鉆探

鉆探是指在地表下用鉆頭鉆進地層的勘探法，獲取地表下地質資料，并通過鉆探的鉆孔采取原狀巖土樣和做現場力學試驗，它是巖土工程勘察的最主要、最有效的手段之一。鉆探過程的基本程序為：破碎巖土、采取巖土、保全護壁。主要運用于礦產資源勘探、水資源勘探、工程勘探等領域。

中國深井鉆鑿的歷史是從井鹽鉆探開始的。戰國末期，由于中原地區先進打井技術的傳入和鐵工具的普遍使用，四川地區勞動人民在長期采用自然鹽泉煎煮的基礎上，揭開了打井取鹵、開發井鹽的序幕。李冰就是四川井鹽最早的開拓者之一，他在勞動人民對地下鹽鹵積累了豐富經驗的基礎上，開始了大膽實踐，成功地“穿廣都鹽井”“平南安鹽溉”，鉆鑿出中國具有開采價值的xxx批鹽井。但從生產力發展水平來看，秦漢時期開鑿的鹽井、鹽溉應屬于大口淺井的雛形，鑿井、汲鹵工藝還很不成熟。從秦——西漢——東漢，經過三四百年的演進，提高，到了東漢時期，大口淺井型鹽井進入了蓬勃發展時期，鉆進工藝也由簡單逐步復雜起來。為以后卓筒井的出現作了工程、技術、地質等各方面的準備。北宋仁宗慶歷、皇佑年間(1041-1053年)，四川井鹽生產中出現了一次具有重要意義的技術革新-卓筒井。這一新工藝的出現，是中國鉆井技術從大口淺井向小口深井過渡的標志，它不僅為四川井鹽生產的蓬勃發展開辟了道路，而且創造了現代鹽井、油井、氣井的雛形，表明中國古代鉆進工藝向前飛躍了一大步。明代中葉以后，隨著封建經濟的發展，深井鉆鑿技術又有了長足的進步，井鹽鉆探開始進入了它的第三階段——近代深井階段。這個階段的特點是：深井鉆鑿工藝形成了一整套嚴密的工序；鉆鑿工具，包括打撈和治井工具高度分工和專門化；還出現了大量新工具。在深井鉆鑿技術日趨完善的基礎上，明代正德末年(公元1521年)，四川嘉州在鉆鑿鹽井時，鉆出了由官府主持開采的石油井。公元1821年，四川自流井地方的鉆井工人，用竹、木為主要材料組成的鉆機鉆穿了侏羅紀地層，揭開了三疊系嘉陵江石灰巖的秘密，鉆出了xxx口天然氣井，接著，1840年左右，磨子井的工匠在自流井構造的頂部，把1200米深處的嘉陵江石灰巖主氣層鉆通了。1855年，鉆成了一口xxx的天然氣井——磨子井。1892年發現了鹽巖。1892年后五十年左右，自流井一帶共鉆成鹽巖井108眼。

中國井鹽鉆鑿技術的發展，到十九世紀中葉時，完全為產生和使用機器生產打下了基礎。1840年以后，由于帝國主義列強的侵略，清廷的腐敗無能，中國逐步淪為半封建、半殖民地社會，而且伴隨著整個社會經濟的半殖民化，生產力遭到嚴重摧殘，直到1949年前，井鹽鉆探一直沿用舊法鉆進。1897年，“福公司”取得了河南焦作優質煤田的開采權，為了勘探地下煤炭資源，20世紀從英國運來了幾臺蒸汽鉆機，并訓練了中國xxx批機械巖心鉆探工人，開啟了中國機械巖心鉆探的序幕。同時，鋼繩沖擊鉆探技術和旋轉鉆探技術也引進了中國。20世紀初，美國長年公司開發了立軸式給進“UG”型金剛石鉆機，此鉆機以具有現代鉆機的雛形，并在1947年開始引進中國。二戰后，工業發達國家鉆探工業得到了極大發展，已經用新型水壓給進鉆進代替了蒸汽驅動鉆機，并發明了用粉末冶重技術燒結制成的“鑄鑲”天然金剛石表鑲、孕鑲鉆頭，并在1947年引入，開始了中國的鉆探歷史。

