張金昌

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

深部找礦關(guān)鍵鉆探技術(shù)問(wèn)題與對(duì)策

張金昌

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000)

在找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)逐步推開實(shí)施的今天，鉆探工作量大幅度增加，施工的深孔特深孔數(shù)量急劇增長(zhǎng)，對(duì)鉆探技術(shù)和裝備提出了前所未有的挑戰(zhàn)。就鉆探技術(shù)的新進(jìn)展、深孔鉆探存在的問(wèn)題及解決對(duì)策進(jìn)行了初步探討。

資源勘探;深部找礦;深孔鉆探;取心(樣);鉆機(jī);鉆探工藝

0 引言

2006年國(guó)務(wù)院頒布《關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》以來(lái)，我國(guó)地質(zhì)勘查資金投入持續(xù)增加，2010年達(dá)到300多億元［1］。在眾多礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)方法中，鉆探技術(shù)仍然是唯一能從地下取出實(shí)物巖(礦)樣品的勘查技術(shù)方法［2］。地質(zhì)勘查資金的投入增加，使得鉆探工作量大幅度增加?！笆晃濉币詠?lái)，歷年巖心鉆探工作量也屢創(chuàng)新高，2006年865.01萬(wàn)m;2007年1165萬(wàn)m;2008年1555萬(wàn)m;2009年1720.5萬(wàn)m;2010年1800萬(wàn)m;預(yù)計(jì)2011年將達(dá)到2400萬(wàn)m。同時(shí)，勘探深度也在不斷加深。進(jìn)入新世紀(jì)施工完成的1000 m以深的鉆孔越來(lái)越多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前完成的超1000 m鉆孔已達(dá)數(shù)百口，超2000 m鉆孔達(dá)數(shù)十口。深孔超深孔數(shù)量的增多，對(duì)鉆探技術(shù)本身和鉆探工程管理提出了前所未有的困難和挑戰(zhàn)。為此，筆者就鉆探技術(shù)的新進(jìn)展、深孔鉆探存在的問(wèn)題及解決對(duì)策進(jìn)行初步的探討，以期為深孔鉆探提供參考。

1 深部找礦中應(yīng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵鉆探技術(shù)問(wèn)題

1.1 深孔鉆探的技術(shù)問(wèn)題

(1)設(shè)備配套及立軸式鉆機(jī)、動(dòng)力頭式鉆機(jī)的合理選擇問(wèn)題;

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)與特深孔套管程序的合理設(shè)計(jì)問(wèn)題;

(3)鉆柱與多套繩索取心鉆具的合理使用問(wèn)題;

(4)孔斜控制和糾斜問(wèn)題;

(5)復(fù)雜地層安全鉆進(jìn)取心問(wèn)題;

(6)避免發(fā)生孔內(nèi)事故及事故預(yù)防與處理問(wèn)題。

1.2 深孔鉆探的管理問(wèn)題

(1)新的《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)2010年剛發(fā)布，貫徹執(zhí)行還需要有個(gè)過(guò)程，其他相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)正在制定修訂過(guò)程中;

(2)鉆孔施工設(shè)計(jì)處在各自為政的局面;

(3)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下原有的質(zhì)量管理體系被打破，新技術(shù)新裝備推廣力度不夠。

2 國(guó)土資源大調(diào)查實(shí)施以來(lái)鉆探技術(shù)新進(jìn)展

2.1 全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)形成系列

自2004年起至今，由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所和北京天合眾邦勘探技術(shù)有限公司共同開發(fā)的YDX系列全液壓巖心鉆機(jī)已經(jīng)完成300、600、1000、1500和2000 m系列化設(shè)計(jì)開發(fā)，目前已銷售近200臺(tái)套，并出口到澳大利亞、俄羅斯、吉爾吉斯斯坦、蒙古等國(guó)，同時(shí)鉆機(jī)不斷完善，動(dòng)力有柴油機(jī)與電動(dòng)機(jī)型式，底盤有拖車式與履帶式。目前連云港黃海機(jī)械股份有限公司、張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司、江蘇天明機(jī)械集團(tuán)、山東省探礦機(jī)械廠、北京探礦機(jī)械廠、黑旋風(fēng)工程機(jī)械有限公司等企業(yè)相繼開發(fā)出了不同系列的全液壓巖心鉆機(jī)。

