空氣反循環連續取樣鉆探技術淺析

俱養社，馬峰良

(陜西省一三一煤田地質有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

空氣反循環連續取樣鉆探技術在國外被稱作“CSR(center sample recover)”，主要是以雙壁鉆具組成的反循環系統和全面破碎的碎巖方式，在地表依靠取樣裝置、分樣器等設備收集雙壁鉆具中心通道上返至地表的巖屑，取代常規取芯鉆探中的巖芯進行地質編錄、巖礦分析等，是一種優質、高效、低耗的鉆探方法。

國外在地質勘探中利用反循環連續取樣技術所完成的鉆探工作量在20世紀80年代后期就超過了長期占主導地位的金剛石鉆探技術。且反循環連續取樣鉆機及鉆具已形成系列化。例如英格索蘭公司的TH系列鉆機，加拿大DRILL SYSTEMS公司的CSR鉆機及鉆具[1]。

中國在20世紀80年代后期，為驗證該方法的地質效果，專門引進荷蘭康納德公司生產的Mini-200砂鉆和加拿大調整者公司生產的CSR-1000AV鉆機，在山東及寧夏等地進行地質效果對比試驗與鉆探生產試驗，均取得較好的效果。通過“七五”期間對中心取樣鉆探技術的攻關研究，對中心取樣鉆探的設備及鉆具進行了國有化的研究，并在多個礦區進行大量試驗，積累了豐富經驗[2]。

20世紀80年代后期至90年代初期，全球固體礦產鉆探處于低迷時期。國內的鉆探單位紛紛開始轉型，轉向基礎工程市場。國外的礦產公司為了自身的生存與發展，紛紛拓展中國市場，許多國外公司在中國進行風險勘查和稀有金屬的開采。在開發過程中，對國內合作伙伴所采用的鉆探技術落后、效率低表示不滿，國外公司提出采用空氣反循環連續取樣鉆探技術，有的公司自己從國外進口設備及鉆具進行施工。此舉推動了中國空氣反循環連續取樣鉆探技術的發展[3]。

一方面，國外公司在中國進行的礦產勘查推崇反循環連續取樣技術；另一方面，國內公司到國外承包工程，工程招標首先提出要使用空氣反循環連續取樣技術，這樣在工藝方法的選擇上，采用空氣反循環連續取樣技術成為必選條件，為該技術的推廣應用提供了機遇，同時也面臨挑戰。

1 空氣反循環取樣技術原理與特點

1.1 方法原理

壓縮空氣經氣盒子或氣水龍頭進入雙壁鉆具的環狀間隙并下行，到達孔底后經內管中心通道上返，同時將所鉆地層樣品及巖屑攜帶至地面進入旋流器，樣品在旋流器中與空氣分離，再根據地質要求利用分樣器進行不同比例縮分[4]，如圖1所示。

圖1 空氣反循環連續取樣技術工作原理Fig.1 Working principle of air reverse circulation continuous sampling technology

1.2 空氣反循環連續取樣技術特點

鉆進效率高：采用中空式潛孔錘[5-6]和特殊反循環牙輪鉆頭，改變了傳統取芯鉆進的碎巖方式，以沖擊破碎代替了切削、磨削破碎；利用高壓空氣排粉效果好；不用提鉆取芯或更換鉆頭，提高純鉆進時間。2006年，在黑龍江巖金礦使用空氣反循環連續取樣技術，鉆探工作量為10 000 m，設計孔深30～50 m，地層風化嚴重，利用繩索取芯鉆探技術巖芯采取率和鉆進效率低，后采用空氣反循環連續取樣技術，經過對比分析空氣反循環連續取樣技術是繩索取芯鉆進效率的4倍，而且施工成本降低了50%。

解決復雜地層鉆探難題：空氣反循環連續取樣鉆進時，壓縮空氣在雙壁鉆具的封閉系統循環，當遇到溶洞、大裂隙等復雜地層時，能實現正常循環，而在常規取芯鉆探中卻無法實現。鉆具級差小，有效地解決了松散地層鉆孔難題。尤其在砂金勘探領域一直是常規取芯鉆探技術無法涉足的地域，所以國內外砂金勘探95%的鉆孔均采用“CSR”技術。如：昆明富坤鉆探有限公司自2008年以來采用該技術進行砂金勘探，鉆探工作量達60 000多米。

鉆孔質量好：雙壁鉆具為滿眼鉆進，剛性好，很少發生孔斜；完整巖石或破碎地層樣品的采取率均能達到100%，且無泥漿、水等外來的污染。

鉆進工藝簡單：由于空氣反循環連續取樣鉆具的特點和碎巖方式的改變，鉆進參數如鉆壓、轉速等控制比較簡單。實現了樣品的連續上返，鉆頭壽命長，一個孔鉆進過程中僅提鉆一次。除特殊情況外，復雜地層鉆進也不需采用護孔堵漏措施，鉆孔結構簡單，通常一徑到底。

2 常用鉆具配套方案

空氣反循環連續取樣技術常采用全液壓動力頭空氣反循環取樣鉆機配套雙壁鉆桿、氣盒子、空氣反循環牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、反循環氣動潛孔錘等，實現空氣反循環連續取樣鉆進，偶爾也采用轉盤式鉆機配套汽水龍頭及空氣反循環取樣鉆具實現空氣反循環取樣鉆進，常用鉆具配套方案見表1。