1949年，人民xxx取得勝利。井鹽鉆探也迅速改變了落后的面貌，逐步實現了機械頓鉆鉆進。1953年開始了xxx個五年計劃，重點勘探項目多是國家工業建設的命脈，成果非常顯著，過程中對74種礦產進行了勘探，有63種取得了可供工業設計使用的儲量。1954年12月，國務院責成地質部（1952年成立）從1955年起承擔石油普查任務。1956年3月3日至6月22目，中國xxx口定向雙筒井鉆成。1958年的“大躍進”運動，忽視地質效果。盲目追求進尺，一度造成很大浪費。60年代初，蘇聯停止供應中國鉆探設備和器材。到了20世紀七十年代末葉，全部鉆進工藝都采用了機械操作，無縫鋼管代替了古老的竹筒，鋼鉆頭代替了鐵銼[cuò]，電動機帶動的粗大的卷揚機和鋼絲繩代替了人拉牛推的木絞車和竹篾繩。鉆進一個1000米深的鹽井不到一年就可以完成了，鉆探出現了翻天覆地的變化。1970年初，在上海成立“六二七工程籌備組”，經過四年努力，建成了中國xxx條鉆井船一“勘探一號”。1974年6月，在黃海試鉆成功，譜寫了海上油氣鉆探的新篇章。1978年中國xxx條坐地式鉆井船一“勝利一號”開始作業。1963年研制成功的xxx顆人造金剛石，開啟了中國人造金剛石鉆進的篇章，并在1998年生產量達到4-5億克拉，居世界首位，為人造金剛石大國。“六五”期間探礦工程立足于“打基礎”“上水平”，五年來，完成了“五大改變”、“五大配套”，形成了“六大系列”，其得了七項接近或達到國際先進水平的成果。“七五”期間，金剛石鉆探技術、沖擊回轉鉆探、受控定向鉆探、氣舉、泵吸、潛空錘等各種反循環鉆探和多工藝空氣鉆探、反循環中心連續取樣、繩索取芯及繩索取芯沖擊回轉技術、電鍍金剛石鉆頭制造工藝、小口徑螺桿鉆、射流式沖擊回轉鉆具、不提鉆鉆頭裝置、改進膨脹潤土等技術都取得了巨大成效。“八五”期間，地礦部強調“科學興地(質)”的號召，將地質找礦和開采礦業和工程鉆探掘進工程列為部的支柱產業，在探礦工程完成任務情況、科研等方面取得佳績。如定向對接采鹵井、壓電陀螺測斜儀、微機自控金剛石攢頭燒結技術、貫通式潛孔錘技術等，已走在世界前列；“新奧法”掘進即使和“多工藝重點鉆進技術”得到推廣并產生巨大經濟效益和社會效益；瞄桿鉆機、新型泥漿材料、新型超硬材料及其鉆頭、非開挖鋪管技術、淺層石油天然氣開發技術和對接井等已形成商品技術，贏得了國內外市場。“九五”期間中國面臨的資源和環境形勢是嚴峻的，找礦難度日益增大，地質環境保護、地質災害的防治任務葉日益加重，科學技術稱為振興地堪工作的關鍵。《90年代發展地質勘查工作的關鍵技術》中，明確90年代地勘行業技術發展方向、科研和開發工作的重點，為行業技術的發展起到了導向作用。2000年以后，鉆探技術在原有基礎上，積極思考科學鉆探的發展和未來，并將地球科學的研究領域延伸到了地球深部、海洋底部、冰川、冰層凍土層等，同時擴大了地質學的范疇，形成了全新的、多學科多工種東層次的地球科學。

