鑽孔測量

在地質工作中，通常把用鑽機向地下鑽鑿成的直徑較小而具有一定深度的井孔稱為鑽孔。

鑽孔測量是地球物理測井技術的重要組成部分，在鑽孔質量檢測、鑽孔定向、礦產資源評估、建井工程等方面起著極其重要的作用，特別是近年來鑽孔測斜技術套用到工程施工和工程質量檢測方面，使鑽孔測斜技術的研究和套用日益受到重視。

基本介紹

• 中文名：鑽孔測量
• 外文名：borehole survey
• 科目：土木工程
• 歸屬：地球物理測井技術
• 測量技術：鑽孔雷達測量等
• 迴轉鑽進鑽孔：無線式軌跡測量系統

基本概念

鑽孔測量是地球物理測井技術的重要組成部分，在鑽孔質量檢測、鑽孔定向、礦產資源評估、建井工程等方面起著極其重要的作用，特別是近年來鑽孔測斜技術套用到工程施工和工程質量檢測方面，使鑽孔測斜技術的研究和套用日益受到重視。

鑽孔

根據地質或工程要求，利用鑽探設備，在岩層中鑽鑿的直徑遠小於其深度的柱形圓孔。鑽孔的最上部稱孔口，鑽孔的底面稱孔底，由孔口至孔底的整個柱狀側面稱孔壁。整個鑽孔有時也稱為孔身。根據工程目的不同，鑽孔可分為地質勘探鑽孔、水文鑽孔、工程鑽孔等。

鑽孔要素

鑽孔直徑、鑽孔深度、鑽孔方向是一個鑽孔的三要素。鑽孔要素取決於工程目的和施工條件。煤田地質勘探鑽孔的直徑通常在75～172mm範圍內；直徑小於75mm的稱小口徑鑽孔;直徑大於172mm的稱大口徑鑽孔或鑽井。煤田地質勘探鑽孔的深度通常不超過1500m，深度在300m以內的鑽孔稱淺孔；深度在300～800m的稱中深孔；深度超過800m的稱深孔。鑽孔方向即鑽孔軸線的指向。地面鑽孔有直孔和斜孔（鑽孔軸線同鉛垂線間夾角小於45°的鑽孔。坑道鑽孔的方向可變性很大，可以從垂直向下到垂直向上，但多數是接近水平的鑽孔。

鑽孔結構

又稱孔身結構，指鑽孔由開孔到終孔的孔徑變化。通常在施工前對鑽孔結構進行設計，即提出對整個鑽孔與一定深度相對應的孔徑變化要求，並以剖面圖的形式繪出。設計內容包括埋設孔口管的直徑及深度、開孔直徑和鑽進深度、各個需變徑孔段的直徑和鑽進深度。如須下入套管，還應繪出套管規格、下入位置、層數及固定方法，並附文字說明以及終孔直徑和終孔深度等。孔身結構剖面又稱鑽孔技術剖面，它作為《鑽孔地質技術指示書》的重要內容之一，是鑽孔施工的主要依據。設計時，綜合考慮鑽孔的工程目的、岩層特點、最大深度、合理的終孔直徑以及鑽進方法、護孔措施、設備能力等，並在滿足地質或工程要求的前提下力求簡化孔身結構；儘量縮小整個鑽孔的直徑;盡少變換孔徑，不下或少下套管，以加快鑽進速度、降低鑽探成本。常用的設計方法是先根據鑽孔工程目的及最大鑽進深度確定合理的最小終孔直徑，再據穿過的岩層性質、孔壁穩定情況及合理利用設備功率等因素，自下而上逐段推出變徑位置以及開孔直徑。對於較複雜的孔段應考慮進行技術處理或下入套管的可能，保留進行擴孔或下入套管的備用直徑，不強求簡化。

鑽孔功能

①獲取岩心、岩屑或煤層氣樣品，必要時從孔壁補取岩樣。

②作為煤田測井通道，獲取岩層各種地球物理信息。

③簡易觀測地下含水層水文地質動態。

④有的鑽孔可探采結合，開採地下水、煤成氣，地熱等。

鑽孔測量技術

鑽孔測量技術包括鑽孔岩心編錄和取樣、常規地球物理測井（井徑、溫度、密度、伽馬測井等）、鑽孔雷達測量、鑽孔孔壁成像測井（如聲波鑽孔電視測量、光學電視測量等）、多參數水化學測井、鑽井液電導率測井、鑽孔水文地質試驗等。在工程實踐中，鑽孔岩心編錄和取樣、常規地球物理測井是常用的鑽孔測量技術，國內外均有大量的研究。

