深部找礦關鍵鉆探技術問題與對策

張金昌

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000)

深部找礦關鍵鉆探技術問題與對策

張金昌

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000)

在找礦突破戰略行動逐步推開實施的今天，鉆探工作量大幅度增加，施工的深孔特深孔數量急劇增長，對鉆探技術和裝備提出了前所未有的挑戰。就鉆探技術的新進展、深孔鉆探存在的問題及解決對策進行了初步探討。

資源勘探;深部找礦;深孔鉆探;取心(樣);鉆機;鉆探工藝

0 引言

2006年國務院頒布《關于加強地質工作的決定》以來，我國地質勘查資金投入持續增加，2010年達到300多億元［1］。在眾多礦產資源勘探技術方法中，鉆探技術仍然是唯一能從地下取出實物巖(礦)樣品的勘查技術方法［2］。地質勘查資金的投入增加，使得鉆探工作量大幅度增加。“十一五”以來，歷年巖心鉆探工作量也屢創新高，2006年865.01萬m;2007年1165萬m;2008年1555萬m;2009年1720.5萬m;2010年1800萬m;預計2011年將達到2400萬m。同時，勘探深度也在不斷加深。進入新世紀施工完成的1000 m以深的鉆孔越來越多。據不完全統計，目前完成的超1000 m鉆孔已達數百口，超2000 m鉆孔達數十口。深孔超深孔數量的增多，對鉆探技術本身和鉆探工程管理提出了前所未有的困難和挑戰。為此，筆者就鉆探技術的新進展、深孔鉆探存在的問題及解決對策進行初步的探討，以期為深孔鉆探提供參考。

1 深部找礦中應重點考慮的關鍵鉆探技術問題

1.1 深孔鉆探的技術問題

(1)設備配套及立軸式鉆機、動力頭式鉆機的合理選擇問題;

(2)鉆孔結構與特深孔套管程序的合理設計問題;

(3)鉆柱與多套繩索取心鉆具的合理使用問題;

(4)孔斜控制和糾斜問題;

(5)復雜地層安全鉆進取心問題;

(6)避免發生孔內事故及事故預防與處理問題。

1.2 深孔鉆探的管理問題

(1)新的《地質巖心鉆探規程》(DZ/T 0227－2010)2010年剛發布，貫徹執行還需要有個過程，其他相應標準正在制定修訂過程中;

(2)鉆孔施工設計處在各自為政的局面;

(3)市場經濟條件下原有的質量管理體系被打破，新技術新裝備推廣力度不夠。

2 國土資源大調查實施以來鉆探技術新進展

2.1 全液壓動力頭鉆機形成系列

自2004年起至今，由中國地質科學院勘探技術研究所和北京天合眾邦勘探技術有限公司共同開發的YDX系列全液壓巖心鉆機已經完成300、600、1000、1500和2000 m系列化設計開發，目前已銷售近200臺套，并出口到澳大利亞、俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、蒙古等國，同時鉆機不斷完善，動力有柴油機與電動機型式，底盤有拖車式與履帶式。目前連云港黃海機械股份有限公司、張家口中地裝備探礦工程機械有限公司、江蘇天明機械集團、山東省探礦機械廠、北京探礦機械廠、黑旋風工程機械有限公司等企業相繼開發出了不同系列的全液壓巖心鉆機。

2.2 深孔繩索取心鉆桿、鉆具取得突破

我所與嘉興新紀元鋼管制造有限公司合作成功研制出XJY－850高鋼級精密無縫合金管材，改進了鉆桿結構、接頭螺紋扣形及尺寸，使其有更高的強度和更大的可靠性。提出了鉆桿接頭的材質和表面強化處理新方法，以提高鉆桿接頭表面耐磨性及強度。壽命提高30%～50%，滿足了1500～2500 m孔深鉆進要求。深部鉆探繩索取心鉆桿的研制成功，標志著我國高強度薄壁繩索取心鉆桿研究取得了重大進展。該材料的性價比優良，產品價格只有國外同類產品價格的60%左右，符合產品的開發目的，便于國內推廣使用。

