淺談地質(zhì)鉆探技術(shù)的應(yīng)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(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量的工程技術(shù)稱為勘探技術(shù),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(xué)勘查。地質(zhì)勘探鉆探,根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì),在預(yù)定地點(diǎn),利用鉆探設(shè)備鉆穿巖層,取得巖樣、水樣、土樣等實(shí)物資料,并通過鉆孔進(jìn)行地下物理測(cè)量或地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)等,在地質(zhì)勘探中應(yīng)用最廣。
　　在分析了目前我國(guó)地質(zhì)工作對(duì)鉆探技術(shù)的需求以及地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)地質(zhì)鉆探技術(shù)的遠(yuǎn)期、中長(zhǎng)期、近期發(fā)展目標(biāo)，明確了近期研發(fā)工作的重點(diǎn)和計(jì)劃，并強(qiáng)調(diào)了科技創(chuàng)新，新方法、新技術(shù)的推廣應(yīng)用的重要性和加強(qiáng)探礦工程專業(yè)委員會(huì)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(diǎn)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(jié)合工程類型及特點(diǎn)。如水壩一般應(yīng)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(jìn)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(cè)深巖溶)外,孔深均為十余米至數(shù)十米,所以經(jīng)常采用簡(jiǎn)易鉆探法和輕便鉆機(jī)。(3)鉆孔多具綜合性目的,1個(gè)鉆孔除了需查明地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件外,還要作各種試驗(yàn)、取樣、長(zhǎng)期觀測(cè)。有些試驗(yàn)往往與鉆進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,所以進(jìn)尺較慢。(4)工程地質(zhì)鉆探在鉆進(jìn)方法、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)過程中的觀測(cè)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它可以在各種環(huán)境下進(jìn)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(jìn)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(jìn)的鉆探技術(shù)相比，目前我國(guó)地質(zhì)勘探工作中采用的鉆探技術(shù)總體水平比較落后。
　　鉆探施工主要采用立軸式巖心鉆機(jī)，基本上是20世紀(jì)80年代左右的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)依靠進(jìn)口，我國(guó)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(yīng)用，而且現(xiàn)在只有個(gè)別鉆深能力(1000 m)的鉆機(jī)，還未形成系列。
　　鉆探工藝方面，一些先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝方法還沒有得到推廣應(yīng)用。金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法雖得到了較多的應(yīng)用，但還未能大面積普及。液動(dòng)錘鉆進(jìn)(液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn))方法的優(yōu)點(diǎn)雖然為人們所認(rèn)識(shí)，但由于該方法在惡劣的泥漿條件下使用時(shí)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(chǎng)管理水平的下降，使其在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用較以前更少。一些具有較好前景的先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝方法，如繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)方法和不提鉆換鉆頭方法雖然都已研制成功，但實(shí)際應(yīng)用很少?？諝夥囱h(huán)取樣鉆進(jìn)方法盡管具有高效率、低成本的特點(diǎn)，但由于沒有得到地質(zhì)人員的認(rèn)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(hù)壁堵漏技術(shù)、測(cè)斜技術(shù)等，基本上也是20世紀(jì)80年代左右的水平。
　　由于采用的鉆探技術(shù)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(tái)月效率較低、復(fù)雜地層鉆進(jìn)問題多、深孔鉆進(jìn)能力差、鉆進(jìn)成本高。這些問題的存在，使得鉆探技術(shù)對(duì)地質(zhì)工作的技術(shù)支撐效果受到影響。
　　3地質(zhì)鉆探工程實(shí)例
　　實(shí)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(fēng)化殘積土及礫石充填,呈松散半膠結(jié)狀態(tài),賦存大量孔隙,軟硬互層,鉆進(jìn)時(shí)受鉆具振動(dòng)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(fù)合片鉆頭鉆進(jìn);P2s以泥巖、粉砂巖為主,夾含礫中~粗粒長(zhǎng)石石英砂巖(K5),平均厚度305·32m;P1x泥巖,細(xì)~粗粒長(zhǎng)石石英砂巖(K4),平均厚度113.08m;P2s-P1x地層硅質(zhì)膠結(jié),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(qiáng)型PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn);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(zhǎng)石石英砂巖,平均厚度42.66m;煤系地層硅質(zhì)膠結(jié),灰?guī)r多破碎,且研磨性大,構(gòu)造裂隙較發(fā)育,穩(wěn)定性較差,透水性強(qiáng),地下水豐富,承壓水力大,鉆孔縮徑或涌水時(shí)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(qiáng)型PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn),煤層用108mm半合管取煤鉆進(jìn)。
　　4、地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展目標(biāo)
　　筆者認(rèn)為，考慮地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展目標(biāo)時(shí)應(yīng)該分階段，應(yīng)該分成近期、中長(zhǎng)期和遠(yuǎn)期。劃分原則是:至2010年為近期，至2020年為中長(zhǎng)期，至2050年為遠(yuǎn)期。
　　4.1遠(yuǎn)期(至2050年)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)鉆探技術(shù)的現(xiàn)代化應(yīng)該是鉆探技術(shù)發(fā)展的遠(yuǎn)期目標(biāo)。
　　在《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》和國(guó)務(wù)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(shí)現(xiàn)地質(zhì)工作現(xiàn)代化”。關(guān)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(biāo)志應(yīng)該是，在地質(zhì)工作中普遍采用具有現(xiàn)代世界先進(jìn)水平的地質(zhì)勘查技術(shù)。鉆探技術(shù)是地質(zhì)勘查技術(shù)的種類之一，地質(zhì)鉆探技術(shù)的現(xiàn)代化也應(yīng)該符合此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。然而，此項(xiàng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)長(zhǎng)期和艱巨的任務(wù)，因?yàn)橹挥袊?guó)家的整體工業(yè)技術(shù)水平達(dá)到了世界先進(jìn)水平后，我國(guó)的地質(zhì)鉆探技術(shù)才有可能從總體上達(dá)到世界先進(jìn)水平，地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)代化與國(guó)家的現(xiàn)代化應(yīng)該是基本同步的。鄧小平同志在介紹中國(guó)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的“三步走”戰(zhàn)略時(shí)，明確提出到2050年中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，達(dá)到世界中等發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。1999年10月22日，時(shí)任國(guó)家主席江澤民在英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)表演講時(shí)向公眾宣布:“我們的目標(biāo)是，到下世紀(jì)中葉，即中華人民共和國(guó)成立一百周年時(shí)，基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化”。由此看來，我國(guó)地質(zhì)鉆探技術(shù)現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)該是21世紀(jì)中葉。
　　4. 2中長(zhǎng)期(至2020年)目標(biāo)
　　地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展的中長(zhǎng)期(至2020年)目標(biāo)應(yīng)該是:自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，地質(zhì)鉆探技術(shù)水平顯著提高，自主研發(fā)的新型鉆探設(shè)備和先進(jìn)鉆進(jìn)工藝方法得到較大面積的推廣應(yīng)用，鉆探裝備與施工技術(shù)總體上接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平。
　　4. 3近期(至2010年)目標(biāo)
　　地質(zhì)鉆探技術(shù)發(fā)展的近期(至2010年)目標(biāo)應(yīng)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(shè)備系列研制;改進(jìn)完善一批先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝方法，使之達(dá)到推廣應(yīng)用的水平;取得一批深孔鉆探、復(fù)雜地層鉆探和高精度定向鉆探技術(shù)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(dòng)力頭鉆機(jī);地質(zhì)鉆探科技成果轉(zhuǎn)化和推廣取得較顯著的成效。