在二十世紀六十年代中期以前，世界各國地質鉆探技術有三個共同特點：(1)各種鉆探技木大多單獨應用；(2)地質樣品主要是圓柱狀巖芯；(3)在取芯鉆探技術上，較先進的國家以金剛石取芯鉆探技術為主。技術較落后的國家以硬質合金、鋼粒取芯鉆探技術為主。自六十年代后期開始，如美國、加拿大、澳太利亞、原蘇聯以及西歐等國的金剛石取芯鉆探技術已發展到比較完善的程度，并且相繼開發了技術經濟效果更好的新方法；在“優質、高效、低耗”的綜合目標之下，開始摸索各種鉆探技術的組合施工方式。從而把鉆探技術的發展推向新階段。二十世紀90年代后，國際上的鉆探技術已呈現出三個比較明顯的特點：(1)鉆探技術系統中的組成要素增多了；(2)在總工作量中，取芯鉆探工作量的比例下降。取屑、不取樣鉆進工作量的比例上升；(3)各種鉆探技術之間的互換性較強，在施工中，常常是多種鉆探方法并用。

地質鉆探技術籠統地包括向地下鉆孔及將孔底碎石破碎的工藝與方法。基于地質鉆探技術，勘測人員可以對地質情況進行準確的了解，了解地下巖土層材料組成及礦物質的儲備含量，有效地評估礦石的規格和品質。地質鉆探技術的開展需要勘測人員首先對地質情況進行粗略的了解，然后選用不同的鉆探技術與設備開展鉆探工作。

回轉鉆進通過鉆桿將旋轉力矩傳遞至孔底鉆頭，同時施加一定的軸向力實現鉆進。在土質地層中鉆進，可完整地揭露標準地層。工程地質勘探廣泛采用巖心鉆進，該法能取得原狀土樣和較完整的巖心。人力回轉鉆進適用于沼澤、軟土、黏性土、砂性土等松軟地層，設備較簡單，但勞動強度較大。機械回轉鉆進，可適應各種軟硬不同的地層。

回旋鉆進示意圖

沖擊鉆進利用鉆具自重反復產生沖擊力對孔底進行沖擊而使土層破壞的一種鉆進方法。其工作原理類似于鑿巖的錘子，靠沖擊力進行鉆孔作業。機械沖擊一般采用機械提升和向下沖擊，針對巖石、較硬的地層進行鉆孔作業的機械設備，具有很好的鉆孔性能；適用于硬度較高的巖層、風化的巖層以及各種硬脆的地質環境中。

沖擊鉆進示意圖

沖擊回旋鉆進也稱綜合鉆進，鉆進過程是在沖擊與回轉綜合作用下進行的，它適用于各種不同的地層，能采取巖心，在工程地質勘探中應用也較廣泛。

振動鉆進利用機械動力所產生的振動力，通過連接桿及鉆具傳到鉆頭周圍的土層中，由于振動器高速振動的結果，使土層的抗剪強度急劇降低，借振動器和鉆具的重量，切削孔底土層，達到鉆進的目的。它的鉆進速度快，主要適用于土層及粒徑較小的碎，卵石層。

鉆探方法的選擇，主要應根據勘探的目的和要求、勘探深度及地層地質條件而定。

鉆探方法的適用范圍

反循環式鉆探技術根據所用介質的不同分為水力反循環和空氣反循環兩種形式。空氣反循環是將空氣壓縮后作為循環介質，通過雙臂式鉆桿的外管運送到孔底，孔底的潛孔錘在壓縮空氣自然膨脹的沖擊下撞擊巖石，同時膨脹的空氣可將破碎的巖屑通過雙臂式鉆桿的管道帶出地面，巖屑作為采集的樣品，帶回實驗室進行分析，可以了解該區域的地質情況。水力反循環是以清水和泥漿作為循環介質，通過雙臂鉆桿的管環隙送到孔底，以取芯后獲得的柱狀巖芯作為采集的巖石樣本，經內管帶出地面以便試驗分析。