2.3 適用于深部硬、脆、碎及軟硬互層地層鉆進用的復合式金剛石鉆頭研制成功

利用巴拉斯(三角聚晶)的犁削作用和高耐磨性，結合孕鑲層的磨削作用和自銳特性，合理調節三角聚晶和孕鑲層的比例，按所鉆地層研磨性調節胎體的耐磨性，采用了超細合金粉末、三角聚晶增強工藝，金剛石表面鍍敷金屬外衣，以增強胎體對金剛石的把持力和降低燒結溫度。雙層水口超高胎體金剛石鉆頭壽命超過100 m，仿生技術在鉆頭設計上的應用，對改進鉆頭的性能有所提升。

2.4 研發了新一代繩索取心液動錘鉆具(SYZX系列)

大量的實踐證明，SYZX系列繩索取心液動錘可提高鉆進效率、延長回次進尺及鉆頭壽命，降低鉆孔彎曲，大幅度降低輔助工作時間。目前，我所研制的YZX、SYZX和HHP系列液動潛孔錘已廣泛用于地質、核工業、有色、煤田、水電、建材、化工及石油等領域。YZX系列液動錘結構簡單，沖擊功大，參數調節范圍寬，性能穩定適應性好，工作壽命長，調整方便，維護成本低。

2.5 具有創新和多技術集成的三合一(螺桿鉆+液動錘+繩索取心)鉆具獲得成功

該鉆具的技術優勢為:利用繩索快速打撈內管鉆具，大幅度減少提下鉆時間;利用螺桿馬達井底回轉，降低鉆進扭矩，保護井壁安全;利用液動潛孔錘，進行沖擊碎巖，可提高鉆速，減少巖心堵塞［3］。

2.6 取心鉆探技術的創新極大改善了復雜地層取心質量

除了半合管取心鉆進外，針對復雜地層松散破碎程度，新研制了迷宮式隔液取心結構和腰型水槽底泄式隔液取心鉆進結構等新型取心鉆具。幾種取心器型式及適用地層為:單鉆頭雙層管式，用于弱膠結地層;單鉆頭三層管式，用于裂隙充填發育地層;雙鉆頭三層管式，用于無膠結松散地層，半合管取心器解決破碎地層取心問題。目前這些取心鉆具在已經完鉆的汶川科學鉆探WFSD－1孔和WFSD－3－P孔以及正在施工的WFSD－2孔和WFSD－3孔中應用，均取得了較好的效果，巖心采取率都在90%以上，巖心的原狀性好，為地學研究提供了高質量的樣品［4］。

3 提高鉆探施工水平的對策及建議

3.1 加大新技術新裝備推廣力度，提高深孔鉆探效率

推廣全液壓動力頭鉆機，特深孔施工建議另配高鉆塔;普及全液壓動力頭鉆機代替傳統立軸鉆機是大勢所趨;桅桿式全液壓動力頭鉆機以其對繩索取心工藝適應性強、操作輕便、效率高等優點被廣大用戶所接受。但是它的缺點是由于桅桿長度限制，提升鉆柱時立根僅3～6 m，加長的桅桿最大也僅有9 m［5］;此外升降鉆具時，立根擺放到地面上，費時費力。這一缺點可以通過配置四角高鉆塔來解決。

3.1.1 鉆機鉆進行程對效率的影響

采用全液壓動力頭鉆機與立軸式鉆機倒桿相關時間分析，鉆進2706 m孔深，若回次進尺4.5 m，動力頭鉆機累計倒桿時間需要10 h，XY系列鉆機累計倒桿時間需70 h;若回次進尺3 m，動力頭鉆機累計倒桿時間需15 h，XY系列鉆機累計倒桿時間需75 h。另外，鉆機倒桿時，造成鉆進參數不穩定，而導致巖心堵塞，影響回次進尺［6］。

3.1.2 立根長度對提下鉆效率的影響

采用不同高度鉆塔提下鉆具相關時間分析，鉆進3000 m鉆孔，平均繩索取心提鉆間隔按50 m計算，累計提下鉆時間分別是:6 m長立根需1503 h，9 m長立根需1008 h，18 m長立根需504 h［6］。

