工程地質(zhì)勘察中鉆探技術(shù)的應(yīng)用分析

田玉娟

摘? 要：隨著我國經(jīng)濟的快速化發(fā)展，建筑工程的規(guī)模也越來越龐大，為了讓工程能夠安全地、高效率地施工，需要在實際施工前對工程地質(zhì)進行仔細的勘察，全方位了解地質(zhì)的特點，然后再設(shè)計相對應(yīng)的施工方案;其中，在地質(zhì)勘察中發(fā)揮著核心作用的就是鉆探技術(shù)，先進的鉆探技術(shù)能夠大大提升施工的質(zhì)量和效率。本文首先對工程地質(zhì)勘察工作做了大概的闡述，然后對鉆探技術(shù)在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的分析和研究，最后針對現(xiàn)實情況下經(jīng)常會遇到的復(fù)雜地層環(huán)境，設(shè)計了一種靈活的工程解決方案，該方案主要是利用潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)來處理復(fù)雜地層鉆探這一難題，此鉆探技術(shù)包含了氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)，通過配合潛孔錘取芯跟管鉆具的使用，大大提升了鉆探的效率。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)勘察;鉆探技術(shù);應(yīng)用

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的普及，越來越多的先進技術(shù)運用到了工程實施過程中來，我國的地質(zhì)勘察也趕上了國家經(jīng)濟騰飛和工業(yè)快速發(fā)展這個契機，勘察事業(yè)在這十幾年得到了飛速的發(fā)展，其中鉆探技術(shù)作為地質(zhì)勘察中的主要應(yīng)用手段，技術(shù)水平也得到了很大的提高;地質(zhì)勘察是任何工程施工前都要進行的準(zhǔn)備工作，它很大程度決定了施工質(zhì)量的好壞，由于鉆探技術(shù)能夠在施工過程中幫助勘察精確定位、準(zhǔn)確施工，是地質(zhì)勘察過程中一項不可或缺的技術(shù)支撐，對整個工程的順利實施起著巨大的作用。

一、工程地質(zhì)勘察概述

建設(shè)工程項目設(shè)計一般有三個階段，分別是可行性研究階段、初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段，每個階段都需要有相應(yīng)的工程地質(zhì)資料為工程設(shè)計提供支撐，為了能順利地獲得這些詳細信息，必須要在工程開始前開展地質(zhì)勘察工作。針對工程地質(zhì)條件復(fù)雜的建筑工程，往往需要先進行可行性分析研究，然后再施工勘察，當(dāng)面對地質(zhì)條件相對簡單的建筑工程，可以適當(dāng)簡化勘察階段的流程。

工程地質(zhì)勘察的概念是指為了查明影響工程建筑物的地質(zhì)因素而進行的地質(zhì)調(diào)查研究工作。一般需要勘察的地質(zhì)因素主要包含地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地質(zhì)構(gòu)造：地貌、水文地質(zhì)條件、土和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，自然地質(zhì)現(xiàn)象和天然建筑材料等。這些通常稱為工程地質(zhì)條件。查明工程地質(zhì)條件后，需根據(jù)設(shè)計建筑物的結(jié)構(gòu)和運行特點，預(yù)測工程建筑物與地質(zhì)環(huán)境相互作用的方式、特點和規(guī)模，并做出正確的評價，為確定保證建筑物穩(wěn)定與正常使用的防護措施提供依據(jù)。

工程地質(zhì)勘察工作起始于20世紀(jì)初，目前在發(fā)達國家的工程建設(shè)中已經(jīng)成為必不可少的一個環(huán)節(jié)，我國的地質(zhì)勘察起步相對較晚，地質(zhì)勘察方面的理論研究與工程實踐都還不夠成熟，需要進步和完善的地方還很多，但是隨著我國經(jīng)濟能力的日益發(fā)展，國家在此領(lǐng)域的投入也在日漸增大，同時依托著計算機技術(shù)在社會各行業(yè)的廣泛運用，地質(zhì)勘察在這兩年得到了飛速的發(fā)展。眾所周知，我國擁有全球最大的基建市場，為了較好地完成現(xiàn)代化工程建設(shè)的質(zhì)量要求，工程中基坑以及基礎(chǔ)的開挖深度越來越大，這使得工程地質(zhì)勘察任務(wù)愈發(fā)艱巨，一些老的地質(zhì)勘察技術(shù)已經(jīng)慢慢變得不適應(yīng)當(dāng)前時代的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

