地质工程勘察中钻探技术的方法以及具体应用

地质工程勘察中钻探技术的方法以及具体应用

刘志青 ,黄飞

浙江华东建设工程有限公司，浙江省杭州市 310012

摘要：钻探技术的应用在极大程度上改进了以往地质工程勘察中槽探对环境产生严重影响的问题，并且钻探技术具有较好的定向效果，在勘察作业中的灵活性更高，能够有效地提升地质工程勘察的效率及精准度。在现代科技发展的过程中钻探技术也在不断优化，许多较为成熟的工艺方法与机械设备取得了较好的勘察效果，为此本文通过研究目前钻探中常用的几种方法，探讨相关技术方法在实际中所需注意的要点与要求，从钻探技术应用优势的角度提出在实际中对其进行应用的策略，以此来使钻探技术的应用价值得到充分发挥，为提升地质工程勘察水平提供依据。

关键词：地质工程；地质勘察；钻探技术；工艺方法；应用

引言

在地质工程勘察中，钻探技术的应用是最为普遍的，因此如何提高钻探技术效率是目前地质工程勘察工作的重中之重。通过对不同类型地层特征与钻探技术的方法进行分析，为后期的应用提供坚实基础和技术保障，提高钻探技术应用效果。并做好对实际情况的分析和判断，将其作为准确勘察的重要依据，通过结合具体施工情况进行设计，并在实际使用中掌握好技术参数将其应用于实地勘察过程之中，使地质工程勘察作业效率可以得到有效提高，同时也可以有效降低在勘察中对周边环境与地表植被的破坏，进而提升钻探技术应用的综合效益。

一、地质工程勘察中钻探技术的特点与应用优势分析

在地质工程勘察工作中使用各种手段进行检测并获得必要信息，是完成各项研究与设计工作所需要的前提。现代钻探技术发展经历了较长的时间，这也使我国目前已经具备了较为先进的钻探技术。在地质构造和岩层的勘测工作中，使用钻探技术能够进行直接取样或者钻孔试验，并结合地球物理探测和地球化学分析实验对地层以及岩层的性质进行验证。钻探技术对于各类工程勘察具有良好的实践效果，其可以为某些类型的工程制定出相应的技术措施，从而避免在工程建设中对地表性质的破坏。另外，在地质工程勘察工作中采用现代钻探技术，其所能达到的深度非常大，并且钻探技术还可以根据地质条件确定出各个不同地层下不同深度的钻孔数量。当勘探出某条线或者是一处异常地质现象时，钻探技术可以进行有效处理或取样来进行进一步分析判断。

二、地质工程勘察中钻探技术的方法分析

（一）绳索取心钻探技术

目前在地质工程勘察中，绳索取心钻探是最为常用的一种钻探技术，在进行地质工程勘察中使用绳索取芯技术，主要就是通过操作钻杆，利用它的升降特性将岩芯提取出来，通过这种方法能够使岩芯的提取工作更加简便。在大部分情况下，只有当钻机中的钻头发生故障问题时，才会利用钻杆来代替钻头。在进行钻探工作时，通常是利用岩芯管来填补岩矿芯，并将其填满，不需要把钻杆抬到地面上来，通过钻探设备中的专业绳索能够打捞其中的岩芯管。从绳索取心钻探技术的应用效果来看，其可以保证岩芯样品采集质量，并且在钻探过程中钻具出现问题可以及时发现并进行处理，这样能够对钻具的磨损问题进行控制，且操作更为灵活简便，整体的作业效率高，具有较好的综合应用价值。

