工程地质勘察中钻探技术的应用分析

田玉娟

摘  要：随着我国经济的快速化发展，建筑工程的规模也越来越庞大，为了让工程能够安全地、高效率地施工，需要在实际施工前对工程地质进行仔细的勘察，全方位了解地质的特点，然后再设计相对应的施工方案;其中，在地质勘察中发挥着核心作用的就是钻探技术，先进的钻探技术能够大大提升施工的质量和效率。本文首先对工程地质勘察工作做了大概的阐述，然后对钻探技术在地质勘察中的应用进行了系统的分析和研究，最后针对现实情况下经常会遇到的复杂地层环境，设计了一种灵活的工程解决方案，该方案主要是利用潜孔锤取芯跟管钻探技术来处理复杂地层钻探这一难题，此钻探技术包含了气动潜孔锤取芯跟管钻探技术和液动潜孔锤取芯跟管钻探技术，通过配合潜孔锤取芯跟管钻具的使用，大大提升了钻探的效率。

关键词：地质勘察;钻探技术;应用

随着工业现代化的普及，越来越多的先进技术运用到了工程实施过程中来，我国的地质勘察也赶上了国家经济腾飞和工业快速发展这个契机，勘察事业在这十几年得到了飞速的发展，其中钻探技术作为地质勘察中的主要应用手段，技术水平也得到了很大的提高;地质勘察是任何工程施工前都要进行的准备工作，它很大程度决定了施工质量的好坏，由于钻探技术能够在施工过程中帮助勘察精确定位、准确施工，是地质勘察过程中一项不可或缺的技術支撑，对整个工程的顺利实施起着巨大的作用。

一、工程地质勘察概述

建设工程项目设计一般有三个阶段，分别是可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段，每个阶段都需要有相应的工程地质资料为工程设计提供支撑，为了能顺利地获得这些详细信息，必须要在工程开始前开展地质勘察工作。针对工程地质条件复杂的建筑工程，往往需要先进行可行性分析研究，然后再施工勘察，当面对地质条件相对简单的建筑工程，可以适当简化勘察阶段的流程。

工程地质勘察的概念是指为了查明影响工程建筑物的地质因素而进行的地质调查研究工作。一般需要勘察的地质因素主要包含地质结构或地质构造：地貌、水文地质条件、土和岩石的物理力学性质，自然地质现象和天然建筑材料等。这些通常称为工程地质条件。查明工程地质条件后，需根据设计建筑物的结构和运行特点，预测工程建筑物与地质环境相互作用的方式、特点和规模，并做出正确的评价，为确定保证建筑物稳定与正常使用的防护措施提供依据。

工程地质勘察工作起始于20世纪初，目前在发达国家的工程建设中已经成为必不可少的一个环节，我国的地质勘察起步相对较晚，地质勘察方面的理论研究与工程实践都还不够成熟，需要进步和完善的地方还很多，但是随着我国经济能力的日益发展，国家在此领域的投入也在日渐增大，同时依托着计算机技术在社会各行业的广泛运用，地质勘察在这两年得到了飞速的发展。众所周知，我国拥有全球最大的基建市场，为了较好地完成现代化工程建设的质量要求，工程中基坑以及基础的开挖深度越来越大，这使得工程地质勘察任务愈发艰巨，一些老的地质勘察技术已经慢慢变得不适应当前时代的设计标准。

地质勘察在工程建设中扮演着中枢神经的作用，其中最重要的地质勘察方法就是钻探技术，当面对一些比较复杂的地质条件时，钻探技术可以充分保证勘察探测工作的准确性，除此之外，钻探技术也是测试孔内原位与采集岩土样品最为重要的协助手段，如果钻探技术在工程中运用的不合理，就无法得到准确的力学参数，同时也不能精确地估计地层结构，这样就会对工程的综合质量造成非常严重的影响。

二、钻探技术在工程地质勘察中的应用

钻探技术是伴随着工业水平进步不断发展的，从十八世纪五十年代诞生的依靠人力的岩芯钻机，到如今的全液压动力头钻机，钻机经过了一百多年的发展，已经变得越来越自动化和智能化，同时通过多年来对钻探工程中钻探设备、钻探工艺、钻进技术和护壁技术等关键技术的深入研究，西方发达国家已经形成了一套成熟的钻探技术，在先进技术进一步的带动下，钻探工艺的种类会变得越来越多样化，钻探作业也会更加专业化和技术化，同时钻探工作会更加注重高效环保，钻探质量和效率会得到进一步提升，钻探成本也将会得到进一步控制。

