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2025,52(1):1-4, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.001
Abstract:
摘要
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2025,52(1):5-16, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.002
Abstract:
深部储层油气藏资源储量丰富，由于复杂的地质因素、工程因素制约着深部油气藏安全高效开采。井壁失稳导致的卡钻、井塌、井漏等一系列问题给钻井工程造成巨大损失。本文在分析井壁失稳力学机理上，着重论述力学及其多场耦合下对井壁失稳影响机制，最后提出促进深部含层理弱面钻井理论技术的建议。研究发现：层理弱面发育、高温高压环境、地层倾角改变、岩石水化作用等因素是导致岩石力学强度弱化、深部储层井壁失稳的主要影响因素。不同倾角下的岩石力学强度存在巨大差异，含层理弱面岩石更容易发生水化膨胀，需合理优化钻井工程参数以及钻井液密度。本文较为系统地对井壁岩石力学及相关方面的研究进行了归纳，可深入了解深部储层井壁稳定性力学影响机制，为实际生产与工程实际提供参考。
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2025,52(1):25-31, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.004
Abstract:
传统的随钻测量方法应用于取心钻探时，受限于岩心管对泥浆脉冲传输通道的堵塞，随钻仪器安装于取心钻具后方，导致测量仪器与钻头之间存在较大距离，造成测量的轨迹及工况数据存在滞后性，影响钻探工艺及轨迹的精确控制。针对此问题，提出了适用于绳索取心的近钻头随钻测量系统，利用近钻头发射端实时采集工况及轨迹数据，采集到的数据经甚低频电磁波发送到与取心钻具内管总成相连接的接收端进行存储，待取心完毕打捞岩心管时将仪器提出进行数据读取。介绍了系统的整体方案及电路设计，开展了系统短传功能的室内验证试验，试验结果表明系统可在井下进行跨取心钻具的近钻头信息传输，且无线短传距离可达8 m。研究成果可为近钻头随钻测量系统的相关研究提供借鉴。
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韦海瑞, 朱芝同, 王久全, 刘阔, 贾明浩, 贾炜, 闫家, 邵玉涛, 刘广
2025,52(1):32-39, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.005
Abstract:
绳索取心是目前广泛应用的不提钻取心技术，对于水平孔和大深度直孔取心钻探，绳索取心钻具下入是一个难度大、耗时长过程，孔深越大，效率越低。本文基于液力举升工艺原理，利用冲洗液循环动力，采用正循环取心钻进、反循环液力打捞方法，在现有取心钻具基础上对投送打捞系统进行设计，研制了H口径液力举升式绳索取心钻具。依托钻探试验平台和试验孔开展了钻具孔内试验，分别进行了3次可视化台架模拟试验、4个回次取心钻进试验、2个回次液力举升试验，钻具顺利完成取心作业并成功实现钻具内管总成的液力举升回收。液力举升绳索取心钻具的研制为水平孔及大深度直孔取心钻探工艺开拓了新思路。
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韩泽龙, 李小洋, 施山山, 王瑛俪, 周庆权, 马银龙, 田英英
2025,52(1):40-47, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.006
Abstract:
在战略性矿产资源勘探取样过程中，传统的垂直孔面临着单孔投资高、获取地质信息有限等难题，无法满足高效增储勘探的需求。为此，基于绳索取心和定向钻井技术，设计了一种定向钻进连续取心钻具，能够高效精准的获取地下三维空间的地质岩心。针对该技术在硬岩中钻进效率低、钻具易折断、岩心难以连续获取等技术难点，采用仿真模拟的方法分别研究了钻压、转速、造斜率对定向取心钻进的影响。仿真分析结果表明，钻压、转速与钻进速度、造斜率和弯接头应力成正比，当钻压>30 kN、转速>230 r/min时即可满足6°/30 m的造斜需求。综合考虑钻具使用寿命，优选钻压为25~30 kN，转速为230~300 r/min。随着造斜率增大，岩心与岩心管之间的接触应力也随之变大，但最终的接触应力会保持在稳定范围内。当造斜率为9°/30 m时，最大的接触应力为514.7 MPa，均小于岩心管材质的屈服强度。上述仿真模拟为定向钻进连续取心钻具的钻进参数与造斜能力协调优化提供理论支撑。
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2025,52(1):48-54, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.007
Abstract:
位于海拔4500 m青藏高原中北部的川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻（JSD孔）终孔孔深3211.21 m、施工期仅为232 d，创造了青藏高原小口径固体矿产勘查孔深纪录及同类型钻孔全国效率纪录。本文从钻探设备及机具选型、钻探技术优化和施工组织管理等方面，系统分析了JSD孔的钻探效率提升措施。具体措施总结为，合理选择钻探设备与机具是基础，采用绳索取心液动锤钻进技术、环保冲洗液技术、孔内事故预防等特定钻探技术及方法应用是关键，标准化组织管理是保障。JSD孔高效钻进措施可为提高青藏高原深孔、特深孔施工钻探效率提供借鉴参考。
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田志超, 于森, 翟育峰, 杨怀俊, 刘振新, 杨芳, 郭曜欣
2025,52(1):55-62, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.008
Abstract:
沉积地层稳定性较差，易出现缩径、崩塌、掉块、吸附卡钻等事故，在沉积地层中开展取心钻进工作，一直是钻探领域的技术难题。本文介绍了甘肃张掖地热岩心钻探工程（ZC1井）在超厚沉积层岩心钻探施工技术，该项目通过创新应用多种钻进工艺方法，开展了冲洗液体系、深孔取心机具、跨口径绳索取心钻进等的研究应用，解决了超厚沉积层导致的孔壁失稳、吸附卡钻、钻具失效、钻进效率低等难题，形成了针对超厚沉积层连续取心钻进工艺体系，为后续同类型复杂地层钻孔施工提供了借鉴。
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2025,52(1):63-68, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.009
Abstract:
干式钻进对环境的影响很小，在没有冷却介质的情况下，对于钻进一些遇水或钻井液发生反应或者产生新的污染等情况而言，可有效解决钻孔取心问题，因此，该方法是地外天体采样的重要手段之一。然而以往地外天体钻头多为硬质合金钻头，对于钻进坚硬岩层具有一定的局限性。金刚石钻进是一种比较先进的回转钻进技术，在油气勘探和地质勘查中应用广泛，是钻进坚硬岩层的利器。本文针对坚硬花岗岩开展了金刚石钻头的干式钻进试验研究，探讨了钻进参数及钻头种类等对钻进过程热特性的影响。研究结果显示：PDC钻头的升温速率较常规表、孕镶取心钻头更低，约为常规孕镶钻头的1/2；PDC取心钻头在适宜的工艺参数下，可实现花岗岩的干式钻进；干式钻进中转速对金刚石钻头升温的影响较大，且呈现非线性增长趋势；钻头在空气中的降温曲线整体呈现指数下降趋势。在300 ℃降温至100 ℃过程中，降温速率≥60 ℃/min。该研究成果可为科学设计与合理使用干式钻进钻头提供依据。
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2025,52(1):69-78, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.010
Abstract:
深层页岩具有高水敏性及高温特性，水化-温度协同效应对泥页岩物理及力学性质存在较大影响。以四川盆地龙马溪组深层页岩为研究对象，基于XRD衍射、扫描电镜、水化-温度协同浸泡、超声波及室内力学压缩等实验获取了页岩在不同温度条件下浸泡后的裂缝参数、声波参数和力学参数。研究结果显示：在常温（24 ℃）及高温（120 ℃）环境下，随浸泡时间增加，声波能量产生衰减，高温环境下纵、横速度下降幅度分别是常温环境下的1.41倍和1.71倍；水化作用导致岩样裂缝参数产生变化并具有阶段性，声波衰减系数及水化结构损伤系数在水化初期、中期、末期，分别呈现快速增加、缓慢增加和趋于稳定的趋势，高温环境下声波衰减系数及水化损伤系数分别是在常温环境下的1.72和2.98倍；浸泡后页岩力学参数出现劣化，岩样抗压强度、弹性模量、内摩擦角及粘聚力呈阶段式下降，高温环境下页岩力学参数降幅分别是常温环境下对应力学参数降幅的1.24、1.42、2.06和1.39倍。研究结论可为优化深层页岩水平井钻井地质设计及调整钻井液密度提供一定理论依据。
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2025,52(1):79-84, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.011
Abstract:
挠轴是超短半径柔性马达单元节间扭矩传递的关键部件。针对超短半径柔性马达钻进过程中存在挠轴断裂等失效现象，本文对柔性马达内部挠轴进行了力学建模和设计强度校核，采用有限元仿真对柔性马达单元节间扭矩传递过程中挠轴的力学特性进行应力分析，并通过室内试验测试柔性马达的机械性能进而分析挠轴的力学特性。结果表明，挠轴在传递扭矩中，其根部及花键接触面是扭矩传递中的应力集中区域，且挠轴疲劳寿命可满足井下连续作业需求。有限元分析和室内测试均表明挠轴可传递扭矩500 N·m，可实现交变弯扭应力下柔性马达内部扭矩载荷传递。这为超短半径柔性马达在水平井开发中的钻进工艺提供了重要的理论依据，对提高超短半径水平井水平段的钻进长度和钻进效率提供了新型的技术手段。
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2025,52(1):85-93, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.012
Abstract:
南海地区被证实富含油气资源和天然气水合物资源，在油气钻井过程中常钻遇水合物地层。固井作业是油气开发的重要环节，在深水钻井中，固井过程中水泥水化放热可能引发水合物的分解，降低地层稳定性，甚至影响固井质量。本研究采用数值模拟方法，以南海神狐海域GMGS-1工程SH7站位水合物地层为对象，建立了固井数值模型，分析了固井过程中水泥浆侵入水合物地层所引发的问题及固井工艺参数的影响。研究发现，水泥水化放热速率的增加会显著提前反侵现象的发生时间，增加反侵量；固井压差对反侵现象影响较小，但超过一定阈值后会抑制反侵；延长保压时间会显著推迟反侵的起始时间，减少反侵量。因此，在实际工程中，建议采用低水化热水泥，适当延长保压时间，并在早期阶段避免过高的固井压差，以减少水合物的分解，降低反侵现象的发生。本研究为水合物地层的固井作业提供了理论基础，对提高固井作业的安全性和效率具有重要意义。
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代锐, 马传华, 黄洪林, 吴艳辉, 罗鸣, 李文拓, 张波涛, 高热雨
2025,52(1):94-102, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.013
Abstract:
裂缝性地层钻进时，由于井筒压力波动导致的地层呼吸效应易被误判为溢流而采取不必要的压井措施，严重影响钻井安全。为此，研制了可用于模拟裂缝性地层呼吸效应的实验装置，探索了钻井液循环压力、裂缝张开压力和岩石类型对钻井液漏失与返排特征的影响。研究表明，裂缝性地层呼吸效应是一种可逆性漏失，其发生过程为漏失-拟稳态-返排。随着钻井液循环压力的增加，钻井液最大漏失量和返排量均增加；随着裂缝张开压力的增加，钻井液最大漏失量增加，而返排量减少；相对于砂岩和灰岩，特低孔低渗的花岗岩的漏失量更大，而返排量更小。研究结果为分析深部裂缝性地层呼吸效应特征、区别其他工况而采用正确措施等提供了理论基础。
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2025,52(1):103-109, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.014
