‘壹’ 崩塌调查评价的技术方法
崩塌地质灾害的调查评价涉及很多技术方法，主要有:遥感图像解译、工程地质测绘、地球物理勘探、钻探、山地工程、室内试验及现场试验、模型试验和模拟试验、动态监测等。
(一)遥感图像解译
1.基本要求
1)遥感图像解译应在搜集资料阶段完成，并编制工程地质解译图，为野外踏勘和设计编写服务。
2)区域性解译采用1∶50000～1∶67000的航片，崩塌体部分选用大比例尺(1∶10000～1∶1000)航片。有条件时，宜采用多时相的彩红外、红外、彩色、黑白、侧视雷达等多种航片进行综合解译。
3)一般采用目视解译，尽可能对航片进行光学处理和数字处理，突出有效信息，提高解译水平和效果。
4)建立不同航片的直接解译标志(形态、大小、阴影、灰阶、色调、花纹图形等)和间接解译标志(水系、植被、土壤、自然景观和人文景观等);进行室内解译，编制解译地质图和像片镶嵌图，规划调查工作和要解决的重点问题。
5)进行解译验证，建立准确的解译标志，同时建立健全解译卡片和验证卡片，以积累详细准确的地质资料。
6)提交的成果为:①解译灾害地质图;②解译卡片;③验证卡片;④典型相片集;⑤解译报告;⑥调查所需的其他解译图件。
2.解译内容
1)划分地貌单元，确立地貌形态、成因类型、微地貌形态及发育特征;确定地貌与地质构造、地层岩性与工程地质条件之间的关系;确定崩塌体产出的地貌单元，分析判断崩塌与地貌的关系。
2)解译崩塌体产出的地层岩性特征。
3)解译崩塌与构造的关系。确定主要构造形迹(褶皱、断层)的分布和规模，与崩塌形成的关系。
4)解译地表水、地下水对崩塌形成及其堆积物稳定性的作用及影响。判定大泉、泉群、地下水溢出带，确定洼地、漏斗、落水洞、天坑等岩溶现象的分布，圈定地表水体分布范围，了解水系发育特征。
5)解译崩塌体边界，推测其厚度和体积，判译其形成机制和类型。根据崩塌区地貌形态、植被情况及彩红外影像特征等，初步分析崩塌的形成时间和稳定状况。
6)推断危岩体将来发生崩塌的体积、范围、方位、位移距离，圈定成灾范围，分析派生灾害，初步进行灾情评估。
(二)工程地质测绘
1.基本要求
1)比例尺的确定:综合区域工程地质测绘为1∶25000～1∶50000;崩塌灾害环境地质测绘初步调查为1∶10000～1∶1000，可行性研究阶段测绘为1∶2000～1∶500。
2)测绘范围:外围环境地质调查，以查明与崩塌体成生有关的地质环境和小区域内崩塌发育规律为准;崩塌体的测绘范围应为其初步判断长宽的1.5～3倍，并应包含其可能造成危害及派生灾害成灾的范围。
3)使用的地形图必须是符合精度要求的同等或大于测绘比例尺的地形图。
4)实测地质体的最小尺寸一般为相应图上的2mm。特别重要的，不足2mm可扩大表示，但须注明实际数据。地质点位与地质界线的误差不应超过图上的2mm。
5)开展测绘之前，应实测地层剖面，建立地层岩性柱状图，确定填图单元。
6)测绘方法采用穿越和追索相结合。重要边界要追索。覆盖地段应采取人工揭露。
7)观测点布置应目的明确、密度合理，崩塌边界、地质构造、裂缝等要有足够的点控制。观测点的类型分为:岩性点、地貌点、地质构造点、裂隙统计点、水文地质点、外动力地质现象点、裂缝调查点、崩塌壁调查点、崩塌体调查点、崩塌变形点、灾情调查统计点、人类工程活动调查点、采样点、试验点、长观点、监测点等。
8)观测点的测量要求:测绘比例尺小于1∶5000时，采用目测和罗盘交会法定位，高程可根据地形图和气压计估算。测绘比例尺大小1∶5000时，必须用仪器测量。重要的观测点、勘探点、监测点，不管比例尺多大，均须用仪器测量。
9)野外记录要求:①采用专门的卡片记录观测点，分类系统编号，卡片编号与地点号一致;②记录须与野外草图相符;③描述应全面又突出重点;④进行点与点之间的路线描述和记录。
10)采集具代表性的岩土样、水样进行鉴定和室内试验。
11)测绘过程应经常校对原始资料，及时进行分析，及时编制各种分析图表，及时进行资料整理和总结，及时发现问题和解决问题，指导下一步工作。
12)测绘工作结束，原始资料整理完毕，应组织野外验收。在全面系统的资料整理和初步分析研究的基础上，应提出以下原始成果:①实际材料图;②野外地质草图;③实测地层柱状图;④实测地层剖面图;⑤观测点记录卡片;⑥山地工程记录表及素描图;⑦长观记录和监测记录;⑧岩土、水样试验成果一览表;⑨照片册;⑩文字总结;瑏瑡数据化的资料。
2.测绘内容
1)岩体工程地质测绘:查明岩体的地质时代、成因类型、岩性、接触关系等。
2)土体工程地质测绘:查明土的粒度成分、矿物成分、密实度或稠度、空隙性、土体结构、成因类型及地质年代等。
3)地貌和斜坡结构调查:①以微地貌调查为主，包括分水岭、山脊、斜坡、谷肩、坡脚、悬崖、沟谷、河谷、河漫滩、阶地、剥蚀面、岩溶微地貌、塌陷地貌和人工地貌等。调查描述各地貌单元的形态特征(面积、长度、宽度、高程、高差、深度、坡度、形体特征及其变化情况)、微地貌的组合特征、过渡关系及相对时代;②重点调查崩塌体产生的地貌单元，侧重于沟谷地貌和斜坡地貌的调查，查明斜坡的结构类型与坡面特征;③分析岩溶地貌、流水地貌与崩塌的关系;④调查人工地貌(采场、水库大坝、道路、人工边坡等)与崩塌的关系。
4)地质构造调查:理清调查区构造轮廓、构造形迹特点，调查褶曲、断层、节理裂隙的位置、产状、规模、力学性质及其与崩塌的关系。
5)新构造运动和地震调研:以收集资料为主。
6)水文地质调查:调查地表水体的位置、范围、动态与地下水的关系，地下水的补、径、排条件，地下水露头的位置、出流特征、动态变化等。在此基础上，综合分析地表水、地下水对崩塌的作用。
7)人类活动调查:调查人类工程活动的现状与规划、人类活动诱发的不良地质现象或地质灾害。
8)崩塌区的调查:①查明崩塌区的地质结构:包括地层岩性、地貌、地质构造、岩土体结构类型、斜坡组构类型及其对崩塌形成的控制和影响。岩土体结构要重点记录软弱夹层、断层、褶曲、裂隙、裂缝、岩溶、采空区、临空区、侧边界、底边界;②查明崩塌区的水文地质特征，包括地表水入渗及产流情况，崩塌体内地下水水量、水质及侵蚀性;③早期崩塌的运移和堆积;④未来崩塌成灾条件下可能的运移和堆积;⑤本次崩塌灾害可能派生的灾害类型(如泥石流、滑坡、涌浪等)和规模、成灾范围、灾情预评估。
9)环境地质体调查:调查崩塌区外的地质体的稳定性，为防治工程持力层选择提供依据。
10)孕灾因素调查:调查与崩塌形成有关的孕灾因素(如降雨、地表水冲蚀、地下水活动、人工爆破、地下开采、水渠渗漏等)的强度与周期。
(三)地球物理勘探
物探技术要求按现行的专业标准执行，主要物探剖面应与工程地质剖面一致。
(四)钻探
1.基本要求
1)要编制钻孔设计书(包括钻孔的目的、类型、深度、结构、钻探工艺等)。
2)钻孔深度应穿过崩塌体底界。进入稳定岩(土)体3m(土体)至5m(岩体)。
3)孔径应满足取心及测试要求。
4)要进行钻空简易水文地质观测。
5)钻孔结束后应作封孔处理，按要求保留岩心。
2.钻孔地质编录
这是最基本的第一手成果资料，应在现场及时地分回次进行记录;要注意残留岩心的分配和岩心采取率的计算;钻孔地质编录应使用统一的表格。
1)岩心的描述:坚硬岩层，应描述岩石名称、颜色、成分、结构、构造、节理裂隙、风化及破碎程度、岩心长度和完整性等;卵、砾层，应描述其名称、颜色、岩性、成分、大小、形状、充填物含量及胶结情况;砂类土层，应描述其名称、颜色、成分、粒度、干湿状态、夹杂物等;粘性土，应描述其名称、颜色、成分、结构特征、可塑性、稠度等。
2)节理裂隙描述:确定节理裂隙类型、成因、连续性、张开程度、充填物、裂隙率;断层描述:断层性质、破碎带宽度(深度)、擦痕、构造岩、岩心完整性、漏水和涌水情况等。
要重视岩溶、裂缝、滑带及软弱夹层的描述和地质编录，水文地质观测记录和钻进异常记录，取样记录。
3.钻探成果