面对钻探技术这一发展趋势，我国的地质钻探发展需要进一步完善，要快速形成一系列先进的钻进技术，用来克服钻进过程中遇到的钻进技术难题，包括复杂地层钻孔如何护壁堵漏技术问题、提高取芯技术问题等，同时发展高精度定向钻探技术，不断提升我国自主创新能力，使我国钻探装备与施工技术能够媲美西方发达国家。

下面罗列几个典型的钻探技术进行分析研究。

1、绳索取心技术

绳索取心技术原理比较简单易懂，一般采用双层钻杆和金刚石作为设备所需材料，该技术是目前运用最为简易的地质勘察手段，但是该技术受限于高成本支出，比较难以广泛应用。绳索取心技术的原理是通过钢丝绳打捞器对地下的岩石进行岩芯提取，不依赖于钻孔机械，如果钻头有损坏才会使用钻机，这对于工程施工人员来说，大大增强了操作友好性。采用绳索取心技术时需要提前做好相应的准备工作，施工前，施工人员需要对地质情况进行仔细地勘察，针对地层变形、坍塌等问题进行详细的研究和分析，同时还要考察此地的地理情况以及周边环境，积极采取相应的防范措施，工程人员对地质情况进行全面勘察后，要形成勘察资料，为以后的工程设计与施工提供数据支撑。

2、反循环钻探技术

反循环钻探或RC钻探是一种使用双壁钻杆的钻探方法，该钻杆由外钻杆和内管组成，这些中空的内管使岩屑可以连续，稳定地流回地面。与钻石钻孔不同，RC钻获得的是岩屑样本，而不是岩芯。钻探原理是通过气动锤驱动钨钢钻头击碎岩层。反复称为锤的气动往复活塞，该锤又驱动钨钢钻头，该钻头用于破碎坚硬的岩石，当压缩空气吹出时，压力偏移会产生反向循环，从而使岩屑向上进入内管，当岩屑到达地面时，通过软管连接到旋风分离器进行样品缩分，然后样品从底部开口掉入样品袋中，这些样品袋标有收集样品的位置和深度，可以直接运送到化验室进行分析。岩屑通过钻杆内管进入样品收集器，不会接触其他区域，从而避免了交叉污染，从而获得高质量，可靠的样品，样品易于分类和追踪，有确切的位置和深度，能够准确的定位矿化位置，同时RC钻每天可以钻进200到300m，RC钻孔可以更快地获得钻探结果，花费的时间更少，与金刚石钻孔相比，RC钻成本相比金刚石钻探最多可降低40%。RC钻是用于露天采矿品位控制的最好方法，通过RC钻孔获得的样品不会受到污染·收集到的样品直接发送到实验室进行测试，不需要复杂的前处理，可降低成本并缩短开采流程时间，除此之外，由于RC钻机的钻机占地面积小，因此无需进行大量的土方工程，这意味着RC钻孔对环境的影响最小。

3、液动潜孔钻探技术

液动潜孔锤又叫液动冲击器，它是利用钻探泥浆泵输出的高压冲洗液作为动力传输介质，驱动井下钻具组合中液动潜孔锤内地冲锤作轴向的往复运动，对钻头施加冲击载荷以提高钻进效率的井底动力机具。液动潜孔锤通常连接在钻头或岩芯管的上部与钻杆、钻铤或其他孔底动力机具之间，因而能量传递损耗小、效率高。由于驱动液动潜孔锤的动力来自于回转钻探用的泥浆泵，而泥浆泵目前的泵压可以达到7到12MPa，所以正常情况下钻孔的深度可以达到几千米，远远超出目前钻孔施工所要求的深度。液动潜孔锤的特点和适用范围如下：

1）只需依赖现场的常规设备，需要投资力度较小;

2）目前最大的井深超过5千米，并且最大深度还在继续下探;

3）液动潜孔锤钻探技术能量损失小;

4）给钻头施加的载荷是高频脉动载荷，瞬时可达极高值，轻易能使岩石碎裂，大大提高了钻探效率;

5）高频脉动冲击有利于金刚石出刃，减少钻头打滑的概率。

4、数值岩芯技术

数字岩心技术是近几年来获得广泛关注的一种岩心分析方法，它在砂岩、碳酸盐岩和页岩等岩心分析领域应用广泛。数字岩心技术的基本原理是通过二维扫描电镜图像或三维CT 扫描图像，借助计算机图像处理技术，通过一定的算法完成数字岩心重构。但是目前来看，该技术在工程上的应用还不是很到位，目前除了用来测试低渗致密岩石的孔渗，尝试一下岩石物理及矿物分析以及部分scal分析外，其他发展前景还没能够体现出来，尤其是与现有地质、测井、地震和油藏现有技术的结合方面，做得不是很到位，这是目前制约该项技术发展的主要问题。数字岩心技术在理论上发展了这么多年，但在应用上无法拿出一套完整的解决方案来将做出来的微观空隙模型与宏观方面的认识进行结合，而且目前该项技术成本还是相对较高，虽然在非常规方面存在一定应用价值，但是目前受油价影响中国非常规油气发展遇到很大困难，仅凭非常规市场难以支撑起该项技术的发展。在常规方面面对一些常规手段难以解决的复杂问题又无从下手，缺乏一系列成熟的解决方案。

