔外，孔內(nèi)無泥漿循環(huán)的成孔工藝。鉆進(jìn)的地層多為第四系土層或風(fēng)化層，所用鉆進(jìn)方法有螺旋鉆、旋挖鉆、地質(zhì)勘察、土壤調(diào)查、考占鉆探、水文水井鉆探、鉆孔灌注樁等。以螺旋鉆進(jìn)為例。螺旋鉆進(jìn)是利用螺旋鉆具儲存或輸送巖屑的干式機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。螺旋鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：①在均質(zhì)軟層，可獲得很高的小時效率(每小時可達(dá)幾十米)，因為能及時排屑，無重復(fù)破碎，也無液柱壓力影響；②不用沖洗液，無泥漿污染，省去設(shè)備和費(fèi)用。缺點(diǎn)：①粘性大的粘土，鉆率低，更不適于大粒徑卵石層；②不能有地下水，因為摩擦系數(shù)小，巖屑易從葉片上滑落集于孔底。

6 水循環(huán)鉆進(jìn)工藝

水循環(huán)鉆進(jìn)是指在鉆探施工過程中以水作為循環(huán)介質(zhì)排鉆屑。水循環(huán)鉆進(jìn)有以下優(yōu)點(diǎn)：潔凈，污染小；工藝比較成熟，操作簡單；排渣效果好，鉆進(jìn)效率高。缺點(diǎn)是鉆進(jìn)松軟地層時，孔內(nèi)循環(huán)水的漏失嚴(yán)重。

7 空氣循環(huán)鉆進(jìn)工藝

空氣循環(huán)鉆孔是指使用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，以去除鉆孔過程中的鉆孔碎屑。以空氣反向循環(huán)鉆探為例：目前在地質(zhì)勘探中，巖石樣品被收集，通常使用鉆探溝槽，鉆探井和金剛石鉆井等工程手段，但溝槽和鉆探井的挖掘深度有限，而且地表大面積的植被將受損。金剛鉆芯鉆孔不僅需要足夠的水，而且還污染了環(huán)境。因此，在脆弱的生態(tài)環(huán)境中進(jìn)行勘探工程，如厚覆蓋區(qū)域，草原干旱地區(qū)和青海西藏高原等地區(qū)進(jìn)行有一些局限性。空氣反向循環(huán)鉆探技術(shù)可以有效地解決上述區(qū)域中的樣品收集問題。空氣反向工藝采樣鉆孔是用壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，通過高壓軟管、水氣龍頭及雙壁鉆桿形成的環(huán)形通道，驅(qū)動底部的潛孔錘，利用高頻沖擊錘打破底部巖石。同時，鉆機(jī)攜帶雙壁鉆桿以低速回旋，鉆頭上的硬質(zhì)合金連續(xù)沖擊巖石上新的沖擊點(diǎn)，將碎石從基質(zhì)中剝離，然后壓縮空氣將破碎的巖石（即巖石樣品）帶回到表面通過鉆桿中心通道，并進(jìn)入旋離器（即樣品收集器）。當(dāng)壓縮空氣通過潛孔錘鉆頭時分離，大部分壓縮空氣進(jìn)入鉆管中心通道，將巖石樣品攜帶回到地面，實(shí)現(xiàn)連續(xù)取芯而不停止鉆孔，少量巖石碎屑通過孔壁和鉆管環(huán)之間的空間間隙被帶回地面，這樣可以使環(huán)壁保持清潔。

8 展望

作為科學(xué)發(fā)展理念和先進(jìn)的技術(shù)，綠色勘探是在礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域?qū)嵤┲醒肷鷳B(tài)文明戰(zhàn)略的重要措施。迫切需要促進(jìn)地質(zhì)勘探行業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，維持可持續(xù)和健康的發(fā)展。我們必須掌握新的形勢，實(shí)施新的要求，優(yōu)先考慮生態(tài)保護(hù)，并大力推動綠色探索，我們將努力實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與資源保障之間的雙贏局勢。