钻探

钻探是指在地表下用钻头钻进地层的勘探法，获取地表下地质资料，并通过钻探的钻孔采取原状岩土样和做现场力学试验，它是岩土工程勘察的最主要、最有效的手段之一。钻探过程的基本程序为：破碎岩土、采取岩土、保全护壁。主要运用于矿产资源勘探、水资源勘探、工程勘探等领域。

中国深井钻凿的历史是从井盐钻探开始的。战国末期，由于中原地区先进打井技术的传入和铁工具的普遍使用，四川地区劳动人民在长期采用自然盐泉煎煮的基础上，揭开了打井取卤、开发井盐的序幕。李冰就是四川井盐最早的开拓者之一，他在劳动人民对地下盐卤积累了丰富经验的基础上，开始了大胆实践，成功地“穿广都盐井”“平南安盐溉”，钻凿出中国具有开采价值的第一批盐井。但从生产力发展水平来看，秦汉时期开凿的盐井、盐溉应属于大口浅井的雏形，凿井、汲卤工艺还很不成熟。从秦——西汉——东汉，经过三四百年的演进，提高，到了东汉时期，大口浅井型盐井进入了蓬勃发展时期，钻进工艺也由简单逐步复杂起来。为以后卓筒井的出现作了工程、技术、地质等各方面的准备。北宋仁宗庆历、皇佑年间(1041-1053年)，四川井盐生产中出现了一次具有重要意义的技术革新-卓筒井。这一新工艺的出现，是中国钻井技术从大口浅井向小口深井过渡的标志，它不仅为四川井盐生产的蓬勃发展开辟了道路，而且创造了现代盐井、油井、气井的雏形，表明中国古代钻进工艺向前飞跃了一大步。明代中叶以后，随着封建经济的发展，深井钻凿技术又有了长足的进步，井盐钻探开始进入了它的第三阶段——近代深井阶段。这个阶段的特点是：深井钻凿工艺形成了一整套严密的工序；钻凿工具，包括打捞和治井工具高度分工和专门化；还出现了大量新工具。在深井钻凿技术日趋完善的基础上，明代正德末年(公元1521年)，四川嘉州在钻凿盐井时，钻出了由官府主持开采的石油井。公元1821年，四川自流井地方的钻井工人，用竹、木为主要材料组成的钻机钻穿了侏罗纪地层，揭开了三叠系嘉陵江石灰岩的秘密，钻出了第一口天然气井，接着，1840年左右，磨子井的工匠在自流井构造的顶部，把1200米深处的嘉陵江石灰岩主气层钻通了。1855年，钻成了一口最大的天然气井——磨子井。1892年发现了盐岩。1892年后五十年左右，自流井一带共钻成盐岩井108眼。

中国井盐钻凿技术的发展，到十九世纪中叶时，完全为产生和使用机器生产打下了基础。1840年以后，由于帝国主义列强的侵略，清廷的腐败无能，中国逐步沦为半封建、半殖民地社会，而且伴随着整个社会经济的半殖民化，生产力遭到严重摧残，直到1949年前，井盐钻探一直沿用旧法钻进。1897年，“福公司”取得了河南焦作优质煤田的开采权，为了勘探地下煤炭资源，20世纪从英国运来了几台蒸汽钻机，并训练了中国第一批机械岩心钻探工人，开启了中国机械岩心钻探的序幕。同时，钢绳冲击钻探技术和旋转钻探技术也引进了中国。20世纪初，美国长年公司开发了立轴式给进“UG”型金刚石钻机，此钻机以具有现代钻机的雏形，并在1947年开始引进中国。二战后，工业发达国家钻探工业得到了极大发展，已经用新型水压给进钻进代替了蒸汽驱动钻机，并发明了用粉末冶重技术烧结制成的“铸镶”天然金刚石表镶、孕镶钻头，并在1947年引入，开始了中国的钻探历史。

