谈节水钻探技术的应用与开发

彭万利

（河北省地矿局第三地质大队，河北张家口075000）

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）将节水型生产工艺列为水和矿产资源重点领域综合节水优先主题。《国土资源部中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年）提出钻探向技术方法多工艺性发展和突破节水环保钻探技术难题。从20世纪80年代起至今，我国钻探界同仁在节水钻探技术的应用与开发方面做了许多工作，积累了一定的经验。

节水钻探依据所钻进的地层而以不同型式实施，在地质勘查中已经实施的节水钻探技术包括静压取芯钻探技术、无介质循环回转取芯钻探技术、冲击取样钻探技术、螺旋钻进取样钻探技术、气动潜孔锤取芯钻探技术、干空气或气液混合介质洗孔取芯钻探技术、空气反循环取样钻探技术等。

1 已应用开发的节水钻探技术

1.1 静压取芯钻探技术

静压取芯钻探技术在较为松软的覆盖层内钻进时得到了较好的应用，使用Ø110mm口径的合金钻头、Ø108mm的岩芯管和Ø60mm外丝钻杆实施静压钻进，岩芯采取率高、岩芯完整，回次进尺不少于1.00m，基本满足地质调查设计对取芯的高质量要求。采用该项技术时需要钻机有较大的加压能力和自重，若钻机自重小，可添加配重。

1.2 无介质循环回转取芯钻探技术

在冲洗介质循环钻进时岩芯采取率为零或达不到要求的情况下采用无介质循环回转取芯钻探技术，此种钻进方法回次进尺小，易发生烧钻事故。

1.3 螺旋钻进取样钻探技术

螺旋钻进取样钻探技术应用于钻进1～5级软岩层，螺旋钻进可实现打一个孔提一次钻，钻进效率是无介质循环回转取芯钻进的3～4倍。

1.4 冲击取样钻探技术

冲击取样钻探技术是砂矿勘查中普遍采用的技术，采取重锤冲击的方式，钻进的口径多为Ø146mm或Ø130mm，而其中的孔底冲击、跟管钻进技术应用效果较好，但砂矿钻进深度多在30m以内。

1.5 气动潜孔锤取芯钻探技术

气动潜孔锤取芯钻探使用由气动冲击器、单管或双管和合金钻头组成的钻具，在基岩内应用时钻进效率高于金刚石取芯钻进。

1.6 气动潜孔锤跟管取芯钻探技术

气动潜孔锤跟管取芯钻探技术主要应用于钻进易坍塌的卵砾石层，解决在卵砾石层回转钻进时钻头易磨损、效率低的问题。

1.7 干空气或气液混合介质洗孔取芯钻探技术

干空气或气液混合介质洗孔取芯钻探技术主要在地层漏失严重、供水困难或远离水源地的条件下采用此类技术。干空气洗孔最适合在冬季施工时应用。空气泡沫洗孔钻进硬岩时金刚石钻头寿命短，仅适合在提钻取芯时应用。在配备干孔放送装置后，可实施气液混合介质洗孔的绳索取芯金刚石钻进。气液混合介质洗孔的绳索取芯气动潜孔锤钻探技术在国内已试验成功，也具备推广应用的条件。

1.8 泡沫泥浆洗孔取芯钻探技术

在低固相泥浆内加入发泡剂和稳泡剂而制成泡沫泥浆，泡沫泥浆不仅在洞隙发育地层中可减少漏失，而且其在长孔段坍塌、沉砂、不稳定煤层、松散矿层等复杂情况的应用效果优于低固相泥浆。

1.9 空气反循环取样钻探技术

空气反循环取样钻探技术适用于不漏失或轻微漏失的地层，随着钻孔的加深两相流或三相流上返阻力逐步增大，在孔底漏失严重或背压超过空压机的最大供气压力时岩样上返即终止，因而应用孔深受到一定的限制，国内的应用孔深多在300m以内。该项技术在基岩和覆盖层内钻进时均得到应用，钻探成本是取芯钻探的1/2～1/3。当地层内有一定的含水量，钻进时岩粉会变成粘泥而粘在钻杆外壁上，须及时处理，否则会提钻困难；内管上返通道也容易堵塞，可采取正吹的方法处理，也可在钻进时向孔内供入气液混合介质以消除岩粉的沾结或堵塞，必要时实施气液混合介质的反循环取样钻探。在操作方面还须注意：回次钻进前送气时要由小到大缓慢增加，防止钻头处结冰；回次终了时要缓慢放气，防止内外管间隙被岩粉堵塞。

2 有待进一步应用或开发的节水钻探技术

2.1 绳索取芯螺旋钻进技术

吉林大学已研究过此项技术，采用螺旋钻进方法，采取柱状岩芯，有利于对地层做出准确的描述，易为地质技术及研究人员所接受。

2.2 绳索取芯静压冲击钻探技术

使用刚度较大的绳索取芯钻杆、设计加工可实施静压冲击取芯的绳索取芯钻具，在松软的覆盖层内钻进时应用，结合空气钻进，不使用泥浆而钻穿覆盖层。设计静压作用为辅、冲击作用为主、将绳索取芯钻杆作为跟管的取芯钻具，不仅能够在钻进覆盖层内应用，而且可以在钻进基岩下面易坍塌的松散砂层、易坍塌或易缩径的断层破碎带内应用，既能提高岩芯采取率，又能顺利钻进，可作为解决因孔壁坍塌缩径而打半截孔的方法。在水域内做水体下沉积层的勘查时应用此项技术不仅可获得高采取率的岩芯，还可避免冲洗液对水体的污染。

2.3 气水混合介质洗孔钻探技术

实施此项技术需在现有绳索取芯钻探设备的基础上增加一台小供气量（5～7m3）、高供气压力（4MPa）的空气压缩机。此项技术不仅可应用于一般的漏失地层，还可应用于无承压水的盐类矿床、遇水易膨胀地层及不允许使用冲洗液钻进的孔段。实施此项技术时可在无承压水的基岩内采用气液混合介质钻进，在有承压水的基岩内采用冲洗液钻进；绳索取芯钻杆位于承压水位面以下时，用压缩空气将地下水升举到地面作为冲洗液钻进用水，可免除施工用水的输送或运输。在覆盖层内钻进时可根据地层条件分别采用复合片钻进、金刚石钻进、气动潜孔锤钻进及静压、冲击钻进等。气水混合钻进可消除粉尘对钻场施工人员的危害，是一种容易推广应用的技术。将气水混合钻进技术与静压冲击钻进技术结合，可实现不使用粘土而完成钻探施工的目标，免除长距离运输粘土的费用。

3 结语

近十几年内我国的地质岩芯钻探装备有了长足的发展，应用与开发节水钻探技术有了较好的物质条件。节水钻探技术是避免或减轻对地下水污染的施工技术，应用与开发节水钻探技术是保护环境、绿色发展的有效措施，各级管理部门应积极推动节水钻探技术的应用与开发，因地因时地应用节水钻探技术，改变地质岩芯钻探仅采用冲洗液钻进的局面，实现钻探施工多工艺性。

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