地质工程勘察中钻探技术的方法以及具体应用

2018-02-18霍峰森

西部探矿工程 2018年5期

霍峰森

（山西省地质勘查局二一一地质队，山西忻州034000）

地质工程勘察中的钻探技术在我国已经拥有非常长的应用历史，其技术利用钻机从所要勘察地表进行钻探，并让其形成圆柱状钻孔，通过与相关技术的配合，可以对地质构造、地质规律等内容进行确定。在整个地质勘察工作中，钻探技术的应用为采集各种地质勘探资料提供了方便。因此，针对其钻探技术的方法及具体应用进行分析，具有十分重要的社会价值。

1 地质工程勘察简述与钻探技术的使用条件

1.1 地质工程勘察概述

地质工程勘察主要是通过技术性手段，对相关地质环境进行测绘、勘探与调查。通过其勘察工作，可以有效地收集到当地岩体、水体、土体等方面的力学参数以及相关的地质变化规律等信息。通过相关信息的分析，有利用于后续一系列建设活动的顺利开展，可以为其建设活动提供相应的资料参考以及施工原则。在进行地质工程勘察过程中，钻探技术是一项非常重要且技术含量较高的勘探方法。通过其技术的支持，可以对测试孔中的原位和岩土进行取样，为整个地质工程勘察提供完整且精准的勘察资料[1]。特别在进行复杂性地层勘察过程中，如果没有合理化地选择好钻探技术，对于其地层结构无法进行精准分析，从而阻碍了对其地层力学参数信息的获取。由于其信息获取存在问题，对地质工程勘察工作报告也会形成影响，严重影响到了其后续开展的工程建设的质量，导致其工程存在一系列安全隐患。

1.2 地质工程勘察中钻探技术特点及使用条件分析

1.2.1 布置钻孔时需要对地质情况进行综合考虑

在实际开展地质工程勘察钻孔布置过程中，需要认真分析其勘察点的自然地质情况，同时结合其建设工程特点与类型来进行综合考虑。例如：民用建筑及工业建筑，必须要严格遵循建筑工程的大概轮廓线进行钻孔布置。对于水利工程而言，需要根据其工程建设的轴线来进行钻孔布置。

1.2.2 使用简易型钻探法为主

为了提高钻探工作效率，可以通过使用简易型钻探法来进行地质工程勘察。因此，除了大型水利项目以及深埋隧道等工程以外，通常情况下所进行的地质勘察工作钻探深度会保持在15m左右[2]。所以只需要使用轻便钻机以及一些简易型钻探法就可以满足其地质勘察要求。

1.2.3 钻探技术需要结合实际情况进行选择

钻探技术在地质工程勘察中的用途非常广。通常情况下，钻孔可以协助工作人员对其勘察点的水文地质、地层岩性等方面进行分析。通过钻探所形成的钻孔也还会被应用于对其地质情况进行长期观测以及取样等工作中。因此，在进行钻探过程中，需要结合其钻孔的实际途径来选择相应的技术方法，以此来满足不同勘察工作所需要的钻孔技巧和钻孔结构的编录、观测等方面的需求。

2 地质工程勘察中钻探技术的方法及应用分析

所谓地质钻探技术就是对地下进行钻孔来打碎岩石的一种工艺方法，钻探技术也是一种验证、取得地下岩层材料信息、地下实物资料、评估矿石的品位和计算储量的一个技术手段。对于不同钻探的目的，钻探工艺和装备也有所不同，我国现在对钻探技术投入了大量的人力、物力、财力，这也使我国的钻探技术形成了一种技术体系，如反循环钻探技术、绳索取芯技术、定向对接井钻探技术、液动潜孔锤钻探技术以及新型的节水钻探技术等。

3 地质工程勘察中钻探技术存在的问题分析

3.1 钻探技术设备自动化程度不高

虽然我国对地质工程勘察工作的开展历史已经非常悠久，但从当前我国钻探设备来进行分析，基本还在沿用老式设备，或者在其原基础上进行改造。在一定程度上呈现出了自动化程度不高的问题。而且老式设备较为笨重，不利于钻探效率的提升。

3.2 钻探设备通用性不高

由于钻探设备较为陈旧，许多钻探设备在进行跨行业运用时，缺少通用性，导致只能针对某一个指定项目开展工作。

3.3 操控体系不够完善

我国当前正在使用的钻机控制体系，由于其钻机本身的自动化程度不高，缺少相应的钻探监测功能。在开展实际工作时，无法对其整体工作进行有效精准的操控。此外，在进行钻探操作时，其操作参数仪表指标不够完善。

