（本文發表于2025年第2期）

作者簡介劉蓓，高級工程師，主要從事鉆探工程技術研究和管理工作。

在冰天雪地的南極，科學家通過地質鉆探獲取冰心，這些冰心就如同珍貴的時間膠囊，封存著遠古時代的大氣樣本，為我們講述著氣候變化的漫長故事；在黑暗幽深的海底，科學家借助地質鉆探取樣，發現了不依賴陽光的生態系統，這些“生命綠洲”的存在，徹底顛覆了人類對生命極限的認知。地質鉆探就像一把神奇的鑰匙，正在慢慢為我們打開地心的大門，讓我們通過了解地球內部的構造和演化規律，得以更精準地預測地震、火山等自然災害，還能更好地開發利用能源資源，為人類的可持續發展筑牢根基。

地質鉆探是什么

地質鉆探，簡單來說，就是利用專門的鉆探設備，從地表向地下鉆進，獲取地下巖石、土壤、礦物等樣本的技術手段。它就像一位勇敢無畏的探險家，深入地球內部，為我們揭開地球的內部構造、物質組成，以及演化歷史的神秘面紗。

常見的鉆探設備是鉆機，它種類繁多，按照鉆進方式劃分，有回轉鉆機、沖擊鉆機和回轉沖擊鉆機3種。回轉鉆機工作時，仿佛拿著電鉆打孔，通過回轉裝置帶動鉆桿和鉆頭旋轉，利用鉆頭的旋轉切削或磨削來破碎巖土；沖擊鉆機則如同拿著大錘子砸東西，借助動力傳動系統讓鉆頭產生周期性、高頻的沖擊力，以此破碎巖土；回轉沖擊鉆機綜合前兩者特點，兼具旋轉切削和沖擊破碎的能力。若是根據動力傳動方式劃分，又有機械傳動鉆機、全液壓鉆機和變頻直驅鉆機3種。機械傳動鉆機靠齒輪、皮帶等機械部件傳遞動力；全液壓鉆機則是利用液體來傳遞能量；變頻直驅鉆機更先進，電機直接驅動鉆桿和鉆頭，省去了中間的傳動環節。不同類型的鉆機適用于不同鉆探目的、地質條件和鉆進深度，在實際作業時，地質工作者會根據具體情況精心挑選。

在鉆探過程中，鉆桿不斷向地下延伸，鉆頭持續切削巖石和土壤。為了防止鉆孔坍塌，保持孔壁穩定，通常會往鉆孔中注入泥漿，或者采用其他支護措施。當鉆頭到達預定深度，就可以通過鉆桿或專用取心工具，將地下的巖（礦）心、土壤樣本提取到地面，供地質人員分析和研究。

> 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

> 機械傳動鉆機

> 全液壓鉆機

地質鉆探的重要性

地質鉆探在科學研究和人類社會發展中占據著舉足輕重的地位，是我們認識地球、探尋資源、開展建設的關鍵手段。

礦產資源勘探“尖兵”

在礦產資源勘探領域，地質鉆探發揮著不可替代的作用。通過鉆探獲取的地下礦石樣本，能幫助我們確定礦產的儲量、品位和分布情況，為礦產資源開發利用提供關鍵依據。以石油和天然氣勘探為例，地質鉆探就像精準的“導航儀”，幫助確定地下油氣藏的位置和規模。對鉆探樣本進行分析，還能了解油氣藏的地質特征和儲層性質，為油氣開采提供技術支持。

2025年，深地塔科1井通過鉆探鉆至地下10910米，成為亞洲第一、世界第二垂直深度井，在10851~10910米井段發現油氣顯示，這是全球陸上首次于萬米以下深度探測到油氣資源，為深層油氣勘探開辟了全新領域。2024年，曼蘇拉馬薩拉金礦南部實施了兩個地質鉆探孔，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到了10.4克和20.6克，預計整個金礦帶長達125千米，此次勘探發現的金礦屬于世界級金礦。

> 油氣鉆探（圖片來源：人民日報）

地質科學研究“利器”

