淺談地質(zhì)鉆探技術的應用

     在地質(zhì)勘探工作中,為探明礦體或地質(zhì)體的形態(tài)、產(chǎn)狀、深度、規(guī)模、結構和儲量的工程技術稱為勘探技術,包括鉆探工程和坑探工程。在地質(zhì)勘探中,通常以鉆探工程和坑探工程為主,輔以地球物理勘探和地球化學勘查。地質(zhì)勘探鉆探,根據(jù)地質(zhì)設計,在預定地點,利用鉆探設備鉆穿巖層,取得巖樣、水樣、土樣等實物資料,并通過鉆孔進行地下物理測量或地下水動態(tài)觀測等,在地質(zhì)勘探中應用最廣。
　　在分析了目前我國地質(zhì)工作對鉆探技術的需求以及地質(zhì)鉆探技術現(xiàn)狀的基礎上，提出了我國地質(zhì)鉆探技術的遠期、中長期、近期發(fā)展目標，明確了近期研發(fā)工作的重點和計劃，并強調(diào)了科技創(chuàng)新，新方法、新技術的推廣應用的重要性和加強探礦工程專業(yè)委員會作用的問題。
　　1、地質(zhì)鉆探的概況
　　鉆探是最基本最常用的勘探手段。不同類型的建筑物,不同的勘察階段,不同的工程地質(zhì)條件下,凡是布置勘探工作的地段,一般均需采用鉆探方法。與地質(zhì)找礦鉆探相比,工程地質(zhì)鉆探的特點是:(1)勘探工程鉆孔布置,不光要考慮自然地質(zhì)條件,還需結合工程類型及特點。如水壩一般應順壩軸線布孔,工業(yè)與民用建筑則需按建筑物的輪廓線布孔等。(2)鉆進深度一般不大,除了大型水利工程,深埋隧道以及為了解專門的地質(zhì)問題(如控測深巖溶)外,孔深均為十余米至數(shù)十米,所以經(jīng)常采用簡易鉆探法和輕便鉆機。(3)鉆孔多具綜合性目的,1個鉆孔除了需查明地層巖性、地質(zhì)結構和水文地質(zhì)條件外,還要作各種試驗、取樣、長期觀測。有些試驗往往與鉆進同時進行,所以進尺較慢。(4)工程地質(zhì)鉆探在鉆進方法、鉆孔結構、鉆進過程中的觀測編錄等方面,均有特殊的要求。與物探、坑探相比較,鉆探工作有其獨特的優(yōu)點,它可以在各種環(huán)境下進行,不受地形地質(zhì)條件的限制。它能直接觀察巖心和采樣,勘探精度高。勘探深度大,不受地下水的限制,鉆進速度也較快,這是坑探所不能比擬的。
　　2、地質(zhì)鉆探工藝
　　與世界先進的鉆探技術相比，目前我國地質(zhì)勘探工作中采用的鉆探技術總體水平比較落后。
　　鉆探施工主要采用立軸式巖心鉆機，基本上是20世紀80年代左右的設計。現(xiàn)代的全液壓動力頭鉆機依靠進口，我國自己研制的產(chǎn)品已經(jīng)開始出現(xiàn)，但還未得到大面積推廣應用，而且現(xiàn)在只有個別鉆深能力(1000 m)的鉆機，還未形成系列。
　　鉆探工藝方面，一些先進的鉆進工藝方法還沒有得到推廣應用。金剛石繩索取心鉆進方法雖得到了較多的應用，但還未能大面積普及。液動錘鉆進(液動沖擊回轉鉆進)方法的優(yōu)點雖然為人們所認識，但由于該方法在惡劣的泥漿條件下使用時鉆具可靠性和壽命方面存在著一些問題以及這些年鉆探現(xiàn)場管理水平的下降，使其在地質(zhì)鉆探中的應用較以前更少。一些具有較好前景的先進的鉆進工藝方法，如繩索取心液動錘鉆進方法和不提鉆換鉆頭方法雖然都已研制成功，但實際應用很少。空氣反循環(huán)取樣鉆進方法盡管具有高效率、低成本的特點，但由于沒有得到地質(zhì)人員的認可，至今未能得到推廣。除此之外，目前地質(zhì)鉆探施工中所用的鉆孔護壁堵漏技術、測斜技術等，基本上也是20世紀80年代左右的水平。
　　由于采用的鉆探技術水平不高，地質(zhì)勘探中鉆探工作的效率和效果不太理想，表現(xiàn)在臺月效率較低、復雜地層鉆進問題多、深孔鉆進能力差、鉆進成本高。這些問題的存在，使得鉆探技術對地質(zhì)工作的技術支撐效果受到影響。
　　3地質(zhì)鉆探工程實例
