钻探技术如何适应深部找矿的要求

  向深部找矿是发展的必然,在深部找矿过程中,除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外,最终还需要使用钻掘(探)技术来取心取样,证实推断和探测的正确性。从钻探工程角度来看,深部找矿钻探深度将在1500m左右,少量钻孔孔深将达2000m。这种深度的资源勘查钻探工作对钻探取心取样质量、钻探速度、施工成本、环境保护、安全防护等方面都提出了更高的要求。

 

  钻探取心(样)的关键技术是钻探设备、器具和工艺方法,它们不仅对钻探效率、施工成本、取心(样)质量及环境保护等方面有重要影响,而且对缩短整个勘探周期、加快开发利用步伐有着直接的意义。 目前安徽省使用的固体矿产勘探深孔为立轴式钻机,煤田地勘单位使用的无液压的立轴式钻机,钻探深度一般在1200m以内,煤田钻探达到1500m左右,省地矿局313队和省煤田地质局分别进行了2200m和2000m深孔钻机试验,和国内同行相比,钻探技术基本与国内先进技术达到同步,有些新工艺、新技术使用方面更是填补了空白。

 

  1 钻探技术

 

  1.1 金刚石绳索取心技术

 

  绳索取心(WL)钻探技术被称为钻探技术第一 次革命,已有近60年的推广应用历史。在全球地质找矿钻探施工中是应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术。自20世纪70年代中期我国开始推广应用,但在应用广度和深度上与国外发达国家相比存在较大差距,利用绳索取心钻探技术完成的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的30%。国产绳索取心钻具存在材质不佳、加工质量差、易折断和脱扣等问题,不能满足1000m深钻孔的需要。而深部找矿一般采用的替代方案是使用内径可以通过绳索取心钻具内管的普通钻杆来完成钻孔取心作业,这就在完成取心作业的同时增大了钻孔工作量。

 

  金刚石钻头的使用寿命是限制金刚石绳索取心技术应用于深部找矿的另一个原因。自20世纪60年代开始研究,70年代开始推广金刚石钻探技术以来,我国金刚石钻头制造水平有了很大提高,但是其使用效果与国外仍存在较大差距。虽然在金刚石超硬复合材料方面进行了大规模的攻关研究,制造了一些聚晶、复合片产品,但其性能也远远赶不上国际水平。这就使得国内金刚石钻头钻进寿命短、效率偏低。据调查,我国的金刚石钻头寿命在硬岩地层还不足40m。

 

  1.2 反循环连续取样(心)钻探技术

 

  反循环连续取样(心)钻探技术被称为钻探技术第二次革命。它采用压缩空气作为循环介质,利用双壁钻杆以冲击回转全面碎岩和连续岩屑作为地质样品的方式钻探施工,随着钻进的不断进行,岩屑被高速气流连续地经双壁钻杆的中心携带至地表,并按照顺序将岩屑收集起来作为地质化验分析的地质样品。 国内外大量的钻探施工经验证明,采用该法获取的地质样品不仅完全能达到确定矿体埋藏深度、矿体厚度、品位等物化参数的基本要求,而且其钻探施工速度要比传统的取柱状岩心施工速度提高5～10倍，施工成本也将大大降低。根据2006年有关统计资料,反循环连续取样(心)钻探技术在澳大利亚完成钻探工作量的比例超过80%。我国在20世纪80年代中期曾开展了该项技术的研究并进行推广应用,但由于地质上是以岩屑代替传统的柱状岩心,且需使用特殊的双壁钻杆,所以推广应用受到较大阻力。

 

  值得关注的是目前国际地质钻探承包商和矿业投资者已经提出了取心取样相结合的地质勘探新概念,并在一些国家开始应用,取得了比任何单一方法效率及地质效果都要好的结果,大幅度提高了钻进效率、降低了成本。著名的国际钻探设备制造商瑞典AtlasCopco公司已经开始推广这项综合取心(样)钻探技术。我国则没有这方面的应用研究。

 

  1.3 液动冲击回转钻进技术

 

