鉆探技術(shù)如何適應深部找礦的要求

  向深部找礦是發(fā)展的必然,在深部找礦過(guò)程中,除了利用更成熟的地質(zhì)理論和更先進(jìn)的物化探方法、遙感技術(shù)等新探測技術(shù)外,最終還需要使用鉆掘(探)技術(shù)來(lái)取心取樣,證實(shí)推斷和探測的正確性。從鉆探工程角度來(lái)看,深部找礦鉆探深度將在1500m左右,少量鉆孔孔深將達2000m。這種深度的資源勘查鉆探工作對鉆探取心取樣質(zhì)量、鉆探速度、施工成本、環(huán)境保護、安全防護等方面都提出了更高的要求。

 

  鉆探取心(樣)的關(guān)鍵技術(shù)是鉆探設備、器具和工藝方法,它們不僅對鉆探效率、施工成本、取心(樣)質(zhì)量及環(huán)境保護等方面有重要影響,而且對縮短整個(gè)勘探周期、加快開(kāi)發(fā)利用步伐有著(zhù)直接的意義。 目前安徽省使用的固體礦產(chǎn)勘探深孔為立軸式鉆機,煤田地勘單位使用的無(wú)液壓的立軸式鉆機,鉆探深度一般在1200m以?xún)?煤田鉆探達到1500m左右,省地礦局313隊和省煤田地質(zhì)局分別進(jìn)行了2200m和2000m深孔鉆機試驗,和國內同行相比,鉆探技術(shù)基本與國內先進(jìn)技術(shù)達到同步,有些新工藝、新技術(shù)使用方面更是填補了空白。

 

  1 鉆探技術(shù)

 

  1.1 金剛石繩索取心技術(shù)

 

  繩索取心(WL)鉆探技術(shù)被稱(chēng)為鉆探技術(shù)第一 次革命,已有近60年的推廣應用歷史。在全球地質(zhì)找礦鉆探施工中是應用最廣泛、綜合地質(zhì)效果最佳的鉆探技術(shù)。自20世紀70年代中期我國開(kāi)始推廣應用,但在應用廣度和深度上與國外發(fā)達國家相比存在較大差距,利用繩索取心鉆探技術(shù)完成的巖心鉆探工作量仍不足全部固體礦產(chǎn)巖心鉆探工作量的30%。國產(chǎn)繩索取心鉆具存在材質(zhì)不佳、加工質(zhì)量差、易折斷和脫扣等問(wèn)題,不能滿(mǎn)足1000m深鉆孔的需要。而深部找礦一般采用的替代方案是使用內徑可以通過(guò)繩索取心鉆具內管的普通鉆桿來(lái)完成鉆孔取心作業(yè),這就在完成取心作業(yè)的同時(shí)增大了鉆孔工作量。

 

  金剛石鉆頭的使用壽命是限制金剛石繩索取心技術(shù)應用于深部找礦的另一個(gè)原因。自20世紀60年代開(kāi)始研究,70年代開(kāi)始推廣金剛石鉆探技術(shù)以來(lái),我國金剛石鉆頭制造水平有了很大提高,但是其使用效果與國外仍存在較大差距。雖然在金剛石超硬復合材料方面進(jìn)行了大規模的攻關(guān)研究,制造了一些聚晶、復合片產(chǎn)品,但其性能也遠遠趕不上國際水平。這就使得國內金剛石鉆頭鉆進(jìn)壽命短、效率偏低。據調查,我國的金剛石鉆頭壽命在硬巖地層還不足40m。

 

  1.2 反循環(huán)連續取樣(心)鉆探技術(shù)

 

  反循環(huán)連續取樣(心)鉆探技術(shù)被稱(chēng)為鉆探技術(shù)第二次革命。它采用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì),利用雙壁鉆桿以沖擊回轉全面碎巖和連續巖屑作為地質(zhì)樣品的方式鉆探施工,隨著(zhù)鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行,巖屑被高速氣流連續地經(jīng)雙壁鉆桿的中心攜帶至地表,并按照順序將巖屑收集起來(lái)作為地質(zhì)化驗分析的地質(zhì)樣品。 國內外大量的鉆探施工經(jīng)驗證明,采用該法獲取的地質(zhì)樣品不僅完全能達到確定礦體埋藏深度、礦體厚度、品位等物化參數的基本要求,而且其鉆探施工速度要比傳統的取柱狀巖心施工速度提高5～10倍，施工成本也將大大降低。根據2006年有關(guān)統計資料,反循環(huán)連續取樣(心)鉆探技術(shù)在澳大利亞完成鉆探工作量的比例超過(guò)80%。我國在20世紀80年代中期曾開(kāi)展了該項技術(shù)的研究并進(jìn)行推廣應用,但由于地質(zhì)上是以巖屑代替傳統的柱狀巖心,且需使用特殊的雙壁鉆桿,所以推廣應用受到較大阻力。

