地質(zhì)鉆探：開(kāi)啟地心大門的神奇鑰匙

（本文發(fā)表于2025年第2期）

作者簡(jiǎn)介劉蓓，高級(jí)工程師，主要從事鉆探工程技術(shù)研究和管理工作。

在冰天雪地的南極，科學(xué)家通過(guò)地質(zhì)鉆探獲取冰心，這些冰心就如同珍貴的時(shí)間膠囊，封存著遠(yuǎn)古時(shí)代的大氣樣本，為我們講述著氣候變化的漫長(zhǎng)故事；在黑暗幽深的海底，科學(xué)家借助地質(zhì)鉆探取樣，發(fā)現(xiàn)了不依賴陽(yáng)光的生態(tài)系統(tǒng)，這些“生命綠洲”的存在，徹底顛覆了人類對(duì)生命極限的認(rèn)知。地質(zhì)鉆探就像一把神奇的鑰匙，正在慢慢為我們打開(kāi)地心的大門，讓我們通過(guò)了解地球內(nèi)部的構(gòu)造和演化規(guī)律，得以更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)地震、火山等自然災(zāi)害，還能更好地開(kāi)發(fā)利用能源資源，為人類的可持續(xù)發(fā)展筑牢根基。

地質(zhì)鉆探是什么

地質(zhì)鉆探，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用專門的鉆探設(shè)備，從地表向地下鉆進(jìn)，獲取地下巖石、土壤、礦物等樣本的技術(shù)手段。它就像一位勇敢無(wú)畏的探險(xiǎn)家，深入地球內(nèi)部，為我們揭開(kāi)地球的內(nèi)部構(gòu)造、物質(zhì)組成，以及演化歷史的神秘面紗。

常見(jiàn)的鉆探設(shè)備是鉆機(jī)，它種類繁多，按照鉆進(jìn)方式劃分，有回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、沖擊鉆機(jī)和回轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī)3種?；剞D(zhuǎn)鉆機(jī)工作時(shí)，仿佛拿著電鉆打孔，通過(guò)回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)，利用鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削或磨削來(lái)破碎巖土；沖擊鉆機(jī)則如同拿著大錘子砸東西，借助動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)讓鉆頭產(chǎn)生周期性、高頻的沖擊力，以此破碎巖土；回轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī)綜合前兩者特點(diǎn)，兼具旋轉(zhuǎn)切削和沖擊破碎的能力。若是根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)方式劃分，又有機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)、全液壓鉆機(jī)和變頻直驅(qū)鉆機(jī)3種。機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)靠齒輪、皮帶等機(jī)械部件傳遞動(dòng)力；全液壓鉆機(jī)則是利用液體來(lái)傳遞能量；變頻直驅(qū)鉆機(jī)更先進(jìn)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鉆桿和鉆頭，省去了中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)。不同類型的鉆機(jī)適用于不同鉆探目的、地質(zhì)條件和鉆進(jìn)深度，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，地質(zhì)工作者會(huì)根據(jù)具體情況精心挑選。

在鉆探過(guò)程中，鉆桿不斷向地下延伸，鉆頭持續(xù)切削巖石和土壤。為了防止鉆孔坍塌，保持孔壁穩(wěn)定，通常會(huì)往鉆孔中注入泥漿，或者采用其他支護(hù)措施。當(dāng)鉆頭到達(dá)預(yù)定深度，就可以通過(guò)鉆桿或?qū)Ｓ萌⌒墓ぞ?，將地下的巖（礦）心、土壤樣本提取到地面，供地質(zhì)人員分析和研究。

> 鉆探獲取的地下巖（礦）石樣本

> 鉆探取心工具和取出的巖（礦）心

> 機(jī)械傳動(dòng)鉆機(jī)

> 全液壓鉆機(jī)

地質(zhì)鉆探的重要性

地質(zhì)鉆探在科學(xué)研究和人類社會(huì)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位，是我們認(rèn)識(shí)地球、探尋資源、開(kāi)展建設(shè)的關(guān)鍵手段。

礦產(chǎn)資源勘探“尖兵”

