工程钻探(engineering drilling)

为工程地质勘察、供水水文地质勘察、地下水开采和工程施工所进行的钻孔施工技术工作。是工程勘察的技术专业之一。主要是为工程地质勘察和供水水文地质勘察提供采取岩、土、水实物样品和安置各类地质试验、监测仪器的钻孔。

简史   人类最早应用钻探技术是为开采地下水。中国在公元前2世纪中期，便使用铁制的锄、锸、凿等工具开凿采取地下卤水的大口径浅井。秦代，在四川用大口径浅井取卤制盐的有广都、广汉和南安三个县。到了汉代，井数增加，开采区扩大到18个县。唐代，则井的数量、深度和凿井范围更加扩大，凿井技术达到了新的水平，仅四川境内就扩展到68个州县。

到了宋代，创造了世界上最早最深的小口径深井，称为卓筒井。利用杠杆原理进行绳索，中击钻进，使用了有竹制立式或卧式绞车的冲击钻进装置、锻铁制的冲击钻头，并采用竹制套管保护井壁，用抽筒捞砂和汲卤等。据不完全统计，到宋代绍兴年间(1132年)四川20个州已凿井4900多口。盐井钻探过程中发现了石油和天然气，油气井的开凿更进一步推动了钻探技术的进步。此后的几百年间，中国又有了与现代绳索冲击钻探的机械相类似的竹、木制钻探装置、钻进和处理事故工具，以及包括钻进、护壁、测斜、纠斜和处理事故等的钻探工艺。中国的绳索冲击钻探技术于11世纪传入西方，进而出现了现代钢丝绳冲击的机械钻进，其钻进原理至今仍在沿用。现代的机械回转钻进始于19世纪中叶，随着碎岩磨料的进步，钻探方法、设备和钻探，中洗介质相继发展。1844年开始，用中空钻杆、循环介质排渣的回转钻进方法。1862年，由一位生活在巴黎的瑞士工程师里舒特(J.R.Leschot)发明了现代金刚石钻头，开始了金刚石钻探的历史。1862～1863年，里舒特在钳工彼海特(Pihet)的帮助下，造出了第一台简单的手摇钻机。1864年，意大利在开凿切尼斯山隧道工程中造了一台用蒸汽驱动的钻机。1867年，美国人布洛克(M.C.Bullock)设计的蒸汽驱动的钻机申请了专利。英国的毕芒特(Beaumont)少校设计的一种金刚石钻机，于1875年钻出了深达697.5m、孔径为130mm的钻孔。1886年，德国人曾设计了复合式金刚石钻机，用钢绳冲击钻头钻浅部软岩层，用金刚石钻头钻进硬岩层，成功地钻进了一口深达1748m的钻孔。1878年，美国沙利文机械公司的总工程师赫尔(A.Hall)设计了沙利文式金刚石钻机。1880年以后，这种金剐石钻机被广泛推广使用。1899年，美国首创铁砂钻进，20世纪50年代逐渐被钢粒代替。1916年，德国最先采用了硬质合金钻进工艺。20世纪初期，开始研究冲击回转钻进工艺。50年代初，民主德国开发了反循环钻进。在钻机方面，20世纪初，手把给进式、螺旋差动给进式和液压给进式等各类回转式钻机相继问世；60年代有了动力头式钻机。此后，美国等国家研制了多功能复合钻机，80年代出现了全自动钻机。

随着钻进方法的不断进步，钻探用的冲洗介质也在不断地改进。20世纪初期到20年代，从广泛地使用清水钻探逐步发展到利用井内粘土自然造浆；20年代末期到40年代，由传统的细分散泥浆发展到粗分散抑制性泥浆，并开始用仪器测定泥浆性能；50～60年代末期，出现低固相聚合物泥浆和抑制能力强的油包水反相乳化泥浆；70年代后，又有不分散低固相和无固相钻井液，并研制出可用于200℃以上高温地热井钻探的泥浆，电子计算机也开始用于钻进和钻探冲洗液的控制。

中国工程钻探在中华人民共和国建立前没有形成行业，1950年随着工程勘察行业组织的出现而逐渐专门化，并形成为钻探工程中的重要分支。50年代初至60年代，工程钻探除用人力冲击钻探、手动钢绳冲击钻探外，还使用地质勘探岩心钻探设备和钢绳冲击钻机。这期间，冶金系统首先在工程钻探中采用了水压钻探，还创造并系统地总结出在大块碎石地层能够有效地进行钻进的经验，并在60年代末开始研制适合水井钻进的反循环钻机。70年代中期，中国的工程钻探行业纷纷研制各种工程勘察钻机，其中包括冶金系统的冲击一回转复合式钻机和工程地质钻机。70年代末期，冶金勘察系统研究成功悬吊风管式气举反循环钻进工艺。随着勘察工作向深度和广度方面扩展，以及钻探技术应用领域向其他方面延伸，许多先进钻探技术，如金刚石绳索取心钻进、潜孔锤钻进、空气钻进和定向钻探等已在工程钻探中得到运用。