地質鉆探是地質科學研究的重要“武器”。通過分析不同深度的地層樣本，可以了解地球內部構造、巖石圈演化歷史，以及地質災害形成機制，等等。例如，研究鉆探獲取的湖泊沉積物樣本，能揭開地球古氣候與生態演化的神秘面紗。2024年，納木措國際大陸科學鉆探計劃在青藏高原腹地納木措展開，鉆取7個鉆孔，在湖底提取了951.12米長的巖心。其中，第 7個孔的鉆探深度達到510.2米，刷新了我國湖泊鉆探的最深紀錄，為研究青藏高原過去百萬年以來氣候環境的變化提供了全新的科學證據。同年，中國第40次南極科考，通過地質鉆探鉆穿了545米厚的冰層及冰巖夾層，獲取了連續冰心樣品和0.48米的基巖樣品，成功鉆取東南拉斯曼丘陵地區冰下基巖樣品，這是我國乃至國際極地鉆探技術領域的一次重大突破，鉆取的冰下基巖樣品對南極冰川運動、冰下地質環境、冰下地質構造及地質活動的研究提供了關鍵依據。

> 納木錯湖泊科學鉆探（圖片來源：新華社）

> 中國第40次南極科學考察鉆探獲取的冰心樣品

（圖片來源：央視新聞）

工程建設“參謀”

在工程建設中，地質鉆探可以為建筑物、橋梁、隧道等基礎設施的設計與施工提供重要的地質信息。通過鉆探，我們能清楚地了解地下的地質條件，比如土層性質、巖石強度、地下水分布等，從而為工程設計與施工提供科學依據。在高速公路和鐵路建設中，地質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目面臨巨大挑戰，工程處于川西高原，該地區生態脆弱、交通不便、地形切割強烈、地質構造復雜，常規的豎向鉆探無法實施，采集的地質信息也不全面，難以滿足深埋隧道工程地質勘察要求。經過論證，采用超長水平定向鉆探技術能夠克服地形障礙，滿足了工程勘察和生態環保的雙重要求，通過水平鉆探完成了903.28米的超長水平取心鉆孔，直接查明了隧道洞身的巖層完整性、地質構造及水文地質條件，還掌握了隧道挖掘路線上潛在的地質災害隱患點，為鐵路建設工程設計提供了可靠的原始數據和實物資料。

地質鉆探技術面臨的挑戰

雖然地質鉆探在多個領域貢獻巨大，而隨著鉆探深度的增加和地質條件的日益復雜，這項技術也面臨著諸多難題。

鉆探深度的挑戰

隨著鉆探深度不斷加大，技術難題接踵而至。深部地層巖石的硬度和強度大幅增加，鉆進難度直線上升。同時，深部地層的高溫高壓環境，對鉆探工具和鉆孔安全構成了嚴重威脅。目前，人類已經能夠鉆探到地表以下數千米甚至萬米以上，全球陸地最深科學鉆井SG—3鉆井，深度達12262米，最深油氣鉆井Sakhalin—1鉆井，深度達到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，現在最深鉆井還沒有完全穿透“蛋殼”。因此，想要進一步深入探索地球內部，還有許多鉆探技術難題亟待攻克。

> 地球內部結構（圖片來源：騰訊新聞）

復雜地質條件的考驗

不同地區的地質條件千差萬別，有些地區的地質構造復雜，巖石破碎，斷層眾多，還存在高溫高壓環境，給地質鉆探帶來了很大的困難。在復雜地質條件下，鉆孔內的鉆探儀器設備易出現故障，鉆孔也很容易坍塌，獲取地質樣本更難上加難。因此，在鉆探前必須詳細搜集和分析工作區的地質條件，謹慎選擇合適的鉆探儀器設備和技術。

> 復雜地層示意圖（圖片來源：劉志強）

綠色勘探的要求

地質鉆探過程中會擾動周圍自然生態環境，產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，就會污染環境。因此，在地質鉆探過程中，要因地制宜采用綠色勘查新裝備、新工藝和新方法，實施有效的環境保護措施，鉆探結束后對場地進行復墾復綠，最大程度降低對生態環境的影響。

