淺談我國(guó)水文地質(zhì)鉆探的發(fā)展前景

李習(xí)文，唐翠青，邢狀，張士友，孟志豪，孟慶杰

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局海口海洋地質(zhì)調(diào)查中心，?？?570100)

0 引言

我國(guó)的水文地質(zhì)鉆探技術(shù)相對(duì)于西方國(guó)家起步較晚，西方國(guó)家經(jīng)過多年的技術(shù)沉淀，目前已具有了較先進(jìn)的水文地質(zhì)鉆探技術(shù)。

近年來，隨著我國(guó)科技的快速發(fā)展，水文地質(zhì)鉆探技術(shù)也取得了較快發(fā)展。雖然相較于世界先進(jìn)水平還有一定的差距，但我國(guó)水文地質(zhì)鉆探技術(shù)已在很多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，并取得了較突出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為了更深入地研究分析我國(guó)水文地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展前景方向進(jìn)行分析，從而不斷推動(dòng)該領(lǐng)域新技術(shù)、新工藝的革新和發(fā)展[1]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀概述

目前，水文地質(zhì)鉆探技術(shù)是進(jìn)行地下資源調(diào)查非常重要的一種手段。由于全球范圍內(nèi)可使用的淡水資源已經(jīng)越來越少，水資源的缺乏不僅影響著人民群眾的基礎(chǔ)生存，還會(huì)影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期發(fā)展，因此尋找更多可利用的淡水資源迫在眉睫。

水文地質(zhì)勘查在探測(cè)地下水資源方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，也逐漸在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。我國(guó)的水文地質(zhì)勘探工作從20世紀(jì)50年代開始受到關(guān)注，相比蘇聯(lián)、美國(guó)以及其他發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)水文地質(zhì)勘探工作的特點(diǎn)是起步晚、發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代后，隨著水文地質(zhì)的普查滲透大江南北，水文地質(zhì)鉆探在水文地質(zhì)普查探測(cè)中發(fā)揮了重要的作用。水文地質(zhì)鉆探技術(shù)不僅能夠?qū)ふ宜Y源，還對(duì)地下石油資源的勘探起到很好地推進(jìn)作用。

2 基本方法

2.1 鉆探工藝

水文地質(zhì)鉆探工藝經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。首先是沖擊鉆進(jìn)法，該方法以無(wú)循環(huán)靜液柱護(hù)壁，沖擊鉆進(jìn)為主，其中沖擊鉆進(jìn)又分為鉆桿沖擊鉆進(jìn)和鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)。常用的鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)是借助于一定重量的鉆頭，在一定的高度內(nèi)周期性的沖擊井底，使地層破碎而進(jìn)尺，在每次沖擊之后，鉆頭或抽筒在鋼絲繩帶動(dòng)下回轉(zhuǎn)一定的角度，從而使鉆孔得到規(guī)則的圓形斷面。該法鉆進(jìn)卵礫石層和致密的基巖層效果較好，在第四紀(jì)地層中鉆進(jìn)多使用工字形鉆頭和抽筒式鉆頭，在基巖層中多使用十字形鉆頭和圓形鉆頭[3]。

在沖擊鉆進(jìn)后出現(xiàn)了回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法，該方法采用清水或普通泥漿進(jìn)行正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法是由動(dòng)力裝置帶動(dòng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，再由其帶動(dòng)鉆桿和鉆頭，由鉆頭切削地層。根據(jù)泥漿循環(huán)方式的不同，分為正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法和反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法。正循環(huán)鉆進(jìn)法是由轉(zhuǎn)盤或動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆頭切削地層而獲得進(jìn)尺，沖洗液由泥漿泵送出，經(jīng)過提引水龍頭和鉆桿流至孔底冷卻鉆頭后，由鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙返出井口，同時(shí)將孔底的巖屑帶出，用這種方法鉆進(jìn)砂土、黏土、砂等地層效率較高[3]。在第四紀(jì)地層中全面鉆進(jìn)多使用魚尾鉆頭、三翼刮刀鉆頭和牙輪鉆頭，在基巖層取心鉆進(jìn)多使用巖心管取心合金鉆頭和鋼粒鉆頭，全面鉆進(jìn)多使用牙輪鉆頭。反循環(huán)鉆進(jìn)法適于在卵石、礫石、砂、土等地層鉆進(jìn)大直徑鉆孔，具有鉆進(jìn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]。

之后出現(xiàn)了低固相優(yōu)質(zhì)泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。氣舉反循環(huán)又稱壓氣反循環(huán)，其基本原理是將壓縮空氣通過供氣管路送至井內(nèi)的氣水混合室，使壓縮空氣與鉆桿內(nèi)腔的泥漿混合，形成重度小于9.8 kN/m3的三相混合液，在鉆桿外環(huán)空間水柱壓力作用下，使鉆桿內(nèi)三相混合液向上涌出地面，將鉆渣排出孔外，形成反循環(huán)。