（二）潜孔锤钻探技术

潜孔锤技术主要是以回转钻探技术为基础，并在此之上进行了深入地研究才研发出来的，是将冲洗液添加进潜孔锤当中，从而能够驱动其操作。当潜孔锤的锤体接收到能量时，能够在最大程度上将其传送到钻头当中，从而减少能量在传送过程中产生的不必要消耗，促进潜孔锤对工程现场的岩体进行破岩操作。在采用潜孔锤进行钻探时会通过泥浆泵来生产及制作冲洗液，从而在钻进的过程中可以形成较高的冲击负荷，其所产生的冲击力可以有效地破碎岩芯并进行取样，在此技术的应用中可以有效的处理一些较为复杂的环境条件下的钻探要求，其在实际中的破岩能力较强，可以保证岩芯取样的效率及质量。

（三）反循环钻探技术

反循环钻探技术主要是利用介质的循环操作提供动力，同时利用所产生的冲击力促进潜孔锤进行钻探操作。反循环技术主要包括两种形式：一种是空气反循环，另一种是水力反循环。

首先，在空气反循环钻探技术的应用中，则是以空气作为介质来进行循环作业，在实际操作过程中会将空气进行压缩，之后通过外管向孔底进行输送，而压缩空气所产生的冲击力会对潜孔锤产生驱动作用，以此来带动钻具进行钻探作业。空气反循环钻探技术主要是对岩石碎块进行采集，通过钻杆中心通道将所取的岩石样本带到地上，此技术在应用中对工艺有着较高的标准要求，且成本较高，因此主要应用于干旱缺水的地质工程勘察中。

其次，在水力反循环钻探技术的应用中，其会采用水或泥浆作为介质来进行往复钻进，以此来形成循环的作业形式，在水力反循环中所采用的介质会通过钻杆传送到孔底，从而促进钻头采取柱状岩芯，同时能够将其带到地面上。水力反循环钻探技术适用于含有地下水或其他杂质的地层，且具有一定的抗冲击性能，在水力反循环钻探技术的应用上能够有效地提升对岩芯的提取质量，因此在地质工程勘察中可以通过对完整的岩石进行分析来确认项目区域的地质情况，以此来提升勘察工作的准确性。

不同的反循环钻探技术在应用中的技术条件与适用情况也有一定的差异性，因此对于反循环钻探技术的应用需要结合现场条件来分析其所适用的方法，选择适合的作业形式有利于提升勘察效率及质量，避免在钻探过程中出现事故问题。

（四）定向钻探技术

定向钻探技术是指利用自然造斜规律，采取人工造斜手段，或者两者并用，使钻孔按照预定轨迹延伸，达到预定目标的钻进方法。在使用这一技术的过程中，最为关键的内容就是方向确定设备、钻机测量设备及造斜工具。定向钻孔在实际工作中能够有效提升地质工程勘察效率，并且也是较早被广泛使用的钻机之一。该方法主要是在钻孔深度小于3m时采用定向钻机，并将钻机旋转到相应方位。同时，在定向孔施工实践中，必须对深度钻孔和定向钻探技术进行区分，严格按照相应标准进行施工，同时在深度岩的勘察中，可以将深度孔与定向钻探相结合。在使用定向钻探法的过程中需要依赖专门的造斜钻探工具，并且为了在地质勘察中能够保证取样的精准性，需要对钻探的路线进行合理设计，通过控制钻孔方向来使其能够按照设计的轨迹来钻进，确保在定向钻探中能够使其钻进方向达到计划要求，在定向钻探的过程中为了保证其轨迹的准确清晰，通常是采用人工控制的方式来进行作业。

三、地质工程勘察中钻探技术的具体应用分析

（一）钻探施工设计

（1）钻孔设计

通常需要根据地层条件、岩石的物理性质、化学成分来决定孔径的大小，为了保证整个钻探过程中岩层受力均匀与稳定，需要对孔内土层结构进行分析，通过孔壁特征来判断孔内岩层主要成分、构造特征、孔隙结构等情况。通过选择孔径，最终确定实际的孔深，一般采用钻孔直径的10倍作为孔深。在实际设计过程中，通常还需要考虑到特殊地质条件对钻探技术的影响，保证在钻孔设计中能够满足设备应用条件与技术标准要求。首先，为找到适合项目区的钻孔结构形式，可以先利用二级成孔结构的方式对钻孔结构展开设计，探寻钻孔施工期间存在的问题，如钻进质量偏低、钻进效率不高等；其次，参考现场施工实际情况，将钻孔结构设定为三级成孔结构模式展开钻探施工；最后，结合两种成孔方式的现场实际施工成效对比，选出钻探效率更高、钻探质量水平更为理想的成孔结构方式，切实保证钻探质量，充分满足钻探施工要求。

