浅谈钻探新技术的应用

刘 敏 刘云山 段元清

（河南省有色金属地质矿产局第三地质大队，河南 郑州 450016）

1、钻探新技术的应用概况

在西部大开发、国土资源地质大调查中，党中央及国土资源部已把水资源的勘查与开发列为重中之重。全国地下水资源调查评价是地质大调查中的一项重要工作内容，要想按时按质的完成任务和达到预定的目标，除采用先进的地质理论和地质技术外，还必须采用先进的取心取样钻探新技术。若采用常规的钻探技术进行施工，有很多地区存在着不少技术难题，如勘探速度慢、效率低、成本高；孔内卡、埋钻事故频繁；易堵塞生产层裂隙、泥皮粘糊孔壁等；缺水地区还存在着大量的生产用水难以解决，不可避免的影响对水资源的勘查与评价。这一系列因素，要求我们改变原有的观念，进行技术革新，选择适合一定地区的、先进的钻探技术，提高钻探效率、降低成本、保质保量的完成任务，从而带动钻探新技术的推广应用。

1.1 多工艺空气钻探技术

空气钻进是指用压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或者既用其作为破岩机具的动力，又兼作冲洗介质的一种钻进工艺方法。近几年来发展很快，技术成熟，逐渐形成包括循环介质、循环方式、碎岩方法和应用领域的多工艺空气钻进技术体系。其主要特点如下：低密度介质有利于提高碎岩速度；能有效冷却钻头、清除岩屑和快速判层；能在不稳定地层中保护孔壁和少污染环境；有利于保护含水层和低压油气层并提高产出率；特别有利于在干旱缺水地区和严寒、冻结层施工；亦利于忌用液体循环的抗滑锚固孔和露天矿爆破孔施工；空气潜孔锤钻进能大幅度提高硬岩钻孔速度；气举反循环钻进能实现2～3m以上大直径井孔和超过2000m深井施工。多工艺空气钻探被视为当今应用最广和最有发展前景的钻探技术之一，通过"七五"、"八五"期间的攻关研究与完善，已形成较为成熟的现代快速综合钻探技术，"多工艺空气钻探技术推广应用"已被国家科委遴选编入"国家科技成果重点推广计划项目创产值超亿元100例"。

1.2 多介质反循环钻探技术

所谓反循环钻进就是指钻探过程中循环介质同常规钻探方法的循环方向相反，反循环钻进一般采用双壁钻具，循环介质主要分为压缩空气和液体两种。钻进过程中，循环介质经过双壁气水龙头、双壁主动钻杆、双壁钻杆内外管环隙到达孔底，驱动孔底破岩器具破碎岩石，并携带岩心及岩屑经钻杆的中心通道到达地表的岩心或岩样的收集装置。

由于反循环钻进具有独特的双壁钻具结构，无需提出孔内钻具就能获取所需的地质样品，决定了该方法具有如下优点：时间利用率高，钻进效率高，劳动强度低，洗井效果好；孔底清洁，钻头寿命长，实现了钻进、取样同时进行，达到了优质、高效的目的。根据循环介质的不同，反循环钻探技术主要分为空气反循环和水力反循环。

1.2.1 空气反循环连续取样钻探技术

空气反循环连续取样钻探能够适应多种地层岩心钻机，动力头钻机进行取心或取样连续钻进，能够满足地质上对岩心的要求；尤其适合干旱缺水地区水文地质勘查孔钻探施工等特点。由于循环介质为空气，不会堵塞水通道、对水质无污染，且不会打丢含水层；钻进过程中即可根据岩样上返潮湿程度判断是否进入含水层；随着含水层钻进深度的增加，孔口返水量逐渐增大，穿过含水层后，返水量趋于稳定，从而可以大致地判断含水层的位置，定性地判断水量的大小。如宁夏二人山-金场子矿区原定为贫水区(5m3/24h)，用空气反循环钻探 20余孔，不仅孔孔见水，且涌水量达 20～30m3/h。又如，在周口店探工所院内用常规方法钻进数百米深未找到地下水，用本方法却发现了较丰富的达饮用水标准的地下水。

1.2.2 水力反循环连续取心钻探技术

水力反循环连续取心钻探技术以液体作为循环介质，利用双壁钻具实现岩心的连续上返。该钻探技术以硬质合金和金刚石钻头为碎岩工具，以回转磨削取心的方式钻进。主要用于2～4级覆盖地层、煤系地层以及较完整的中硬岩层中钻进。实践证明，水力反循环连续取心钻探技术用于水文地质勘查、地质填图、地球化学勘探、煤田取心钻探及环境保护等钻探施工中，具有较高的钻探效率和较好的地质效果。