　　實例是富源新興煤礦礦區(qū)：鉆探揭露的地層順序自上而下是:Q為黃土,平均厚度15.56m,松散,鉆孔易坍塌,用150mm無心鉆頭穿過后下入146mm孔口管;T1l-P2sh以泥巖、泥質(zhì)砂巖為主,夾含礫砂巖,平均厚度466.78m,由風化殘積土及礫石充填,呈松散半膠結狀態(tài),賦存大量孔隙,軟硬互層,鉆進時受鉆具振動碰撞和泥漿沖蝕作用,鉆孔常發(fā)生坍塌或漏失現(xiàn)象,用113mm普通型PDC復合片鉆頭鉆進;P2s以泥巖、粉砂巖為主,夾含礫中~粗粒長石石英砂巖(K5),平均厚度305·32m;P1x泥巖,細~粗粒長石石英砂巖(K4),平均厚度113.08m;P2s-P1x地層硅質(zhì)膠結,巖溶裂隙發(fā)育,地下水力聯(lián)系密切,斷層破碎帶常出現(xiàn)漏失—涌水—漏失現(xiàn)象,用113mm普通型和加強型PDC復合片鉆頭鉆進;P1s泥頁巖,粗砂巖(K3),炭質(zhì)泥巖及煤層,平均厚度137.82m,其S3、S2、S1為主采煤層;C3t黑色泥巖,燧石條帶灰?guī)r(K2),中粒石英砂巖(K1),炭質(zhì)泥巖及煤層,平均厚度71.17m,其中t4、t3為主采煤層;02m泥灰?guī)r,中~粗粒長石石英砂巖,平均厚度42.66m;煤系地層硅質(zhì)膠結,灰?guī)r多破碎,且研磨性大,構造裂隙較發(fā)育,穩(wěn)定性較差,透水性強,地下水豐富,承壓水力大,鉆孔縮徑或涌水時有發(fā)生。本區(qū)煤質(zhì)為肥煤和焦煤,煤質(zhì)硬度小,脆性大,取出的煤心多呈碎塊及粉末狀,取心難度大,用113mm普通型和加強型PDC復合片鉆頭鉆進,煤層用108mm半合管取煤鉆進。
　　4、地質(zhì)鉆探技術發(fā)展目標
　　筆者認為，考慮地質(zhì)鉆探技術發(fā)展目標時應該分階段，應該分成近期、中長期和遠期。劃分原則是:至2010年為近期，至2020年為中長期，至2050年為遠期。
　　4.1遠期(至2050年)目標實現(xiàn)地質(zhì)鉆探技術的現(xiàn)代化應該是鉆探技術發(fā)展的遠期目標。
　　在《國務院關于加強地質(zhì)工作的決定》和國務院總理溫家寶就貫徹《決定》所作的重要批示中，都明確地提出了要“實現(xiàn)地質(zhì)工作現(xiàn)代化”。關于地質(zhì)工作現(xiàn)代化的定義，目前尚無統(tǒng)一的說法。
　　筆者的理解是:地質(zhì)工作現(xiàn)代化的標志應該是，在地質(zhì)工作中普遍采用具有現(xiàn)代世界先進水平的地質(zhì)勘查技術。鉆探技術是地質(zhì)勘查技術的種類之一，地質(zhì)鉆探技術的現(xiàn)代化也應該符合此項標準。然而，此項目標的實現(xiàn)是一項長期和艱巨的任務，因為只有國家的整體工業(yè)技術水平達到了世界先進水平后，我國的地質(zhì)鉆探技術才有可能從總體上達到世界先進水平，地質(zhì)鉆探技術現(xiàn)代化與國家的現(xiàn)代化應該是基本同步的。鄧小平同志在介紹中國實現(xiàn)現(xiàn)代化的“三步走”戰(zhàn)略時，明確提出到2050年中國基本實現(xiàn)現(xiàn)代化，達到世界中等發(fā)達國家的水平。1999年10月22日，時任國家主席江澤民在英國劍橋大學發(fā)表演講時向公眾宣布:“我們的目標是，到下世紀中葉，即中華人民共和國成立一百周年時，基本實現(xiàn)現(xiàn)代化”。由此看來，我國地質(zhì)鉆探技術現(xiàn)代化實現(xiàn)的時間應該是21世紀中葉。
　　4. 2中長期(至2020年)目標
　　地質(zhì)鉆探技術發(fā)展的中長期(至2020年)目標應該是:自主創(chuàng)新能力顯著增強，地質(zhì)鉆探技術水平顯著提高，自主研發(fā)的新型鉆探設備和先進鉆進工藝方法得到較大面積的推廣應用，鉆探裝備與施工技術總體上接近發(fā)達國家水平。
　　4. 3近期(至2010年)目標
　　地質(zhì)鉆探技術發(fā)展的近期(至2010年)目標應該是:初步完成2000 m深度以內(nèi)的新一代地質(zhì)巖心鉆探設備系列研制;改進完善一批先進的鉆進工藝方法，使之達到推廣應用的水平;取得一批深孔鉆探、復雜地層鉆探和高精度定向鉆探技術研究成果;研發(fā)成功現(xiàn)代的深水井和煤層氣井鉆探用全液壓動力頭鉆機;地質(zhì)鉆探科技成果轉化和推廣取得較顯著的成效。