關于幾種綠色勘查鉆探技術的論述

盧榮彪

（湖南省核工業地質局三0二大隊，湖南 郴州 423000）

地質勘探主要采用溝槽探查、鉆孔探查、深坑勘探等工程對礦化體進行勘探，以達到相應的地質目的。由于其對周圍的生態環境會造成巨大損害，雖然損壞的部分在施工工作完成后被回填，但通常沒有恢復處理，易于崩潰和其他二級災害，通過擴大損壞的范圍，易于引起局部桑德化，從而導致持續損壞生態環境。而實施“綠色勘查”就是解決上述問題的應對方法。以下對幾種綠色勘查鉆探技術逐一進行論述。

1 一基多孔、一孔多支”技術

“一基多孔，一孔多支”技術，即是多個鉆孔技術用于在鉆機上使用定向鉆孔技術，或者在同一個孔內的許多分支孔以實現揭露不同的地層和不同的層位礦體。一基多孔，一孔多支技術采用定向鉆孔技術來實現減少基臺數量的目的，減少機器的數量，基臺、道路施工和材料重組工作，是有效實現中深孔鉆井的綠色勘探的技術手段。

2 定向鉆進技術

目前有多種定向鉆孔方法，主要采用機械連續造斜器，螺桿電機/帶鉆測斜技術（無纜和有纜技術），還有組合鉆具等，但每種方法都有其適合使用的條件和特點，螺桿鉆進技術在定向鉆進中的優點有：①鉆探桿不用旋轉，這可以降低鉆桿的疲勞和磨損，從而減少鉆探桿損壞事；②鉆探桿不旋轉，這不僅降低了鉆探桿和套管、井筒之間的磨損，還防止井筒擴張，使井孔變大，最終因摩擦而引起卡鉆、掉塊和塌陷事故；③它可以用高精度定向儀器協作，用來準確地控制鉆孔軌跡和遠程遙控鉆孔。④它不僅可以用于硬性和堅硬型的完整地層，而且還可以用于破碎的地層，松軟型、中硬和軟硬型不均地層造斜及第四系地層；⑤它可用于長、中、短軸率半徑的定向孔和各種特殊項目，有線隨鉆定向配套如圖1所示，無線隨鉆則不采用電纜和測井絞車及通纜水龍頭。

圖1 有線隨鉆定向示意圖

3 環保泥漿技術

在鉆井工作中，由于過去的環保觀念薄弱，生產的泥漿材料僅考慮鉆井技術和性能方面，忽略了泥漿原料對自然環境的潛在污染和毒性危害，這使得鉆井泥土成為地質勘探過程中的主要污染源之一。泥漿是由基礎造漿材料和處理劑組成的，它的材料性質的優化是綠色地質勘探的重要保障措施，以優化的泥漿處理劑，可以有效防止毒性和有害治療劑的高濃度積累。倡導使用生物聚合物環境保護泥漿系統，這不僅具有防止井壁坍塌、潤滑和封堵的鉆井功能，還符合生物自然降解的特點，不會損害環境的酸堿平衡，是無毒的，免除泥漿有害成分和廢漿造成的環境污染，目前環保泥漿主要有四類：聚合醇鉆井液、有機鹽鉆井液、硅酸鹽鉆井液和甲基葡萄糖苷鉆井液。

4 泥漿的無害化處理及不落地處理

4.1 泥漿的無害化處理

由于鉆井工藝的需要，經常會加入各種化學添加劑，造成廢棄鉆井泥漿中的成分非常復雜，如果不處理好會使對環境有危害，這些物質包含各種油類、鹽類、可溶性重金屬元素（Zn、Pb、Hg、As、Cu、Be、Cr）和有機硫化物、有機磷等。隨著對固化處理技術的不斷研究，目前出現了多種固化處理技術。根據所用固化劑及固化工藝的不同，適合處理鉆井廢泥漿的主要固化處理工藝可分為以下幾種。