  勘探技术研究所于20世纪60年代开始此项技术的研究,经过几十年的开发、改进,已经形成不同用途、多种规格的系列液动冲击器。特别是YZX127型液动潜孔锤在2006年完工的中国大陆科钻一井施工中创下了总进尺4038.88m、平均小时效率1.13m、平均回次长度6.31m的好成绩。但是在普通钻探生产条件下,由于泥浆固控系统还停留在传统的泥浆池加循环槽让岩粉自然沉淀的水平,在钻进过程中泥浆固相含量较高,导致液动潜孔锤内的零件频繁卡死,工作寿命大幅度降低,从而导致提钻频繁。在推广过程中,其优点虽为大家所认识和接受,但是实际应用却较少。

 

  1.4 空气泡沫钻探技术

 

  该技术是原地矿部“七五”和“八五”期间的重点科研攻关项目,由勘探技术研究所、长春地质学院和甘肃地矿局等科研院所、高校和相关生产单位联合完成。经过不同环境条件及机具试验研究总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程。由于其后正值地质钻探工作量锐减,而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻进技术高,因此其推广应用处于停滞状态。

 

  1.5 高精度受控定向钻探技术及岩心定向技术

 

  受控定向钻探技术是一种可以使钻孔轨迹按照预定方向前进的特殊钻探技术,该项钻探技术还可以实现在一个主孔内钻进多个分支孔的羽状钻孔。自20世纪80年代,勘探技术研究所研究、推广应用受控定向钻探以来,该技术已成功应用于我国的盐卤矿、芒硝矿等水溶性矿产的开采领域。特别是该所承 接并完成的土耳其Beypazari天然碱矿工程项目,其控制精度在0.5m以内,标志着我国的高精度受控定向钻探施工进入国际先进水平行列。在普通钻孔难以到达的勘探部位和坑道内以及陡斜矿体的勘探中,利用高精度受控定向(取心)钻探技术可以明显减少钻探工作量和施工费用。惟一遗憾的是该技术在定向造斜段无法连续取心。

 

  岩心定向技术,是通过对孔底岩心作定向标记,从而获取带有定向标记方位角的定向岩心,对定向岩心复位测量或计算,即可求解出岩层层面或断裂面的产状。这项技术已经在石油勘探开发中广泛应用。由于地质岩心直径较小,地质钻探取心对这项技术关注热度不够。 受控定向钻探技术是深孔施工单位必备的手段,他是施工的保证,是处理孔内事故的方法。深孔施工控制孔斜是重中之重,如何根据地质地层设计好防斜措施,减小孔斜和孔斜的变化率。

 

  2 解决深部找矿关键技术问题的对策

 

  2.1 岩心钻探设备

 

  (1)加快第三代新型钻机研制和开发,积极引 进石油钻井界先进技术和理念,设计出适应于岩心钻探的深孔钻机。以液压为动力,优先开发地质岩心顶部驱动钻机,使之成为系列化及与之相配套泥浆泵等。

 

  (2)加快坑道钻探设备的能力、功能的提升。在危机矿山接替资源的勘探中,对某些成矿模式的地层,在现有的数百米深的地下坑道或开采区内,利用坑道钻探设备来进行深部岩心钻探工作,可以充分揭露深部地层,节约钻探费用和时间,提高勘探效率。坑道钻探设备应以提升设备能力、完善设备功能和实现机电液一体化为主要目标,并形成300～1000m范围内的完整产品体系,达到深部找矿要求。

 

  (3)加快先进岩心钻探设备的推广。岩心钻探设备推广应用的最终结果是实现产业化,而产业化又是降低生产成本和销售价格的有效手段,这又反过来推动着岩心钻探设备的推广应用。因此,岩心钻探设备的推广应用过程就是设备的产业化过程。目前,国内一些机构在全液压动力头式钻机的研发进展已经取得了一些成绩,其2000m全液压顶驱岩心钻机和KD21000型坑道钻机也在积极地进行项目申报,争取形成系列化,推动此类钻机的产业化进程,以进一步降低成本。

 

  2.2 岩心钻探器具及工艺方法

 