3.1.3 鉆桿擰卸方法對鉆探效率的影響

采用液壓動力鉗和人工擰卸鉆桿相比，用液壓動力鉗擰卸鉆桿可節約時間約1/3以上［6］。同時，鉆桿損傷減少，工人勞動強度降低。由此可見，深孔鉆探優選鉆探裝備是提高鉆探效率關鍵之一。

因此，設備配套的一般要求是鉆機功率配備要留有余地，特別是提升能力一定要充裕，“大馬拉小車”才能安全高效，動力源最好使用電力;泥漿泵應充分滿足深孔壓力和流量的要求;配套要齊全、合理，除鉆機、泥漿泵以外，鉆塔要滿足提升鉆具要求，擰卸鉆桿最好使用懸吊式液壓大鉗，泥漿制備和凈化系統應盡可能完善。

3.2 重視鉆孔結構設計是保證安全高效施工的關鍵

深孔在施工前必須做出詳細的工程設計，這是保證工程順利完工的基本前提。工程設計中第一個關鍵問題就是按照選擇鉆探方法的基本要求確定鉆孔結構。設計鉆孔結構的第一步是綜合考慮地質要求和工程實施的經濟性確定終孔口徑。多數情況地質設計只要求穿礦口徑，除非有特殊要求，一般穿過礦層之后數米至數十米即可終孔，所以多數情況下穿礦口徑即是終孔口徑。在20世紀70年代我國剛剛推廣金剛石鉆探時，一般是以Φ46 mm小口徑為主要終孔口徑，80年代以后，由于貴金屬勘探工作量加大，遇到的復雜地層較多，繩索取心鉆探技術逐步推廣，逐漸以Φ60 mm(Φ59 mm)口徑作為主要終孔口徑(部分地區使用老標準Φ56 mm口徑)居多，個別礦區要求Φ75 mm口徑終孔。進入21世紀以后，Φ75 mm口徑終孔漸漸增多，相應鉆探成本也有所增加。根據我國剛剛頒布的《地質巖心鉆探規程》(DZ/T 0227－2010)的規定，金剛石(繩索取心)鉆探公稱口徑系列如表1所示［5］。

表1 規格代號及對應的公稱口徑/mm

該公稱口徑系列是與國際通用標準接軌的，與我國以前地質、冶金等部門執行的老標準有所不同。一個1000～2000 m的鉆孔，根據地層的復雜情況，一般需要設計3～4層套管，特別復雜地層甚至需要設計5層套管。這樣開孔需要Φ150 mm口徑。如果終孔口徑減小到Φ60 mm，那么開孔口徑和中間技術套管的口徑就會相應減小，成本會大幅下降。建議的深孔鉆孔結構見表2。新鉆具標準提出的主要管材尺寸(建議值)見表3。新標準是在常用的B、N、H、P口徑基本維持《金剛石巖心鉆探鉆進設備》(GB 16950－1997)的基礎上(與常年Q系列繩索取心鉆具一致)，向上和向下均采納《Rotary Core Diamond Drilling Equipment－System》(ISO 3551) (即DCDMA)的口徑尺寸。這套標準具有與國際通用標準接軌，且口徑級差合理、環狀間隙大、利于深孔鉆進等特點。建議盡快推廣新標準系列，以滿足深孔鉆探的需求［5］。

表2 建議的深孔鉆孔結構/mm

表3 新鉆具標準提出的主要管材尺寸(建議值)/mm

另外，使用尾管的問題值得重視。在地質巖心鉆探中，過去由于鉆孔淺，套管下得少，一般很少采用尾管。只要下套管就從孔口下到底，但是對于深孔，這種使用方法就有些浪費，可以借鑒油氣鉆井中在深部采用尾管的技術，減少套管重疊，降低成本。套管固井技術也是地質巖心鉆探的薄弱環節，往往不被重視，巖心鉆探有回收套管的習慣，套管只下不固，這種方法對于深孔鉆進需要長時間在套管中回轉鉆桿是十分危險的。尾管的使用為塔式鉆柱的應用創造了條件。