钻孔终孔后，要及时整理并提交钻探成果，包括钻孔设计书、钻孔柱状图、岩心素描图、岩心照片、简易水文地质观测记录、取送样单、钻孔报告书等。
钻孔柱状图的比例尺一般为1∶100至1∶200，以能清楚表示主要地质现象为准。图的内容、样式、标注等应符合相应的规范。
4.钻探方法解决的主要问题
1)查明崩塌体的岩性、地质构造、岩土体结构、风化带、岩溶、边界条件和崩塌体的形态特征、规模。
2)查明崩塌区的水文地质条件，采取地下水样。
3)探测隐伏裂隙、地表裂隙的深度、发育特征、充填情况、充水情况和连通情况。
4)采取岩土体物理力学室内试验样品，进行水文地质野外试验(压水、抽水、注水、扩散试验等)和长期观测，确定水文地质参数，查证崩滑带位置和特征。
5)进行物探综合测井和跨孔测井，扩展探测范围。
6)进行崩塌变形长期监测和施工期变形监测。
(五)山地工程
1.山地工程解决的问题
1)试坑:深度小于3m。用于剥除浮土，揭露基岩，了解岩石及风化情况，或用作载荷试验及渗水试验。
2)探槽:深度一般不超过3m。用于剥除浮土，揭示基岩，多垂直于岩层走向布设。用于追索构造线、断层、崩滑体边界，了解残坡积层的厚度、岩性等。
3)浅井、竖井:浅井深度小于15m，竖井深度大于15m。用于探查风化岩体的划分、岩土体的结构构造、软弱夹层、裂缝和溶洞等，进行原位试验及变形监测。
4)平斜硐:一般断面为1.8m×2m，适用于岩层倾角较陡以及斜坡地段。用于勘查地层岩性、岩体结构构造、断层、裂缝和溶洞等，并用于取样、现场原位试验及现场监测。
5)平巷、石门:没有直接地表出口而与竖井相连接的近水平坑道，不常用。
2.山地工程的地质工作
(1)地质编录内容
1)揭露的岩土体名称、颜色、岩性、结构、构造、层面特征、厚度、接触关系、地质时代、成因类型、产状。软弱夹层应放大比例尺进行素描，并注意其延伸性和稳定性。
2)岩石风化特征及风化卸荷带的划分，风化与裂隙、裂缝的关系。
3)断层:产状、规模、断距、断层形态与展布特征、破碎带的宽度、构造岩、两盘岩性、断层性质等。
4)裂缝、裂隙:逐条描绘裂缝及贯穿性较好的节理，记录其性质、壁面特征、成因、裂缝张开、闭合情况、充填情况、连通情况、相互切割关系、错动变形情况、渗漏水情况。
5)崩滑带及重力变形带作为描述的重点，放大表示。要描述其厚度、岩性、物质组成、构造岩、产状、含水情况等。
6)水文地质现象:注意滴水点、涌水点、渗水点、连通试验出水点、临时出水点。关注其产出位置、水量，与裂缝、裂隙、岩溶及老窿的关系，水量与降雨的关系。
7)记录各种试验点、物探点、长观点、取样点、拍照点、监测点的位置、作用、层位、岩性及有关的地质情况。
(2)地质素描图的有关规定
1)比例尺一般为1∶20～1∶100。
2)探槽的素描绘制一壁一底的展示图。若两壁地质现象不同，则绘制两壁素描图。槽底长度可用水平投影，槽壁按实际长度和坡度绘制，也可采用壁与底平行展开法。
3)浅井、竖井的素描，展示图一般作相邻的两壁，平行展开，注明壁的方位。圆井展示图以90°等分分开，取相邻两壁平行展开绘制，斜井展示图需注明其斜度。
4)平硐素描展示图绘制洞顶和两壁。展开格式为以洞顶为准，两壁上掀的俯视展开法。当洞向改变时，需注明转折前进方向，洞顶连续绘制，两壁转折时凸出侧呈三角形撕裂叉口。洞深计算以洞顶中心线为主。洞顶坡度一般用高差曲线表示。
5)开挖过程中的编录:及时记录掘进中遇到的裂缝、滑带、出水点、水量、顶底板变形等现象。一般隔5m作一个掌子面素描图。对于围岩失稳而必须支护的地段，应及时进行素描、拍照、录像、采样及埋设监测仪器。
(3)取样及原位试验
按有关规定和设计要求，原位试验硐段视需要进行地质素描及试件素描。
(4)录像
有条件应对重型山地工程进行录像。录像时要记录方位及主要地质内容。
3.山地工程提交的成果
地质素描图、重要地段施工记录、照片集、录像、取样送样单、各种点位记录、重型山地工程勘查小结等。
(六)试验
目的是查明崩塌地质体及其赋存环境，为稳定性评价、模型试验、模拟试验和防治工程设计提供必须的岩土物理力学参数和水文地质参数。
1.试验工作布置原则
1)岩土成分鉴定和基本物理性质、水理性质测试，宜以岩性层或工程地质组、段为基本单元，每单元各取3～5组。
2)测试工作的重点应放在崩滑带。崩滑带的力学属性具有不均一性，应重点测试主要软弱面(最弱面)。要对崩滑带进行面上的控制。参与统计的力学指标数不宜小于6个。
3)实验工作应与其他工作紧密结合，充分利用其他手段进行取样和试验。如标准贯入试验、旁压试验、深部采样和水文地质试验可充分利用钻探;表层采样和原位试验可充分利用山地工程。
4)试验工作的布置应室内、现场相结合，现场试验耗资大且限制条件多，不宜过多投入，要根据工作阶段及实际需要合理安排。
5)对于初步选定的防治工程持力层的岩、土体，可根据防治工程的类型、荷载、受力方式和可能产生的变形形式选择测试项目。如评价持力层的抗滑稳定性、岩体抗拉稳定性、地基承载力和抗滑定性等。
2.试验内容和方法
试验的对象、内容和方法，取决于工作阶段及其精度要求。
1)初勘阶段:对崩塌—危岩体，试验要能满足评价其变形破坏特征和稳定性计算。对于相关的环境岩体(周边岩体、崩塌位移作用的地质体、防治工程持力岩土体、可能危及崩塌体的其他灾害岩土体等)，试验以能满足其稳定性和环境地质问题的定性评价为主。这个阶段以收集资料和室内试验为主。
2)预可行阶段:对崩塌—危岩体要进行分析和稳定性计算所需的测试。对相关环境岩体要进行稳定性评价等所需的简要测试。对持力岩体要进行定性或半定量分析评价所需的有关简要试验。方法以现场测试为主，同时进行相应的室内试验。
3)可行性研究阶段:对崩塌体要进行较为详细的试验，为变形分析、稳定性计算、模型试验和模拟试验提供所需的参数。对相关环境岩体，进行简要试验，以满足稳定性定性评价和环境地质问题定性研究的需要。对于持力岩体，进行一定的试验，为稳定性计算和防治工程方案设计提供所需的参数。试验方法以现场测试为主，同时进行相应的室内试验。
3.试验项目的选择
应根据崩塌的失稳机制和变形破坏的力学机制分析，选择必须的试验项目。
1)滑移式崩塌的测试项目为:①岩土成分、物理性质、水理性质;②弹性波速;③弱面抗剪强度;④水文地质试验。
2)倾倒式崩塌的测试项目为:①岩土成分、物理性质、水理性质;②弹性波速;③底部弱面抗拉强度;④岩块间岩面摩擦强度;⑤岩体抗拉强度。
3)拉裂式崩塌的测试项目为:①岩土体成分和物理性质;②抗拉强度。
4)鼓胀式崩塌的测试项目为:①岩石成分、物理性质、水理性质;②弹性波速;③底部软弱层无侧限抗压强度。
5)错断式崩塌的测试项目为:①岩石成分、物理性质、水理性质;②弹性波速;③底部岩土体抗剪强度。
4.测试方法和测试条件的选择
要根据崩塌岩土体的特征和赋存环境选择适宜的测试方法和测试条件。
1)室内渗透试验适用于砂性土、粘性土。混合土和碎石土应考虑现场试验。
2)室内压缩试验适用于粉土和粘性土，其他土类应选择现场试验。
3)室内直剪试验适用于粘性土和砂土类(样品中大于2mm的砾、块石均要捡出)。角砾状滑带土或级配混杂的碎屑状滑带土宜考虑现场试验。
4)土样中粒径大于10mm的颗粒较多时，不宜做室内三轴剪切试验。宜选择现场实试验。
5)砂类土、粘性土和黄土类宜采用静力触探。
6)浅埋防治工程选用的地基土，可采用承压板压缩试验;埋深较大(5～15m)的地基土，宜采用螺旋板荷载试验或旁压试验。
7)土体崩塌不能采用钻孔压水试验;崩塌体内有一定水位和水量时，可进行提水试验或适当的抽水试验;崩塌体内无水或微含水条件下，稳定条件允许时可采用控制性钻孔注水试验或地表渗水试验。
8)在岩体中进行现场试验难度极大，应根据弹性波观测和室内试验作选择。
9)风化岩体和软岩土可作预钻式旁压试验。
10)尚未形成贯通性弱面的危岩体应进行现场直剪试验;沿一定弱面滑移的危岩体应进行现场直剪试验。