2.2 深孔繩索取心鉆桿、鉆具取得突破

我所與嘉興新紀(jì)元鋼管制造有限公司合作成功研制出XJY－850高鋼級(jí)精密無(wú)縫合金管材，改進(jìn)了鉆桿結(jié)構(gòu)、接頭螺紋扣形及尺寸，使其有更高的強(qiáng)度和更大的可靠性。提出了鉆桿接頭的材質(zhì)和表面強(qiáng)化處理新方法，以提高鉆桿接頭表面耐磨性及強(qiáng)度。壽命提高30%～50%，滿足了1500～2500 m孔深鉆進(jìn)要求。深部鉆探繩索取心鉆桿的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)高強(qiáng)度薄壁繩索取心鉆桿研究取得了重大進(jìn)展。該材料的性價(jià)比優(yōu)良，產(chǎn)品價(jià)格只有國(guó)外同類產(chǎn)品價(jià)格的60%左右，符合產(chǎn)品的開發(fā)目的，便于國(guó)內(nèi)推廣使用。

2.3 適用于深部硬、脆、碎及軟硬互層地層鉆進(jìn)用的復(fù)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(jié)合孕鑲層的磨削作用和自銳特性，合理調(diào)節(jié)三角聚晶和孕鑲層的比例，按所鉆地層研磨性調(diào)節(jié)胎體的耐磨性，采用了超細(xì)合金粉末、三角聚晶增強(qiáng)工藝，金剛石表面鍍敷金屬外衣，以增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力和降低燒結(jié)溫度。雙層水口超高胎體金剛石鉆頭壽命超過(guò)100 m，仿生技術(shù)在鉆頭設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，對(duì)改進(jìn)鉆頭的性能有所提升。

2.4 研發(fā)了新一代繩索取心液動(dòng)錘鉆具(SYZX系列)

大量的實(shí)踐證明，SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘可提高鉆進(jìn)效率、延長(zhǎng)回次進(jìn)尺及鉆頭壽命，降低鉆孔彎曲，大幅度降低輔助工作時(shí)間。目前，我所研制的YZX、SYZX和HHP系列液動(dòng)潛孔錘已廣泛用于地質(zhì)、核工業(yè)、有色、煤田、水電、建材、化工及石油等領(lǐng)域。YZX系列液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沖擊功大，參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬，性能穩(wěn)定適應(yīng)性好，工作壽命長(zhǎng)，調(diào)整方便，維護(hù)成本低。

2.5 具有創(chuàng)新和多技術(shù)集成的三合一(螺桿鉆+液動(dòng)錘+繩索取心)鉆具獲得成功

該鉆具的技術(shù)優(yōu)勢(shì)為:利用繩索快速打撈內(nèi)管鉆具，大幅度減少提下鉆時(shí)間;利用螺桿馬達(dá)井底回轉(zhuǎn)，降低鉆進(jìn)扭矩，保護(hù)井壁安全;利用液動(dòng)潛孔錘，進(jìn)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(shù)的創(chuàng)新極大改善了復(fù)雜地層取心質(zhì)量

除了半合管取心鉆進(jìn)外，針對(duì)復(fù)雜地層松散破碎程度，新研制了迷宮式隔液取心結(jié)構(gòu)和腰型水槽底泄式隔液取心鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)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(jié)地層;單鉆頭三層管式，用于裂隙充填發(fā)育地層;雙鉆頭三層管式，用于無(wú)膠結(jié)松散地層，半合管取心器解決破碎地層取心問(wèn)題。目前這些取心鉆具在已經(jīng)完鉆的汶川科學(xué)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(yīng)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(xué)研究提供了高質(zhì)量的樣品［4］。

3 提高鉆探施工水平的對(duì)策及建議

3.1 加大新技術(shù)新裝備推廣力度，提高深孔鉆探效率

推廣全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，特深孔施工建議另配高鉆塔;普及全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)立軸鉆機(jī)是大勢(shì)所趨;桅桿式全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)以其對(duì)繩索取心工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作輕便、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣大用戶所接受。但是它的缺點(diǎn)是由于桅桿長(zhǎng)度限制，提升鉆柱時(shí)立根僅3～6 m，加長(zhǎng)的桅桿最大也僅有9 m［5］;此外升降鉆具時(shí)，立根擺放到地面上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。這一缺點(diǎn)可以通過(guò)配置四角高鉆塔來(lái)解決。