 

  值得關(guān)注的是目前國際地質(zhì)鉆探承包商和礦業(yè)投資者已經(jīng)提出了取心取樣相結合的地質(zhì)勘探新概念,并在一些國家開(kāi)始應用,取得了比任何單一方法效率及地質(zhì)效果都要好的結果,大幅度提高了鉆進(jìn)效率、降低了成本。著(zhù)名的國際鉆探設備制造商瑞典AtlasCopco公司已經(jīng)開(kāi)始推廣這項綜合取心(樣)鉆探技術(shù)。我國則沒(méi)有這方面的應用研究。

 

  1.3 液動(dòng)沖擊回轉鉆進(jìn)技術(shù)

 

  勘探技術(shù)研究所于20世紀60年代開(kāi)始此項技術(shù)的研究,經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)發(fā)、改進(jìn),已經(jīng)形成不同用途、多種規格的系列液動(dòng)沖擊器。特別是YZX127型液動(dòng)潛孔錘在2006年完工的中國大陸科鉆一井施工中創(chuàng )下了總進(jìn)尺4038.88m、平均小時(shí)效率1.13m、平均回次長(cháng)度6.31m的好成績(jì)。但是在普通鉆探生產(chǎn)條件下,由于泥漿固控系統還停留在傳統的泥漿池加循環(huán)槽讓巖粉自然沉淀的水平,在鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿固相含量較高,導致液動(dòng)潛孔錘內的零件頻繁卡死,工作壽命大幅度降低,從而導致提鉆頻繁。在推廣過(guò)程中,其優(yōu)點(diǎn)雖為大家所認識和接受,但是實(shí)際應用卻較少。

 

  1.4 空氣泡沫鉆探技術(shù)

 

  該技術(shù)是原地礦部“七五”和“八五”期間的重點(diǎn)科研攻關(guān)項目,由勘探技術(shù)研究所、長(cháng)春地質(zhì)學(xué)院和甘肅地礦局等科研院所、高校和相關(guān)生產(chǎn)單位聯(lián)合完成。經(jīng)過(guò)不同環(huán)境條件及機具試驗研究總結了一套比較成熟的泡沫工藝和鉆進(jìn)規程。由于其后正值地質(zhì)鉆探工作量銳減,而此技術(shù)在初期投資、能耗和后期泡沫劑回收方面的費用都比普通鉆進(jìn)技術(shù)高,因此其推廣應用處于停滯狀態(tài)。

 

  1.5 高精度受控定向鉆探技術(shù)及巖心定向技術(shù)

 

  受控定向鉆探技術(shù)是一種可以使鉆孔軌跡按照預定方向前進(jìn)的特殊鉆探技術(shù),該項鉆探技術(shù)還可以實(shí)現在一個(gè)主孔內鉆進(jìn)多個(gè)分支孔的羽狀鉆孔。自20世紀80年代,勘探技術(shù)研究所研究、推廣應用受控定向鉆探以來(lái),該技術(shù)已成功應用于我國的鹽鹵礦、芒硝礦等水溶性礦產(chǎn)的開(kāi)采領(lǐng)域。特別是該所承 接并完成的土耳其Beypazari天然堿礦工程項目,其控制精度在0.5m以?xún)?標志著(zhù)我國的高精度受控定向鉆探施工進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。在普通鉆孔難以到達的勘探部位和坑道內以及陡斜礦體的勘探中,利用高精度受控定向(取心)鉆探技術(shù)可以明顯減少鉆探工作量和施工費用。惟一遺憾的是該技術(shù)在定向造斜段無(wú)法連續取心。

 