三、针对复杂地层环境的钻探技术研究

复杂地层钻探一直以来都是工程地质勘察中最难解决的一个难题，它在钻进、护孔、取心和控制孔斜等多方面都给工程施工人员带来了巨大的挑战，如何应对工程施工中复杂地层钻探问题往往直接关系到整个工程的安全性和经济效益。本文基于上述探讨的钻探技术的特点并结合传统的钻探技术的优势，采用多技术交叉的方法，重点研究了具有更强复杂地层适应性的潜孔锤取芯跟管钻进技术，该钻探技术包括气动潜孔锤取芯跟管钻探技术和液动潜孔锤取芯跟管钻探技术，是解决复杂地层钻进与取样问题的最有效方法之一。

下面是潜孔锤取芯跟管钻进技术的技术路线图。

在复杂的地层钻进工程中，主要会遇到钻进过程缓慢、孔壁保护难度大和取心复杂等一系列问题。虽然目前国内外也有一些解决方案能处理这些复杂地层钻进问题，但是，复杂地层的模式多种多样，很多模式换了一种应用环境就会失去作用。

一般情况下，处理复杂地层的地质勘探要分如下两个步骤。

1） 全面仔细的分析复杂地层的形成原因、地层的属性类别，并且要结合当下钻探工程的要求，分析和确定钻探工程的施工难点，同时要配合工程力学、流体力学等理论，必要时需要用科学的理论知识来指导实践工作;

2） 要全面细致地分析现有的钻探技术特点，对各个钻探方法的使用效果进行调研，确定它们的适应范围，然后选择合适的具有实际适用性的钻探技术进行组合，争取能发挥各个钻探技术的优势，形成一套完善的、经济的、高效的、能解决复杂地层问题的钻探工程技术。

针对复杂地层的钻探问题，本人设计了一种灵活性强的解决方案，拟采用一种适应能力强的潜孔锤取芯跟管钻探技术来处理复杂地层钻探这一工程难题，该钻探技术包含了气动潜孔锤取芯跟管钻探技术和液动潜孔锤取芯跟管钻探技术，配合气动、液动潜孔锤取芯跟管钻具，采用气动潜孔锤取芯跟管钻具和液动潜孔锤取芯跟管钻具的钻进工艺规程，大大提升了钻探的效率。

下面具体介绍一下潜孔锤取芯跟管钻进流程。

1） 在孔位上定位放置套管靴，将中心钻具放入套管内部，送入空气，然后开动钻机进行冲击回转钻进，开孔的过程中，因为套管上没有制动阻力，肯定会随着取芯钻具回转，当套管跟着到达一定深度以后，在孔壁的摩擦阻力的限制下，套管就不必跟随钻具转动了。

2） 先要准确判断钻具是否到位，判断的准则是根据孔内钻具长度、套管长度和钻具到位情况下的机上余尺来计算钻具是否到位，这些测量的数值都要求很准确，精确度要达到厘米。

3） 一般钻进过程中，应当根据地层情况，在规定范围内调整钻进规程参数。当地层较为松散的情况下，采用小钻压配合大风量，当地层较为坚硬时，则采用低转速配合大钻压。

结论：

随着我国经济的飞速发展，大量的工程建设需要通过更科学、更高效的勘察方法去保障，因此采用合理的钻探技术去帮助地质勘察精确分析地层特征，是十分有必要的。现有的钻探技术有很多，各自都有自己的优势和短板，譬如岩芯钻探技术适用于采集岩芯，而潜孔锤跟管钻进技术更适合于工程进度要求比较高的工程，所以我们在工程中经常要结合起来使用，尤其在面对复杂地层的地质勘探任务时，需要先全面分析复杂地层的形成原因和属性类别，要尽量去选择适合本地地质特征的钻探技术，争取能使其优势最大化，更经济高效地去解决复杂的钻探工程难题。

参考文献：

[1] 冯俊.工程地质勘察中钻探技术选用的探讨[J].中国新技术新產品，2016.

[2] 宋志彬.地质钻探技术与应用研究[J].地质学报，2015.

[3] 李海石，符国强.钻井取心技术.北京：石油工业出版社1993.

[4] 杜平，张立新，杨丽.钻探工程学[M].成都：电子科技大学出版社，2014.

[5] 王雪春，姜新华，胡保忠.工程地质勘探中的钻探技术应用[J].中国高新技术企业，2016，30：148-149.