在礦產(chǎn)資源勘探領(lǐng)域，地質(zhì)鉆探發(fā)揮著不可替代的作用。通過(guò)鉆探獲取的地下礦石樣本，能幫助我們確定礦產(chǎn)的儲(chǔ)量、品位和分布情況，為礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用提供關(guān)鍵依據(jù)。以石油和天然氣勘探為例，地質(zhì)鉆探就像精準(zhǔn)的“導(dǎo)航儀”，幫助確定地下油氣藏的位置和規(guī)模。對(duì)鉆探樣本進(jìn)行分析，還能了解油氣藏的地質(zhì)特征和儲(chǔ)層性質(zhì)，為油氣開(kāi)采提供技術(shù)支持。

2025年，深地塔科1井通過(guò)鉆探鉆至地下10910米，成為亞洲第一、世界第二垂直深度井，在10851~10910米井段發(fā)現(xiàn)油氣顯示，這是全球陸上首次于萬(wàn)米以下深度探測(cè)到油氣資源，為深層油氣勘探開(kāi)辟了全新領(lǐng)域。2024年，曼蘇拉馬薩拉金礦南部實(shí)施了兩個(gè)地質(zhì)鉆探孔，在地面400米以下位置采集的樣本顯示，每噸樣本含金量分別達(dá)到了10.4克和20.6克，預(yù)計(jì)整個(gè)金礦帶長(zhǎng)達(dá)125千米，此次勘探發(fā)現(xiàn)的金礦屬于世界級(jí)金礦。

> 油氣鉆探（圖片來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)）

地質(zhì)科學(xué)研究“利器”

地質(zhì)鉆探是地質(zhì)科學(xué)研究的重要“武器”。通過(guò)分析不同深度的地層樣本，可以了解地球內(nèi)部構(gòu)造、巖石圈演化歷史，以及地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制，等等。例如，研究鉆探獲取的湖泊沉積物樣本，能揭開(kāi)地球古氣候與生態(tài)演化的神秘面紗。2024年，納木措國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃在青藏高原腹地納木措展開(kāi)，鉆取7個(gè)鉆孔，在湖底提取了951.12米長(zhǎng)的巖心。其中，第 7個(gè)孔的鉆探深度達(dá)到510.2米，刷新了我國(guó)湖泊鉆探的最深紀(jì)錄，為研究青藏高原過(guò)去百萬(wàn)年以來(lái)氣候環(huán)境的變化提供了全新的科學(xué)證據(jù)。同年，中國(guó)第40次南極科考，通過(guò)地質(zhì)鉆探鉆穿了545米厚的冰層及冰巖夾層，獲取了連續(xù)冰心樣品和0.48米的基巖樣品，成功鉆取東南拉斯曼丘陵地區(qū)冰下基巖樣品，這是我國(guó)乃至國(guó)際極地鉆探技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，鉆取的冰下基巖樣品對(duì)南極冰川運(yùn)動(dòng)、冰下地質(zhì)環(huán)境、冰下地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)活動(dòng)的研究提供了關(guān)鍵依據(jù)。

> 納木錯(cuò)湖泊科學(xué)鉆探（圖片來(lái)源：新華社）

> 中國(guó)第40次南極科學(xué)考察鉆探獲取的冰心樣品

（圖片來(lái)源：央視新聞）

工程建設(shè)“參謀”

在工程建設(shè)中，地質(zhì)鉆探可以為建筑物、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)與施工提供重要的地質(zhì)信息。通過(guò)鉆探，我們能清楚地了解地下的地質(zhì)條件，比如土層性質(zhì)、巖石強(qiáng)度、地下水分布等，從而為工程設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。在高速公路和鐵路建設(shè)中，地質(zhì)鉆探能幫助確定線路的最佳走向和隧道的合適位置。2019—2020年，川藏鐵路某隧道勘察項(xiàng)目面臨巨大挑戰(zhàn)，工程處于川西高原，該地區(qū)生態(tài)脆弱、交通不便、地形切割強(qiáng)烈、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，常規(guī)的豎向鉆探無(wú)法實(shí)施，采集的地質(zhì)信息也不全面，難以滿足深埋隧道工程地質(zhì)勘察要求。經(jīng)過(guò)論證，采用超長(zhǎng)水平定向鉆探技術(shù)能夠克服地形障礙，滿足了工程勘察和生態(tài)環(huán)保的雙重要求，通過(guò)水平鉆探完成了903.28米的超長(zhǎng)水平取心鉆孔，直接查明了隧道洞身的巖層完整性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，還掌握了隧道挖掘路線上潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，為鐵路建設(shè)工程設(shè)計(jì)提供了可靠的原始數(shù)據(jù)和實(shí)物資料。