1949年，人民革命取得胜利。井盐钻探也迅速改变了落后的面貌，逐步实现了机械顿钻钻进。1953年开始了第一个五年计划，重点勘探项目多是国家工业建设的命脉，成果非常显著，过程中对74种矿产进行了勘探，有63种取得了可供工业设计使用的储量。1954年12月，国务院责成地质部（1952年成立）从1955年起承担石油普查任务。1956年3月3日至6月22目，中国第一口定向双筒井钻成。1958年的“大跃进”运动，忽视地质效果。盲目追求进尺，一度造成很大浪费。60年代初，苏联停止供应中国钻探设备和器材。到了20世纪七十年代末叶，全部钻进工艺都采用了机械操作，无缝钢管代替了古老的竹筒，钢钻头代替了铁锉[cuò]，电动机带动的粗大的卷扬机和钢丝绳代替了人拉牛推的木绞车和竹篾绳。钻进一个1000米深的盐井不到一年就可以完成了，钻探出现了翻天覆地的变化。1970年初，在上海成立“六二七工程筹备组”，经过四年努力，建成了中国第一条钻井船一“勘探一号”。1974年6月，在黄海试钻成功，谱写了海上油气钻探的新篇章。1978年中国第一条坐地式钻井船一“胜利一号”开始作业。1963年研制成功的第一颗人造金刚石，开启了中国人造金刚石钻进的篇章，并在1998年生产量达到4-5亿克拉，居世界首位，为人造金刚石大国。“六五”期间探矿工程立足于“打基础”“上水平”，五年来，完成了“五大改变”、“五大配套”，形成了“六大系列”，其得了七项接近或达到国际先进水平的成果。“七五”期间，金刚石钻探技术、冲击回转钻探、受控定向钻探、气举、泵吸、潜空锤等各种反循环钻探和多工艺空气钻探、反循环中心连续取样、绳索取芯及绳索取芯冲击回转技术、电镀金刚石钻头制造工艺、小口径螺杆钻、射流式冲击回转钻具、不提钻钻头装置、改进膨胀润土等技术都取得了巨大成效。“八五”期间，地矿部强调“科学兴地(质)”的号召，将地质找矿和开采矿业和工程钻探掘进工程列为部的支柱产业，在探矿工程完成任务情况、科研等方面取得佳绩。如定向对接采卤井、压电陀螺测斜仪、微机自控金刚石攒头烧结技术、贯通式潜孔锤技术等，已走在世界前列；“新奥法”掘进即使和“多工艺重点钻进技术”得到推广并产生巨大经济效益和社会效益；瞄杆钻机、新型泥浆材料、新型超硬材料及其钻头、非开挖铺管技术、浅层石油天然气开发技术和对接井等已形成商品技术，赢得了国内外市场。“九五”期间中国面临的资源和环境形势是严峻的，找矿难度日益增大，地质环境保护、地质灾害的防治任务叶日益加重，科学技术称为振兴地堪工作的关键。《90年代发展地质勘查工作的关键技术》中，明确90年代地勘行业技术发展方向、科研和开发工作的重点，为行业技术的发展起到了导向作用。2000年以后，钻探技术在原有基础上，积极思考科学钻探的发展和未来，并将地球科学的研究领域延伸到了地球深部、海洋底部、冰川、冰层冻土层等，同时扩大了地质学的范畴，形成了全新的、多学科多工种东层次的地球科学。

在二十世纪六十年代中期以前，世界各国地质钻探技术有三个共同特点：(1)各种钻探技木大多单独应用；(2)地质样品主要是圆柱状岩芯；(3)在取芯钻探技术上，较先进的国家以金刚石取芯钻探技术为主。技术较落后的国家以硬质合金、钢粒取芯钻探技术为主。自六十年代后期开始，如美国、加拿大、澳太利亚、原苏联以及西欧等国的金刚石取芯钻探技术已发展到比较完善的程度，并且相继开发了技术经济效果更好的新方法；在“优质、高效、低耗”的综合目标之下，开始摸索各种钻探技术的组合施工方式。从而把钻探技术的发展推向新阶段。二十世纪90年代后，国际上的钻探技术已呈现出三个比较明显的特点：(1)钻探技术系统中的组成要素增多了；(2)在总工作量中，取芯钻探工作量的比例下降。取屑、不取样钻进工作量的比例上升；(3)各种钻探技术之间的互换性较强，在施工中，常常是多种钻探方法并用。

地质钻探技术笼统地包括向地下钻孔及将孔底碎石破碎的工艺与方法。基于地质钻探技术，勘测人员可以对地质情况进行准确的了解，了解地下岩土层材料组成及矿物质的储备含量，有效地评估矿石的规格和品质。地质钻探技术的开展需要勘测人员首先对地质情况进行粗略的了解，然后选用不同的钻探技术与设备开展钻探工作。