（1）水泥固化處理技術。水泥固化是一種用水泥為固化劑固化廢泥漿的處理方法，水泥的主要成分是二氧化硅、氧化鈣、三氧化二鋁和三氧化二鐵。固化處理用的水泥品種最常用的是普通硅酸鹽水泥。固化的原理是通過硅酸鈣和水反應，形成硅酸鈣水合凝膠，形成含有硅酸鹽纖維和氫氧化物的物質，把有害物質，和水泥一起逐漸硬化形成水泥固化體。

（2）石灰固化處理技術。石灰固化是一種用石灰作為主固化劑，用活性硅酸鹽類作為添加劑，來固化含有硫酸鹽或亞硫酸鹽的廢泥漿的固化方法。石灰凝固原理是：在和添加劑存在時，添加劑中的硅鋁酸鹽與廢棄泥漿反應，逐漸凝結和硬化，最后達到固化目的。其優點是工藝簡單，設備操作容易；材料廉價、處理過的廢泥不需要完全脫水并干燥；低滲透率；固化填料本身是待處理的廢物（如水泥窯灰），其等于用廢物處理廢物。然而，存在一些問題，例如添加石灰和其他的添加劑，使得固化體較大的體積膨脹和重量增加，這使得難以運輸和處理；酸性物質易侵蝕；凝固體的結構強度低于水泥的結構強度，因此通常不單獨使用石灰固化，而是與其他固化劑組合使用。

（3）粉煤灰固化處理技術。粉煤灰是火山灰質類混合材料，主要含二氧化硅，三氧化二鋁和其他潛在的活性成分組成。粉煤灰的凝固原理是，在水存在時，二氧化硅和氧化鋁通過泥漿中的堿性物質激發，以產生水化和硬化，反應產生穩定的水合產物（CSH和CAH），CAH將加速反應形成鈣礬石，進一步提高了凝膠組合物和鉆井廢棄泥系統的硬化質量，最終達到了固化的目的。這種方法的優點是：固化效果好，施工速度快，經濟實惠，資源環保再利用，經濟效益和社會效益都比較好。

（4）水玻璃固化處理技術。水玻璃是一種可溶性堿金屬硅酸鹽材料，由堿金屬氧化物和二氧化硅組成。它是一種無色透明的粘性液體。水玻璃具有硬化，結合和包容的性質，可用作膠結材料。水玻璃的固化方法是使用水玻璃作為主要固化基材，由無機酸性物質（如硫酸，硝酸和磷酸）補充，然后根據合適的比例的成分與廢棄泥漿混合中和和縮合脫水反應，使得有害物質可以自動脫水，凝固和硬化，最后固化。這個固化方法的優點有：原料源廣泛，價格低，處理成本低，耐酸性強，耐滲透性良好，抗浸出率低。然而，這種方法仍處于實驗階段，并且通常僅適用于毒性很少的廢棄物處理。目前，沒有一種固化劑，能夠適合所有固化任何類型的廢棄泥漿。上述固化劑通常僅適用于治理一種或某幾種泥漿，主要用于無機處理。因此，現在幾乎所有的油和天然氣田都使用組合固化劑，制備復合固化劑用于治理廢泥。

4.2 泥漿的不落地處理

目前廢棄泥漿無害處理的方法已普遍使用，但這種方法占地面積，環境風險仍然很大。鉆井廢棄物的不落地技術通過使用物理和化學方法的組合來實現鉆井過程中的廢泥漿達到排放標準，而且還降低了治理成本，并具有較小的環境風險和可操作性，它具有廣泛的適用性。目前，鉆井廢泥的不落地處理已成為鉆井環境保護的發展趨勢。典型設備的核心技術如下：①鉆井廢物隨鉆處理：主要包括廢物收集裝置，凝膠破碎和脫穩裝置，固液分離裝置等；②廢棄泥漿不落地處理技術包括：巖屑收集，分離砂石，化學處理，處理油污，泥餅脫水和水處理。③循環再利用技術：該技術采用螺旋輸送機和固相輸送機收集傳統固體控制設備產生的鉆孔碎屑，同時高頻振動篩和離心裝置用于去除廢泥漿中的有害固體顆粒；再用電化學系統去除細小和有害的固體以實現再利用。