地質(zhì)勘察在工程建設(shè)中扮演著中樞神經(jīng)的作用，其中最重要的地質(zhì)勘察方法就是鉆探技術(shù)，當(dāng)面對一些比較復(fù)雜的地質(zhì)條件時，鉆探技術(shù)可以充分保證勘察探測工作的準(zhǔn)確性，除此之外，鉆探技術(shù)也是測試孔內(nèi)原位與采集巖土樣品最為重要的協(xié)助手段，如果鉆探技術(shù)在工程中運用的不合理，就無法得到準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)，同時也不能精確地估計地層結(jié)構(gòu)，這樣就會對工程的綜合質(zhì)量造成非常嚴(yán)重的影響。

二、鉆探技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

鉆探技術(shù)是伴隨著工業(yè)水平進步不斷發(fā)展的，從十八世紀(jì)五十年代誕生的依靠人力的巖芯鉆機，到如今的全液壓動力頭鉆機，鉆機經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，已經(jīng)變得越來越自動化和智能化，同時通過多年來對鉆探工程中鉆探設(shè)備、鉆探工藝、鉆進技術(shù)和護壁技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，西方發(fā)達國家已經(jīng)形成了一套成熟的鉆探技術(shù)，在先進技術(shù)進一步的帶動下，鉆探工藝的種類會變得越來越多樣化，鉆探作業(yè)也會更加專業(yè)化和技術(shù)化，同時鉆探工作會更加注重高效環(huán)保，鉆探質(zhì)量和效率會得到進一步提升，鉆探成本也將會得到進一步控制。

面對鉆探技術(shù)這一發(fā)展趨勢，我國的地質(zhì)鉆探發(fā)展需要進一步完善，要快速形成一系列先進的鉆進技術(shù)，用來克服鉆進過程中遇到的鉆進技術(shù)難題，包括復(fù)雜地層鉆孔如何護壁堵漏技術(shù)問題、提高取芯技術(shù)問題等，同時發(fā)展高精度定向鉆探技術(shù)，不斷提升我國自主創(chuàng)新能力，使我國鉆探裝備與施工技術(shù)能夠媲美西方發(fā)達國家。

下面羅列幾個典型的鉆探技術(shù)進行分析研究。

1、繩索取心技術(shù)

繩索取心技術(shù)原理比較簡單易懂，一般采用雙層鉆桿和金剛石作為設(shè)備所需材料，該技術(shù)是目前運用最為簡易的地質(zhì)勘察手段，但是該技術(shù)受限于高成本支出，比較難以廣泛應(yīng)用。繩索取心技術(shù)的原理是通過鋼絲繩打撈器對地下的巖石進行巖芯提取，不依賴于鉆孔機械，如果鉆頭有損壞才會使用鉆機，這對于工程施工人員來說，大大增強了操作友好性。采用繩索取心技術(shù)時需要提前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，施工前，施工人員需要對地質(zhì)情況進行仔細地勘察，針對地層變形、坍塌等問題進行詳細的研究和分析，同時還要考察此地的地理情況以及周邊環(huán)境，積極采取相應(yīng)的防范措施，工程人員對地質(zhì)情況進行全面勘察后，要形成勘察資料，為以后的工程設(shè)計與施工提供數(shù)據(jù)支撐。

2、反循環(huán)鉆探技術(shù)

反循環(huán)鉆探或RC鉆探是一種使用雙壁鉆桿的鉆探方法，該鉆桿由外鉆桿和內(nèi)管組成，這些中空的內(nèi)管使巖屑可以連續(xù)，穩(wěn)定地流回地面。與鉆石鉆孔不同，RC鉆獲得的是巖屑樣本，而不是巖芯。鉆探原理是通過氣動錘驅(qū)動鎢鋼鉆頭擊碎巖層。反復(fù)稱為錘的氣動往復(fù)活塞，該錘又驅(qū)動鎢鋼鉆頭，該鉆頭用于破碎堅硬的巖石，當(dāng)壓縮空氣吹出時，壓力偏移會產(chǎn)生反向循環(huán)，從而使巖屑向上進入內(nèi)管，當(dāng)巖屑到達地面時，通過軟管連接到旋風(fēng)分離器進行樣品縮分，然后樣品從底部開口掉入樣品袋中，這些樣品袋標(biāo)有收集樣品的位置和深度，可以直接運送到化驗室進行分析。巖屑通過鉆桿內(nèi)管進入樣品收集器，不會接觸其他區(qū)域，從而避免了交叉污染，從而獲得高質(zhì)量，可靠的樣品，樣品易于分類和追蹤，有確切的位置和深度，能夠準(zhǔn)確的定位礦化位置，同時RC鉆每天可以鉆進200到300m，RC鉆孔可以更快地獲得鉆探結(jié)果，花費的時間更少，與金剛石鉆孔相比，RC鉆成本相比金剛石鉆探最多可降低40%。RC鉆是用于露天采礦品位控制的最好方法，通過RC鉆孔獲得的樣品不會受到污染·收集到的樣品直接發(fā)送到實驗室進行測試，不需要復(fù)雜的前處理，可降低成本并縮短開采流程時間，除此之外，由于RC鉆機的鉆機占地面積小，因此無需進行大量的土方工程，這意味著RC鉆孔對環(huán)境的影響最小。