3.1.1 鉆機(jī)鉆進(jìn)行程對(duì)效率的影響

采用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)與立軸式鉆機(jī)倒桿相關(guān)時(shí)間分析，鉆進(jìn)2706 m孔深，若回次進(jìn)尺4.5 m，動(dòng)力頭鉆機(jī)累計(jì)倒桿時(shí)間需要10 h，XY系列鉆機(jī)累計(jì)倒桿時(shí)間需70 h;若回次進(jìn)尺3 m，動(dòng)力頭鉆機(jī)累計(jì)倒桿時(shí)間需15 h，XY系列鉆機(jī)累計(jì)倒桿時(shí)間需75 h。另外，鉆機(jī)倒桿時(shí)，造成鉆進(jìn)參數(shù)不穩(wěn)定，而導(dǎo)致巖心堵塞，影響回次進(jìn)尺［6］。

3.1.2 立根長(zhǎng)度對(duì)提下鉆效率的影響

采用不同高度鉆塔提下鉆具相關(guān)時(shí)間分析，鉆進(jìn)3000 m鉆孔，平均繩索取心提鉆間隔按50 m計(jì)算，累計(jì)提下鉆時(shí)間分別是:6 m長(zhǎng)立根需1503 h，9 m長(zhǎng)立根需1008 h，18 m長(zhǎng)立根需504 h［6］。

3.1.3 鉆桿擰卸方法對(duì)鉆探效率的影響

采用液壓動(dòng)力鉗和人工擰卸鉆桿相比，用液壓動(dòng)力鉗擰卸鉆桿可節(jié)約時(shí)間約1/3以上［6］。同時(shí)，鉆桿損傷減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。由此可見，深孔鉆探優(yōu)選鉆探裝備是提高鉆探效率關(guān)鍵之一。

因此，設(shè)備配套的一般要求是鉆機(jī)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(dòng)力源最好使用電力;泥漿泵應(yīng)充分滿足深孔壓力和流量的要求;配套要齊全、合理，除鉆機(jī)、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(tǒng)應(yīng)盡可能完善。

3.2 重視鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證安全高效施工的關(guān)鍵

深孔在施工前必須做出詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)，這是保證工程順利完工的基本前提。工程設(shè)計(jì)中第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是按照選擇鉆探方法的基本要求確定鉆孔結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)的第一步是綜合考慮地質(zhì)要求和工程實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性確定終孔口徑。多數(shù)情況地質(zhì)設(shè)計(jì)只要求穿礦口徑，除非有特殊要求，一般穿過(guò)礦層之后數(shù)米至數(shù)十米即可終孔，所以多數(shù)情況下穿礦口徑即是終孔口徑。在20世紀(jì)70年代我國(guó)剛剛推廣金剛石鉆探時(shí)，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(fù)雜地層較多，繩索取心鉆探技術(shù)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(qū)使用老標(biāo)準(zhǔn)Φ56 mm口徑)居多，個(gè)別礦區(qū)要求Φ75 mm口徑終孔。進(jìn)入21世紀(jì)以后，Φ75 mm口徑終孔漸漸增多，相應(yīng)鉆探成本也有所增加。根據(jù)我國(guó)剛剛頒布的《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)的規(guī)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(guī)格代號(hào)及對(duì)應(yīng)的公稱口徑/mm

該公稱口徑系列是與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌的，與我國(guó)以前地質(zhì)、冶金等部門執(zhí)行的老標(biāo)準(zhǔn)有所不同。一個(gè)1000～2000 m的鉆孔，根據(jù)地層的復(fù)雜情況，一般需要設(shè)計(jì)3～4層套管，特別復(fù)雜地層甚至需要設(shè)計(jì)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(shù)套管的口徑就會(huì)相應(yīng)減小，成本會(huì)大幅下降。建議的深孔鉆孔結(jié)構(gòu)見表2。新鉆具標(biāo)準(zhǔn)提出的主要管材尺寸(建議值)見表3。新標(biāo)準(zhǔn)是在常用的B、N、H、P口徑基本維持《金剛石巖心鉆探鉆進(jìn)設(shè)備》(GB 16950－1997)的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)具有與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌，且口徑級(jí)差合理、環(huán)狀間隙大、利于深孔鉆進(jìn)等特點(diǎn)。建議盡快推廣新標(biāo)準(zhǔn)系列，以滿足深孔鉆探的需求［5］。