鑽孔雷達測量

鑽孔雷達和地面雷達統稱為探地雷達。探地雷達是20世紀70年代後期逐步發展起來的一種地球物理方法。該技術借鑑了其他地球物理方法的優點，並依託於迅速發展的電了技術、計算機技術和光纖通信技術，從儀器製造到軟體設計充分顯示了現代地球物理的特點。探地雷達技術具有如下顯著特點：解析度高，測量速度快（納秒級的採樣速度），信號疊加次數多（從1次至3萬多次疊加，可充分抑制背景噪聲），數據傳輸快（採用光纜傳輸），測量方式多樣（空中、地面、鑽孔、速度測量、透視測量、跨孔CT），低功耗、輕便，有一定的探測深度。

20世紀80年代，瑞典研究人員為評價高放廢物地質處置庫場址深部岩石的完整性，開始研究地面雷達在鑽孔中的套用。到20世紀90年代，鑽孔雷達技術基本成熟。同時，加拿大、瑞士和美國等國家也套用鑽孔雷達評價高放廢物地質處置庫場址深部岩石的完整性。

鑽孔雷達的測量原理是:利用寬頻帶短脈衝形式的高頻電磁波（主頻為數十至數白兆赫），以鑽孔軸線為測線，固定發射和接收天線問的距離（發/收距），沿鑽孔提/放天線進行測量。由於電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性及兒何形態而變化，因而，根據接收到的波的傳播時問（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，通過圖像處理和分析，確定鑽孔側向一定範圍內的陡傾角(或垂直)裂隙等結構面和空洞的空問位置或結構。

根據鑽孔雷達的測量原理可知，利用鑽孔雷達開展鑽孔裂隙、斷裂構造調查的最大優勢是可以確定這些結構面在岩體中的延仲和傾角特徵。但是，通過鑽孔雷達測量很難獲得被測結構面的走向/傾向。另外，由於鑽孔雷達測量所使用的光纜有較大的仲縮性，深度校正是一個繁瑣的過程。

聲波鑽孔電視測量

聲波鑽孔電視測井技術作為一種小口徑鑽孔地球物理測井工具，由於探頭採用了先進的聲波束聚焦技術、數字記錄技術和數位化數據處理技術等，其精度和測井速度較高，廣泛運用於鑽孔地質調查、水文地質調查、生產勘探和開採設計、核廢物深地質處置庫選址和場址評價、岩石工程等研究領域，用於開展評價斷裂構造的延仲特徵、岩心定位和定向排列、裂隙隙寬定量分析、鑽孔偏移測量、節理裂隙統計分析等研究。

蘇銳等詳細介紹了聲波鑽孔電視測井技術的測量原理和技術特點。利用鑽孔電視測量技術，可以獲得鑽孔孔壁連續的三維圖像，進而分析被鑽孔揭穿的結構面（如裂隙、斷裂構造、頁理、岩性分界面等）的空問結構特徵和分布特徵以及岩性的空問分布特徵等。其技術缺陷在於鑽孔電視只能“看見”鑽孔孔壁特徵，無法探測結構面沿垂直鑽孔方向的延仲特徵。

鑽孔多參數水化學測井

深部環境水文地質特徵和地下水水化學特徵研究是高放廢物深地質處置場址選址及評價研究的重要內容之一。為了獲得深部環境水化學參數，廣泛採用的方法是從深部取出地下水樣品，然後現場測量和送實驗室分析測量。這種方法的特點是分析精度高；可以根據需要分析地下水的水化學組分。其不足之處是取得的樣品數總是有限的，測量周期長，無法獲得地下水化學參數隨深度變化特徵曲線；受到取樣技術的限制，特別是在乾旱低滲透裂隙岩地區，由於含水介質非均一性、各向異性、湧水量小，獲得深部有代表性的原狀地下水樣品既是一項技術難度大的任務，又是一項費時、費力、費錢的工作;實際工作中，實驗室往往距離取樣現場遙遠，如果樣品送回實驗室分析就需要可靠的樣品儲存、運輸技術和設備，這也是一項費時、費力、費錢的任務。多參數水化學測井技術很好地克服了這些缺點。