回转钻进通过钻杆将旋转力矩传递至孔底钻头，同时施加一定的轴向力实现钻进。在土质地层中钻进，可完整地揭露标准地层。工程地质勘探广泛采用岩心钻进，该法能取得原状土样和较完整的岩心。人力回转钻进适用于沼泽、软土、黏性土、砂性土等松软地层，设备较简单，但劳动强度较大。机械回转钻进，可适应各种软硬不同的地层。

回旋钻进示意图

冲击钻进利用钻具自重反复产生冲击力对孔底进行冲击而使土层破坏的一种钻进方法。其工作原理类似于凿岩的锤子，靠冲击力进行钻孔作业。机械冲击一般采用机械提升和向下冲击，针对岩石、较硬的地层进行钻孔作业的机械设备，具有很好的钻孔性能；适用于硬度较高的岩层、风化的岩层以及各种硬脆的地质环境中。

冲击钻进示意图

冲击回旋钻进也称综合钻进，钻进过程是在冲击与回转综合作用下进行的，它适用于各种不同的地层，能采取岩心，在工程地质勘探中应用也较广泛。

振动钻进利用机械动力所产生的振动力，通过连接杆及钻具传到钻头周围的土层中，由于振动器高速振动的结果，使土层的抗剪强度急剧降低，借振动器和钻具的重量，切削孔底土层，达到钻进的目的。它的钻进速度快，主要适用于土层及粒径较小的碎，卵石层。

钻探方法的选择，主要应根据勘探的目的和要求、勘探深度及地层地质条件而定。

钻探方法的适用范围

反循环式钻探技术根据所用介质的不同分为水力反循环和空气反循环两种形式。空气反循环是将空气压缩后作为循环介质，通过双臂式钻杆的外管运送到孔底，孔底的潜孔锤在压缩空气自然膨胀的冲击下撞击岩石，同时膨胀的空气可将破碎的岩屑通过双臂式钻杆的管道带出地面，岩屑作为采集的样品，带回实验室进行分析，可以了解该区域的地质情况。水力反循环是以清水和泥浆作为循环介质，通过双臂钻杆的管环隙送到孔底，以取芯后获得的柱状岩芯作为采集的岩石样本，经内管带出地面以便试验分析。

绳索取芯是一种较为先进的地质钻探技术，基于这种技术，无须提升钻杆即可取出岩芯。其特点是“三高、一低”——钻速高、钻头寿命长、效率高、工人劳动强度低，因此被广泛应用于地质找矿、煤田勘探等领域。整套钻具中，最为重要、价值最高的就是钻杆，钻杆质量的好坏直接关系到绳索取芯钻探优势的发挥，对于地质资料的准确获取、钻探成本的控制也至关重要。

液动锤钻探技术是中国发展最成熟的钻探技术，中国的发展水平已达到世界先进水平。液动锤钻探技术的原理是以回转钻为主体，利用冲洗液的冲击力使液动锤推动钻头实现岩石的破碎。使用液动锤钻探技术时一般需要使用泥浆泵来实现冲洗液的配送，液动锤位于钻杆和钻头的中间，在随着钻头深入的同时，不断给钻头提供一定频率的撞击。

实际钻探过程中，往往会将反循环式钻探技术与绳索取芯钻探技术结合使用，两种技术的有机结合可以最大程度地发挥二者的优势并弥补二者的不足，形成具有很强综合性的地质钻探技术，实际应用中，这样的组合技术能根据地质情况的不同，发挥两种钻探技术的长处，大幅度提高钻探效率，降低钻探成本。    

钻机是进行钻探工作的主要设备。它的功能一般包括两个方面：带动钻具向地层深部钻进；通过升降机起、下钻具。也就是说，钻机是完成钻进工序和起下钻工序的主要设备。在工程地质勘探工作中，常用钻机不同孔径可钻深度。

常用钻机不同孔径可钻深度参考值

泥浆泵向孔内输送冲洗液以清洗孔底、冷却钻头和润滑钻具。在使用液动冲击钻具时，泥浆泵还作为能源装置。泥浆搅拌机用于制备泥浆及其它类型的冲洗液。泥浆净化设备包括振动筛和泥浆旋流除砂器。

钻塔是用于升降钻具的构筑物。

对于大多数工程项目的岩土工程勘察，钻探都是其基本组成部分，它不仅为工程师提供了能够亲眼鉴别、亲手触摸地表以下岩土样的机会，使准确划分土层分界线成为可能，而且还为原位测试和取样创造了必要的条件。但要想获得高质量的勘探成果，钻探应满足规定的技术要求。

