关于几种绿色勘查钻探技术的论述

卢荣彪

（湖南省核工业地质局三0二大队，湖南 郴州 423000）

地质勘探主要采用沟槽探查、钻孔探查、深坑勘探等工程对矿化体进行勘探，以达到相应的地质目的。由于其对周围的生态环境会造成巨大损害，虽然损坏的部分在施工工作完成后被回填，但通常没有恢复处理，易于崩溃和其他二级灾害，通过扩大损坏的范围，易于引起局部桑德化，从而导致持续损坏生态环境。而实施“绿色勘查”就是解决上述问题的应对方法。以下对几种绿色勘查钻探技术逐一进行论述。

1 一基多孔、一孔多支”技术

“一基多孔，一孔多支”技术，即是多个钻孔技术用于在钻机上使用定向钻孔技术，或者在同一个孔内的许多分支孔以实现揭露不同的地层和不同的层位矿体。一基多孔，一孔多支技术采用定向钻孔技术来实现减少基台数量的目的，减少机器的数量，基台、道路施工和材料重组工作，是有效实现中深孔钻井的绿色勘探的技术手段。

2 定向钻进技术

目前有多种定向钻孔方法，主要采用机械连续造斜器，螺杆电机/带钻测斜技术（无缆和有缆技术），还有组合钻具等，但每种方法都有其适合使用的条件和特点，螺杆钻进技术在定向钻进中的优点有：①钻探杆不用旋转，这可以降低钻杆的疲劳和磨损，从而减少钻探杆损坏事；②钻探杆不旋转，这不仅降低了钻探杆和套管、井筒之间的磨损，还防止井筒扩张，使井孔变大，最终因摩擦而引起卡钻、掉块和塌陷事故；③它可以用高精度定向仪器协作，用来准确地控制钻孔轨迹和远程遥控钻孔。④它不仅可以用于硬性和坚硬型的完整地层，而且还可以用于破碎的地层，松软型、中硬和软硬型不均地层造斜及第四系地层；⑤它可用于长、中、短轴率半径的定向孔和各种特殊项目，有线随钻定向配套如图1所示，无线随钻则不采用电缆和测井绞车及通缆水龙头。

图1 有线随钻定向示意图

3 环保泥浆技术

在钻井工作中，由于过去的环保观念薄弱，生产的泥浆材料仅考虑钻井技术和性能方面，忽略了泥浆原料对自然环境的潜在污染和毒性危害，这使得钻井泥土成为地质勘探过程中的主要污染源之一。泥浆是由基础造浆材料和处理剂组成的，它的材料性质的优化是绿色地质勘探的重要保障措施，以优化的泥浆处理剂，可以有效防止毒性和有害治疗剂的高浓度积累。倡导使用生物聚合物环境保护泥浆系统，这不仅具有防止井壁坍塌、润滑和封堵的钻井功能，还符合生物自然降解的特点，不会损害环境的酸碱平衡，是无毒的，免除泥浆有害成分和废浆造成的环境污染，目前环保泥浆主要有四类：聚合醇钻井液、有机盐钻井液、硅酸盐钻井液和甲基葡萄糖苷钻井液。

4 泥浆的无害化处理及不落地处理

4.1 泥浆的无害化处理

由于钻井工艺的需要，经常会加入各种化学添加剂，造成废弃钻井泥浆中的成分非常复杂，如果不处理好会使对环境有危害，这些物质包含各种油类、盐类、可溶性重金属元素（Zn、Pb、Hg、As、Cu、Be、Cr）和有机硫化物、有机磷等。随着对固化处理技术的不断研究，目前出现了多种固化处理技术。根据所用固化剂及固化工艺的不同，适合处理钻井废泥浆的主要固化处理工艺可分为以下几种。

（1）水泥固化处理技术。水泥固化是一种用水泥为固化剂固化废泥浆的处理方法，水泥的主要成分是二氧化硅、氧化钙、三氧化二铝和三氧化二铁。固化处理用的水泥品种最常用的是普通硅酸盐水泥。固化的原理是通过硅酸钙和水反应，形成硅酸钙水合凝胶，形成含有硅酸盐纤维和氢氧化物的物质，把有害物质，和水泥一起逐渐硬化形成水泥固化体。

（2）石灰固化处理技术。石灰固化是一种用石灰作为主固化剂，用活性硅酸盐类作为添加剂，来固化含有硫酸盐或亚硫酸盐的废泥浆的固化方法。石灰凝固原理是：在和添加剂存在时，添加剂中的硅铝酸盐与废弃泥浆反应，逐渐凝结和硬化，最后达到固化目的。其优点是工艺简单，设备操作容易；材料廉价、处理过的废泥不需要完全脱水并干燥；低渗透率；固化填料本身是待处理的废物（如水泥窑灰），其等于用废物处理废物。然而，存在一些问题，例如添加石灰和其他的添加剂，使得固化体较大的体积膨胀和重量增加，这使得难以运输和处理；酸性物质易侵蚀；凝固体的结构强度低于水泥的结构强度，因此通常不单独使用石灰固化，而是与其他固化剂组合使用。

（3）粉煤灰固化处理技术。粉煤灰是火山灰质类混合材料，主要含二氧化硅，三氧化二铝和其他潜在的活性成分组成。粉煤灰的凝固原理是，在水存在时，二氧化硅和氧化铝通过泥浆中的碱性物质激发，以产生水化和硬化，反应产生稳定的水合产物（CSH和CAH），CAH将加速反应形成钙矾石，进一步提高了凝胶组合物和钻井废弃泥系统的硬化质量，最终达到了固化的目的。这种方法的优点是：固化效果好，施工速度快，经济实惠，资源环保再利用，经济效益和社会效益都比较好。