地質(zhì)鉆探技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

雖然地質(zhì)鉆探在多個(gè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)巨大，而隨著鉆探深度的增加和地質(zhì)條件的日益復(fù)雜，這項(xiàng)技術(shù)也面臨著諸多難題。

鉆探深度的挑戰(zhàn)

隨著鉆探深度不斷加大，技術(shù)難題接踵而至。深部地層巖石的硬度和強(qiáng)度大幅增加，鉆進(jìn)難度直線上升。同時(shí)，深部地層的高溫高壓環(huán)境，對(duì)鉆探工具和鉆孔安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。目前，人類已經(jīng)能夠鉆探到地表以下數(shù)千米甚至萬(wàn)米以上，全球陸地最深科學(xué)鉆井SG—3鉆井，深度達(dá)12262米，最深油氣鉆井Sakhalin—1鉆井，深度達(dá)到15000米。然而地球地殼的平均厚度約17000米，把地球比作雞蛋的話，地殼就像蛋殼，現(xiàn)在最深鉆井還沒(méi)有完全穿透“蛋殼”。因此，想要進(jìn)一步深入探索地球內(nèi)部，還有許多鉆探技術(shù)難題亟待攻克。

> 地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：騰訊新聞）

復(fù)雜地質(zhì)條件的考驗(yàn)

不同地區(qū)的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，有些地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖石破碎，斷層眾多，還存在高溫高壓環(huán)境，給地質(zhì)鉆探帶來(lái)了很大的困難。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，鉆孔內(nèi)的鉆探儀器設(shè)備易出現(xiàn)故障，鉆孔也很容易坍塌，獲取地質(zhì)樣本更難上加難。因此，在鉆探前必須詳細(xì)搜集和分析工作區(qū)的地質(zhì)條件，謹(jǐn)慎選擇合適的鉆探儀器設(shè)備和技術(shù)。

> 復(fù)雜地層示意圖（圖片來(lái)源：劉志強(qiáng)）

綠色勘探的要求

地質(zhì)鉆探過(guò)程中會(huì)擾動(dòng)周圍自然生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生大量的廢棄物和污染物，如泥漿、巖屑、廢水，等等。如果這些廢棄物得不到妥善處理，就會(huì)污染環(huán)境。因此，在地質(zhì)鉆探過(guò)程中，要因地制宜采用綠色勘查新裝備、新工藝和新方法，實(shí)施有效的環(huán)境保護(hù)措施，鉆探結(jié)束后對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行復(fù)墾復(fù)綠，最大程度降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

地質(zhì)鉆探技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向

智能化鉆探技術(shù)引領(lǐng)潮流

如今，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化、智能化鉆井技術(shù)發(fā)展迅猛，在鉆機(jī)設(shè)備、井下工具、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等方面都取得了顯著進(jìn)展。不過(guò)，我國(guó)在這方面起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。21世紀(jì)以來(lái)，歐美等國(guó)家陸續(xù)完成了對(duì)鉆機(jī)的自動(dòng)化和智能化升級(jí)。升級(jí)后的鉆機(jī)配備了先進(jìn)的自動(dòng)換桿系統(tǒng)、可視化鉆孔規(guī)劃和自動(dòng)定位功能，還能遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。有的鉆機(jī)甚至配備了鉆探機(jī)器人系統(tǒng)，包括鉆井平臺(tái)機(jī)器人、升降機(jī)機(jī)器人、鉆桿裝卸系統(tǒng)及機(jī)器人鉆工等，實(shí)現(xiàn)鉆探全過(guò)程自動(dòng)化。國(guó)外一些公司研制的智能鉆桿和智能鉆頭也已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，這些智能鉆桿和智能鉆頭極大地推動(dòng)了隨鉆測(cè)量、隨鉆測(cè)井、地質(zhì)導(dǎo)向等技術(shù)的發(fā)展。隨著科技的不斷進(jìn)步，智能化鉆探技術(shù)將成為未來(lái)地質(zhì)鉆探的主流發(fā)展方向。智能化鉆探設(shè)備能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。在進(jìn)行危險(xiǎn)環(huán)境下鉆探作業(yè)時(shí)，能夠大幅提高安全性。鉆機(jī)還能根據(jù)巖石的硬度和強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，顯著提升鉆探效率、精度和質(zhì)量。