（2）钻探工艺选择

在钻探技术的应用中，应保证其适用于实际的地质条件下，因此要确认勘察区域的实际地层结构特征来设计钻探技术的各项工艺，尤其是在现今成熟的钻探技术体系下，不同钻探方法在对不同地层的处理上都有着对应的技术特征，因此合理选择钻探工艺能够有效地提升整体的作业效率。例如，针对地层可钻性不超过7级的区域，可以使用常规的可钻金刚石岩芯钻模式展开钻探施工，满足钻探要求；在遭遇松散破碎地层时，需要使用跟管钻探方式；在遭遇地面塌陷等不良地质时，需要使用跟管钻进以及泥浆护壁组合的钻进模式。

（3）钻探设备选择

在地质工程勘察工作中，设备的选用是非常重要的一环，直接影响到最终的勘察结果，所以对钻探设备进行选择十分重要。为了保证完成各项地质钻探任务，其设备的选择需要满足其适用范围，在钻具使用过程中最好选择合适的型号和材质，在具体选择工具时需要根据不同地层性质选择不同型号的钻具，同时也要根据钻孔深度合理选用钻具，从而提高勘察工作效率和质量，主要设备有钻机、潜孔锤、岩芯管等。另外，要参考钻进技术选择合适的钻机，例如当项目所在地区地层条件较为复杂，岩石可钻性相对较高时，更适合使用金刚石绳索取心钻探方法。

（二）钻探技术应用

（1）准确定位

在对岩层进行科学钻探时，首先需要对其进行准确定位，这是在进行钻探技术应用的过程中，最为重要的部分，会直接影响钻孔位置的设置情况。通过对岩层的准确定位，可以避免在钻孔的过程中出现位置偏移和倾斜问题，同时还可以保证整个勘探过程中钻具对目标地点的有效控制，从而减少钻孔偏差。在对钻孔定位的过程中为了保证其精准性，需要加强现场测量，主要采用全站仪来进行测量定位，在对孔位进行确认后组织后续的钻孔作业。根据规定要求，对于定位的标准，需要将陆域水平精度测量误差维持在±0.1m水平，高程测量误差维持在±0.01m水平；水域水平精度测量误差维持在±0.5m水平，高程测量误差维持在±0.1m水平。

（2）控制钻进过程

首先要根据勘察材料、勘察条件、实际地质结构来决定勘察项目的开展方法；其次是根据钻机规格、钻孔设计、工程情况来确定合适的钻进速度；最后要控制钻进方向，保证钻孔通道顺畅，从而有效取样。并且为了确保钻孔能够精准探获地层中存在的全部重要岩层，需要科学地控制钻孔深度和孔间距，确保钻孔过程中能够准确探获地层部分的信息，进而确保钻探工作能够高效完成。另外对于钻探施工过程中需要重视对钻孔深度的控制，如果孔深过深就会导致钻探质量不高或者无法有效采样。从钻孔孔深方面来看，如果在实际钻探实践中遭遇不良地质现象，如破碎带、岩溶、软弱夹层等，则要求确保钻孔深度达到有效持力层下方5—8m水平；遵循孔深控制原则，要求实际钻孔深度应当达到设计深度下方的10cm位置，以此规避在钻孔深度检验过程中，下钻杆量深度无法达到钻孔设计深度的问题。