繩索取芯是一種較為先進的地質鉆探技術，基于這種技術，無須提升鉆桿即可取出巖芯。其特點是“三高、一低”——鉆速高、鉆頭壽命長、效率高、工人勞動強度低，因此被廣泛應用于地質找礦、煤田勘探等領域。整套鉆具中，最為重要、價值最高的就是鉆桿，鉆桿質量的好壞直接關系到繩索取芯鉆探優勢的發揮，對于地質資料的準確獲取、鉆探成本的控制也至關重要。

液動錘鉆探技術是中國發展最成熟的鉆探技術，中國的發展水平已達到世界先進水平。液動錘鉆探技術的原理是以回轉鉆為主體，利用沖洗液的沖擊力使液動錘推動鉆頭實現巖石的破碎。使用液動錘鉆探技術時一般需要使用泥漿泵來實現沖洗液的配送，液動錘位于鉆桿和鉆頭的中間，在隨著鉆頭深入的同時，不斷給鉆頭提供一定頻率的撞擊。

實際鉆探過程中，往往會將反循環式鉆探技術與繩索取芯鉆探技術結合使用，兩種技術的有機結合可以xxx程度地發揮二者的優勢并彌補二者的不足，形成具有很強綜合性的地質鉆探技術，實際應用中，這樣的組合技術能根據地質情況的不同，發揮兩種鉆探技術的長處，大幅度提高鉆探效率，降低鉆探成本。

鉆機是進行鉆探工作的主要設備。它的功能一般包括兩個方面：帶動鉆具向地層深部鉆進；通過升降機起、下鉆具。也就是說，鉆機是完成鉆進工序和起下鉆工序的主要設備。在工程地質勘探工作中，常用鉆機不同孔徑可鉆深度。

常用鉆機不同孔徑可鉆深度參考值

泥漿泵向孔內輸送沖洗液以清洗孔底、冷卻鉆頭和潤滑鉆具。在使用液動沖擊鉆具時，泥漿泵還作為能源裝置。泥漿攪拌機用于制備泥漿及其它類型的沖洗液。泥漿凈化設備包括振動篩和泥漿旋流除砂器。

鉆塔是用于升降鉆具的構筑物。

對于大多數工程項目的巖土工程勘察，鉆探都是其基本組成部分，它不僅為工程師提供了能夠親眼鑒別、親手觸摸地表以下巖土樣的機會，使準確劃分土層分界線成為可能，而且還為原位測試和取樣創造了必要的條件。但要想獲得高質量的勘探成果，鉆探應滿足規定的技術要求。

鉆探參數實時采集系統技術參數

鉆探口徑和鉆具規格應符合現行國家及行業標準的相關規定（《工程地質鉆探規程(DZ/T0017-1991)》）。成孔孔徑應滿足取樣測試和鉆進工藝的要求。采取原狀土樣的鉆孔，孔徑不得小于91mm；僅需鑒別地層的鉆孔，孔徑不宜小于36mm；在濕陷性黃土中，鉆孔孔徑不宜小于150mm。