  (1)加强信息情报收集,积极开展行业间信息交流,推动学科交叉合作。回顾钻探技术发展的几十年,情报部门提供了金刚石钻进技术、定向钻进技术、冲击回转钻进技术等一系列科技信息,对国内钻探工程界有很大的启发,为在国内科技攻关立项、研发、创新、模仿或引进技术起到了重要作用。在20世纪90年代,由于我国地质钻探工作量的锐减,一些先进 的钻探技术在其他行业已经得到了成熟应用。钻探技术的一些新技术新方法也随着材料、机械、电子信息等学科的发展而发展。如果闭门造车,不仅研究成果的先进性和适用性难以保证,而且还可能重复研究,造成大量资源浪费。

 

  (2)加快新型基础钻具的研制和新工艺技术的完善。新型高寿命金刚石钻头、高强度深孔绳索取心钻杆、新型深孔双壁钻杆的研制是保证金刚石绳索取心钻进技术、反循环连续取样(心)钻进技术安全、经济、高效的服务于深部地质找矿工作的基础钻具,对于提高这些技术应用的可靠性、经济性有着重要作用。目前这些基础钻具有的已经由勘探所立项研究,有的正在申报立项。 空气泡沫钻进与普通泥浆钻进比较,有着节水、增加钻效、提高钻头寿命及对岩心无污染且不易堵心等优势,在深部找矿工作中,特别是在泥浆使用受限制的区域,该技术都有一定的应用前景,经过10余年的停滞,该工艺技术的成熟度相应的有所降低,做好工艺技术的完善是其推广应用的前提。

 

  (3)加强岩心钻探器具及工艺方法的系统化研究,增强钻探器具的功能、提高工艺方法的适应性,利用现有技术集成、整合出新。多功能、一体化,是国外钻具发展的一个方向,我国岩心钻探器具也应利用现有技术和工艺实现功能整合。例如勘探所研制的具 有创新和多技术集成的“三合一” (螺杆马达+液动锤+绳索取心)钻具,并且在大陆科钻一井中成功使用,使我国的钻探技术迈上了一个新的台阶。该技术达到了国际先进水平。勘探所为解决定向造斜段不能连续取心问题正在研制的定向造斜段连续绳索取心工具及正在申报立项的中空式液动锤绳索取心工具、绳索取心与反循环连续取样结合的组合钻探技术也属于此范畴。

 

  (4)建立健全先进钻探设备、工艺方法的推广机 制,建设利用先进钻探设备、工艺方法的钻探样板工 程。在我国,深部找矿中可以利用的先进钻探技术大都起步于20世纪60～80年代,近几十年来专业科研机构已经做了大量的研究改进工作,但是目前的应用情况却仍有待加强。国外矿业公司投资的进入为这一机制的建立创造了条件,国外矿业公司在相同情况下,更倾向于利用其国内成熟的钻探技术来完成钻孔勘探,我们可以以此为契机使其成为利用先进钻探设备、工艺方法的示范,供相关科研机构、技术部门学习、交流、探讨,加快先进钻探技术的消化吸收和推广应用。

 

  (5)注重钻探从业人员的培训工作,提高钻探人员的素质。深部找矿的设备和仪器更加精密,操作更加自动化。没有高素质的从业人员保障,不仅不利于新技术的推广应用,而且也很难保证高质量的完成深部找矿的钻探工作。

 

  3 结束语

 

  深部找矿中的关键技术问题,归根结底是新深度、新要求与研发新技术、新设备器具间的矛盾、已有 技术成果与推广应用间的矛盾、先进技术与旧有观念之间的矛盾、技术的先进性与经济的可行性之间的矛盾,技术需求与信息滞后之间的矛盾。要解决这些问题,首先是领导重视,改变观念,目标长远;其次必须通过体制的创新、人员的培养、培训,利用现有先进技术来满足深部找矿的需要,建立一批示范工程来推动先进钻探技术的应用。深部找矿对地质钻探技术提出了更高的要求,同时也为地质钻探技术的发展创造了条件。我国的一批钻探技术专业研究院所在过去的几十年中取得了一些成绩,在深部找矿的地质钻探过程中应一如既往的起到科技排头兵的作用,推动地质钻探技术的发展。