> 智能鉆頭（圖片來(lái)源：張?chǎng)析危?/p>

綠色鉆探技術(shù)備受青睞

綠色勘查在國(guó)外起步較早，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和實(shí)踐。加拿大、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家在立法層面，對(duì)勘查活動(dòng)全過(guò)程的環(huán)保提出了強(qiáng)制性要求，勘查工作中必須開(kāi)展環(huán)境管理，盡可能在最大程度上減少勘查活動(dòng)對(duì)環(huán)境的不利影響，像鉆探、槽探這類對(duì)地表環(huán)境擾動(dòng)較大的活動(dòng)還需要獲取環(huán)境許可證。國(guó)內(nèi)的綠色勘查工作雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，在技術(shù)、實(shí)踐和法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)等方面都取得了不少成果。綠色鉆探技術(shù)涵蓋先進(jìn)的鉆探工藝、環(huán)保型泥漿、廢棄物處理、節(jié)能減排等技術(shù)，能有效減少鉆探過(guò)程中的環(huán)境污染和能源消耗。例如，“以鉆代槽”技術(shù)用地質(zhì)鉆探取代地質(zhì)槽探工作，可大幅減少對(duì)地表的挖損破壞；“一基多孔”和“一孔多支”鉆探技術(shù)，即在一個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行多個(gè)方向的鉆孔施工，或者在一個(gè)鉆孔內(nèi)采用定向技術(shù)分支鉆進(jìn)，能減少鉆探轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù)，降低工程修筑場(chǎng)地和運(yùn)輸?shù)缆返拿娣e，有效控制鉆探活動(dòng)對(duì)原始地形地貌和地表植被的擾動(dòng)范圍。綠色勘查是礦產(chǎn)資源勘查工作堅(jiān)定不移貫徹生態(tài)文明思想的具體實(shí)踐，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)地質(zhì)勘查工作持續(xù)健康高質(zhì)量發(fā)展意義重大，綠色鉆探技術(shù)也將會(huì)在行業(yè)內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用。

> “一基多孔”和“一孔多支”鉆探技術(shù)

（圖片來(lái)源：渠洪杰）

深部鉆探技術(shù)成為重點(diǎn)

目前，全球陸地最深科學(xué)鉆孔深度為12262米，最深油氣鉆井深度達(dá)到15000米，最深的金礦勘探取心鉆孔深度為5422米，中國(guó)巖金勘查第一深的鉆孔在山東萊州西嶺金礦區(qū)，深度為4006.17米，而且世界上最深的科學(xué)鉆孔和取心鉆孔的深度記錄都是采用鋁合金鉆桿創(chuàng)造的。隨著人類不斷深入探索地球內(nèi)部奧秘，深部鉆探技術(shù)將成為未來(lái)地質(zhì)鉆探的重點(diǎn)發(fā)展方向。深部鉆探技術(shù)需要克服地層高溫高壓等技術(shù)難題。比如采用新型鉆桿、鉆頭材料和先進(jìn)鉆進(jìn)技術(shù)可以提高鉆井深度，研發(fā)耐高溫高壓的泥漿材料、鉆井儀器和鉆具，確保它們?cè)谏畈康貙娱L(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

地質(zhì)鉆探為我們逐步揭開(kāi)了地球內(nèi)部的神秘面紗，為礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)科學(xué)研究和工程建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐。隨著科技進(jìn)步，地質(zhì)鉆探技術(shù)將不斷助力人類探索地球深處，為資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境保護(hù)創(chuàng)造更多條件。

作者： 劉 蓓

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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