4 地质工程勘察中钻探技术的方法及具体应用

4.1 绳索取芯技术

绳索取芯技术的特点主要是在不使用钻杆升降的前提下，可以轻易地将其岩芯取出来。通常情况下，只有在其钻机钻头出现问题时才需要使用钻杆。在进行钻探时，通过岩芯管来对岩矿芯进行填满，无须将钻孔中钻杆提升到地表。利用设备中的专用绳索对其岩芯管进行打捞。采用这种钻探技术，可以获取到非常多的钻进时间，很大程度上地提升了钻探效率。绳索取芯技术是当前较为主流的一种钻探技术，通过其技术可以提升取芯质量，在钻探工作时发生阻塞可以得到及时处理，减小了矿芯和钻杆之间因阻塞造成的磨损[3]。由于其技术特点可以不使用钻杆升降来完成取芯工作，可以增强了其钻头的使用寿命。此外，对于钻探员的工作强度也有很大程度的改善。对于此技术的应用，主要面向坑道、石油天然气、冰层、固体矿产等方面的钻探操作。

4.2 液动潜孔锤技术

我国对于液动潜孔锤钻探技术的研究及应用，在世界上排名非常靠前。该技术的开发，主要是基于回转钻探技术基础，并在其设备中增加了冲洗液，让其对液动潜孔锤进行驱动。在其锤体受到冲击后，会将能量最大化地传递给钻机钻头，实现对岩体的破岩操作。在其设备中的运用到的冲洗液，主要是来源于现场泥浆泵操作中所产生，并会在钻头深入浅出作用下，形成具有节奏性的冲击负荷。该技术通过对回转钻探技术的改良，让回转力形成一股巨大的冲击力，让钻头对一些高硬岩进行破岩，提升了其钻进效率的同时，也降低了钻孔成本。此外，液动潜孔锤钻探技术，可以根据坚硬岩石抗剪度低和脆性大的特征，针对地质情况较为复杂的地形进行钻探。在此需要提的是，在应用液动潜孔锤技术过程中，为了能够应对高频振动，需要对其钻探设计进行紧固。同时，为了减少液动锤的磨损，需要在进行配送冲洗液时，确保其液压泥浆保持较低的粘稠度，严格控制好其冲洗液中的含砂量，让其具有非常强的润滑性能。该技术主要是针对一些小口径岩芯钻探操作，在水下爆破以及锚固施工领域得到了广泛应用。当前，我国针对此技术的研究，主要是从高强度工作环境以及增加潜孔锤性能方面入手。相信在未来其技术的发展，会在矿山地质勘察、石油天燃气勘察等领域大放异彩。

4.3 反循环钻探技术

反循环钻探技术主要是利用循环介质来产生冲击力，并让其对孔底潜孔锤进行作用进行钻进操作。对于其技术而言，可以划分为水力反循环技术(如图1所示)和空气反循环技术。所谓水力反循环技术所指的是，利用泥浆或者水来作为其钻探技术的循环介质。通过钻杆将其介质向着孔底进行传送，可以让其钻头获取到柱状岩芯，并能随着钻头的提升而将其带回到地表。所谓空气反循环技术所指的是，通过对空气进行压缩，并让其压缩后的气体作为循环介质，通过双壁钻杆外管将经过压缩处理后的空气传送到钻孔底，让其在压缩空气的膨胀作用下形成非常大的冲击力并对孔底潜孔锤进行驱动进行钻进。空气反循环技术可以在完成空气作用后，将岩石碎块通过钻杆中心通道带回地表，方便对其岩体进行取样分析[4]。在选择以何种介质来作为循环介绍时，主要是根据钻探需求以及当地工作环境来决定。水力反循环技术可以通过钻探来获取到较为完整的岩块，提升了取芯质量的同时也降低了劳动强度,可以通过完整的岩块来进行精准的地质分析。而空气反循环技术的钻进效率并不高，而且所消耗的能耗也相对较大。通过反循环技术可以应用于地质勘察取样工程中。比较适用于水文水井以及一些较为松软塌陷地层勘察工作中。此外，还可以将其技术应用到较为复杂地层的锚固施工以及注浆施工中。空气反循环钻探技术，在缺水干旱地区非常适用，而且可以降低钻探成本。但其岩样获取方面存在一些问题，无法通过其岩样来对所勘察地层结构进行如实反映。

4.4 组合钻探技术

对于此技术而言，更准确的说法应该是以工艺来形容。因为，此工艺是由上述几种钻探技术组成而成。其钻探工艺不仅具有各钻探技术的优点，同时还可以根据不同的地质条件以及钻探需要来选择适用的钻探方法，提升了其工作效率的同时，还降低了劳动强度与钻探成本。

4.5 其他钻探技术

本文所分析的是当前较为主流的地质工程勘察钻探技术，当前有的厂家研发出了一些采用新材料、新工艺的钻探技术，可以在一些特殊的地质条件下进行使用。比如：节水钻探技术，主要是针对于干旱地区所研发的钻探技术。再比如：为了提升钻探效率，以超声波技术来制作金刚石钻头，让其钻头使用寿命有了大幅度提升，同时也能够提高钻进速度。