  巖心定向技術(shù),是通過(guò)對孔底巖心作定向標記,從而獲取帶有定向標記方位角的定向巖心,對定向巖心復位測量或計算,即可求解出巖層層面或斷裂面的產(chǎn)狀。這項技術(shù)已經(jīng)在石油勘探開(kāi)發(fā)中廣泛應用。由于地質(zhì)巖心直徑較小,地質(zhì)鉆探取心對這項技術(shù)關(guān)注熱度不夠。 受控定向鉆探技術(shù)是深孔施工單位必備的手段,他是施工的保證,是處理孔內事故的方法。深孔施工控制孔斜是重中之重,如何根據地質(zhì)地層設計好防斜措施,減小孔斜和孔斜的變化率。

 

  2 解決深部找礦關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的對策

 

  2.1 巖心鉆探設備

 

  (1)加快第三代新型鉆機研制和開(kāi)發(fā),積極引 進(jìn)石油鉆井界先進(jìn)技術(shù)和理念,設計出適應于巖心鉆探的深孔鉆機。以液壓為動(dòng)力,優(yōu)先開(kāi)發(fā)地質(zhì)巖心頂部驅動(dòng)鉆機,使之成為系列化及與之相配套泥漿泵等。

 

  (2)加快坑道鉆探設備的能力、功能的提升。在危機礦山接替資源的勘探中,對某些成礦模式的地層,在現有的數百米深的地下坑道或開(kāi)采區內,利用坑道鉆探設備來(lái)進(jìn)行深部巖心鉆探工作,可以充分揭露深部地層,節約鉆探費用和時(shí)間,提高勘探效率?？拥楞@探設備應以提升設備能力、完善設備功能和實(shí)現機電液一體化為主要目標,并形成300～1000m范圍內的完整產(chǎn)品體系,達到深部找礦要求。

 

  (3)加快先進(jìn)巖心鉆探設備的推廣。巖心鉆探設備推廣應用的最終結果是實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,而產(chǎn)業(yè)化又是降低生產(chǎn)成本和銷(xiāo)售價(jià)格的有效手段,這又反過(guò)來(lái)推動(dòng)著(zhù)巖心鉆探設備的推廣應用。因此,巖心鉆探設備的推廣應用過(guò)程就是設備的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程。目前,國內一些機構在全液壓動(dòng)力頭式鉆機的研發(fā)進(jìn)展已經(jīng)取得了一些成績(jì),其2000m全液壓頂驅巖心鉆機和KD21000型坑道鉆機也在積極地進(jìn)行項目申報,爭取形成系列化,推動(dòng)此類(lèi)鉆機的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,以進(jìn)一步降低成本。

 

  2.2 巖心鉆探器具及工藝方法

 

  (1)加強信息情報收集,積極開(kāi)展行業(yè)間信息交流,推動(dòng)學(xué)科交叉合作?；仡欍@探技術(shù)發(fā)展的幾十年,情報部門(mén)提供了金剛石鉆進(jìn)技術(shù)、定向鉆進(jìn)技術(shù)、沖擊回轉鉆進(jìn)技術(shù)等一系列科技信息,對國內鉆探工程界有很大的啟發(fā),為在國內科技攻關(guān)立項、研發(fā)、創(chuàng )新、模仿或引進(jìn)技術(shù)起到了重要作用。在20世紀90年代,由于我國地質(zhì)鉆探工作量的銳減,一些先進(jìn) 的鉆探技術(shù)在其他行業(yè)已經(jīng)得到了成熟應用。鉆探技術(shù)的一些新技術(shù)新方法也隨著(zhù)材料、機械、電子信息等學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展。如果閉門(mén)造車(chē),不僅研究成果的先進(jìn)性和適用性難以保證,而且還可能重復研究,造成大量資源浪費。

 