分类   工程钻探按使用目的划分，可分为工程地质钻探、供水水文地质钻探、水井钻探和工程施工钻探；按采用的口径划分，可分为常规口径钻探和大口径钻探；按钻探施工场所划分，可分为陆地钻探和水上钻探。

工程地质钻探   为取得勘察场地的工程地质资料和岩土物理力学参数而进行的垂直孔、倾斜孔或水平孔钻进的全部工作。主要目的是：(1)根据工程地质技术要求采取扰动的或不扰动的岩、土样品和水试样；(2)为在钻孔中进行抽水、注水或压水试验，或为测定某层岩土的物理力学指标，钻进成孔并安放各类试验仪器。工程地质钻探具有以下特点：(1)地层松散，钻孔多位于覆盖层中，钻进中孔壁难以稳定，一般需采取护壁措施，以完成钻进工作；(2)钻进中需连续或间断地用取土器采取土样和岩样或进行工程地质子L内试验；(3)一般情况下，单孔作业周期短，搬迁设备和钻探工具较频繁；(4)除矿井设计所需勘察孔、露天矿边坡勘察孔等少数孔外，大多数钻孔深度较浅，常在10～50m范围内，钻孔直径常为76～150mm；(5)使用的钻探设备较轻便，运移性较好，功能较多。

供水水文地质钻探   为获取水文地质资料而进行的钻探工作，通常简称水文地质钻探。主要目的是通过钻孔采取岩、土样和水样，揭露含水层和进行水文地质试验，以研究地质剖面和含水层的特性等(见水文地质钻探)。其主要特点：(1)地层复杂，钻孔多位于卵石、砾石层，砂层或基岩裂隙带、破碎带和岩溶发育地层中，钻进中孔壁极度不稳定，且护壁堵漏困难；(2)钻孔孔身结构复杂，常需下入多层套管；(3)钻孔深度较大，一般为100～300m，深井有的接近或超过1000m，钻孔直径通常在300～500mm之间或更大；(4)钻探工序多，需要在完成钻子L后进行成井、抽水试验和安装观测仪器等作业；(5)钻进方法多样，往往采用单一的钻进方法难以达到预定深度；(6)钻探设备组成复杂，功能多。

水井钻探   为开采地下水所进行的钻探工作。其目的在于钻出井眼，安装井管和过滤器，安放抽水设备，抽取地下水。水井钻探的特点与上述供水水文地质钻探大致相同，但孔径往往更大些，井管外要止水，且需是永久性的止水(见管井施工)。当地下水的温度较高时，便成为热水井，则施工和安装更加复杂(见地热钻探)。

工程施工钻探   以工程施工为目的的钻探工作。此类钻探应用范围甚广，工程的技术要求和钻进条件各异，钻进方法、设备类型较多(见大口径钻探)。

钻探施工   钻探的主要对象是地层，因此岩石可钻性是选择工程钻探设备、钻探工具和钻进工艺的基础。钻孑L须按设计的钻探点位进行施工，不得任意地改动。钻探施工程序一般包括测定孔位、平整场地、安装设备、稳定孔口、开孔钻进、正常钻进、采取样品(见工程钻探取样)、测斜(见钻孔偏斜)、岩土描述、钻孔编录等。正常钻进时，可借助钻探冲洗介质排除岩粉(屑)。当钻进中遇到地层漏失时，需采取钻孔堵漏措施；当钻孔发生偏斜或孔内事故时，需进行专门处理，包括必要时进行钻孔爆破。水文地质孔或水井钻孔完成后，需进行成井工序作业。

展望   随着国民经济和科学技术的发展，钻探机具设备向着自动化、多功能、仪表监测方向发展，为全面实现科学地控制钻进参数提供了物质条件，从而可进一步改变某些工序单凭经验判断的状况；破岩将从单纯的机械破碎向使用物理的、力学的和化学的综合作用破岩方向发展；随着立方氮化硼(CBN)、硼化铝(AlB₁₂)、碳化硼(B₄C)、人造白碳和四氮化三硅等超硬材料的研制并逐渐用于钻进，将使钻探的效率大幅度提高，钻探的单位进尺消耗将大为降低；随着微电子学的发展和微型电子计算机在工程钻探中的广泛应用，对实现科学钻探、提高人为控制能力创造了条件。