11)水库型岩崩-危岩体，岩体裂隙发育时，考虑水库高水位淹没部分危岩体，可作抽水试验或钻孔压水试验。作压水试验前，须论证其是否影响危岩体稳定性。
12)人工快速对开裂岩土崩塌体裂缝内注水进行充水试验和连通试验，是十分危险且有害的，任何情况下都不能进行。
5.试验成果的分析应用
承担试验工作的单位应提交对崩塌地质体的综合测试报告，内容包括:①测试对象、试验方案、试验项目的确定及依据;②试验要求及有关规范;③试验技术及试验过程(试验概述、试件制备、试件数量及特征、试验仪器、试验程序、成果整理);④试验成果及综合分析;⑤试验成果建议值。
试验成果只能作为稳定性计算和防治工程设计的参考。计算参数及设计参数取值应在反演分析及其他分析的基础上，结合试验成果、模型试验、模拟试验和专家经验等予以综合确定。
(七)动态监测
1.动态监测的目的和任务
1)动态监测的目的:①评价地质灾害的活动性及稳定性;②通过监测崩滑变形块体变形的分布、规模、位移方式、方向和速率等，为分析崩塌体的变形特征、变形机制，进行稳定性评价服务，同时为防治工程设计提供重要依据;③为勘查施工安全提供预警预报，对重型山地工程施工对崩塌体的扰动及时反馈，控制勘查施工部位和施工强度，为防治工程设计提供参考;④为今后建站进行长期监测奠定良好的基础。
2)动态监测的任务:①查明崩塌体正在变形破坏的主要块体、主要部位、主要破坏方式、主要变形方向和变形速率;②进一步认识崩滑体的形体特征，分析其变形规律、发展趋势、形成机制，分析评价崩塌体的稳定性和论证防治工程设计;③监测崩塌相关成灾因素(如降雨、地表水、地下水和人类活动等)及其强度，分析评价它们对崩塌体稳定性的影响。
2.动态监测的内容与方法
(1)绝对位移监测
1)监测内容:崩塌体测点的三维坐标监测，得出测点的三维变形位移量、位移方法与位移速率。
2)监测方法:大地测量法、GPS测量法、近景摄影测量法、激光全息摄影法和激光散斑法。
(2)相对位移监测
1)监测内容:相对位移监测是设点量测崩滑体重点变形部位点与点之间相对位移变化(张开、闭合、下沉、抬升和错动等)的一种常用变形监测方法。主要用于裂缝、崩滑带和采空区顶底板等部位的监测，是崩塌监测的主要内容。
2)监测方法:简易监测法(作标记或埋桩，用钢尺等定期直接测量)、机测法(采用机械式仪表对裂缝、滑带和顶底板进行位移或沉降监测)、电测法(常用电感调频式位移计监测)。
(3)倾斜监测
地面倾斜监测:监测内容为崩滑体地面倾斜方向和倾角变化。监测仪器有盘式倾斜仪、杆式倾斜仪和T字形倾斜仪。
深部倾斜监测:利用钻孔倾斜仪测量崩滑体内钻孔倾斜变形反求各孔段水平位移。
(4)声发射监测
1)监测内容:检测岩体破裂时产生的声发射信号，用以判断岩体变形及稳定状况，并进行预测预报。
2)监测方法:采用进口或国产的声发射仪、地音仪等进行监测。
(5)地应力观测
1)观测内容:测量崩滑体内地应力的变化情况，分辨拉力区、压力区及压力变化，用以推断岩体变形。
2)监测方法:常用WL-60型应力计，YJ-73型三向压磁应力计等仪器监测。
(6)地下水监测
1)监测内容:对测区内的地下水露头进行系统的水位、水量、水温和水质等项目的长期监测。掌握区内地下水变化规律，分析地下水与地表水及大气降水的关系，进行地下水的动态特征与崩塌体变形的相关分析，为稳定性评价和防治工程设计提供水文地质资料。
2)监测方法:利用监测盅、水位自动记录仪、孔隙水压计、钻孔渗压计、测流仪、水温计、测流堰和取样等，监测泉、井、坑、钻孔、平斜硐与竖井等地下水露头。
3)适用范围:当崩塌变形破坏与地下水具有相关性，在雨季或地表水位抬升时崩塌体内具有地下水，应予以监测。
(7)地表水监测
1)监测内容:监测与崩塌相关的沟、溪、河的水位、流速、流量，分析其与地下水的联系、与降雨量的联系。
2)监测方法:利用水位标尺、水位自动记录仪、测流堰等进行监测。
(8)常规气象监测
1)监测内容及仪器:利用常规气象监测仪器(温度计、雨量计、蒸发仪等)进行以降雨量为主的气象监测。
2)适用范围:一般情况下均要进行气象监测，进行地下水监测的崩塌体则必须进行。
(9)地震监测
1)监测内容:地震力是作用于崩塌体上的特殊荷载之一，对崩塌体的稳定性起着重要作用，应采用地震仪等仪器监测区内及外围发生的地震的强度、发震时间、震中位置和震源深度，分析区内的地震烈度，评价地震作用对崩塌体稳定性的影响。
2)适用范围:适用于所有的崩塌调查评价。根据我国地震监测的现状，不宜自行设站监测，应以收集地震资料为主。
(10)人类活动监测
应针对调查区内对崩塌有影响的项目，监测其范围、强度、速度等与崩塌变形的关系。
‘贰’ 定向钻探技术在深部矿体勘探中的应用研究
受控定向钻探技术是一种可以使钻孔轨迹按照预定方向延伸的特殊钻探技术，是利用人工造斜工具使钻孔按设计轨迹钻到预定目标的一种钻进方法。该项钻探技术可以实现在一个主孔内钻进多个分支孔，已成功用于急倾斜（陡立）矿体、深部矿体和自然造斜严重矿区勘探。同时，也已广泛用于纠正钻孔弯曲、补取岩矿心、绕过孔内复杂事故层段等作业。
8.5.1 定向孔设计及其目的
马坑铁矿本阶段勘探共设计和施工2个受控定向钻孔（图8.4）。
图8.4 定向钻孔轨迹图
（a）ZK8321孔；（b）ZK7525孔
设计的原因和目的是：
ZK8321定向分支孔为验证马坑矿区ZK8321孔见矿点偏距55～75m处的矿层厚度和避开上部复杂地层、陡峭地形、青苗赔偿谈判困难等影响而设计，设计孔深900m，见图8.4a。
ZK7525孔（孔口坐标：X=2767208；Y=39507742；H=595）设计孔深1050m。该孔位于生态林边缘，机台路要通过生态林区，林业部门不同意在该处进行施工。为了尽快完成年度工作计划并达到探求铁矿333资源量的目的，经过多次与林业部门及当地村民进行协调，历时四个多月，最终选定位于原设计孔位15°方向、平距195m处作为新孔位（孔口坐标：X=2767397；Y=39507774；H=491），并以原设计穿矿点为靶点施工受控定向孔，见图8.4b。
8.5.2 定向孔轴线轨迹设计方法
定向孔轨迹设计采用倾斜平面设计法，即在空间任意倾斜平面内设计分支孔轨迹的方法，见图8.5。它假定造斜段的钻孔轨迹为圆弧形，造斜后钻孔轴线以直线穿过靶点。按此法设计的定向孔轨迹在由分支点切线和分支孔靶点确定的倾斜平面上。
图8.5 主干孔AK与分支孔KDB空间位置图
P平面为分支孔轴线倾斜平面；H平面为过靶点B的水平面；V平面为主干孔垂直平面
（1）设计坐标系的建立
建立空间坐标系OXYZ：O为开孔点坐标（0，0，0）；X轴为正向方位αX；Y轴为正向方位αX+90°；Z轴为正向垂直向上。
（2）设计已知条件
1）主干孔分支点K的孔深LK、顶角θK、方位角为αK，坐标为（XK，YK，ZK）：由测斜及计算求得；
2）分支孔靶点B的坐标（XB，YB，ZB）：由地质部门给定；
3）弯曲强度i：依据粗径钻具能否顺利通过造斜孔段、钻柱在孔内工作的安全性和造斜机具造斜能力确定。
（3）定向孔轴线倾斜平面设计步骤与方法
1）求主干孔分支点切线与靶点B所在水平面的交点C的坐标（XC，YC，ZC）：
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
2）确定造斜段的全弯曲角γ：
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
式中：R为曲率半径，m，R=
3）造斜孔段长度L1：
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
4）稳斜孔段长度L2（至靶点）：
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
