地质钻探技术的发展与思考

张磊，陈辉，韦瑞杰，李绍英（.河南省地矿局第三地质矿产调查院，河南信阳464000；.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009）

地质钻探技术的发展与思考

张磊1，陈辉1，韦瑞杰1，李绍英2
（1.河南省地矿局第三地质矿产调查院，河南信阳464000；2.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009）

地质钻探技术对社会各方面的发展及人类的进步影响很大。因此，提高地质钻探技术的发展水平是十分紧要的。通过简要分析地质钻探技术的作用和意义，介绍了钻探工艺的发展概况，并在此基础上，对新形势下的地质钻探技术提出了新的发展方向和建议，以促进我国钻探技术的进一步发展。

地质钻探；钻探工艺；发展趋势；思考建议

1　钻探技术的作用和意义

地质钻探技术是指利用一定的机械设施和方法取得地表以下的岩心矿样，并对岩心样进行分析化验，从而为地质和矿产资源参数做出可靠评价的一项地质工程。我国拥有非常丰富的自然资源，这些丰富的矿产资源一部分存在于地表，但仍有很大一部分是位于地表以下，甚至在地下几百、数千米的地层中。所以，对矿产资源的利用经历了一个漫长的过程，地质钻探技术也拥有一个长期的蜕变史。它对于人类认识自然、开发自然提供了巨大帮助［1］。

我国的地质钻探技术是一门历史较为悠久的专业，它是人类生存和发展的过程中不可或缺的一门基础科学。我国的钻探技术起始于四川，首先是为了寻找水资源，后来用于寻找盐资源，该技术的使用对当时社会和人民的生活带来了极大的便利。随着该技术的不断进步，越来越多的领域也开始不断引入该技术。改革开放以后，钻探技术逐步被重视，更体现了其重要性。

随着经济全球化、科技全球化的推进，经济的发展对矿产资源的需求趋于增大。但是在粗放经济战略的经济发展模式下，许多易采矿床大部分已经被开采，现存的矿床多具有地质构成复杂、不利于勘查和采掘的特点，对于此类特殊矿产的钻探，一方面需要有相关理论的支撑，另一方面面临着许多复杂的工程实践问题。提高钻探效率，保证工程安全顺利进行，钻探成本最小化，质量最大化，一直都是地质工作者努力的方向，也是今后钻探技术革新的一个准绳。

2　钻探工艺的发展

2.1钻探工艺主要种类

地质钻探技术主要分为地下钻孔破碎岩石的方法和钻进工艺［2］。对不同地质条件的待勘区，采用不同的钻孔设备和方法。不同的钻孔方法形成了不同体系的钻孔工艺。机械破碎岩石法是工程施工中较常用的钻探方法。根据作用外力的方式不同，机械破碎岩石法又可细分为振动钻探、回转钻探、冲击回转钻探、冲击钻探等。根据钻孔的差异又分为岩心钻、地下钻、浅钻。依据钻探切削设备的区别分为金刚石材料钻探、硬质的合金钻探技术以及钢珠钻探技术。钻探时，会用到冲洗液，其有钻进工程“血液”的荣誉称号。冲洗液具有清洗孔底，带走碎屑；冷却钻头，保护钻头；润滑钻具及钻头减小钻具振动使钻头平稳工作；保护孔壁，避免孔内异常现象发生等作用。钻探过程中，冲洗液是循环使用的，主要包括正循环、反循环、孔底反循环三种方式。根据冲洗介质的差异，冲洗液主要有三类：第一类，由水和脂类油为主体的液态冲洗介质，主要包括乳状液、泥浆、盐类饱和溶液、清水或淡水等；第二类，以空气为主体的气态冲洗介质，包括雾化气和干燥的空气；第三类，作用原理和功能不同于前两类的一种新型冲洗介质，如充气泥浆和黏性泡沫等。其中后两类仍然在研究阶段。根据待勘测地质的差异，钻探技术可分为水域钻探、陆地钻探等。随着地热资源的开发，地热钻井的技术也应该得到长足的发展和变化，主要应用的地热钻探技术有潜孔锤钻探、冲击钻探、反循环钻探、平衡缺失类钻探，但目前使用较多的是正循环（泥浆）、气举反循环、高压喷射、泡沫增压等技术。