隨著技術(shù)發(fā)展，多工藝空氣鉆進(jìn)開始出現(xiàn)，鉆孔中以壓縮空氣或含有壓縮空氣的氣液混合物作沖洗介質(zhì)，或用壓縮空氣既作破巖機(jī)具的動(dòng)力，又兼作沖洗介質(zhì)的一種新鉆進(jìn)技術(shù)方法。

2.2 設(shè)備現(xiàn)狀

目前水文地質(zhì)鉆探中已經(jīng)逐漸淘汰了早期的巖心鉆探設(shè)備，取而代之的是一批國(guó)內(nèi)外鉆探能力更先進(jìn)的水文地質(zhì)鉆探設(shè)備，例如美國(guó)生產(chǎn)的T4W和T3W，德國(guó)生產(chǎn)的B3A，法國(guó)生產(chǎn)的R28，國(guó)產(chǎn)的DPP-100型、SPJ-300型、SPJT-300型、SPS-400型和SPS-600型鉆探設(shè)備[5]。

2.3 系列管材

早期使用的管材十分笨重，如水泥管、鑄鐵管及厚鋼管等，由于管材重量大、成本較高，并且鉆探過程中使用不方便，所以逐漸被一些較輕便的管材替代，如塑料管道、玻璃鋼管、貼礫濾水管以及橋式鍍鋅濾水管等。

3 發(fā)展方向

3.1 液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)使得沖洗液能夠得到更加強(qiáng)效地驅(qū)動(dòng)[8]。除此之外，在使用這種技術(shù)的過程中也能較大地提高潛孔錘的頻率和工作效率。

3.2 繩索取心鉆探技術(shù)

繩索取心鉆探技術(shù)是一種較新的鉆探工藝，它可以減少鉆探過程中提鉆的次數(shù)，從而提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。這種技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在各種不同的地質(zhì)情況下，也可以較好地被使用[6-7]，因此這項(xiàng)技術(shù)在未來具有非常好的應(yīng)用前景，也是最有可能被廣泛應(yīng)用的一種鉆探技術(shù)。

3.3 空氣鉆探技術(shù)

空氣鉆探技術(shù)一般采用壓縮空氣作為介質(zhì)，利用空氣對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗，同時(shí)還為孔底碎巖提供能量，從而使得整個(gè)鉆探工作變得較輕松，在保護(hù)儲(chǔ)層(地層)的同時(shí)還大大提升了鉆速及工作效率。

4 發(fā)展前景

隨著我國(guó)科技水平以及工業(yè)化發(fā)展迅速，鉆探機(jī)械設(shè)備的技術(shù)也要隨之進(jìn)步，不能成為限制行業(yè)發(fā)展的因素。在鉆探設(shè)備發(fā)展的同時(shí)，鉆探技術(shù)也需要改革和創(chuàng)新，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)正處在上升的關(guān)鍵時(shí)期，資源的消耗逐年增加，隨著鉆探深度的增大，地質(zhì)條件也會(huì)更加復(fù)雜，因此，相關(guān)人員需要著手研究針對(duì)更高要求、更高質(zhì)量的鉆探技術(shù)。

隨著我國(guó)對(duì)自然資源的重視程度的增高，地下水資源的開發(fā)利用和保護(hù)也得到更多的關(guān)注，尤其2021年9月15日《地下水管理?xiàng)l例》頒布以來，人們對(duì)地下水資源的關(guān)注度進(jìn)一步提高[10]。水文地質(zhì)鉆探在地下水勘探開發(fā)進(jìn)程中有廣闊的應(yīng)用前景，也為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)發(fā)揮很大的作用。理論的創(chuàng)新推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)鉆探設(shè)備和方法的提升，為此相關(guān)從業(yè)者就必須更好地學(xué)習(xí)水文地質(zhì)知識(shí)，對(duì)國(guó)家已完成的鉆探區(qū)域進(jìn)行更深入的調(diào)研，對(duì)我國(guó)水文地質(zhì)鉆探的相關(guān)技術(shù)有更加深入的了解。只有不斷加強(qiáng)我國(guó)地質(zhì)勘探技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和創(chuàng)新，才能夠使我國(guó)鉆探工程事業(yè)健康快速發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)目前我國(guó)水文地質(zhì)鉆探的現(xiàn)狀進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹和分析，對(duì)我國(guó)目前所使用的各種水文地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，進(jìn)而使相關(guān)研究人員進(jìn)一步明確了我國(guó)水文地質(zhì)鉆探技術(shù)未來改進(jìn)和發(fā)展的方向[9]。這些發(fā)展方向也正是由我國(guó)廣泛應(yīng)用的新技術(shù)所逐漸開拓出來的，通過我國(guó)的眾多水文地質(zhì)鉆探研究及工作人員的共同努力，才能更好地促進(jìn)我國(guó)水文地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更好的服務(wù)。