5）分支孔总长度L：
L=L1+L2 （8.5）
6）倾斜平面走向αt：
αt=αK+ω（增方位造斜时） （8.6.1）
αt=αK-ω（增方位造斜时） （8.6.2）
式中：ω=180°-arccos
图8.6 倾斜平面走向与主干孔方位的关系
（a）增方位（αt由αK顺时针旋转后得）；（b）减方位（αt由αK逆时针旋转后得）
7）第一次造斜安装角φ1（图8.5中P平面与V平面的夹角）：
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
福建马坑铁矿勘查钻探技术总结与研究
8）造斜孔段设计坐标计算：
设从分支点K开始，造斜钻进LZ至F点，则有：
（a）全弯曲角γF：
γF=iLZ （8.8）
（b）顶角θF：
θF=arccos（cosθKcosγF-sinθKsinγFcosφ1） （8.9）
（c）方位角αF：
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αF=αK+∆α（增方位造斜时） （8.11.1）
αF=αK-∆α（减方位造斜时） （8.11.2）
（d）坐标（XF，YF，ZF）：
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其中：
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9）稳斜孔段设计坐标（XW，YW，ZW）的计算：
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式中：XW，YW，ZW为稳斜孔段某一点坐标；Xd，Yd，Zd为造斜终了点坐标；LW为从造斜终了点D开始的稳斜钻进长度；θd、αd分别为造斜终了点的钻孔顶角、方位角。
（4）设计程序编写
根据倾斜平面设计法的相关计算公式和已知条件，结合计算机中Excel表格强大的计算功能设计简便的程序，输入造斜强度、分支点坐标、靶点坐标，就可得出造斜孔段长度、稳斜孔段长度、造斜安装角以及钻孔各位置的顶角、方位角和坐标值。
8.5.3 钻孔空间位置坐标的计算方法
钻孔空间位置坐标是按均角全距法计算公式，计算公式为：
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式中：X、Y、Z为下测点坐标值；X0、Y0、Z0为上测点坐标值；L为上、下测点间孔段长度，m；θ、β分别为上下测点顶角、方位角均值；βX为X轴正向方位。
根据钻孔空间位置坐标均角全距法计算公式，用Excel表格编制计算程序，根据光纤陀螺仪测的孔斜数据，输入各测点孔深、顶角、方位角数据，就可得出相关的空间位置坐标。
8.5.4 定向钻进设备
（1）主要设备
定向钻进主要设备见表8.12。
表8.12 定向钻进主要设备
（2）螺杆钻技术参数
螺杆钻具结构如图8.7所示，4 LE65-3型螺杆钻技术参数见表8.13。
图8.7 螺杆钻具结构示意图
表8.13 4LZ-65-3型螺杆钻技术参数
（3）螺杆钻造斜钻具组合
造斜采用的螺杆钻具组合为：S75绳索取心钻杆+定向接头+螺杆马达钻具（1°弯外管，出厂时配制）+容心管短节+造斜钻头。
8.5.5 造斜定向仪器与定向作业
（1）定向测量仪器
受控定向孔施工采用JTL-40GX光纤陀螺测斜仪（图8.8）进行定向。光纤陀螺仪（长寿命）属于自寻北陀螺测斜仪，使用时无需在地面进行方向校准，它可以自主寻北，得出的方位值就是钻孔倾斜真北方位角，使用非常方便。仪器顶角测量采用重力加速度传感器。
JTL-40GX光纤陀螺测斜仪能在任何地区（南北半球均可）、任何场合（磁性，非磁性，裸孔，套管孔，钻杆中）应用的测斜仪，虽然价格较贵，但具有精度高、体积小、重量轻、方位零点漂移小、寿命长、维护方便等诸多优点。主要技术指标：
顶角测量范围：0°～45°，测量精度为± 0.1°，分辨率：0.01°；
方位测量范围：0°～360°，测量精度为± 2°（顶角大于1°时）；
测量方式：点测；
寻北时间：≤2min；
测量深度：2000m。
JTL-40GX光纤陀螺测斜仪井下仪装上纠偏工具引鞋，即可用来造斜定向。安装引鞋时需保证引鞋定位键槽与仪器顶部定位线在一条母线上，安装好后把仪器下放到钻具定向工具处，钻具造斜定向工具键会落入到定位槽内，称作入键。入键后，转动钻具，测量一下顶角、终点工具方位角和终点工具垂向角，当测得终点工具方位角为设计的工具方位角时，就完成了造斜定向。
图8.8 JTL-40GX光纤陀螺测斜仪
（2）仪器终点工具方位角的确定
仪器终点工具方位角α计算公式：
α=αt+α2+α3 （8.15）
式中：αt为倾斜面走向，根据设计计算所得；α2为造斜工具组合差，增方位造斜时取正值，减方位造斜时取负值，α2=h·
（3）定向操作技术要点
1）仪器使用前，进行仪器校准工作，保证引鞋定位键槽与仪器顶部定位线在一条母线上。
2）正确连接井下仪器、电缆、操作面板等之间导线，检查各密封圈是否完好，并涂抹黄油，保证密封，仪器各连接处丝扣需上紧。
3）正确组装造斜钻具与定位装置，准确测量组合差，并通过计算消除。
4）陀螺仪引鞋安装一根细铜丝，并固定牢固，以判断定向到位（“入键”）情况。
5）仪器下井时，由专人操作绞车，控制下降速度；下至离到位3～5m时，可适当加快速度，保证有一定速度入键。为了判断是否入键，可提拉几次，测出每次到位后的工具方位角，若差值不大于3°，说明已入键。
6）绳索取心钻杆上部连接专用定向提引接头，顺时针缓慢转动钻杆，每转一次，测量一下工具方位角，使其达到所需值后即可提出仪器。检查细铜丝是否断开，若无，应重新定向。
7）提升仪器时，安排专人看守孔口，待仪器快到孔口时，停用绞车，用人力将仪器拉出孔外，以免仪器受损。
8.5.6 螺杆钻造斜钻进技术
1）造斜钻具下钻前的准备与检查工作如下：
（a）造斜前，认真清理孔底，确保“三无一平”（无残留岩心、无岩屑、无金属异物，孔底要平整），孔底岩粉不得超过0.3m。
（b）清洗冲洗液循环系统，将水泵吸水管莲蓬头提离池底0.3m以上，并用纱网包好，以防脏物被吸入高压管中。
（c）认真检查水泵吸水管、高压管连接是否牢靠，水泵各部衬垫、活阀、活阀座以及压盖是否严密，水泵排水是否均匀，有无漏气、漏水、漏油等现象。同时，检查泵压表是否灵敏可靠。
（d）细心检查造斜钻具组合是否正确，并复测钻具的装合差。
（e）在地表进行螺杆钻具空载运转试验，检验螺杆钻具在不同泵量情况下的起动泵压、正常运转泵压、运转平稳状态、溢流阀开闭等情况，并做好记录。螺杆钻经地表试验，表明工作正常后方可下入孔内，以保证孔内工作可靠。
2）钻具下到一定位置、定向完成后，用上下卡盘卡紧主动钻杆，用反扭矩器（图8.9）固紧立轴导管以防转动，并在主动钻杆上做好定向方向标志。
3）缓慢将钻具下放到孔底，再将钻具提离孔底0.3～0.5m后启动螺杆钻具。待泵压升到正常值时，再缓慢将钻具下放到孔底，逐步增加钻压至所需值后开始钻进。
4）造斜钻进过程中，均匀施加钻压，以减少（轻）钻具的振动。
图8.9 自制简易反扭转器
5）保持造斜钻进参数的恒定。安排专人看管水泵，并随时观察泵压的变化，以便正确判断分析孔内情况：如泵压突然上升，要立即提动钻具，使泵压恢复正常；如发现憋泵并处理无效时，要立即关泵、卸压，提钻检查。
6）钻进过程中，随时注意主动钻杆上标志的定向方向，如发现主动钻杆扭转，要立即停止钻进并重新调整。
7）使用较大造斜强度的造斜器时，采用造、稳结合，通过合理控制回次造斜长度，使造斜段内的平均造斜强度不超过0.5°/m。
8）每造斜钻进一次，进行修、扩孔，并及时测量造斜效果，以确定下一回次的造斜参数。根据地层情况选择修、扩孔机具及其技术参数。一般情况，如果扩孔的孔径差小于5mm，可采用锥形钻头扩孔；反之，用带导向的钻头扩孔。