（3）进行钻探取样

对于地质工程勘察工作而言，需要合理选择钻探取样的方法，尽可能提高对地层地质的分析精度。在进行孔内连续取样分析时，要在取样点周边进行多层分析，以此保证取样分析结果可靠性。需要注意的是，可以针对钻探深度的情况对采样点进行联合取样分析，这种方法能够有效保证钻探取样的完整、可靠。一般情况下钻探深度越大，取样数量就越多，但是由于施工作业面较小等原因造成的采集点深度差异也会对取样效果产生一定影响。因此，在钻进深度较小时，取样密度应该尽量高一些，从而提高勘探精度。在钻探过程中，若遭遇变层，则应当立即组织取样操作；若地质土为砂土、碎石土，则应当使用取扰动样的方式进行钻探取样，保证取样点之间所间隔距离维持在2m左右，遇到变更后要立即取样。

并且在钻探取样中要结合所采用的技术方法来对取样参数进行计算，从而在地质工程勘察中能够对地层信息进行更为精准的分析，有利于提升勘察的质量。例如，在应用钻探取芯技术进行工程地质勘察时，要提前完成对岩芯采取率的计算，可以使用的公式为：岩芯采取率=（岩芯长度/取岩芯进尺长度）×100%式中，岩芯长度主要指的是在固体岩层中取出岩芯的实际长度；取岩芯进尺长度主要指的是在固体岩层中进尺的实际长度，通过计算取样参数来保证钻探作业的高效开展。

（三）钻探技术应用总结

（1）加强技术管理

由于钻探施工特点使其在实际中存有较高的复杂性，为了保证工程顺利进行，必须加强对地质工程勘察的管理力度。在进行地质工程勘察工作时，要通过合理规划人力、物力等资源来实现对钻探技术应用进行管理的要求，同时使钻探勘察过程中的资源投放得到有效控制。同时还要加强对钻探过程中安全问题的重视程度，通过科学合理地安排作业工序与技术内容来提高施工效率，并且降低地质工程勘察过程中的风险。

（2）加强风险防控

首先需要对钻探技术应用中的常见风险问题进行分析，并针对风险类型来采取适当的对策进行处理，确保在复杂环境下钻探作业正常进行，从而在钻探过程中遇到不稳定地区时也能够保证钻探质量与效率；其次要保证在钻探过程中遇到问题时及时进行解决，在钻探过程中如果遇到难以处理的难题或情况要及时向上级汇报，发现问题应该快速采取应对措施；最后要有效防范各种突发事件发生，在钻探的过程中存在着许多可能对孔内的岩层产生破坏的因素，如果在钻探中出现断孔现象，要根据实际情况采取相应措施，降低钻探过程中的风险。

（3）采用多阶段复合式钻探技术

多阶段复合式钻探技术是针对复杂地质条件下的一种将多种钻探技术进行结合应用的方法，该技术在处理岩石层时，可以有效地针对地层条件将不同的钻探技术进行综合性应用，根据地层情况采用相应的钻探技术能够有效提升整体地质工程勘察工作效率。且在勘察中可以改变单一钻探技术应用中的不足，有效提升地层勘察准确性，尤其是复杂的地质条件下，采用复合式钻探技术可以有效提高钻进施工安全性，使地质工程勘察能够顺利开展。

结论

地质工程勘察具有很强的专业性与技术性，因此在进行地质工程勘察时应坚持科学性与实用性相结合的原则，同时针对不同类型地层来对钻探技术进行应用分析，这样才能提高其实际效果。在地质工程勘察中，要积极提高对钻探技术运用的认识，研究钻探技术的方法及在应用中的要点，以此来对钻探技术进行合理运用，这样可以有效保障地质工程勘察工作的顺利开展。并且为了保证地质工程勘察工作符合质量要求，需要积极创新及改进钻探技术的方法，以此来促进在实际中对于钻探技术和相关知识的合理运用，提高勘探效率。

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