3、液動潛孔鉆探技術(shù)

液動潛孔錘又叫液動沖擊器，它是利用鉆探泥漿泵輸出的高壓沖洗液作為動力傳輸介質(zhì)，驅(qū)動井下鉆具組合中液動潛孔錘內(nèi)地沖錘作軸向的往復(fù)運動，對鉆頭施加沖擊載荷以提高鉆進效率的井底動力機具。液動潛孔錘通常連接在鉆頭或巖芯管的上部與鉆桿、鉆鋌或其他孔底動力機具之間，因而能量傳遞損耗小、效率高。由于驅(qū)動液動潛孔錘的動力來自于回轉(zhuǎn)鉆探用的泥漿泵，而泥漿泵目前的泵壓可以達到7到12MPa，所以正常情況下鉆孔的深度可以達到幾千米，遠遠超出目前鉆孔施工所要求的深度。液動潛孔錘的特點和適用范圍如下：

1）只需依賴現(xiàn)場的常規(guī)設(shè)備，需要投資力度較小;

2）目前最大的井深超過5千米，并且最大深度還在繼續(xù)下探;

3）液動潛孔錘鉆探技術(shù)能量損失小;

4）給鉆頭施加的載荷是高頻脈動載荷，瞬時可達極高值，輕易能使巖石碎裂，大大提高了鉆探效率;

5）高頻脈動沖擊有利于金剛石出刃，減少鉆頭打滑的概率。

4、數(shù)值巖芯技術(shù)

數(shù)字巖心技術(shù)是近幾年來獲得廣泛關(guān)注的一種巖心分析方法，它在砂巖、碳酸鹽巖和頁巖等巖心分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。數(shù)字巖心技術(shù)的基本原理是通過二維掃描電鏡圖像或三維CT 掃描圖像，借助計算機圖像處理技術(shù)，通過一定的算法完成數(shù)字巖心重構(gòu)。但是目前來看，該技術(shù)在工程上的應(yīng)用還不是很到位，目前除了用來測試低滲致密巖石的孔滲，嘗試一下巖石物理及礦物分析以及部分scal分析外，其他發(fā)展前景還沒能夠體現(xiàn)出來，尤其是與現(xiàn)有地質(zhì)、測井、地震和油藏現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合方面，做得不是很到位，這是目前制約該項技術(shù)發(fā)展的主要問題。數(shù)字巖心技術(shù)在理論上發(fā)展了這么多年，但在應(yīng)用上無法拿出一套完整的解決方案來將做出來的微觀空隙模型與宏觀方面的認(rèn)識進行結(jié)合，而且目前該項技術(shù)成本還是相對較高，雖然在非常規(guī)方面存在一定應(yīng)用價值，但是目前受油價影響中國非常規(guī)油氣發(fā)展遇到很大困難，僅憑非常規(guī)市場難以支撐起該項技術(shù)的發(fā)展。在常規(guī)方面面對一些常規(guī)手段難以解決的復(fù)雜問題又無從下手，缺乏一系列成熟的解決方案。

三、針對復(fù)雜地層環(huán)境的鉆探技術(shù)研究

復(fù)雜地層鉆探一直以來都是工程地質(zhì)勘察中最難解決的一個難題，它在鉆進、護孔、取心和控制孔斜等多方面都給工程施工人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如何應(yīng)對工程施工中復(fù)雜地層鉆探問題往往直接關(guān)系到整個工程的安全性和經(jīng)濟效益。本文基于上述探討的鉆探技術(shù)的特點并結(jié)合傳統(tǒng)的鉆探技術(shù)的優(yōu)勢，采用多技術(shù)交叉的方法，重點研究了具有更強復(fù)雜地層適應(yīng)性的潛孔錘取芯跟管鉆進技術(shù)，該鉆探技術(shù)包括氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)，是解決復(fù)雜地層鉆進與取樣問題的最有效方法之一。