Abstract:
针对钻井过程中裂缝型、溶洞型等严重漏失问题，提出双液法堵漏。具体是将两种或多种不同性质的流体同时注入井筒，利用混合后流体产生的触变性达到封堵漏层的一种新型堵漏技术。为了研究混合流体的堵漏性能，从而获得最佳堵漏配方，室内采用有机凝胶溶液配置水泥浆，并与坂土浆按不同比例混合，采用滞后环法测得混合浆体的触变性能以评价其堵漏性能。结果表明：有机凝胶加量为0.08%（与水泥质量比）时，有机凝胶溶液制备的水泥浆与0.25%浓度的坂土浆以10∶1.8的比例混合后，浆体具有最好的堵漏性能，且固化后的抗压强度能满足现场施工要求。现场应用表明利用有机凝胶溶液制备的水泥浆与坂土浆组合堵漏效果良好。
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2025,52(1):110-115, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.015
Abstract:
针对目前高温水泥浆抗高温外掺料以石英砂为主，水泥石200 ℃下高温强度衰退导致环空密封失效问题，研发了具有水化活性的富硅铝材料，其加量占水泥30%~70%时200 ℃×20.7 MPa×30 d下水泥石高温强度不衰退；将富硅铝材料作为水泥石高温强度稳定材料，优选配套外加剂，构建了富硅铝基超高温固井水泥浆体系，100~200 ℃下API失水量<50 mL，稠化时间150~500 min可调，水泥浆综合性能良好；水泥石200 ℃×20.7 MPa养护10、60、120、180 d抗压强度均>26 MPa，未见高温强度衰退。超声波强度曲线显示600 h内水泥石强度持续增长直至稳定发展，水泥石高温力学性能优异。SEM和XRD分析表明富硅铝材料参与水泥水化反应，消除体系中氢氧化钙，生成高温性能优良的铝氧四面体和硅氧四面体相互键接的空间三维网状结构，以及托勃莫来石、钙硅铝石等水化产物维持水泥石的高温强度稳定，水泥石结构致密。该水泥浆体系在干热岩固井中应用1个井次，固井质量优质，截至目前1000 d水泥环密封良好。
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魏代锋, 张猛, 冉恒谦, 马志攀, 袁文真, 厉曈曈, 李明婕, 张毅
2025,52(1):116-121, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.016
Abstract:
高原钻探难度大，相较于低海拔钻探面临着更多问题和风险。高原高寒地区的钻探设备主要通过现有设备进行改造完成。本文基于某高原高寒钻探现场应用遇到钻探设备动力不足、高原高寒润滑不充分、以及人员保障方面遇到的问题，开展钻探设备的高原高寒适应性改造。结合发动机动力下降30%的问题和高原其他设备改造电力需求，将发电机增加到8台，同时优选合适的润滑油增加设备保温装置。针对高寒、缺氧和水源质量差的问题，建立保温功能的沙漠公寓屋，同时屋内增加氧气供给设备和弥散式供氧面板，采用渗透式水源净化装置净化水源。最终解决高原钻探设备和人员面临的低温、低氧和低气压等问题，为我国高原地质资源勘探提供技术支持。
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2025,52(1):122-129, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.017
Abstract:
在深海钻探中，深水仪器在下水前通常需要进行压力模拟测试以验证水密性与耐压性，因此经常用到深水压力模拟测试系统。本文对传统的深水压力模拟测试系统进行了改进，改进后的系统电控部分主要由组态王与PLC组成。PLC作为下位机，通过其内置的A/D模块，配合压力传感器可实现对压力信号的采集，用户可以设置参数与预设程序，通过开关量输出点、接触器等实现试压泵的启停和阀门开关控制；系统支持手动、自动两种工作模式；通过PLC串口配合蓝牙串口透传模块，可实现蓝牙设备端数据显示。组态王作为上位机通过串口以Modbus RTU协议方式与下位机通讯，组态编程开发人机交互界面，实现用户对压力模拟测试全过程的加压、保压、卸荷设置，以及实现监控测试过程、显示压力曲线、显示报表等功能。深水压力模拟测试系统具有人机界面友好、模拟监控形象直观、功能齐全、性能可靠、操作方便、安全及具备可扩展性等优点。