9）造斜钻进时，造斜钻头内取出的小岩心，用专用岩心盒装好，写上回次、造斜长度、岩心长度、孔深等，放入岩心箱中妥善保管。
8.5.7 ZK8321定向分支孔施工
ZK8321分支孔于2011年6月19日从ZK8321孔560m处开始受控定向钻进，采用国内先进的JTL-40GX光纤陀螺测斜仪和螺杆钻具进行造斜定向、测量、钻进，2012年3月30日终孔，终孔孔深863.93m，实现了预期目的。
（1）地层情况
0～272m，砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、细砂岩、细砂岩夹泥岩等；
272～356.48m，风化辉绿闪长岩；
356.48～390.80m，压碎石英斑岩；
390.80～800m，含燧石条带灰岩，中厚层质灰岩、含泥质灰岩及溶洞；
800～805m，铁矿体；
805～863.93m，中细粒石英砂岩、中薄层粉砂岩、石英砂砾岩。
（2）ZK8321主孔钻孔结构（表8.14）
表8.14 ZK8321主孔钻孔结构
续表
（3）地质设计坐标
地质设计给定条件是孔口和分支点、靶点位置相对于“北京坐标系”的坐标值，见表8.15。
表8.15 地质给定坐标点
（4）ZK8321分支孔轨迹设计
坐标系：Z轴正向——朝上，X轴正向方位0°（正北），Y轴正向方位90°，开孔点为坐标原点。在此坐标系里，根据地质给定坐标和分支点的孔深、顶角、方位角情况，按造斜强度i=0.5°/m进行分支孔轨迹设计，结果如下：
1）分支孔长度（至靶点）251.620m，其中：造斜孔段长度L1=27.805m，稳斜孔段长度L2=223.814m；
2）倾斜平面走向αt=150.796°；
3）造斜全弯曲角γ=13.902°，为增方位造斜，第一回次造斜安装角φ1=42.398°；
4）反扭矩角ψ=7.248°；
5）光纤陀螺仪工具角β=αt+ψ=158.024°。
ZK7321分支孔设计轨迹空间位置见表8.16。
表8.16 ZK7321分支孔设计轨迹空间位置表
（5）分支孔施工情况
ZK8321分支孔于2012年5月3日于孔深560m进行定向孔的施工，经过5次的螺杆钻造斜，螺杆钻钻进14.92m，其中第3、4次造斜因钻遇溶洞群（590～603.79m见10个溶洞，604.77～660.44m见22个大小不等溶洞），造斜效果不理想，加之孔内掉块严重，灌水泥护孔后扫水泥中偏孔，后穿过溶洞地层后再进行造斜，于2012年8月8日终孔，终孔孔深839.01m，实际见矿点坐标（-65.084，81.480，-800.874），验证了深部磁异常情况。
螺杆钻造斜钻进主要技术参数和造斜效果见表8.17、表8.18。
表8.17 螺杆钻进技术参数表
表8.18 螺杆钻具造斜效果
（6）分支孔实际空间位置计算
钻孔各点空间位置计算结果如表8.19，采用的是均角全距法。
表8.19 空间位置计算结果
续表
（7）钻探技术经济指标完成情况
ZK8321分支孔进尺279.01m，钻月数3.10钻月，钻月效率90.08m/钻月；台月数2.56台月，台月效率109.18m/台月；累计台月时间1840h，其中：纯钻时间404h，辅助时间1036h，停钻及事故时间400h（孔内事故175h，设备损坏15h，其他210h）。
8.5.8 ZK7525受控定向孔施工
ZK7525设计孔深950m，于2013年6月26日开孔，至2013年12月31日终孔，终孔孔深972.49m。
（1）地层情况
0～31.98m，浮土层；
31.98～690.94m，砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、细砂岩、细砂岩夹泥岩等；
690.94～904.43m，含燧石条带灰岩，中厚层质灰岩、含泥质灰岩、石英斑岩；
904.43～938.26m，铁矿体、辉绿岩；
938.26～972.49m，流纹斑岩、中薄层粉砂岩、石英砂砾岩。
（2）钻孔结构
ZK7525钻孔结构见表8.20。
表8.20 ZK7525钻孔结构
续表
（3）地质设计坐标
地质设计按“北京坐标系”给出孔口、靶点坐标值，详见表8.21。
表8.21 地质给定坐标点
（4）ZK7525定向孔轨迹设计依据
轨迹设计采用倾斜平面设计法。设计依据：
1）坐标系：Z轴正向朝上，X轴正向方位0°（正北），Y轴正向方位90°，开孔点为坐标原点；
2）造斜强度：i=0.5°/m；
3）造斜点K：孔深95.59m，顶角1.02°，方位角83.2°，坐标（-0.27，1.36，-95.58）；
4）靶点B坐标（-189.776，-32.959，-893），由地质部门给定。
（5）定向孔施工情况
ZK7525孔2013年6月28日于孔深95.59m进行定向孔的施工，经过21次的定向造斜，其中偏心楔定向造斜5次，进尺13.09m；螺杆钻定向造斜16次，进尺43.33m，其中两次因定位不准确而灌水泥重新定向造斜；2013年12月31日终孔，终孔孔深972.49m，实际见矿坐标（-153.69，-7.33，-881.99），验证了深部矿体情况，达到了地质目的。
螺杆钻造斜钻进主要技术参数和造斜效果见表8.22、表8.23。统计表明，该孔螺杆钻造斜钻进时效较低，平均时效为0.15m/h。
表8.22 螺杆造斜钻进技术参数表
（6）定向孔实际空间位置计算
钻孔各点空间位置计算结果见表8.24，采用的是均角全距法。
表8.23 定向造斜效果
表8.24 空间位置计算结果
续表
（7）钻探技术经济指标完成情况
ZK7525定向孔进尺876.10m，钻月数6.50，钻月效率134.78m/钻月；台月数6.22，台月效率140.80m/台月；累计台月时间4480h，其中：纯钻时间1093h，辅助时间1153h，停钻及事故时间2234h（孔内事故1360h，设备损坏54h，其他820h）。
（8）ZK7525定向孔解决的技术问题
1）分段定向造斜结束，稳斜钻进时，地层自然造斜严重，方位都向小的趋势变化。解决措施：及时测斜，并选择有利的地层进行纠斜。
2）孔深497～518m，地层遇水坍塌，孔内全漏失，使用泥浆无法维持孔壁稳定。通过12次分段进行高压旋喷水泥浆护壁作业，成功解决了护壁难题。
3）因多次灌水泥，如何安全、快速扫水泥成为关键。经过多次的实践，形成了一套相对可行的方法：灌完水泥后4～6h内，采用Φ50合金冲水泥，保留15～20m的水泥柱；灌水泥后24h，采用同径单管扫水泥至所需灌水泥孔段以上5m；灌水泥48h后，再用同径钻具扫水泥。
8.5.9 认识与体会
在地质条件特别复杂的马坑矿区施工定向钻孔，由于受矿区地层条件限制，造斜段为多溶洞破碎地层，在国内属于首例。通过应用螺杆钻具、新型自寻北陀螺测斜仪器等成功完成ZK8321、ZK7525定向钻孔的施工，系统地进行了受控定向钻孔剖面形态与孔身轨迹的优化设计，开展了造斜设备与机具的选择、造斜定向方法、造斜与稳斜钻进等技术工艺方法的探讨，为采用定向钻探技术进行深部铁矿勘查积累了宝贵的经验。该技术的应用实践证明，采用定向钻探技术进行深部矿产勘探，具有显着的优越性：
1）减少设备搬迁和安装，节省机场占地、平地基和分支点以上的钻探工作量，缩短工期、节约费用。
2）分支孔可避开危害较大的上部松散破碎层、溶洞地层等复杂孔段，有利于施工安全，并可大幅度提高施工效率。
3）利用定向孔实现生态环境脆弱或保护区内的矿体勘查，保护生态环境。
我们认为，采用定向钻探技术进行深部矿产勘探，不仅可行，而且必要，非常值得推广应用。
‘叁’ 深孔复杂地层护壁堵漏技术组合的优选研究
9.2.1 深孔护壁堵漏技术及其组合的优选思路
（1）护壁堵漏方法优选的重要性
为解决复杂地层钻孔护壁堵漏问题，我国钻探界几代人先后开展了艰辛的探索和研究，总结形成了一系列的护壁堵漏方法，积累了丰富的复杂地层治理经验，也研制出不少的新技术、新材料、新工艺。