3.3 普及推廣和科學使用先進的鉆探器具

(1)鉆柱上、下部鉆桿交替使用。上部鉆桿承受載荷要大，會更早地發生疲勞損壞，將上、下部鉆桿交換使用可使鉆桿承受載荷比較均勻，使用壽命比較接近。另外還應注意探傷檢查;重視潤滑，盡量減少摩擦阻力;處理卡鉆事故時，不要強拉硬頂，可在額定最大負荷內拉、壓、扭作業。對于深度超過1500 m的鉆孔，建議:采用高強度繩索取心鉆桿、鉆具和組合式鉆桿柱;不同強度、不同壁厚鉆桿的組合;不同直徑的塔式鉆桿柱。

(2)用繩索取心方法打撈巖心，節省提下鉆輔助時間。不同鉆進方法施工不同鉆孔的時間分析如圖1所示［7］。

圖1 不同鉆進方法施工不同鉆孔的時間分析

(3)使用液動潛孔錘提高鉆進效率。

(4)使用長壽命鉆頭和擴孔器延長提鉆間隔。為提高深孔綜合鉆進效率，回次進尺和提鉆間隔越長越好。圖2所示是張偉教授等［5］綜合深孔鉆探實際繪制的提鉆間隔對取心鉆進時間的影響分析結果。從圖中可以看到，隨著提鉆間隔的增大鉆進分為效率特低、低效、效率較低和高效4個區。這就要求鉆頭和擴孔器必須長壽命。隨著鉆頭技術的發展，金剛石鉆頭工作層的高度在不斷增加，從最初4～6 mm發展到現在的10～12 mm，最大的達到了16 mm。鉆頭壽命因此顯著增加，至少提高30%，多的提高1倍以上。鉆頭壽命從30～40 m提高到100余米。

圖2 提鉆間隔對取心鉆進時間的影響

3.4 使用先進護壁技術和堵漏材料，保證鉆孔安全

3.4.1 復雜地層和沖洗液

深孔繩索取心鉆進要特別重視沖洗液的應用，要低固相、低粘度、低切力和良好的潤滑性，同時要加強沖洗液的管理，維持沖洗液的性能穩定，特別是固相含量，必要時要開動離心機以清除過多的有害固相物質，防止鉆桿內壁結垢。深孔施工中經常會遇到復雜地層，如坍塌、掉塊、縮徑等，當不能應用繩索取心鉆進快速通過時，一定要調整好沖洗液的性能指標，加強護壁能力。應用沖洗液來維護孔壁時，首先要判斷好地層的復雜類型，是松散、破碎地層，還是水敏性地層或構造應力異常帶，然后針對性地采取治理措施。必要時放棄繩索取心鉆進工藝，改用提鉆取心工藝以適應沖洗液性能的變化，待穿過復雜段下套管隔離后，再恢復繩索取心鉆進。復雜地層往往伴隨地層的漏失或涌水，極大地增加了處理難度。此時一定要建立地層壓力平衡的概念，利用調整沖洗液密度來平衡地層壓力［5］。

3.4.2 膨脹套管的技術

膨脹套管技術是近10年來發展起來的一項新技術，主要用于石油開采時油管的修復、石油鉆井時臨時隔離漏失、涌水、遇水膨脹縮徑、破碎、掉塊、坍塌等復雜地層。與常規的套管不同，膨脹套管從上層套管中下入到預定層位，膨脹后隔離復雜地層，隨后可用與膨脹套管下入前同樣直徑的鉆頭繼續鉆進，井眼直徑絲毫不會減小［8］。用常規套管封隔復雜地層時每多下一級套管，鉆孔直徑就要減小一級，通常為了保證終孔鉆進取心直徑能滿足地質要求，從鉆孔安全角度出發，深孔鉆孔結構設計時多采用預留一級套管的做法，從而加大了孔徑級數，其結果是增加了鉆井綜合成本，膨脹套管的技術可避免此類情況發生。