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朱迪斯, 孟祥龙, 王胜建, 王小明, 陈兆明, 迟焕鹏, 赵洪波, 高永进, 李大勇, 岳伟民
2025,52(1):130-138, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.018
Abstract:
新苏地2井是部署在新疆塔里木盆地的一口油气地质调查井，钻进至2468.50 m裸眼完井，裸眼段长2009.24 m，地质评估后设计在原井眼加深钻探至3168 m。以500~600 m井段为例进行井壁稳定性分析。井筒被钻井液长时间浸泡导致井壁含水率增加，泥岩的粘聚力和内摩擦角等强度指标随之下降，导致井筒不具备承压能力，轻微的扰动都会造成井壁失稳。加深工程通过通井划眼阶段采用新型抗污染聚合物防塌钻井液体系、复杂井况下钻具组合搭配随钻震击器解卡、钻遇目的层采用低钻压、低转速、低排量参数组合钻进等技术方法的集成应用，解决了长裸眼段长浸泡地层带来的一系列复杂情况，保障工程顺利完工并实现了地质目的，积累形成了长裸眼段长浸泡地层钻井的宝贵经验和技术。
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2025,52(1):139-145, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.019
Abstract:
地热能开发利用对实现节能减排、绿色低碳发展具有重要意义。针对山西浅层高温地热田无干扰供热技术无应用先例、技术体系不完善等问题，通过研究试验区地质特征，集成钻探工艺、井下换热、供热控制等关键技术，提出了山西浅层高温地热田开发利用无干扰供热先导试验技术思路。试验表明：钻探试验井井深295.72 m，井底温度经测109.9 ℃，采用无干扰井下换热供热技术，系统循环流量16.90 m3/h，即可满足面积2500 m2临建供热需求，室内平均温度22 ℃。无干扰供热先导试验在山西浅层高温地热田试验成功，现场供暖效果良好，试验成果为山西浅层高温地热田开发利用提供了宝贵经验和技术支撑。
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2025,52(1):146-152, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.020
Abstract:
某露天矿边坡岩体稳定性主要受区内断层和节理裂隙等地质结构影响，为查明岩体结构面分布特征，通过对4个岩土工程勘察钻孔进行Reflex ACT Ⅲ岩心定向处理，但由于花岗岩侵入体与沉积岩接触带附近的岩体破碎、裂隙发育影响了岩心定向准确率，各钻孔高置信度的岩心定向数据比例仅为8.05%~34.29%。为此，本文采用光学电视图像（OTV）/声学电视图像（ATV）测井技术，通过高分辨率、连续、定向的360°钻孔壁图像有效获取了岩性和构造特征、关系和方向数据，提高了钻孔岩心定向的地质结构信息数据精度。在此基础上，利用赤平极射投影理论，通过动力学分析，发现该露天边坡主要破坏模式是楔形滑动破坏，概率为12.66%~34.99%，其次为平面滑动，概率为3.40%~20.36%，为露天开采边坡控制提供了依据。
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2025,52(1):153-161, DOI: 10.12143/j.ztgc.2025.01.021
Abstract:
本文研究的危岩体处于一座小型古亭下方的地基部位，在保护古建的前提下，治理危岩体的难度明显增大。由于危岩体位置高陡，其下方已形成倒三棱锥形崩塌岩腔，并且危岩体所在岩石陡壁坡脚处为石景山古建山体特色景观公园的景观小路，以上因素对危岩体的治理提出了严峻挑战。经多方案比选，最终采取了在危岩体下方采用工字钢斜撑内支撑环治理措施。经实施及竣工后观察，该措施对小型古亭地基的保护及治理效果良好。本研究对于类似特殊条件下的危岩治理工程具有一定借鉴作用。
2025年第52卷第1期
综述