纵观国内外复杂地层治理对策，在没有钻孔漏失存在时，主要护壁方法有泥浆护壁、固结护壁和套管隔离三大类；当孔内存在漏失层时，为防止泥浆漏失导致液柱压力下降而造成孔壁失稳，还需采取相关的堵漏措施。在生产实践中，针对某个具体、单一的孔内复杂问题，通常有不同的治理方法可供选择，而采用何种方法常常取决于个人的经验与爱好；当钻孔中出现多种不同特征的复杂地层时，客观上要求采用不同的护壁堵漏方法与措施的组合。
无论是采取单一的还是组合的复杂地层治理措施，要可靠、有效、低成本地解决遇到的技术难题，必须根据相关的工作程序和评价指标，深入、细致地进行技术工艺措施优化选择。钻孔越深，复杂地层钻进的难度也越大，更应重视护壁堵漏方法的优化问题。
（2）深孔复杂地层护壁堵漏原则
深孔复杂地层钻进，为防范卡（埋）钻、糊钻等孔内事故（表9.1）的发生，应遵循以下基本原则，确实做好护壁保壁工作：
表9.1 卡（埋）钻的类型与原因一览表
1）预防为主，防治结合；因地制宜，综合治理。
2）必须用泥浆作为冲洗液，及时使用，并切实用好。
3）水泥等固结护壁方法，原则在地层条件、孔内情况许可和后续工作可保证固结体稳固的情况下使用。
4）孔壁失稳与钻孔漏失伴随发生，原则应先处理钻孔漏失。尽量采用低密度低失水冲洗液钻进，发生微漏或将要遇到漏失层时在冲洗液中添加惰性材料等是预防钻孔漏失常用措施。
5）经济、合理的钻孔结构。
6）护壁工作必须有合理的钻进技术措施和操作工艺配合，如：控制提下钻速度、不在已知漏层位置开泵、控制钻进泵量、打捞内管与提钻时应随时向孔内回灌泥浆等。
（3）深孔护壁堵漏技术及其组合的优选思路与评价指标
深孔护壁堵漏技术及其组合的优选思路见“7.3.2研究工作方法”。一个好的技术工艺方案，最少必须满足二项基本条件：①能有效地解决遇到的实际难题；②应用成本低、综合效益好。要选择一个较佳的护壁堵漏方案，可从四个方面比较备选方案（表9.2）：
1）工艺措施：技术可行，操作简单；
2）应用效果：解决问题，结果可靠；
3）安全预期：隐患有限，风险可控；
4）综合费用：低。
表9.2 泥浆与套管护壁、材料堵漏与套管隔离的选择评价
9.2.2 护壁泥浆的优选
为保证复杂地层钻孔孔壁安全、钻进顺利，最基本、最有效的途径是及时选择、配制和使用适合地层特点的泥浆、时时维护好泥浆性能。
（1）泥浆优化选择要考虑的因素
1）地质条件：泥浆类型、泥浆性能应满足孔内复杂情况的要求；
2）施工情况及条件：设备状况、孔深、孔身结构、钻进方法（取心或全面、普通或绳取等钻进）等是泥浆流变性能参数设计的重要依据；
3）钻探要求：应确保安全钻进和提高机械钻速；
4）不同孔段泥浆转换：既要满足施工要求，又要避免泥浆浪费；
5）循环系统及固控设备状况；
6）地质及环保等其他要求。
（2）泥浆优化选择评价指标与要求
1）解决钻遇问题的有效性：能有效维护孔壁稳定，避免孔内复杂情况和事故的发生，确保钻进的安全和高效；
2）较好的适用性：应具有（或通过简单调整即可）维护同一钻孔中各复杂孔段孔壁稳定的性能，即能满足广谱性的要求；
3）泥浆性能应满足实际钻进工艺（绳索取心、液动锤等）要求，如：较低的固相含量、良好的流变性能、较强的清除孔底和携带岩屑能力、良好的润滑性能等；
4）使用与维护方便，成本低：配浆材料尽可能单一（泥浆组分尽量简单），使用维护简易方便；
5）无污染，无毒性；等等。
（3）泥浆优化选择方法
1）根据各复杂地层的特性，分层进行泥浆设计。
（a）初步选择泥浆类型：清水及自然造浆，细分散泥浆，不分散低固相聚合物泥浆（优质聚合物泥浆），粗分散泥浆，无固相泥浆（合成高聚物溶液、天然植物胶溶液、生物聚合物（XC）溶液、水玻璃-PHP溶液、润滑冲洗液等）。表9.3 所列是根据有关研究成果及实践经验，总结、归纳的各类不稳定地层钻探特征及其泥浆对策。
表9.3 主要复杂地层特征与泥浆对策表
（b）确定泥浆性能参数。①合理泥浆密度确定：以最小孔底压力等于地层压力为原则；②泥浆流变性能设计原则：保证携带岩屑和钻孔净化的能力；环空状态接近稳定状态，防止冲刷孔壁；尽可能降低粘度，有利于碎岩、清除岩屑，提高机械钻速；有利于降低环空压力，防止钻杆内壁结垢；具有低摩阻，即塑性粘度较低；③滤失量确定：应严格控制泥浆的滤失量；④泥饼质量；⑤pH值：一般为8～11；⑥固相含量：膨润土含量一般不超过5%等。
（c）优选泥浆材料及泥浆处理剂。参照《地质岩心钻探规程》“A.1 冲洗液化学处理剂”和相关泥浆处理剂的特性进行选择。
（d）进行体系配方试验，初步确定泥浆类型及配方。复杂地层有离子污染现象存在时，首先要进行水质和泥浆滤液的分析和测定，了解可溶盐的种类与含量，有针对性地采取措施。
2）按“泥浆优化选择评价指标与要求”，初步提出每一复杂地层的泥浆方案，最好有三个以上。
3）综合各复杂地层的泥浆方案，提出钻孔的主导泥浆类型、材料、配方等参数，并制定各复杂地层的泥浆使用对策。
9.2.3 堵漏方法与工艺的优选
钻孔漏失，复杂地层失去泥浆的有效支持作用，容易导致卡钻、埋钻，甚至钻杆折断等孔内事故，严重影响钻探工程质量与效率。针对钻遇漏失层的特征，科学、合理地选择并应用适应实际的最佳堵漏工艺技术方法，是降低钻探成本的基本途径之一。
（1）钻孔漏失的主要原因
钻孔漏失源于存在漏失通道和压差：
1）漏失的动力：泥浆液柱压力大于地层压力所形成的“压力差”作用。
2）漏失通道：“孔隙、粒径比”（地层孔隙直径与泥浆中大多数颗粒直径的比）等于或大于3时，就会发生冲洗液漏失，如易发生冲洗液漏失的地层：多孔隙、高渗透性、固结不良的地层（冲洪积层、氧化带、风化带、破碎带、错动带等）；洞穴、岩溶地层，坑道老窖、矿渣堆；天然裂隙（断层、节理等）等。
（2）堵漏技术工艺方法的评价指标
1）解决钻孔漏失问题的有效性：钻孔漏失量的减少程度，封堵漏失通道的可靠度等；
2）堵漏操作容易、劳动强度低；
3）堵漏综合费用（材料费、机具费、人工费等）低等。
（3）堵漏技术工艺方法的优化选择
思路：科学分析钻孔漏失的原因，正确选择堵漏工艺，合理选择、配制最佳的堵漏材料（堵剂），制定相应的技术措施。
基本程序和方法：
1）详细、准确了解和掌握漏失地层的情况。
（a）搞清楚发生漏失时的情况：何工作（时间）、何地层、何泥浆；钻速变化情况（在大裂隙中钻速会突然加快）；岩屑大小（岩屑颗粒大小可间接反映漏失通道尺寸的大小，如果漏失通道的尺寸大于岩屑的尺寸，泥浆中就不会含有岩屑）；泵压变化以及孔口返浆状态等。
（b）了解钻孔附近地质情况：露头处存在的断层、裂隙等状况，邻孔钻进漏失情况。
（c）综合判断漏失层位的特性和漏失量：漏失层取出的岩心情况（深度、裂隙大小、破碎程度等），判断是否存在松散、孔隙、裂隙、溶洞或节理发育等漏失通道；漏失深度，漏失层厚度，漏失量（漏失总量，每小时漏失量）等。
（d）孔内液面深度（孔内动水位和静水位）：钻具全部提出后，观测钻杆湿痕计算水位或用测绳测量孔内水位。
（e）有条件时，采用物探仪器（井温测试、示踪原子测量、电阻测量、超声波测量）或专用测漏仪（压力传感器、旋转叶片式流量计）判断漏失层位置，并通过孔内摄影了解岩石裂隙位置、溶洞大小等。
2）认真分析确定漏失性质与特征、漏失层位置、漏失层长度等情况的基础上，选择有效的堵漏技术和方法。初选提出的堵漏方案，最好有三个以上。
按堵漏体在孔内和封堵漏失通道的特征，堵漏方法可分为几大类：
（a）泥浆护壁及压力平衡钻进法：利用冲洗液密度的调整来平衡地层压力的漏失层防治措施，一般没有采用封堵漏失通道的材料。主要措施是降低泥浆密度。
（b）建立止流屏障法：套管隔离，大型尼龙袋，复合堵漏袋等。
（c）充填固结法：水泥或化学浆液堵漏材料进入漏失层的裂隙、孔隙、孔洞中并凝结固化，最终封闭漏失通道。