地質鉆探技術未來的發展方向

智能化鉆探技術引領潮流

如今，國內外自動化、智能化鉆井技術發展迅猛，在鉆機設備、井下工具、控制系統和通信系統等方面都取得了顯著進展。不過，我國在這方面起步較晚，與發達國家還有一定差距。21世紀以來，歐美等國家陸續完成了對鉆機的自動化和智能化升級。升級后的鉆機配備了先進的自動換桿系統、可視化鉆孔規劃和自動定位功能，還能遠程監控，實時數據傳輸。有的鉆機甚至配備了鉆探機器人系統，包括鉆井平臺機器人、升降機機器人、鉆桿裝卸系統及機器人鉆工等，實現鉆探全過程自動化。國外一些公司研制的智能鉆桿和智能鉆頭也已實現商業化應用，這些智能鉆桿和智能鉆頭極大地推動了隨鉆測量、隨鉆測井、地質導向等技術的發展。隨著科技的不斷進步，智能化鉆探技術將成為未來地質鉆探的主流發展方向。智能化鉆探設備能實現自動化操作、遠程監控和故障診斷。在進行危險環境下鉆探作業時，能夠大幅提高安全性。鉆機還能根據巖石的硬度和強度自動調整鉆進參數，顯著提升鉆探效率、精度和質量。

> 智能鉆頭（圖片來源：張鑫鑫）

綠色鉆探技術備受青睞

綠色勘查在國外起步較早，已經得到廣泛應用和實踐。加拿大、美國、澳大利亞等國家在立法層面，對勘查活動全過程的環保提出了強制性要求，勘查工作中必須開展環境管理，盡可能在最大程度上減少勘查活動對環境的不利影響，像鉆探、槽探這類對地表環境擾動較大的活動還需要獲取環境許可證。國內的綠色勘查工作雖然起步較晚，但發展迅速，在技術、實踐和法規標準等方面都取得了不少成果。綠色鉆探技術涵蓋先進的鉆探工藝、環保型泥漿、廢棄物處理、節能減排等技術，能有效減少鉆探過程中的環境污染和能源消耗。例如，“以鉆代槽”技術用地質鉆探取代地質槽探工作，可大幅減少對地表的挖損破壞；“一基多孔”和“一孔多支”鉆探技術，即在一個場地進行多個方向的鉆孔施工，或者在一個鉆孔內采用定向技術分支鉆進，能減少鉆探轉場次數，降低工程修筑場地和運輸道路的面積，有效控制鉆探活動對原始地形地貌和地表植被的擾動范圍。綠色勘查是礦產資源勘查工作堅定不移貫徹生態文明思想的具體實踐，對促進國內地質勘查工作持續健康高質量發展意義重大，綠色鉆探技術也將會在行業內得到更廣泛的應用。

> “一基多孔”和“一孔多支”鉆探技術

（圖片來源：渠洪杰）

深部鉆探技術成為重點

目前，全球陸地最深科學鉆孔深度為12262米，最深油氣鉆井深度達到15000米，最深的金礦勘探取心鉆孔深度為5422米，中國巖金勘查第一深的鉆孔在山東萊州西嶺金礦區，深度為4006.17米，而且世界上最深的科學鉆孔和取心鉆孔的深度記錄都是采用鋁合金鉆桿創造的。隨著人類不斷深入探索地球內部奧秘，深部鉆探技術將成為未來地質鉆探的重點發展方向。深部鉆探技術需要克服地層高溫高壓等技術難題。比如采用新型鉆桿、鉆頭材料和先進鉆進技術可以提高鉆井深度，研發耐高溫高壓的泥漿材料、鉆井儀器和鉆具，確保它們在深部地層長時間穩定工作。

地質鉆探為我們逐步揭開了地球內部的神秘面紗，為礦產資源勘探、地質科學研究和工程建設提供了重要的技術支撐。隨著科技進步，地質鉆探技術將不斷助力人類探索地球深處，為資源開發和環境保護創造更多條件。

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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