（4）水玻璃固化处理技术。水玻璃是一种可溶性碱金属硅酸盐材料，由碱金属氧化物和二氧化硅组成。它是一种无色透明的粘性液体。水玻璃具有硬化，结合和包容的性质，可用作胶结材料。水玻璃的固化方法是使用水玻璃作为主要固化基材，由无机酸性物质（如硫酸，硝酸和磷酸）补充，然后根据合适的比例的成分与废弃泥浆混合中和和缩合脱水反应，使得有害物质可以自动脱水，凝固和硬化，最后固化。这个固化方法的优点有：原料源广泛，价格低，处理成本低，耐酸性强，耐渗透性良好，抗浸出率低。然而，这种方法仍处于实验阶段，并且通常仅适用于毒性很少的废弃物处理。目前，没有一种固化剂，能够适合所有固化任何类型的废弃泥浆。上述固化剂通常仅适用于治理一种或某几种泥浆，主要用于无机处理。因此，现在几乎所有的油和天然气田都使用组合固化剂，制备复合固化剂用于治理废泥。

4.2 泥浆的不落地处理

目前废弃泥浆无害处理的方法已普遍使用，但这种方法占地面积，环境风险仍然很大。钻井废弃物的不落地技术通过使用物理和化学方法的组合来实现钻井过程中的废泥浆达到排放标准，而且还降低了治理成本，并具有较小的环境风险和可操作性，它具有广泛的适用性。目前，钻井废泥的不落地处理已成为钻井环境保护的发展趋势。典型设备的核心技术如下：①钻井废物随钻处理：主要包括废物收集装置，凝胶破碎和脱稳装置，固液分离装置等；②废弃泥浆不落地处理技术包括：岩屑收集，分离砂石，化学处理，处理油污，泥饼脱水和水处理。③循环再利用技术：该技术采用螺旋输送机和固相输送机收集传统固体控制设备产生的钻孔碎屑，同时高频振动筛和离心装置用于去除废泥浆中的有害固体颗粒；再用电化学系统去除细小和有害的固体以实现再利用。

5 无循环钻进工艺

无循环钻进是指在钻探施工过程中，孔(井)内没有冲洗液或虽有稳定液但不循环流动，依靠机械动力驱动钻头，回转以破碎岩石，岩屑靠螺旋叶片或钻斗排出孔外，孔内无泥浆循环的成孔工艺。钻进的地层多为第四系土层或风化层，所用钻进方法有螺旋钻、旋挖钻、地质勘察、土壤调查、考占钻探、水文水井钻探、钻孔灌注桩等。以螺旋钻进为例。螺旋钻进是利用螺旋钻具储存或输送岩屑的干式机械回转钻进方法。螺旋钻进的优点：①在均质软层，可获得很高的小时效率(每小时可达几十米)，因为能及时排屑，无重复破碎，也无液柱压力影响；②不用冲洗液，无泥浆污染，省去设备和费用。缺点：①粘性大的粘土，钻率低，更不适于大粒径卵石层；②不能有地下水，因为摩擦系数小，岩屑易从叶片上滑落集于孔底。

6 水循环钻进工艺

水循环钻进是指在钻探施工过程中以水作为循环介质排钻屑。水循环钻进有以下优点：洁净，污染小；工艺比较成熟，操作简单；排渣效果好，钻进效率高。缺点是钻进松软地层时，孔内循环水的漏失严重。

7 空气循环钻进工艺

空气循环钻孔是指使用空气作为循环介质，以去除钻孔过程中的钻孔碎屑。以空气反向循环钻探为例：目前在地质勘探中，岩石样品被收集，通常使用钻探沟槽，钻探井和金刚石钻井等工程手段，但沟槽和钻探井的挖掘深度有限，而且地表大面积的植被将受损。金刚钻芯钻孔不仅需要足够的水，而且还污染了环境。因此，在脆弱的生态环境中进行勘探工程，如厚覆盖区域，草原干旱地区和青海西藏高原等地区进行有一些局限性。空气反向循环钻探技术可以有效地解决上述区域中的样品收集问题。空气反向工艺采样钻孔是用压缩空气作为冲洗介质，通过高压软管、水气龙头及双壁钻杆形成的环形通道，驱动底部的潜孔锤，利用高频冲击锤打破底部岩石。同时，钻机携带双壁钻杆以低速回旋，钻头上的硬质合金连续冲击岩石上新的冲击点，将碎石从基质中剥离，然后压缩空气将破碎的岩石（即岩石样品）带回到表面通过钻杆中心通道，并进入旋离器（即样品收集器）。当压缩空气通过潜孔锤钻头时分离，大部分压缩空气进入钻管中心通道，将岩石样品携带回到地面，实现连续取芯而不停止钻孔，少量岩石碎屑通过孔壁和钻管环之间的空间间隙被带回地面，这样可以使环壁保持清洁。

8 展望

作为科学发展理念和先进的技术，绿色勘探是在矿产勘探领域实施中央生态文明战略的重要措施。迫切需要促进地质勘探行业的转型和升级，维持可持续和健康的发展。我们必须掌握新的形势，实施新的要求，优先考虑生态保护，并大力推动绿色探索，我们将努力实现生态保护与资源保障之间的双赢局势。