3.5 重視防斜與糾斜

深孔鉆進應特別注意防斜，鉆具的穩定性至關重要。在淺孔時，一般在鉆頭上面安裝一個擴孔器用以保持鉆孔口徑即可，而在深孔中則應該在鉆具上端再安裝一個外徑比擴孔器略小的接頭(穩定器)，以保證滿眼鉆進，減少孔斜的產生［5］。液動錘的防斜效果值得肯定，但也不是萬能的。深孔糾斜要謹慎，鉆孔“狗腿”過多、過大都會給下部施工帶來極大危險，因此，不到萬不得已不要糾斜。但是定向孔或繞障孔是難以完全避免的，造斜和穩斜一定要“緩、順、凈”。小徑糾斜后擴孔極易卡鉆，深孔卡鉆不能在地表震擊，建議研制適用于小口徑的井下震擊器［8］，遇到可能卡鉆的情況時，可在鉆具組合中帶上震擊器。

4 深孔鉆探實踐

2009～2010年，利用“十一五”“863”重點項目“2000 m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”研究成果樣機相繼完成了2個超2000 m的深孔鉆探施工。

4.1 兩個超2000 m鉆孔概況

(1)使用FYD－2200型分體塔式全液壓動力頭鉆機完成的安徽省霍邱縣周集鐵礦深部勘查項目ZK1725地質巖心勘探孔。該孔自2009年5月20日開鉆至2010年6月28日止，終孔深度2706.68 m，終孔口徑77 mm，終孔頂角13°，取心總回次1060次，平均回次長度2.55 m，平均機械鉆速1.49 m/h，臺月效率254.14 m，純鉆進時間利用率18.73%。鉆孔平均取心率97%，礦體采取率100%，鉆孔經野外驗收，各項質量指標完全滿足地質設計要求。在地質第二、第三空間中均見到鐵礦體，見礦深分別是722.20、2355.28、2616.00 m，見礦厚度最大為28 m。試驗鉆孔終孔深度刷新了我國小口徑繩索取心最深紀錄。

(2)使用YDX－5型動力頭鉆機完成的山東乳山金青頂金礦ZK43－1鉆孔。該孔于2009年8月1日開鉆至2010年4月10日完鉆，終孔深度2212.8 m，終孔口徑77 mm，開孔頂角10°，終孔頂角38.05°。2009年10月16日，孔深705.2 m。開始從238 m擴孔，擴至385 m以Φ114 mm套管封隔漏失層。2009年12月31日，H級口徑繩索取心鉆具鉆進1461.90 m，隨后下入了相同深度的Φ91 mm技術套管，創造并保持了國內H級繩索取心鉆進深度及巖心鉆探套管應用深度的兩項紀錄［1］。2010年4月10日，ZK43－1鉆孔竣工，終孔深度2212.80 m，曾創造了國內全液壓地質巖心鉆機深度記錄。“863”項目研制的N規格繩索取心鉆桿也創造了當時最深記錄。先進的鉆探參數監測系統、雙密封不對稱梯形螺紋高強度繩索取心鉆桿、大深度繩索取心液動錘、超高胎體二次鑲焊金剛石鉆頭、新系列高強度套管等先進工藝器具確保了施工順利，鉆桿一次未斷，沒有發生燒鉆事故。

4.2 深孔鉆探體會

總結2個深孔施工實踐，有以下幾點認識。

(1)鉆孔地層堅硬、破碎，構造破碎帶尤為發育(如圖3、圖4所示)，孔內坍塌嚴重，如ZK43－1孔深度240 m后嚴重漏失，全孔不返泥漿，坍塌嚴重，施工難度極大。ZK1725孔也曾出現孔壁坍塌事故，給施工帶來極大困難。由于重視鉆孔結構設計，加強施工組織管理，設備選用恰當，工藝措施合理，保證了任務目標的實現。

圖3 ZK1725鉆孔復雜地層巖心圖片

圖4 ZK43－1鉆孔復雜地層巖心圖片

(2)兩臺鉆機均累計運行數千小時無大故障，超額完成了鉆孔施工任務;鉆機性能得到了驗證。

(3)動力頭鉆機給進行程長，鉆進一個回次無需倒桿，減少輔助時間，保證了較高取心質量和取心率。在兩孔穿過復雜地層鉆進過程中優越性明顯。ZK1725地質巖心勘探孔首次在地質巖心小口徑鉆探過程中采用液壓動力鉗，和人工擰卸鉆桿相比擰卸時間節約1/3以上。同時，鉆桿損傷減少，工人勞動強度降低。