深地智能化钻探机具与技术专题
钻探理论与方法
钻探技术与装备
工程实践与应用
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水平定向钻进破岩数值仿真及力学特性分析
Abstract:
水平定向钻进技术在城市地下空间开发、资源勘探等领域具有广阔的应用前景,但其破岩过程复杂,研究水平定向钻进过程的动态特性及参数响应规律十分重要。本文以PDC钻头和牙轮钻头为研究对象,基于ABAQUS建立了水平定向钻进地层的三维有限元仿真模型,模拟了钻头在钻进过程中岩体的变形、破坏和钻头的受力情况,得到了钻头的反力和扭矩的响应曲线,并分析两种钻头破岩动态特性的差异。通过参数化仿真,研究了不同钻进参数和岩石力学参数对钻头破岩动力学特性的影响规律。基于响应面分析法建立了钻头反力和扭矩的多元参数回归预测模型,从而得出两种钻头的钻速预测方程,并验证了该方程具有较高的精确性,为优化钻进参数、提高钻进效率提供了理论依据。
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引黄济宁工程隧洞第三系软岩物理力学及变形特征初步研究
Abstract:
青海省引黄济宁工程隧洞第三系地层分布范围广,隧洞埋深大。针对隧洞第三系地层围岩稳定性问题,采用试验及经验分析的方法进行了第三系地层软岩物理力学及变形特征初步研究。结果表明：第三系地层岩石密度较低,吸水率较高；饱和状态下岩石单轴抗压强度急剧降低,软化系数极低；部分岩性具有膨胀性；少量岩性耐崩解性较差；引黄济宁工程隧洞第三系地层岩石在富水条件下力学性能差,对围岩稳定不利。当埋深大于127m时,引黄济宁工程隧洞第三系围岩可能产生严重-极严重挤压变形,施工中应根据围岩变形特征,有针对性地采取工程措施,以减少围岩变形的危害。
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定向钻技术在隧洞超前地质预报中的应用初探
Abstract:
由于地质条件复杂性及当前针对深埋长隧洞勘察设备、相关技术理论的局限性，深埋长隧洞工程在施工前勘察期间很难全面查明相关工程地质问题，可能对工程的顺利实施造成一定影响。探索将定向钻探技术运用于深埋长隧洞施工期超前地质预报工作，利用水平定向钻机较好的导向功能及长距离快速钻进特点，实现对隧洞掘进前方重大风险的超前探测，为超前处理及应急措施提供依据, 有效弥补常规技术手段下长距离超前探测的不足。本文结合引江补汉工程7#施工支洞，根据不同的地质条件及预报重点，采用了不同类型钻机进行了超前预报技术方法探索，并对比分析了超前预报成果及实际开挖揭露地质条件。分析认为定向钻技术旨在超前探测开挖面前方重大致灾构造，结合钻进特征、物探测试等手段可基本实现目的，为提高预报时效性，钻孔宜减少取心的比率。基于现有技术水平分析，定向钻钻进效率高于钻爆法、TBM法开挖掘进效率，可实现超前探测，定向钻技术在钻爆法、TBM法施工隧洞的超前探测方面具备可行性。
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基于构造解析及孔内成像技术的以钻代槽绿色勘查技术试验应用
Abstract:
以钻代槽是利用浅层钻探替代槽探工程，提高绿色勘查程度的一种工作方法。前人主要从钻探设备与取样工艺适用的角度，论证了该方法的有效性，并通过多个钻孔中标志层的识别与对比，获得孔内面状构造的倾向等产状数据。然而，多个钻孔势必会增加对环境的扰动，且在面对复杂的岩层及构造变形区时，存在因无法准确识别和对比标志层，而不能计算出产状的问题。构造解析与孔内成像技术能够提高以钻代槽的绿色勘查效果。在西秦岭辛家咀金矿勘查区，利用构造解析的方法，查明了与成矿作用有关的石英透镜体不同轴长的比例特征，为钻孔部署提供了遵循；在钻孔中实施了孔内成像技术试验，识别了孔壁岩性，测量了地层与石英脉的产状，其数据与临近出露的基岩一致。试验结果表明，基于构造解析与孔内成像技术的以钻代槽勘查新方法，相较于前人更多依赖钻探工程的以钻代槽，以较少的钻探工作量，获得了更为准确和丰富的数据，提高了绿色勘查的水平。另外，采用锂电池驱动的便携式电动钻机以更加轻便、更加安全和更加友好的性能，呈现出更加绿色的特点，具备推广应用的价值。
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