表2 建議的深孔鉆孔結(jié)構(gòu)/mm

表3 新鉆具標(biāo)準(zhǔn)提出的主要管材尺寸(建議值)/mm

另外，使用尾管的問(wèn)題值得重視。在地質(zhì)巖心鉆探中，過(guò)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(duì)于深孔，這種使用方法就有些浪費(fèi)，可以借鑒油氣鉆井中在深部采用尾管的技術(shù)，減少套管重疊，降低成本。套管固井技術(shù)也是地質(zhì)巖心鉆探的薄弱環(huán)節(jié)，往往不被重視，巖心鉆探有回收套管的習(xí)慣，套管只下不固，這種方法對(duì)于深孔鉆進(jìn)需要長(zhǎng)時(shí)間在套管中回轉(zhuǎn)鉆桿是十分危險(xiǎn)的。尾管的使用為塔式鉆柱的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3.3 普及推廣和科學(xué)使用先進(jìn)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(huì)更早地發(fā)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(yīng)注意探傷檢查;重視潤(rùn)滑，盡量減少摩擦阻力;處理卡鉆事故時(shí)，不要強(qiáng)拉硬頂，可在額定最大負(fù)荷內(nèi)拉、壓、扭作業(yè)。對(duì)于深度超過(guò)1500 m的鉆孔，建議:采用高強(qiáng)度繩索取心鉆桿、鉆具和組合式鉆桿柱;不同強(qiáng)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(jié)省提下鉆輔助時(shí)間。不同鉆進(jìn)方法施工不同鉆孔的時(shí)間分析如圖1所示［7］。

圖1 不同鉆進(jìn)方法施工不同鉆孔的時(shí)間分析

(3)使用液動(dòng)潛孔錘提高鉆進(jìn)效率。

(4)使用長(zhǎng)壽命鉆頭和擴(kuò)孔器延長(zhǎng)提鉆間隔。為提高深孔綜合鉆進(jìn)效率，回次進(jìn)尺和提鉆間隔越長(zhǎng)越好。圖2所示是張偉教授等［5］綜合深孔鉆探實(shí)際繪制的提鉆間隔對(duì)取心鉆進(jìn)時(shí)間的影響分析結(jié)果。從圖中可以看到，隨著提鉆間隔的增大鉆進(jìn)分為效率特低、低效、效率較低和高效4個(gè)區(qū)。這就要求鉆頭和擴(kuò)孔器必須長(zhǎng)壽命。隨著鉆頭技術(shù)的發(fā)展，金剛石鉆頭工作層的高度在不斷增加，從最初4～6 mm發(fā)展到現(xiàn)在的10～12 mm，最大的達(dá)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(duì)取心鉆進(jìn)時(shí)間的影響

3.4 使用先進(jìn)護(hù)壁技術(shù)和堵漏材料，保證鉆孔安全

3.4.1 復(fù)雜地層和沖洗液

深孔繩索取心鉆進(jìn)要特別重視沖洗液的應(yīng)用，要低固相、低粘度、低切力和良好的潤(rùn)滑性，同時(shí)要加強(qiáng)沖洗液的管理，維持沖洗液的性能穩(wěn)定，特別是固相含量，必要時(shí)要開動(dòng)離心機(jī)以清除過(guò)多的有害固相物質(zhì)，防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。深孔施工中經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜地層，如坍塌、掉塊、縮徑等，當(dāng)不能應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)快速通過(guò)時(shí)，一定要調(diào)整好沖洗液的性能指標(biāo)，加強(qiáng)護(hù)壁能力。應(yīng)用沖洗液來(lái)維護(hù)孔壁時(shí)，首先要判斷好地層的復(fù)雜類型，是松散、破碎地層，還是水敏性地層或構(gòu)造應(yīng)力異常帶，然后針對(duì)性地采取治理措施。必要時(shí)放棄繩索取心鉆進(jìn)工藝，改用提鉆取心工藝以適應(yīng)沖洗液性能的變化，待穿過(guò)復(fù)雜段下套管隔離后，再恢復(fù)繩索取心鉆進(jìn)。復(fù)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(shí)一定要建立地層壓力平衡的概念，利用調(diào)整沖洗液密度來(lái)平衡地層壓力［5］。

3.4.2 膨脹套管的技術(shù)