充填固结法（如灌注的水泥浆）为了有效封堵漏失层中的裂隙、孔隙等钻孔与地层之间的漏失通道，必须在预定深度范围内形成具有一定半径、较高强度的阻水带。其实现条件是：①应采取有效措施使浆液进入、渗透或挤入裂隙、孔隙等通道一定的距离并填充密实，如对裂隙、孔隙小的漏失层采用封闭式压力注浆。②应使浆液能在漏失层的裂隙、孔隙中停留和不被地下水稀释。如裂隙、孔隙大漏失层的治理对策：采用平衡或增阻（增加浆液流动阻力）灌浆，在浆液中掺入砂、惰性材料、纤维材料等使漏失通道由大变小、由小变微，有地下径流存在时采用速凝浆液等。③浆液经一定的时间后，能与裂隙、孔隙等漏失通道围岩胶结成具有一定强度、稳定性好的整体。
无法用泵送的堵漏材料浆液，可采用绳索取心钻杆为灌注工具：堵漏浆液倒入钻杆内后，再用泵压送替浆水。投送水泥球一般采用绳索取心钻杆。
（d）架桥填塞法：堵漏材料（惰性材料、膨胀堵剂、高失水堵剂等）进入、填充漏失层的裂隙、孔隙、孔洞等，使漏失通道减小、流动阻力增加。
架桥填塞法堵漏其实是“大颗粒架桥、小颗粒填缝、泥皮封塞”的过程，要求堵漏材料“塞得进、填得实、封得密”。因此，架桥材料要具有广泛的颗粒尺寸，并采用各种不同材料（纤维状、薄片状、颗粒状）的混合料以增加堵漏效果。架桥材料堵漏试验表明：在低压差条件下，纤维状、薄片状用于堵高渗层效果好；在高压差条件下，用粒状材料封堵裂隙比用纤维状和薄片状材料要好。
（e）顶漏钻进法：如果地层完整（孔内只漏不坍），在水源充足情况下可“顶漏”钻进。在钻孔漏失且水位很低情况下顶漏钻进法，可采取在水位以上干孔段的钻杆上涂抹润滑油（脂）、在能够正常循环的冲洗液中添加皂化油或其他润滑剂的方法，解决钻具润滑减阻问题。
在堵漏对策的选择上，不必过多关注漏失量的大小，关键要注意漏失层的地层特征及地下径流情况。表9.4所列是根据有关研究成果及实践经验，总结、归纳的钻孔漏失类型与治理对策及技术措施。
3）按“堵漏技术工艺方法的评价指标”对初选的堵漏方案进行评价、优选，确定最佳的方案，并制定相应的堵漏技术措施。
表9.4 钻孔漏失类型与治理对策及技术措施
9.2.4 套管护壁技术
钻孔结构的设计就是根据地层条件、钻孔设计深度、钻进方法、护壁措施及设备能力等因素，合理确定与钻进工艺技术方法相适应的开孔直径、换径次数及其相应深度，并确定套管的规格、数量、下入深度和程序。
（1）套管护壁的主要优缺点
钻遇复杂地层时，如能采用快速钻进技术措施穿过复杂地层，然后下入套管护壁，也就基本上能防止该复杂地层对钻进安全的危害。在钻孔深度较深，且复杂地层厚度大或呈多层出现时，钻孔结构和套管程序比较复杂：往往需要多次换径，下入多层套管；设计终孔孔径较大时，往往需要较大的开孔直径等。
（2）套管选择应注意的主要事项
1）在满足钻孔套管层级和一系列工艺要求的前提下，尽可能降低套管使用成本；
2）在具体分析各层套管的内、外荷载的基础上，选择满足安全钻探需要的套管（直径、扣型、钢级、壁厚、长度），并保证套管的尺寸、材质满足深孔护壁和特殊工艺需要；
3）隔离溶洞的套管段（长度比溶洞高度要长2～4m），应有足够的强度、刚度和稳定性；
4）周全考虑套管的起拔难度和套管事故的处理方法。
（3）套管安放的技术要点
1）下套管前的准备：①清除孔内的残留岩心、沉砂，采取措施修整孔壁、破除台肩，并将泥浆性能调整稳定；②检查套管质量，管材应符合标准，用钻头或套管接头通过准备下入孔内的全部套管；③检查要下入孔内套管的接头螺纹；④准确丈量每根套管长度，编号排队，并记录在班报表上；⑤准备齐全下套管的工具。
2）为保护孔口稳定，应牢固埋设孔口管。
3）下套管：①套管下端应安装套管鞋和木引鞋；②仔细检查套管丝扣的完好性和拧紧程度，保证接头光滑、对正；③拧接套管时，丝扣连接处应用粘结剂（如松香、沥青或环氧树脂）粘牢、拧紧；④拧卸套管禁用管钳，应用链钳或自由钳；⑤在地层破碎、松散孔段，应严格控制下管速度；⑥根据孔径与套管的级配情况，考虑套管扶正器的尺寸及设置位置，提高套管的居中度；⑦套管外部要涂油（黄油或废机油）。
4）保证套管坐稳坐实：①套管底部的岩层，应选择较硬的或较完整的层位；②清理孔底，确保套管到位（下管隔离断层破碎带时，如孔内有的坍塌物不便清除，一般可先在孔口对套管进行固定，再采用小一级口径钻进一段，然后提出钻具活动套管，使套管外的坍塌物掉入小孔内）；③套管下端用水泥或粘土封固2m左右，防止套管端部漏失；④套管与孔壁之间应灌满泥浆；⑤套管上端管口要严密封闭（一般采用环形钢板与孔口管焊接，也可采用麻布、毛巾等缠绕密塞措施，防止钻渣沉积在管外增加拔管阻力）。
5）作为技术套管使用的套管，如需保证多孔段护壁的套管或未遇可坐落的岩层仅作本孔段上部护壁的套管，可先下入一满足护壁长度的套管并采用孔口固定，换小一级钻具钻进至目标层或比较稳定的岩层后，拔出套管，扩孔重新下入套管。
6）减少深孔套管的外力作用措施：①下套管时，在套管下端堵一木塞或连接一浮套管鞋，可以增加泥浆对套管的浮力，减少下入套管过程中上段套管的负荷；②在孔口用夹持器夹住套管上端，减轻下段所受压力；③减少套管起拔阻力。下套管时，在套管外壁上进行润滑，如：在套管外壁涂抹黄油类润滑剂并在润滑层外缠绕一层PVC塑料薄膜，薄膜外再涂一层黄油。
9.2.5 深孔护壁堵漏技术组合的优选程序与方法
在地质条件复杂的矿区进行深孔钻探，施工前应做好护壁堵漏技术组合的优化设计，即：根据钻孔深度与直径、地层与构造（岩层倾角、软硬程度、节理裂隙发育程度、破碎程度等）、水文地质等情况，以及地形地貌、交通运输、水电供给、技术装备、钻探经验等条件，以优化的理念，在分层制定各复杂地层护壁堵漏措施的基础上，综合确定钻孔最佳的护壁堵漏技术组合（含科学合理的钻孔结构），以期取得好的地质效果与经济效益。
（1）确定须护壁堵漏的复杂地层孔段及其对策
结合钻探技术条件与经验，按表9.5所列项目由浅到深制定各复杂地层的护壁堵漏对策与方案：
表9.5 钻孔分层护壁措施分析表
1）没有钻孔漏失情况下，优先考虑泥浆护壁（参见“9.2.2 护壁泥浆的优选”）。钻遇松散、破碎、易水化分散等软弱复杂层发生孔壁垮塌超径时，采用固结法护壁，推荐应用高压旋喷法灌注水泥浆（见“9.3高压旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用”）。
2）钻孔漏失影响泥浆护壁的实现或造成无法正常钻进时，应按“9.2.3堵漏方法与工艺的优选”选择对策处理。
3）如果可能发生冲洗液的流动阻力大于地层的破裂压力而造成压裂性漏失，宜考虑加大钻孔直径。
（2）初步确定采用套管隔离护壁或堵漏的孔段
依据钻孔地质条件、拟采用的钻进工艺等，在钻遇目前护壁堵漏技术无法或难以解决的孔内复杂问题，初步确定需采用套管护壁的孔段：
1）特别复杂的不稳定地层，如遇溶洞、老窿、暗河及承压水气地层等，在冲洗液护壁不能奏效、水泥很难固壁时应下套管护壁。
2）泥浆不能有效护壁、水泥很难固壁的地层，往往需考虑套管隔离。
3）无法有效封堵的漏失地层，若出现冲洗液供应不上、泥浆消耗成本大、上部复杂地层垮塌等情况，也需考虑套管隔离。
4）后续钻进过程中无法使用泥浆维护孔壁稳定的孔段，一般应下套管隔离。
（3）套管隔离孔段组合
在钻孔深、直径大，且复杂地层厚或多个不同特性地层出现时，如果遇到、钻穿一段或一个复杂地层即下入套管隔离，不仅需要较多种类和数量的套管，而且需要较大的开孔直径。因此，应根据各孔段的情况，配合相应护壁堵漏措施，进行套管隔离孔段组合。组合方法：
1）跟管钻进。遇到不稳定和漏失层时，下入护壁套管，然后用小一级钻具在套管内向下钻进一段锤击跟管一段。随着钻孔深度和钻孔直径的增大，实施难度随之增大，甚至无法实施。
2）临时套管护壁——技术套管应用。①在钻孔上部固定套管内下一层活动的、可回收的技术套管。②采用较小的直径（能获得最佳技术经济指标的直径）进行“超前孔”钻进。③钻遇复杂地层必须下套管护孔时，将活动套管拔出，然后扩孔、下套管、固管。