振动钻探适用于如砾石层、黏土层、卵石层等第四纪冲击层，并且采用取岩心和岩屑法；回转钻探适合应用于硬度小于7级的岩层及坚硬岩层；冲击回转钻探适合于坚硬、强研性、破碎、软硬相交岩层，它一般仅采用取岩心法；冲击钻探同样适用于第四纪冲击层，它一般仅采用取岩屑法。浅钻：主要用于勘探埋藏较浅或者不需要使用深钻的矿床，其优势在于低成本，工艺简单快捷，不足之处是不能用于硬体岩层或深层岩层的地质勘探工程。岩心钻：该钻孔工艺不受客观地质条件影响，使用群体较丰富［3］。

正循环（泥浆）钻探工艺，有很强适用性的特点，受环境影响较小，其缺点为一般会出现糊钻、缩径以及漏水的情况［4］。气举反循环钻探工艺，可以防止含水层淤塞，降低地层漏水发生率并有效降低对环境的污染程度，但要解决好双壁钻杆的密封性问题［5］。高压喷射钻井是采用喷射式钻头的一种钻井工艺。它既有助于钻头对岩石破碎，又能很好地清洗井底和钻头、钻具。泡沫增压钻探工艺，主要是利用钻探过程中，孔底形成较大负压产生抽吸作用的原理，减少了含水层的淤塞现象发生。

反循环式钻探技术所用的循环介质一般为水力和空气两种，又可细分为两类钻探工艺。但是反循环式（空气）钻探易受空压机、双臂式钻杆、潜孔锤等辅助设备性能的影响。绳索取芯法，具有正常勘探时不需要提升钻杆即可取出岩心的优点。如果岩心充满了岩心管（或发生管内阻塞时），无须将钻杆柱全部提出，借助一些简单的工具就可以排除阻塞。液动锤钻探技术是工程项目中非常常用的技术，该技术已经达到国际领先水平。该技术发展的瓶颈是受钻头、冲洗液、液动锤等性能的影响。组合形式钻探法主要是利用实际工作中，借助不同钻探方法之间的优势互补的概念而形成的一种新方法。如将反循环式技术和绳索取心式技术的优势进行融合，劣势互消，强强联合而重新整合出来一种综合性的钻探方法。在实际地质工程实践中，这种组合新技术能够因地制宜，有针对性地提高钻探效率，有效降低钻探成本。

2.2钻探技术主要应用领域

随着社会的发展，越来越多的领域引入了地质钻探技术。地质钻探技术由最初的地质矿产勘察领域扩展到了地下水资源利用、地质灾害防治、工程建设以及环保领域。矿产地质的勘探方面，主要包括对多种矿产（如铜、钴、钼、铅、锌等各类有色金属、黑色金属和稀贵金属）地质构造的分析，化学化工生产所需原材料、非金属矿（如金刚石、石墨、云母等）和建材原料的勘探等方面。地下水资源在勘察、开发、利用过程中，同样离不开地质钻探技术。通过钻探对待勘区域进行初步勘测，根据勘察数据进行初判该区域地下水储量、分布等情况，形成水文参数供开发和评价该区域水资源使用。由于近些年地球地壳板块的活动加剧以及一系列人为因素的影响，导致滑坡、泥石流、崩塌及火山、地裂缝等地质灾害时有发生。如，汶川地震、玉树地震、舟曲泥石流等，这些灾害的发生给人民生命财产以及社会发展带来了严重的破坏。如何削弱地质灾害的负面影响，科学家们进行了积极的探索。在灾害预防方面，我们可以建设完善的监测设施、抗滑加固工程等；在灾后处理方面，可以通过一系列措施来实现。而在工程施工过程中，同样需要利用钻探技术。钻探技术能及时有效地提供防治灾害的方案和措施。在工程项目的运行中，钻探技术能在工程设计方面提供部分设计参数，以利于基础设计的有效进行。在工程基建中，可以利用最佳的钻探工艺进行加固软地基、地基桩基、防渗和灌注等处理。除此以外，钻探技术和工艺同样应用在考古、生物溶浸采矿等领域中。