钻探参数实时采集系统技术参数

资料来源：

钻探口径和钻具规格应符合现行国家及行业标准的相关规定（《工程地质钻探规程(DZ/T0017-1991)》）。成孔孔径应满足取样测试和钻进工艺的要求。采取原状土样的钻孔，孔径不得小于91mm；仅需鉴别地层的钻孔，孔径不宜小于36mm；在湿陷性黄土中，钻孔孔径不宜小于150mm。

在进行岩土工程钻探时，应严格控制非连续取芯钻进的回次进尺。在土层中采用螺纹钻头钻进时，应分回次提取扰动土样。回次进尺不宜超过1.0m；在主要持力层中或重点研究部位，回次进尺不宜超过0.5m，并应满足鉴别厚度小至2cm薄土层的要求。在水下粉土砂土层中钻进，当土样不易带上地面时，可用对分式取样器或标准贯人器间断取样，其间距不得大于1.0m。取样段之间可用无岩芯钻进方式通过，亦可采用无泵反循环方式用单层岩芯管回转钻进并连续取芯。在岩层中钻进时，回次进尺不得超过岩芯管长度，在软质岩层中不得超过2.0m。钻进深度和岩土分层深度的量测精度范围应在士5cm。对要求鉴别地层和取样的钻孔，均应采用回转方式钻进，取得岩土样品。遇到卵石、碎石、漂石、块石等类地层不适合采用回转钻进时，可改用振动回转方式钻进。对鉴别地层天然湿度的钻孔，在地下水位以上应进行干钻；当必须加水或使用循环液时，应采用双层岩芯管钻进。在湿陷性黄土中应采用螺纹钻头钻进，亦可采用薄壁钻头锤击钻进。操作应符合分段钻进、逐次缩减、坚持清孔"的原则。深度超过100m的钻孔以及有特殊要求的钻孔(包括定向钻进、跨孔法测量波速)，应测斜、防斜，保持钻孔的垂直度或预计的倾斜度与倾斜方向。对垂直孔，每50m测量一次垂直度，每深100m允许偏差为士2°。定向钻进的钻孔应分段进行孔斜测量(每25m测量一次倾角和方位角)，倾角和方位角的量测精度范围分别满足士0.1和士3.0°。钻孔斜度及方位偏差超过规定时，应及时采取纠斜措施。对可能坍[tān]塌的地层应采取钻孔护壁措施。在浅部填土及其他松散土层中可采用套管护壁。在地下水位以下的饱和软黏性土层、粉土层和砂层中宜采用泥浆护壁。在破碎岩层中可视需要采用优质泥浆、水泥浆或化学浆液护壁。冲洗液漏失严重时，应采取充填、封闭等堵漏措施。钻进中应保持孔内水头压力等于或稍大于孔周地下水压，提钻时应能通过钻头向孔底通气通水，防止孔底土层由于负压、管涌而受到扰动破坏。

初见水位和稳定水位可在钻孔、探井或测压管内直接量测。测量稳定水位的间隔时间按地层岩土的渗透性确定，对砂土和碎石土不得少于0.5h，对粉土和黏性土不得少于8h，并宜在勘察结束后统一量测稳定水位。水位量测读数至厘米，精度范围为士2cm。稳定水位是指钻探时的水位经过一定时间恢复到天然状态后的水位。采用泥浆钻进时，为了避免孔内泥浆的影响，需将测水管打人含水层20cm方能较准确地测得地下水位。钻探深度范围内有多个含水层，且要求分层量测水位时，在钻穿第一个含水层并量测稳定水位后，应采用套管隔水，抽干钻孔内存水，变径继续钻进，再对下一个含水层进行水位量测。

野外记录应真实及时，按钻进回次逐段填写，严禁事后追记。现场记录不得誊录转抄，误写之处可以划去，在旁边作更正，不得在原处涂抹修改。钻探成果可用钻孔野外柱状图或分层记录表示。岩土芯样可根据工程要求保存一定期限或长期保存，亦可拍摄岩芯、土芯彩照纳人勘察成果资料。钻探野外记录是一项重要的基础工作，也是一项有相当难度的技术工作，因此应配备有足够专业知识和经验的人员来承担。野外描述一般以目测，手触鉴别为主，其结果往往因人面异。为实现岩土描述的标准化，如有条件可补充一些标准化、定量化的鉴别方法，将有助于提高钻探记录的客观性和可比性。这类方法包括：使用标准粒度模块区分砂土类别，用孟塞尔(Munsell)色标比色法表示颜色，用微型贯人仪测定土的状态，用点荷载仪判别岩石风化程度和强度等。