膨脹套管技術(shù)是近10年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于石油開采時(shí)油管的修復(fù)、石油鉆井時(shí)臨時(shí)隔離漏失、涌水、遇水膨脹縮徑、破碎、掉塊、坍塌等復(fù)雜地層。與常規(guī)的套管不同，膨脹套管從上層套管中下入到預(yù)定層位，膨脹后隔離復(fù)雜地層，隨后可用與膨脹套管下入前同樣直徑的鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，井眼直徑絲毫不會(huì)減?。?］。用常規(guī)套管封隔復(fù)雜地層時(shí)每多下一級(jí)套管，鉆孔直徑就要減小一級(jí)，通常為了保證終孔鉆進(jìn)取心直徑能滿足地質(zhì)要求，從鉆孔安全角度出發(fā)，深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多采用預(yù)留一級(jí)套管的做法，從而加大了孔徑級(jí)數(shù)，其結(jié)果是增加了鉆井綜合成本，膨脹套管的技術(shù)可避免此類情況發(fā)生。

3.5 重視防斜與糾斜

深孔鉆進(jìn)應(yīng)特別注意防斜，鉆具的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在淺孔時(shí)，一般在鉆頭上面安裝一個(gè)擴(kuò)孔器用以保持鉆孔口徑即可，而在深孔中則應(yīng)該在鉆具上端再安裝一個(gè)外徑比擴(kuò)孔器略小的接頭(穩(wěn)定器)，以保證滿眼鉆進(jìn)，減少孔斜的產(chǎn)生［5］。液動(dòng)錘的防斜效果值得肯定，但也不是萬(wàn)能的。深孔糾斜要謹(jǐn)慎，鉆孔“狗腿”過(guò)多、過(guò)大都會(huì)給下部施工帶來(lái)極大危險(xiǎn)，因此，不到萬(wàn)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(wěn)斜一定要“緩、順、凈”。小徑糾斜后擴(kuò)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(shí)，可在鉆具組合中帶上震擊器。

4 深孔鉆探實(shí)踐

2009～2010年，利用“十一五”“863”重點(diǎn)項(xiàng)目“2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備”研究成果樣機(jī)相繼完成了2個(gè)超2000 m的深孔鉆探施工。

4.1 兩個(gè)超2000 m鉆孔概況

(1)使用FYD－2200型分體塔式全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)完成的安徽省霍邱縣周集鐵礦深部勘查項(xiàng)目ZK1725地質(zhì)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(zhǎng)度2.55 m，平均機(jī)械鉆速1.49 m/h，臺(tái)月效率254.14 m，純鉆進(jìn)時(shí)間利用率18.73%。鉆孔平均取心率97%，礦體采取率100%，鉆孔經(jīng)野外驗(yàn)收，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。在地質(zhì)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(yàn)鉆孔終孔深度刷新了我國(guó)小口徑繩索取心最深紀(jì)錄。

(2)使用YDX－5型動(dòng)力頭鉆機(jī)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(kuò)孔，擴(kuò)至385 m以Φ114 mm套管封隔漏失層。2009年12月31日，H級(jí)口徑繩索取心鉆具鉆進(jìn)1461.90 m，隨后下入了相同深度的Φ91 mm技術(shù)套管，創(chuàng)造并保持了國(guó)內(nèi)H級(jí)繩索取心鉆進(jìn)深度及巖心鉆探套管應(yīng)用深度的兩項(xiàng)紀(jì)錄［1］。2010年4月10日，ZK43－1鉆孔竣工，終孔深度2212.80 m，曾創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)全液壓地質(zhì)巖心鉆機(jī)深度記錄?！?63”項(xiàng)目研制的N規(guī)格繩索取心鉆桿也創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)最深記錄。先進(jìn)的鉆探參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雙密封不對(duì)稱梯形螺紋高強(qiáng)度繩索取心鉆桿、大深度繩索取心液動(dòng)錘、超高胎體二次鑲焊金剛石鉆頭、新系列高強(qiáng)度套管等先進(jìn)工藝器具確保了施工順利，鉆桿一次未斷，沒(méi)有發(fā)生燒鉆事故。

4.2 深孔鉆探體會(huì)

總結(jié)2個(gè)深孔施工實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)鉆孔地層堅(jiān)硬、破碎，構(gòu)造破碎帶尤為發(fā)育(如圖3、圖4所示)，孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，如ZK43－1孔深度240 m后嚴(yán)重漏失，全孔不返泥漿，坍塌嚴(yán)重，施工難度極大。ZK1725孔也曾出現(xiàn)孔壁坍塌事故，給施工帶來(lái)極大困難。由于重視鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工組織管理，設(shè)備選用恰當(dāng)，工藝措施合理，保證了任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖3 ZK1725鉆孔復(fù)雜地層巖心圖片