2.3钻探技术发展现状

矿产资源属于不可再生资源的一种，我国生产生活的能源和工业原料的来源均依赖于矿产资源，这就是矛盾的根源。新形势下，矿产资源勘探领域的发展方向是资源与环境并重，既要金山银山，也要绿水青山。勘查工作者也开始将目光由陆地转向海洋（深洋或大洋底部等）。对海洋的勘探也逐渐成为钻探技术前进的一个方向，大洋中蕴藏着丰富矿产资源（如锰结核等），因此，发展海洋钻探技术，也将是十分有必要的。

对地质钻探技术影响较为明显的是近些年钻探设备的不断发展，钻头的变化，钻杆的变化等都对钻探技术的发展产生了巨大的影响［6］。我国钻探设备的发展经历了由立轴式钻机到转盘钻机，再到动力头钻机的蜕变过程。我国还需要加强对中大型钻探设备的开发和研究，自动化程度也有待于提高。

3　思考及建议

我国钻探技术虽然得到迅猛的发展，但是在一些细节方面还依然存在诸多制约因素，如我国的钻探设备依然落后于发达国家，自动化程度还很低；我国的产、学、研体系没有能够有效的结合；我国的工程安全意识很薄弱，相关的制度还不完善；我国对高素质专业技术人员需求依然很大；我国还未形成应用新技术，提高生产率的意识；我国与世界其他领域的合作密度有待于进一步加强，还未真正做到“他山之石，可以攻玉”。

通过以下几个方面来促进我国钻探技术的发展。其一，进一步加强我国钻探设备的研发和创新。吸取国外先进经验，结合我国的实际形势，将新的自动化技术、新的材料等应用到我国钻探设备的研发上。其二，提高我国的安全生产管理水平。可以通过提高钻探技术水平实现安全管理，钻探生产安排要合理均衡，安全使用钻探设备，参考国外先进经验制定完善的安全生产制度，及时有效地进行安全检查，提高工人的安全意识。其三，加大对专业钻探人员的培养。技术人员是技术实施的主体和主动轮，只有具备高技术的人才，才能有效地全面普及、推广和促进相关技术的发展，进而提高钻探质量，提升钻探效率和经济效益。其四，实时关注世界新技术发展进程，积极运用新的科学成果，加强各领域之间的技术合作。

［1］吕忠恒.试论地质钻探技术应用现状及工作原理［J］.科技与企业，2013，（12）：188.

［2］梁耀雄.工程地质钻探中钻孔技术的探讨［J］.低碳世界，2013，（14）：106-107.

［3］王春莲.钻孔技术在钻探工程中的应用［J］.化学工程与装备，2012，8（02）：135-136.

［4］彭新明，张勇，赵立新.北京地区地热井钻探工艺发展［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2004，（08）：56-59.

［5］林圣明，雷洁力，卡宏伟.浅论地热井钻探工艺及方法［J］.科技致富向导，2013，（17）：81.

［6］张秉正.地质钻探工艺技术［J］.黑龙江科学，2014，5（08）：245.

The Developm ent and Suggestion o f Geological D rilling Process

ZHANG Lei1；CHENHui1；WEIRui-jie1；LIShao-ying2
（1.InstituteofGeological&MineralResourcesSurvey ofHenan，Xinyang464000，China；2.North ChinaUniversityofScienceand Technology Institute ofMining Engineering，Tangshan 063009，China）

Geological drilling technology in all aspects of the social development and the progress of the human impact is significant.Therefore，improve the levelof the development ofgeological drilling technology is very urgent. There are three partwere investigated in this paper，which included the analysis of the function and significance of the geological drillin g technology，introduces the general situation of the developmentof drilling technology.Base on thisbasis，the currentnew situation ofgeological drilling technology is put forward to the new development direction and the suggestion，in order to promote the further developmentofdrilling technology in China.

Geological drilling；Drilling technology；Develop tendency；Suggestions

P62

A

1674-8646（2015）05-0098-03

2015-01-15

张磊（1986-），男，河南信阳人，助理工程师，主要从事地质钻探、桩基等工程勘察工作。

李绍英（1981-），男，工程师，讲师，博士，主要从事地质、选矿等相关研究，e-mail：muzi1201@126.com。