表1 空氣反循環連續取樣鉆具方案

3 空氣反循環取樣應用范圍分類

目前，我國空氣反循環連續取樣技術的應用范圍不斷擴大，主要應用如砂金勘探、礦山爆破孔、化探取樣孔、物探爆破孔、淺層礦體勘查、深部找礦鉆井的淺井段[7-10]。

砂金勘探：砂金礦地層一般由泥質層、砂礦層或礦層、基巖層組成，采用普通的取芯技術取芯困難，且該類地層中夾雜巨礫層或巨礫不易穿過，采用常規的鉆進方法均達不到地質設計要求，采用空氣反循環連續取樣技術能夠順利成孔，且采取率能達到100%。

礦山爆破孔的施工：礦山爆破孔一般深度不大，成孔后將炸藥投入到孔內即可施工。礦山爆破孔數量多，要求施工速度快。山西朔州露天煤礦、內蒙古準格爾煤礦均采用反循環連續取樣技術施工礦山爆破孔。

淺層礦體勘查：一些淺層礦體的勘查可采用反循環連續取樣技術，鉆進效率高，取樣質量好，可實現快速開采。

深部找礦鉆孔的淺孔段：隨著我國找礦工作轉向深部，地質勘探鉆孔逐漸加深至上千米。為加快鉆孔速度，在地質勘探鉆孔的淺井段使用空氣反循環連續取樣技術，提高鉆進效率，下部可采用別的工藝進行組合鉆進技術來達到地質鉆探目的。

4 空氣反循環取樣技術實際應用

空氣反循環連續取樣鉆探技術有了很大的發展，在國外已得到普遍應用。隨著我國地質礦山勘探工作任務的加大，傳統的繩索取芯技術還存在一些問題[11]。近年來反循環連續取樣鉆探裝備及工藝技術已在我國礦產勘探中開始拓展應用，解決地質鉆探技術難題。

昆明富坤鉆探有限公司自2007年就開始采用反循環氣動潛孔錘鉆探技術，實現砂金勘探施工，如圖2所示。幾年來的應用實踐證明，空氣反循環連續取樣鉆探取樣率可達到100%，完全能滿足砂金勘探取樣要求。施工效率比常規取樣效率提高10倍以上，成本大幅度降低，并減輕了勞動強度。目前該公司已經完成取樣鉆探施工量2.8萬余米，取得了非常顯著的經濟效益和社會效益。

圖2 云南砂金勘探反循環連續取樣鉆進施工現場Fig.2 Construction site of reverse circulation continuous sampling drilling for placer gold exploration in Yunnan

另外，河南省三道莊鉬鎢礦區詳勘工作鉆探工作中，所遇地層結構復雜、地層裂隙發育、孔壁易坍塌、漏失嚴重，難以滿足礦區高生產進度要求。為解決礦區地質勘探中所遇的技術難題，只好采用反循環氣動潛孔錘連續取樣技術得以解決。

山西省朔州市煤礦勘探引進的阿特拉斯科普柯公司 TH60鉆機，如圖3所示，配套澳大利亞空氣反循環連續取樣牙輪鉆頭技術，進行煤礦勘探工作，也充分體現了此種鉆探技術的重大作用[12]。

圖3 山西露天煤礦勘探引進阿特斯科普柯TH60鉆機Fig.3 Atlas Copco TH60 drilling rig introduced during open pit coal mine exploration in Shanxi

北京中資環鉆探有限公司，采用空氣反循環連續取樣技術在內蒙古、新疆等地取得顯著效果，如圖4所示。當孔內沒水的情況下，使用空氣反循環潛孔錘鉆進，當孔內有水背壓較大的情況下使用反循環連續取樣牙輪鉆頭，目前施工鉆孔總進尺5 000 m以上[13]。

圖4 中資環新疆反循環取樣施工現場 Fig.4 Construction site of reverse circulation sampling in Xinjiang

為試驗氣動潛孔錘反循環跟管鉆進技術，勘探技術研究所采用自制的FD-300反循環取樣鉆機在北京石景山地區共進行了2個鉆孔的試驗。一次性穿越30 m厚的卵礫石地層，取樣率為100%，達到了預期目的，如圖5所示。并得到了同行專家和從事這方面監理的認可。

2014年10月，采用勘探技術研究所地調項目研制的FD-600型空氣反循環鉆機在新疆哈密卡拉塔格(國家級)整裝勘查區紅石礦區進行了野外生產應用試驗[14]，配合北京中資環鉆探有限公司取樣鉆探任務，采用空氣反循環連續取樣實施4個鉆孔，見表2，累計進尺量為830 m，最深鉆孔深度為232 m，終孔孔徑φ110 mm以上。

圖5 北京石景山反循環取樣施工現場Fig.5 Construction site of reverse circulation sampling in Shijingshan，Beijing

表2 新疆紅石礦區空氣反循環取樣鉆孔數據

2015年4月，勘探技術研究所對FD-600行空氣循環取樣鉆機在前期試驗基礎上，對鉆機、鉆具出現問題完成改進，同年5月在黑龍江省多寶山銅礦完成北京恒金源鉆探技術有限公司承擔的鉆探取樣任務，共實施10個鉆孔，數據見表3，累計進尺量為800 m，最深鉆孔深度108 m，終孔孔徑φ133 mm。

表3 黑龍江多寶山銅礦空氣反循環取樣鉆孔數據

5 結語

空氣反循環連續取芯鉆探技術近年來得到快速發展，該項技術未來必會受到廣泛應用，這也就迫切要求廣大地質工作者積極研發這一領域的新設備、新工藝及配套設施，使得設備性能更可靠、更實用，工藝方法更廣泛地適應于不同的地質環境，除應用于礦產勘探取樣外，還能應用于水井、地熱井、煤礦瓦斯排放井、煤層氣井、油氣田井、太陽能井、地源熱泵井、回灌井及各種大口徑工程施工。