圖4 ZK43－1鉆孔復(fù)雜地層巖心圖片

(2)兩臺(tái)鉆機(jī)均累計(jì)運(yùn)行數(shù)千小時(shí)無(wú)大故障，超額完成了鉆孔施工任務(wù);鉆機(jī)性能得到了驗(yàn)證。

(3)動(dòng)力頭鉆機(jī)給進(jìn)行程長(zhǎng)，鉆進(jìn)一個(gè)回次無(wú)需倒桿，減少輔助時(shí)間，保證了較高取心質(zhì)量和取心率。在兩孔穿過(guò)復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中優(yōu)越性明顯。ZK1725地質(zhì)巖心勘探孔首次在地質(zhì)巖心小口徑鉆探過(guò)程中采用液壓動(dòng)力鉗，和人工擰卸鉆桿相比擰卸時(shí)間節(jié)約1/3以上。同時(shí)，鉆桿損傷減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

(4)YDX－5型鉆機(jī)使用13 m自備桅桿(見圖5)，F(xiàn)YD－2200型鉆機(jī)在自備桅桿基礎(chǔ)上另配24 m四角鉆塔(見圖6和圖7)。首次采用動(dòng)力頭鉆機(jī)配四角鉆塔鉆進(jìn)施工，將動(dòng)力頭鉆機(jī)給進(jìn)行程長(zhǎng)與傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)配高鉆塔提下鉆立根長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起，大大提高了提下鉆效率，得出1000 m以內(nèi)鉆孔用動(dòng)力頭鉆機(jī)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(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

圖5 YDX－5型動(dòng)力頭鉆機(jī)

圖6 FYD－2200型動(dòng)力頭鉆機(jī)

圖7 SG－24A型四腳鉆塔

5 結(jié)語(yǔ)

在找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)逐步推開實(shí)施的今天，鉆探工作量大幅度增加，施工的深孔特深孔數(shù)量急劇增加，對(duì)鉆探技術(shù)和裝備提出了前所未有的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，鉆探技術(shù)與裝備近年來(lái)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，新技術(shù)新裝備不斷涌現(xiàn)，為礦產(chǎn)勘查單位提供了克服各種施工難題的手段。當(dāng)務(wù)之急是加大新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)新裝備的推廣力度，使之盡快發(fā)揮應(yīng)有作用。同時(shí)，要重視鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工組織管理。相信隨著國(guó)家對(duì)鉆探工作的重視程度越來(lái)越高，經(jīng)過(guò)鉆探技術(shù)科技工作者共同努力，地質(zhì)巖心鉆探深度會(huì)越來(lái)越深，鉆探效率會(huì)越來(lái)越高。

［1］王學(xué)龍.回眸“十一五”展望“十二五”——鉆探技術(shù)和裝備形成系列為資源環(huán)境開發(fā)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(shù)新進(jìn)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(chuàng)新鉆掘技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(2):7－8.

［4］王穩(wěn)石，朱永宜.科學(xué)鉆探復(fù)雜地層取心鉆進(jìn)技術(shù)［A］.第十六屆探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集［C］.北京:地質(zhì)出版社，2011.425－431.

［5］張偉，王達(dá)，劉躍進(jìn)，等.深孔取心鉆探裝備的優(yōu)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(yàn)孔關(guān)鍵裝備與技術(shù)［A］.第十六屆探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集［C］.北京:地質(zhì)出版社，2011.127－135.

［7］張偉.取心鉆進(jìn)工藝方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析——施工時(shí)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(hù)壁技術(shù)研究現(xiàn)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(guó)土資源部第42個(gè)世界地球日主題宣傳活動(dòng)周期間在北京舉辦的“國(guó)土資源部地質(zhì)找礦理論、技術(shù)方法高級(jí)研討班”上進(jìn)行了報(bào)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(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目“2000 m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備”(2007AA060701)

張金昌(1959－)，男(漢族)，河北保定人，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所所長(zhǎng)、總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，兼任中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)探礦工程專業(yè)委員會(huì)常務(wù)副主任委員，探礦工程專業(yè)，工學(xué)碩士，主要從事固體礦產(chǎn)鉆探、水文水井鉆探及工程施工鉆探設(shè)備設(shè)計(jì)和鉆探工藝研究工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，jinchang@cniet.com。