  (2)加快新型基礎鉆具的研制和新工藝技術(shù)的完善。新型高壽命金剛石鉆頭、高強度深孔繩索取心鉆桿、新型深孔雙壁鉆桿的研制是保證金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)、反循環(huán)連續取樣(心)鉆進(jìn)技術(shù)安全、經(jīng)濟、高效的服務(wù)于深部地質(zhì)找礦工作的基礎鉆具,對于提高這些技術(shù)應用的可靠性、經(jīng)濟性有著(zhù)重要作用。目前這些基礎鉆具有的已經(jīng)由勘探所立項研究,有的正在申報立項。 空氣泡沫鉆進(jìn)與普通泥漿鉆進(jìn)比較,有著(zhù)節水、增加鉆效、提高鉆頭壽命及對巖心無(wú)污染且不易堵心等優(yōu)勢,在深部找礦工作中,特別是在泥漿使用受限制的區域,該技術(shù)都有一定的應用前景,經(jīng)過(guò)10余年的停滯,該工藝技術(shù)的成熟度相應的有所降低,做好工藝技術(shù)的完善是其推廣應用的前提。

 

  (3)加強巖心鉆探器具及工藝方法的系統化研究,增強鉆探器具的功能、提高工藝方法的適應性,利用現有技術(shù)集成、整合出新。多功能、一體化,是國外鉆具發(fā)展的一個(gè)方向,我國巖心鉆探器具也應利用現有技術(shù)和工藝實(shí)現功能整合。例如勘探所研制的具 有創(chuàng )新和多技術(shù)集成的“三合一” (螺桿馬達+液動(dòng)錘+繩索取心)鉆具,并且在大陸科鉆一井中成功使用,使我國的鉆探技術(shù)邁上了一個(gè)新的臺階。該技術(shù)達到了國際先進(jìn)水平?？碧剿鶠榻鉀Q定向造斜段不能連續取心問(wèn)題正在研制的定向造斜段連續繩索取心工具及正在申報立項的中空式液動(dòng)錘繩索取心工具、繩索取心與反循環(huán)連續取樣結合的組合鉆探技術(shù)也屬于此范疇。

 

  (4)建立健全先進(jìn)鉆探設備、工藝方法的推廣機 制,建設利用先進(jìn)鉆探設備、工藝方法的鉆探樣板工 程。在我國,深部找礦中可以利用的先進(jìn)鉆探技術(shù)大都起步于20世紀60～80年代,近幾十年來(lái)專(zhuān)業(yè)科研機構已經(jīng)做了大量的研究改進(jìn)工作,但是目前的應用情況卻仍有待加強。國外礦業(yè)公司投資的進(jìn)入為這一機制的建立創(chuàng )造了條件,國外礦業(yè)公司在相同情況下,更傾向于利用其國內成熟的鉆探技術(shù)來(lái)完成鉆孔勘探,我們可以以此為契機使其成為利用先進(jìn)鉆探設備、工藝方法的示范,供相關(guān)科研機構、技術(shù)部門(mén)學(xué)習、交流、探討,加快先進(jìn)鉆探技術(shù)的消化吸收和推廣應用。

 

  (5)注重鉆探從業(yè)人員的培訓工作,提高鉆探人員的素質(zhì)。深部找礦的設備和儀器更加精密,操作更加自動(dòng)化。沒(méi)有高素質(zhì)的從業(yè)人員保障,不僅不利于新技術(shù)的推廣應用,而且也很難保證高質(zhì)量的完成深部找礦的鉆探工作。

 

  3 結束語(yǔ)

 

  深部找礦中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,歸根結底是新深度、新要求與研發(fā)新技術(shù)、新設備器具間的矛盾、已有 技術(shù)成果與推廣應用間的矛盾、先進(jìn)技術(shù)與舊有觀(guān)念之間的矛盾、技術(shù)的先進(jìn)性與經(jīng)濟的可行性之間的矛盾,技術(shù)需求與信息滯后之間的矛盾。要解決這些問(wèn)題,首先是領(lǐng)導重視,改變觀(guān)念,目標長(cháng)遠;其次必須通過(guò)體制的創(chuàng )新、人員的培養、培訓,利用現有先進(jìn)技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足深部找礦的需要,建立一批示范工程來(lái)推動(dòng)先進(jìn)鉆探技術(shù)的應用。深部找礦對地質(zhì)鉆探技術(shù)提出了更高的要求,同時(shí)也為地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展創(chuàng )造了條件。我國的一批鉆探技術(shù)專(zhuān)業(yè)研究院所在過(guò)去的幾十年中取得了一些成績(jì),在深部找礦的地質(zhì)鉆探過(guò)程中應一如既往的起到科技排頭兵的作用,推動(dòng)地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展。