此法在孔深较大时应用，套管起拔和下入都会很困难，并容易引发孔内套管事故。
3）强化护壁堵漏工艺措施，延长每一层套管隔离复杂地层的长度和层次。
（4）护壁堵漏技术组合优化
按安全经济要求，通过进一步优化钻孔结构，实现套管隔离与泥浆、堵漏等护壁保壁工艺措施的最佳组合。主要程序与方法如下：
1）优化钻孔结构与套管程序。套管隔离对解决孔内漏失或复杂状况，是最有效、最可靠的一种方法，它具有工艺简单、见效快、效果好、适用范围广等诸多优点。但深孔钻探大量使用套管护壁不仅存在劳动强度大、下入和起拔费工费时、材料成本高等问题，如果遇到、钻穿一个复杂地层即下入套管隔离，不仅需要较多种类和数量的套管，而且需要较大的开孔直径。优化钻孔结构的安全、经济原则：
（a）在满足地质、取心、测井要求的前提下，孔径要尽量小；
（b）孔身结构在确保钻进安全、顺利进行的前提下应尽量简单；
（c）套管程序要留有余地，以应对复杂情况；
（d）周全考虑套管的安放与起拔难度，在具体分析各层套管的内、外荷载与强度校验的基础上，选择满足强度、刚度和稳定性等安全钻探需要的、国内常见规格系列的套管。
按以上原则，确定套管的层次以及各级套管的直径、扣型、钢级、壁厚、隔离孔段长度等。
2）确定各级套管隔离的孔段中，各复杂地层钻进时和钻穿后所需采取的护壁堵漏措施。
3）综合比较不同的套管隔离程序及其相应的护壁堵漏措施组合，确定最佳的方案（表9.6），并细化具体的工艺措施。套管方案决策原则：自下而上，安全经济。
表9.6 钻孔结构优化设计决策分析表
9.2.6 马坑铁矿护壁堵漏技术组合优化成果
由于福建铁矿区岩性复杂、岩相变化大、断裂与褶皱十分发育等原因，深孔钻探护壁是关键。经过多个钻孔的试验实践，研究制定了“优质泥浆+有效堵漏、旋喷水泥浆固结、多层次套管等复合护壁”技术。该技术作为马坑铁矿深孔钻探护壁原则与工艺要点（表9.7），有效保证了钻进的顺利进行。
表9.7 石岩坑铁矿地层与护壁堵漏对策选择表
9.2.7 深孔护壁堵漏技术及其组合的优选研究体会
护壁堵漏是矿区复杂地层条件下深孔钻探的关键性技术难题。能否快速、有效地解决这一难题，不仅反映一支钻探队伍的技术水平，也直接关系到地质找矿成果的实现和效益。针对矿区、钻孔、孔段的复杂地层开展护壁堵漏技术组合优化，在综合考虑众多制约和影响的因素基础上，探寻提高护壁堵漏有效性、经济性的最佳技术工艺方法组合，具有十分重要的现实意义。为此，必须加强三方面工作：①熟练掌握各种护壁堵漏方法、工艺和措施，持续开展技术创新；②不断积累护壁堵漏及其相关钻探工作的实际成本数据；③认真总结不同复杂地层条件下的护壁堵漏成果，并进行技术经济评价。
‘肆’ 钻探工程质量情况
4.7.1 钻孔质量评定情况
该阶段钻孔质量划为三类：合格孔、参考孔和废孔。
1）合格孔：矿心采取率大于60%，钻孔弯曲度及方位角经过系统测量，达到或基本达到设计目的的钻孔。
2）参考孔：矿心采取率小于60%，顶末、底初回次采取率亦低，钻孔弯曲严重以致降低地质效果的钻孔；虽未达到设计目的，但能作为构造、矿层点使用的钻孔。
3）废孔：不符合上列条件，未达到设计目的的钻孔。
中矿段钻孔质量评定见表4.7。表中，废孔7个，工作量1792.51m，占总工作量4%强，见表4.8。
4.7.2 孔位布置
钻孔施工按各年度施工设计陆续布置，由已知到未知，由稀到密，由浅到深。孔位先经过测量布设，然后由领导、工人和地质人员三结合小组实地踏勘确定，除个别钻孔（如77线26号孔和80线19号）孔位移动超过10m外，孔位移动一般未偏离勘探线1～5m，均垂直投影于剖面图上。第一阶段有CK42、CK47孔偏离线约30m，CK42孔主矿厚度不可采，CK47孔旁补60号孔，对矿床评价无甚影响。
表4.7 中矿段钻孔质量评定情况表
表4.8 废孔情况统计
4.7.3 矿心（及顶底近矿）和岩心采取率
（1）矿心及顶底近矿采取率
主矿、小矿（褐铁矿、表外矿除外）的矿层采取质量情况见表4.9、表4.10。
表4.9 铁矿矿心及顶底近矿采取率
续表
表4.10 辉钼矿矿心采取率
（2）岩心采取率
本区构造破碎强烈，岩心采取率不高。在硅化带、断层带附近，钻孔严重漏水，岩石松软，岩心采取率更低。进入详勘阶段后，矿层层位已经清楚，构造较为明确，对矿层上覆围岩，例如大理岩、粉砂岩之类，可以降低采取要求。因此，实际上对部分远矿地段推行部分无岩心钻进。但有些断层带和含磷矽卡岩砂岩，岩心采取不高，对断层带和薄矿体的编录研究会产生一定影响。据统计，两阶段岩心采取情况如表4.11所示。
表4.11 岩心采取情况
4.7.4 钻孔弯曲度
钻探过程中测斜一般每百米进行一次，终孔后使用煤田电测井斜仪一次连续测量钻孔方位角和顶角：每50m布一测点，两点间顶角或方位角差值大于3°，加密测点到25m。测量过程中，测斜柱在磁铁矿内，受到磁场影响有时会出现方位角异常。发现方位角异常后，通常移出矿层进行复测，故测斜质量基本可靠。测斜数据处理：顶角超过5°以上的弯曲钻孔，采取计算、制图、垂直投影三个步骤表现于勘探线剖面图上。
初勘阶段使用氢氟酸测斜，CK19、CK41、CK42 等三个见主矿未测孔斜。所有钻孔未测量方位角，考虑钻孔深度较小，全作直孔处理，影响不大。
详勘阶段深孔较多，有不少钻孔超斜严重，大大降低了工程质量和地质效果，应作为今后勘探工作的深刻教训。
1）未达原设计目的，评为参考孔，计有71线83号孔、72线85号孔、75线35号孔（该孔深571.15m，至500m孔斜已达50°，以下无法测量）和82线63号孔。82线63号孔歪斜结果使这一地段的B级储量不得不降为C1级。
2）孔斜使见矿点偏离勘探线超过30m以上的钻孔，计有71线61号孔和96号孔、77线70号孔、78线71号孔、79线21号孔，其中68号孔、96号孔相距很近却分别向勘探线两侧歪斜，使矿点投影后的空间位置受到很大歪曲。
3）71线83号孔和CK34孔、72线39号孔和85号孔在剖面上几乎合到一处。
4）有些深部控制孔如95号孔也因孔斜大未能达到原来验证负磁异常的目的。
该阶段深孔孔斜情况统计见表4.12。
表4.12 第二阶段深孔孔斜情况统计
4.7.5 孔深校验
在正常钻进中，规定每钻进100m丈量钻具一次，终孔和见主矿也要丈量。在实际执行中由于钻穿主矿即停钻，一般是每钻进百米和终孔丈量钻具。发现误差超过千分之一以上即予校正：误差较小或在围岩中常一次校正，误差较大或在矿层附近常合理分配。由于所有钻孔基本上均按要求丈量钻具，超差情况很少，可以保证矿层深度的正确性。
4.7.6 简易水文观测
凡钻遇栖霞组灰岩的钻孔，全部进行简易水文观测，观测内容主要是水位、溶洞位置、高度以及充填情况。因钻孔普遍漏水严重，漏失量大于水泵最大排水量，未予观测，仅记录漏水位置。溶洞主要根据地层记录和取心情况确定，水位测量在初期定为每小班一次，后期改为每大班一次。有相当数量钻孔水文观测的系统性较差，取得的资料仅供参考使用。
4.7.7 封孔
大部分见主矿钻孔都按设计进行封孔。封孔设计一般要求使用500号水泥配成1：2：1砂浆在铁箱中搅拌均匀后，用水泵吸取自钻杆中灌入孔内；封闭深度以主矿顶板为界，下置木塞，以下填充泥土、砂石，以上按孔径计算灌砂浆30m左右，然后用取样器在规定深度取样验证封孔深度。有少数在封孔中因孔壁坍塌或思想重视不够未能取样。封孔后由钻机提交封孔报告书，作为原始资料保存。
初勘阶段钻孔未封闭，详勘阶段未封的钻孔有73线97号孔（矿层顶板为巨大溶洞），76线50号孔（孔壁坍塌）、77线14号孔（无矿）、79线水1号孔（水文孔）、79线45号孔（F10断层带）。西矿段有61线101、104号孔因未见矿用黄泥充填，其他中途停钻钻孔均未封闭。
封孔后，留作水文长期观测孔者有铁制孔口标志，其他钻孔有水泥桩或木桩孔口标志。