下面是潛孔錘取芯跟管鉆進技術(shù)的技術(shù)路線圖。

在復(fù)雜的地層鉆進工程中，主要會遇到鉆進過程緩慢、孔壁保護難度大和取心復(fù)雜等一系列問題。雖然目前國內(nèi)外也有一些解決方案能處理這些復(fù)雜地層鉆進問題，但是，復(fù)雜地層的模式多種多樣，很多模式換了一種應(yīng)用環(huán)境就會失去作用。

一般情況下，處理復(fù)雜地層的地質(zhì)勘探要分如下兩個步驟。

1） 全面仔細的分析復(fù)雜地層的形成原因、地層的屬性類別，并且要結(jié)合當(dāng)下鉆探工程的要求，分析和確定鉆探工程的施工難點，同時要配合工程力學(xué)、流體力學(xué)等理論，必要時需要用科學(xué)的理論知識來指導(dǎo)實踐工作;

2） 要全面細致地分析現(xiàn)有的鉆探技術(shù)特點，對各個鉆探方法的使用效果進行調(diào)研，確定它們的適應(yīng)范圍，然后選擇合適的具有實際適用性的鉆探技術(shù)進行組合，爭取能發(fā)揮各個鉆探技術(shù)的優(yōu)勢，形成一套完善的、經(jīng)濟的、高效的、能解決復(fù)雜地層問題的鉆探工程技術(shù)。

針對復(fù)雜地層的鉆探問題，本人設(shè)計了一種靈活性強的解決方案，擬采用一種適應(yīng)能力強的潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)來處理復(fù)雜地層鉆探這一工程難題，該鉆探技術(shù)包含了氣動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)和液動潛孔錘取芯跟管鉆探技術(shù)，配合氣動、液動潛孔錘取芯跟管鉆具，采用氣動潛孔錘取芯跟管鉆具和液動潛孔錘取芯跟管鉆具的鉆進工藝規(guī)程，大大提升了鉆探的效率。

下面具體介紹一下潛孔錘取芯跟管鉆進流程。

1） 在孔位上定位放置套管靴，將中心鉆具放入套管內(nèi)部，送入空氣，然后開動鉆機進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，開孔的過程中，因為套管上沒有制動阻力，肯定會隨著取芯鉆具回轉(zhuǎn)，當(dāng)套管跟著到達一定深度以后，在孔壁的摩擦阻力的限制下，套管就不必跟隨鉆具轉(zhuǎn)動了。

2） 先要準(zhǔn)確判斷鉆具是否到位，判斷的準(zhǔn)則是根據(jù)孔內(nèi)鉆具長度、套管長度和鉆具到位情況下的機上余尺來計算鉆具是否到位，這些測量的數(shù)值都要求很準(zhǔn)確，精確度要達到厘米。

3） 一般鉆進過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)地層情況，在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整鉆進規(guī)程參數(shù)。當(dāng)?shù)貙虞^為松散的情況下，采用小鉆壓配合大風(fēng)量，當(dāng)?shù)貙虞^為堅硬時，則采用低轉(zhuǎn)速配合大鉆壓。

結(jié)論：

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量的工程建設(shè)需要通過更科學(xué)、更高效的勘察方法去保障，因此采用合理的鉆探技術(shù)去幫助地質(zhì)勘察精確分析地層特征，是十分有必要的?，F(xiàn)有的鉆探技術(shù)有很多，各自都有自己的優(yōu)勢和短板，譬如巖芯鉆探技術(shù)適用于采集巖芯，而潛孔錘跟管鉆進技術(shù)更適合于工程進度要求比較高的工程，所以我們在工程中經(jīng)常要結(jié)合起來使用，尤其在面對復(fù)雜地層的地質(zhì)勘探任務(wù)時，需要先全面分析復(fù)雜地層的形成原因和屬性類別，要盡量去選擇適合本地地質(zhì)特征的鉆探技術(shù)，爭取能使其優(yōu)勢最大化，更經(jīng)濟高效地去解決復(fù)雜的鉆探工程難題。

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