在進行巖土工程鉆探時，應嚴格控制非連續取芯鉆進的回次進尺。在土層中采用螺紋鉆頭鉆進時，應分回次提取擾動土樣。回次進尺不宜超過1.0m；在主要持力層中或重點研究部位，回次進尺不宜超過0.5m，并應滿足鑒別厚度小至2cm薄土層的要求。在水下粉土砂土層中鉆進，當土樣不易帶上地面時，可用對分式取樣器或標準貫人器間斷取樣，其間距不得大于1.0m。取樣段之間可用無巖芯鉆進方式通過，亦可采用無泵反循環方式用單層巖芯管回轉鉆進并連續取芯。在巖層中鉆進時，回次進尺不得超過巖芯管長度，在軟質巖層中不得超過2.0m。鉆進深度和巖土分層深度的量測精度范圍應在士5cm。對要求鑒別地層和取樣的鉆孔，均應采用回轉方式鉆進，取得巖土樣品。遇到卵石、碎石、漂石、塊石等類地層不適合采用回轉鉆進時，可改用振動回轉方式鉆進。對鑒別地層天然濕度的鉆孔，在地下水位以上應進行干鉆；當必須加水或使用循環液時，應采用雙層巖芯管鉆進。在濕陷性黃土中應采用螺紋鉆頭鉆進，亦可采用薄壁鉆頭錘擊鉆進。操作應符合分段鉆進、逐次縮減、堅持清孔"的原則。深度超過100m的鉆孔以及有特殊要求的鉆孔(包括定向鉆進、跨孔法測量波速)，應測斜、防斜，保持鉆孔的垂直度或預計的傾斜度與傾斜方向。對垂直孔，每50m測量一次垂直度，每深100m允許偏差為士2°。定向鉆進的鉆孔應分段進行孔斜測量(每25m測量一次傾角和方位角)，傾角和方位角的量測精度范圍分別滿足士0.1和士3.0°。鉆孔斜度及方位偏差超過規定時，應及時采取糾斜措施。對可能坍[tān]塌的地層應采取鉆孔護壁措施。在淺部填土及其他松散土層中可采用套管護壁。在地下水位以下的飽和軟黏性土層、粉土層和砂層中宜采用泥漿護壁。在破碎巖層中可視需要采用優質泥漿、水泥漿或化學漿液護壁。沖洗液漏失嚴重時，應采取充填、封閉等堵漏措施。鉆進中應保持孔內水頭壓力等于或稍大于孔周地下水壓，提鉆時應能通過鉆頭向孔底通氣通水，防止孔底土層由于負壓、管涌而受到擾動破壞。

初見水位和穩定水位可在鉆孔、探井或測壓管內直接量測。測量穩定水位的間隔時間按地層巖土的滲透性確定，對砂土和碎石土不得少于0.5h，對粉土和黏性土不得少于8h，并宜在勘察結束后統一量測穩定水位。水位量測讀數至厘米，精度范圍為士2cm。穩定水位是指鉆探時的水位經過一定時間恢復到天然狀態后的水位。采用泥漿鉆進時，為了避免孔內泥漿的影響，需將測水管打人含水層20cm方能較準確地測得地下水位。鉆探深度范圍內有多個含水層，且要求分層量測水位時，在鉆穿xxx個含水層并量測穩定水位后，應采用套管隔水，抽干鉆孔內存水，變徑繼續鉆進，再對下一個含水層進行水位量測。

野外記錄應真實及時，按鉆進回次逐段填寫，嚴禁事后追記。現場記錄不得謄錄轉抄，誤寫之處可以劃去，在旁邊作更正，不得在原處涂抹修改。鉆探成果可用鉆孔野外柱狀圖或分層記錄表示。巖土芯樣可根據工程要求保存一定期限或長期保存，亦可拍攝巖芯、土芯彩照納人勘察成果資料。鉆探野外記錄是一項重要的基礎工作，也是一項有相當難度的技術工作，因此應配備有足夠專業知識和經驗的人員來承擔。野外描述一般以目測，手觸鑒別為主，其結果往往因人面異。為實現巖土描述的標準化，如有條件可補充一些標準化、定量化的鑒別方法，將有助于提高鉆探記錄的客觀性和可比性。這類方法包括：使用標準粒度模塊區分砂土類別，用孟塞爾(Munsell)色標比色法表示顏色，用微型貫人儀測定土的狀態，用點荷載儀判別巖石風化程度和強度等。