由於鑽進過程中使用的鑽井液和潤滑劑會污染地下水，如果進行鑽孔多參數水化學測井前沒有將鑽井液和潤滑劑排除乾淨，則所獲得水化學值不能反映地下水真實的水化學特徵。

雙栓塞鑽孔水文地質試驗

雙栓塞鑽孔水文地質試驗是現場獲得岩體滲透參數的常用的成熟的鑽孔測量技術之一，廣泛套用於水利水電、岩土工程、水資源評價和石油勘探等領域。其基本原理是：用雙栓塞（也稱為封隔器）將目標含水層/岩體與其他含水層/岩體隔離開，達到準確測量目標含水層/岩體的滲透參數的目的。

對於低滲透性含水層/岩體，普遍採用雙栓塞壓水試驗技術獲得滲透參數。其特點是設備較簡單，試驗歷時較短，效率高。

迴轉鑽進鑽孔測量系統

結構

迴轉鑽進鑽孔測量系統屬於無線式軌跡測量系統，是一種固態自成系統的軌跡測量裝置，由孔底測量探管、孔口同步器和無磁鑽桿組成，其體積小、結構簡單、攜帶方便，現場的安裝快捷簡便，操作簡單。孔底測量探管主要包括：三軸加速度計及磁力感測器、數據存儲器、電池組及輔助構件。地而裝置包括：一套數據處理軟體、一台用於現場處理測量數據的計算機。

工作原理

迴轉鑽進鑽孔測量系統是利用地球重力場和地磁場原理，使測量探管對鑽孔軌跡的傾角、方位角進行測量，並通過孔口同步器實現測量時間同步記錄，再將測量數據導入計算機，通過數據處理軟體進行鑽孔軌跡圖繪製。井下工作時，首先在鑽頭後而加接兩根無磁鑽桿，之後將測量探管固定在第三根無磁鑽桿中，再加接其餘兩根無磁鑽桿，即可加接普通鑽桿正常鑽進。測量探管可以實時測量鑽進軌跡參數（井斜角、方位角等），數據處理儀留在鑽孔孔口，每鑽進一根鑽桿，在加接鑽桿的時間內，由操作人員按數據處理儀上的操作按鍵記錄測量時間。待鑽孔完鑽後，提鑽取出測量探管，將探管中的數據導入到孔口同步器，再與孔口同步器的數據進行合成，自動生成鑽孔的軌跡，並繪圖顯示（上下偏差、左右偏差），鑽孔軌跡一目了然，同時數據可列印、保存等。進而對下個鑽孔的軌跡布局進行理論指導，或進行區域及局部防突措施，使該區域鑽孔的設計及布置更加科學合理，從而達到消除瓦斯抽放盲區的目的，實現鑽孔合理布置。同時儀器所用電源為可充電電池，節約生產成本。

測量實例

阜康黃山村鑽孔測量

測區己知有16個需測鑽孔，測區附近僅有4個互相不通視的GPS E級點區內地形起伏較大，有樹林和田地，GPS E級點與16個需測鑽孔也互不通視在這裡採用常規測量，根據測量規範要求，需要引測控制點到與鑽孔通視附近的位置曰完成鑽孔測量工作需要4-5人、3-4天，勞動強度大，加之天氣現象的因素，常規測量受到極大影響工作成本高、速度慢。

根據測區實際情況，採用GPS-RTK測量本次使用的GPS-RTK測量系統為美國產天寶5800動態GPS及商業解算軟體1台套。

鑽孔測量是在測區己有控制點基礎上，採用Trim-b1c5800RTK1+1接收機及自動存儲手簿進行測量，基準站設定在測區中心位置附近且地勢較高的控制點上，流動站距離基準站小於5km，其質量存儲控制水平限差0.015m；垂直限差0.020m；觀測時間5秒為了避免坐標轉換時投影變形過大，Trimb1c5800RTK 1+1在測量過程中加入測區3個控制點校正鑽孔位置測至封孔標誌中心，高程測至標石面，並提供地面高程數據整個外業工作在1天時間裡就完成了，第二天就提供了測量成果GPS-RTK測量精度符合工程測量規範要求，滿足地質勘查工作的需要在類似項目工程中完全可以使用GPS-RTK進行測量和複測孔位。