当勘探深度较大，或地层不适宜采用简易勘探时，都可以用钻探。钻探基本不受地形、地层软硬及地下水深浅等条件限制，可以克服各种困难，直接从地下深处取出土石试样，满足对勘探的多种要求。因此，钻探仍是目前工程地质勘探的主要手段。但是钻探需要大量设备和经费，较多的人力，劳动强度较大，工期较长，往往成为野外工程地质工作控制工期的因素。因此，钻探工作必须在充分的地面测绘基础上，根据钻探技术的要求，选择合适的钻机类型，采用合理的钻进方法，安全操作，提高岩芯采取率，保证钻探质量，为工程设计提供可靠的依据。钻探工作还应当与其他各项工作，例如物探、试验、原位测试等密切配合，积极开展钻孔综合利用与综合勘探，以达到减少钻探工作量、降低成本、缩短工期、减轻劳动强度，提高勘探工作质量和效率的目的。

传统的钻探设备将难以满足于当下的地质钻探需求，为积极配合地质钻探技术的开展，需要开发和研究新的钻探设备，使之适应更多的技术应用环境。这是因为目前一些浅层、表层的矿产资源已经逐步被开采，未来更多的是致力于深层钻探工作，而传统的钻探设备难以达到深层钻探要求，需要强化钻探探头的强度，实现钻机设备的一机多用。对于一些特殊领域所需要的钻探设备，也要进行研发，并且需要将自动化技术引入到钻机、钻头、钻具等设备中，以提高钻探设备工作效率。

在未来的发展过程中，地质钻探工艺将会逐步完善和提升。科学技术的日新月异，将推动地质钻探工艺的发展，新型的钻探技术会代替一些不再适用的技术，如新型冲洗液技术、节水钻探工艺、反循环钻探技术等。这些新的钻探技术，可满足于现代地质钻探需求，而且能够进行多种工艺的有效结合，针对实际情况来制定适宜的钻探工艺方案，取得较好的钻探效果。

钻探技术不再局限于地质钻探领域，还被广泛应用于石油钻探、工程勘察钻探、地热钻探、自然灾害检测等领域中，但目前使用最多的还是一些高品位深层矿产勘察工作。

有关于行业的相关法律法规正在逐步完善，同时也制定了适宜的行业规范，可营造稳定有序的地质钻探市场秩序。在未来需创建科学的、商业化的机制，来推动科研成果的转化，使之获取更多的商业效益，推动钻探技术的创新，升级钻探设备。

未来地质钻探技术应当逐步走向自动化、智能化，需充分利用机械化设备来执行钻探工作，规范机械操作流程，减轻人工压力，降低人力资源损耗。

矿产资源具有不可再生性，经济发展过程中对矿产资源的需求量逐日增加，但可被开采的矿产资源逐渐减少，很难满足于当下的经济发展需求，影响社会生产和发展。而且在开发矿产资源的时候，只关注于经济效益，忽视了对环境的保护，以致于环境受到了破坏，不利于推动社会的可持续发展。陆地资源可被开发的数量减少，人们开始把眼光放在海洋中的矿产资源开发中，这需要新型钻探技术的支持，需坚持创新，满足矿产资源钻探工作需求。

中国就目前而言，对生态环境的保护意识越来越强，不再以破坏环境为代价来发展经济，但是在过去造成了严重的水资源污染，人们所饮用的淡水也受到影响。因此需要通过地下水勘测工作来进行有效把控。这就需要充分发挥地质钻探技术的作用，不断地创新该项技术，以便于满足水资源勘测工作需求。

工程建设项目数量逐渐增多，规模不断地扩大，在实际开工之前要先做好工程地质勘察工作，全面了解工程建设项目施工所在区域的地质实况。这需要充分发挥地质钻探技术作用，根据地质地貌的实际情况，来制定适宜的施工方案，从而保障工程项目的有序展开。

2024年3月4日，中国首口设计井深超万米的科学探索井——中国石油塔里木油田深地塔科1井钻探深度突破10000米，成为亚洲第一口垂直深度超万米井，刷新亚洲最深直井纪录。该井位于新疆阿克苏地区沙雅县境内，地处塔克拉玛干沙漠腹地，设计井深11100米，于2023年5月30日开钻。

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