1.3 绳索取心钻探技术

绳索取心钻探技术是一种应用较广泛的地质取心钻探技术，该技术对地层适应性广。1973年某勘探所首次研制成功用于岩心钻探的绳索取心钻具，后续逐步开发出多种系列产品：水文水井绳索取心钻具系列，坚硬"打滑"地层用绳索取心钻具系列，用于深孔的重型绳索取心钻具。

破碎地层及煤系地层的绳索取心半合管钻具系列和绳索取心塑料三层管和超前管钻具等，与此同时，还开发了与其配套使用的钻头、扩孔器等，大大提高了我国金刚石钻探的技术水平。应用绳索取心钻探技术可以减少升降钻具次数，增加纯钻进时间，减少岩心磨蚀和中途脱落机会，岩心采取率达.90～100%；能延长钻头寿命等；被誉为"四高、三低、两好"，即工程质量高，时间利用率高，钻进效率高，钻头寿命高；事故率低、劳动强度低、设备材料消耗低；地质效果好、经济效益好。为了满足新一轮地质大调查地质钻探需要和进一步提高我国地质钻探综合水平而采用的一种新型钻探技术-组合钻探技术迎运而生，将空气反循环连续取样、水力反循环连续取心及绳索取心钻探技术有机结合起来，采用一套钻杆和辅助器具就能完成，达到了因地施钻，满足了地质要求，提高了钻探效率，降低了钻探成本。

1.4 液动冲击回转钻探技术

液动潜孔锤钻探技术是在回转钻进的基础上增加一个利用洗井液驱动的液动潜孔锤，它可产生具有一定冲击能量和频率的载荷，从而可大幅度提高5级以上地层钻探效率，克服金刚石钻进"打滑"问题，在岩心易堵塞的破碎岩层中延长回次进尺。勘探所先后开发出六个系列30多个规格的液动潜孔锤，如正作用系列、双作用系列、绳索取心系列、水文水井钻系列、液气两用系列，目前仍在开发深井用液动锤及喷反系列液动锤等。中国大陆科学钻探是国家重点工程项目，它的实施从钻探技术的角度来看将是全面检验和提高我国钻探技术水平的一个极好的机会，其2000m先导孔及主孔施工采用了具有中国特色的先进技术：螺杆马达/液动锤/金刚石取心钻进工艺方法。勘探所研发的YZX127液动锤已成为CCSD主孔不可缺少的钻探器具，目前正在3000多米的主孔中发挥着主导作用。

1.5 受控定向分枝孔钻探技术

受控定向钻探技术就是采用孔底马达和必要的弯接头或弯外壳控制方向沿设计的轨迹进行钻进，来达到预定的靶区内，该钻探技术可在一个主孔的不同深度、不同方向钻出多个分枝孔，可大大提高钻探效率，节约成本，提高钻孔的综合利用率。

目前，受控定向分枝孔钻探技术已成功地在固体矿产勘探中得到应用，定向钻探对接井技术也广泛用于盐矿、地下煤层气化等领域，可在一个主孔内钻出..6-9条分枝孔，可实现两井相距500m的钻孔在地下3000m的对接，勘探所已成功使用该技术完成对接井三十多对，2002年勘探所在湖北完成了深达2787m的对接，创国内对接井之最。该技术的成功应用已为社会及生产单位带来了很好的社会效益和经济效益。受控定向多分枝孔钻探技术用于开发地热及水文水井钻探等方面，能较好的扩大地热井及水井的采集面积，丰富水源的水量；在涉临枯竭的水井中，可以在同一主井实施放射状水平井，以提高水井的采取率及延长使用寿命，使枯井起死回生；对接连通井技术可将地下干热岩转换成地热，以充分发挥地下能源的有效作用，为民造福。

2、结语

近几年来，钻探新技术已在许多应用领域取得了较为突出的社会效益和经济效益。这些技术的推广应用，改变了我国钻探技术方法单一、技术水平发展缓慢的落后局面；使我国整体钻探技术水平有了较大幅度的提高，并以其独特的优越性，解决了目前常规钻探技术难以解决的技术难题，从而加速了地下水、固体矿产等资源的勘查与开发利用速度。

[1]卓宝熙.我国工程勘察技术的回顾和展望中铁工程设计咨询集团有限公司 【期刊】工程勘察.2008-12-31