當勘探深度較大，或地層不適宜采用簡易勘探時，都可以用鉆探。鉆探基本不受地形、地層軟硬及地下水深淺等條件限制，可以克服各種困難，直接從地下深處取出土石試樣，滿足對勘探的多種要求。因此，鉆探仍是目前工程地質勘探的主要手段。但是鉆探需要大量設備和經費，較多的人力，勞動強度較大，工期較長，往往成為野外工程地質工作控制工期的因素。因此，鉆探工作必須在充分的地面測繪基礎上，根據鉆探技術的要求，選擇合適的鉆機類型，采用合理的鉆進方法，安全操作，提高巖芯采取率，保證鉆探質量，為工程設計提供可靠的依據。鉆探工作還應當與其他各項工作，例如物探、試驗、原位測試等密切配合，積極開展鉆孔綜合利用與綜合勘探，以達到減少鉆探工作量、降低成本、縮短工期、減輕勞動強度，提高勘探工作質量和效率的目的。

傳統的鉆探設備將難以滿足于當下的地質鉆探需求，為積極配合地質鉆探技術的開展，需要開發和研究新的鉆探設備，使之適應更多的技術應用環境。這是因為目前一些淺層、表層的礦產資源已經逐步被開采，未來更多的是致力于深層鉆探工作，而傳統的鉆探設備難以達到深層鉆探要求，需要強化鉆探探頭的強度，實現鉆機設備的一機多用。對于一些特殊領域所需要的鉆探設備，也要進行研發，并且需要將自動化技術引入到鉆機、鉆頭、鉆具等設備中，以提高鉆探設備工作效率。

在未來的發展過程中，地質鉆探工藝將會逐步完善和提升。科學技術的日新月異，將推動地質鉆探工藝的發展，新型的鉆探技術會代替一些不再適用的技術，如新型沖洗液技術、節水鉆探工藝、反循環鉆探技術等。這些新的鉆探技術，可滿足于現代地質鉆探需求，而且能夠進行多種工藝的有效結合，針對實際情況來制定適宜的鉆探工藝方案，取得較好的鉆探效果。

鉆探技術不再局限于地質鉆探領域，還被廣泛應用于石油鉆探、工程勘察鉆探、地熱鉆探、自然災害檢測等領域中，但目前使用最多的還是一些高品位深層礦產勘察工作。

有關于行業的相關法律法規正在逐步完善，同時也制定了適宜的行業規范，可營造穩定有序的地質鉆探市場秩序。在未來需創建科學的、商業化的機制，來推動科研成果的轉化，使之獲取更多的商業效益，推動鉆探技術的創新，升級鉆探設備。

未來地質鉆探技術應當逐步走向自動化、智能化，需充分利用機械化設備來執行鉆探工作，規范機械操作流程，減輕人工壓力，降低人力資源損耗。

礦產資源具有不可再生性，經濟發展過程中對礦產資源的需求量逐日增加，但可被開采的礦產資源逐漸減少，很難滿足于當下的經濟發展需求，影響社會生產和發展。而且在開發礦產資源的時候，只關注于經濟效益，忽視了對環境的保護，以致于環境受到了破壞，不利于推動社會的可持續發展。陸地資源可被開發的數量減少，人們開始把眼光放在海洋中的礦產資源開發中，這需要新型鉆探技術的支持，需堅持創新，滿足礦產資源鉆探工作需求。

中國就目前而言，對生態環境的保護意識越來越強，不再以破壞環境為代價來發展經濟，但是在過去造成了嚴重的水資源污染，人們所飲用的淡水也受到影響。因此需要通過地下水勘測工作來進行有效把控。這就需要充分發揮地質鉆探技術的作用，不斷地創新該項技術，以便于滿足水資源勘測工作需求。

工程建設項目數量逐漸增多，規模不斷地擴大，在實際開工之前要先做好工程地質勘察工作，全面了解工程建設項目施工所在區域的地質實況。這需要充分發揮地質鉆探技術作用，根據地質地貌的實際情況，來制定適宜的施工方案，從而保障工程項目的有序展開。