(4)YDX－5型鉆機使用13 m自備桅桿(見圖5)，FYD－2200型鉆機在自備桅桿基礎上另配24 m四角鉆塔(見圖6和圖7)。首次采用動力頭鉆機配四角鉆塔鉆進施工，將動力頭鉆機給進行程長與傳統立軸鉆機配高鉆塔提下鉆立根長的優點有機結合在一起，大大提高了提下鉆效率，得出1000 m以內鉆孔用動力頭鉆機桅桿提下鉆效率高，1500 m以深鉆孔配四角塔提下鉆效率高，1000～1500 m鉆孔兩者效率相當的結論。

圖5 YDX－5型動力頭鉆機

圖6 FYD－2200型動力頭鉆機

圖7 SG－24A型四腳鉆塔

5 結語

在找礦突破戰略行動逐步推開實施的今天，鉆探工作量大幅度增加，施工的深孔特深孔數量急劇增加，對鉆探技術和裝備提出了前所未有的挑戰。與此同時，鉆探技術與裝備近年來有了突飛猛進的發展，新技術新裝備不斷涌現，為礦產勘查單位提供了克服各種施工難題的手段。當務之急是加大新標準新技術新裝備的推廣力度，使之盡快發揮應有作用。同時，要重視鉆孔結構設計，加強施工組織管理。相信隨著國家對鉆探工作的重視程度越來越高，經過鉆探技術科技工作者共同努力，地質巖心鉆探深度會越來越深，鉆探效率會越來越高。

［1］王學龍.回眸“十一五”展望“十二五”——鉆探技術和裝備形成系列為資源環境開發提供直接手段［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(1):3－7.

［2］張金昌.鉆探技術新進展［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(S1):11－18.

［3］甘行平，傅秉鋒，張金昌，等.再接再厲，創新鉆掘技術［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(2):7－8.

［4］王穩石，朱永宜.科學鉆探復雜地層取心鉆進技術［A］.第十六屆探礦工程(巖土鉆掘工程)技術學術交流年會論文集［C］.北京:地質出版社，2011.425－431.

［5］張偉，王達，劉躍進，等.深孔取心鉆探裝備的優化配置［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(10):34－38，41.

［6］朱恒銀，蔡正水，王幼鳳，等.2706.68m試驗孔關鍵裝備與技術［A］.第十六屆探礦工程(巖土鉆掘工程)技術學術交流年會論文集［C］.北京:地質出版社，2011.127－135.

［7］張偉.取心鉆進工藝方法的技術經濟學分析——施工時間分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(8):1－3.

［8］于好善，王成彪，楊甘生，等.膨脹套管護壁技術研究現狀及其工作原理［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，(3):1－4.

注:本文于2011年4月18日國土資源部第42個世界地球日主題宣傳活動周期間在北京舉辦的“國土資源部地質找礦理論、技術方法高級研討班”上進行了報告交流。

Challenges and Countermeasures of Key Drilling Techniques for the Deep Prospecting

ZHANG Jin-chang(The Insti-tute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China)

Today，with the increasing of exploration drilling amount，the number of constructed deep hole and extra-deep hole also increases greatly，this gave unprecedented challenges in drilling technique and equipment.This article briefly discusses the new progress of drilling techniques，existing problems and countermeasures in the deep hole drilling.

resources exploration;deep prospecting;deep hole drilling;coring(sampling);drilling rig;drilling technique

P634

A

1672－7428(2011)11－0001－06

2011－10－28

國家“863”計劃資助項目“2000 m地質巖心鉆探關鍵技術與裝備”(2007AA060701)

張金昌(1959－)，男(漢族)，河北保定人，中國地質科學院勘探技術研究所所長、總工程師，教授級高級工程師，兼任中國地質學會探礦工程專業委員會常務副主任委員，探礦工程專業，工學碩士，主要從事固體礦產鉆探、水文水井鉆探及工程施工鉆探設備設計和鉆探工藝研究工作，河北省廊坊市金光道77號，jinchang@cniet.com。