5 無循環鉆進工藝

無循環鉆進是指在鉆探施工過程中，孔(井)內沒有沖洗液或雖有穩定液但不循環流動，依靠機械動力驅動鉆頭，回轉以破碎巖石，巖屑靠螺旋葉片或鉆斗排出孔外，孔內無泥漿循環的成孔工藝。鉆進的地層多為第四系土層或風化層，所用鉆進方法有螺旋鉆、旋挖鉆、地質勘察、土壤調查、考占鉆探、水文水井鉆探、鉆孔灌注樁等。以螺旋鉆進為例。螺旋鉆進是利用螺旋鉆具儲存或輸送巖屑的干式機械回轉鉆進方法。螺旋鉆進的優點：①在均質軟層，可獲得很高的小時效率(每小時可達幾十米)，因為能及時排屑，無重復破碎，也無液柱壓力影響；②不用沖洗液，無泥漿污染，省去設備和費用。缺點：①粘性大的粘土，鉆率低，更不適于大粒徑卵石層；②不能有地下水，因為摩擦系數小，巖屑易從葉片上滑落集于孔底。

6 水循環鉆進工藝

水循環鉆進是指在鉆探施工過程中以水作為循環介質排鉆屑。水循環鉆進有以下優點：潔凈，污染小；工藝比較成熟，操作簡單；排渣效果好，鉆進效率高。缺點是鉆進松軟地層時，孔內循環水的漏失嚴重。

7 空氣循環鉆進工藝

空氣循環鉆孔是指使用空氣作為循環介質，以去除鉆孔過程中的鉆孔碎屑。以空氣反向循環鉆探為例：目前在地質勘探中，巖石樣品被收集，通常使用鉆探溝槽，鉆探井和金剛石鉆井等工程手段，但溝槽和鉆探井的挖掘深度有限，而且地表大面積的植被將受損。金剛鉆芯鉆孔不僅需要足夠的水，而且還污染了環境。因此，在脆弱的生態環境中進行勘探工程，如厚覆蓋區域，草原干旱地區和青海西藏高原等地區進行有一些局限性。空氣反向循環鉆探技術可以有效地解決上述區域中的樣品收集問題。空氣反向工藝采樣鉆孔是用壓縮空氣作為沖洗介質，通過高壓軟管、水氣龍頭及雙壁鉆桿形成的環形通道，驅動底部的潛孔錘，利用高頻沖擊錘打破底部巖石。同時，鉆機攜帶雙壁鉆桿以低速回旋，鉆頭上的硬質合金連續沖擊巖石上新的沖擊點，將碎石從基質中剝離，然后壓縮空氣將破碎的巖石（即巖石樣品）帶回到表面通過鉆桿中心通道，并進入旋離器（即樣品收集器）。當壓縮空氣通過潛孔錘鉆頭時分離，大部分壓縮空氣進入鉆管中心通道，將巖石樣品攜帶回到地面，實現連續取芯而不停止鉆孔，少量巖石碎屑通過孔壁和鉆管環之間的空間間隙被帶回地面，這樣可以使環壁保持清潔。

8 展望

作為科學發展理念和先進的技術，綠色勘探是在礦產勘探領域實施中央生態文明戰略的重要措施。迫切需要促進地質勘探行業的轉型和升級，維持可持續和健康的發展。我們必須掌握新的形勢，實施新的要求，優先考慮生態保護，并大力推動綠色探索，我們將努力實現生態保護與資源保障之間的雙贏局勢。