地质岩心深部钻探发展浅析

2013-11-07赵国君

中国国土资源经济 2013年11期

■ 赵国君

（中国国土资源经济研究院，北京 101149）

近年来，我国工业化、城镇化和农业现代化加快推进，使得我国矿产资源供需矛盾日益突出，这对地质找矿工作提出了更高的要求。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出：“实施地质找矿战略工程，加大勘查力度，实现地质找矿重大突破，形成一批重要矿产资源的战略接续区，建立起重要矿产资源储备体系。”国土资源部也联合国家发改委、科技部、财政部共同提出了《找矿突破战略行动纲要（2011-2020年）》，力争为我国经济平稳快速发展提供有力资源保障和产业支撑。

地质深部钻探技术发展是取得地下实物资料、建立测试通道，验证地下信息推断与解释、最终圈定矿体、计算储量、评估品位唯一的工程技术手段，是地质勘探及找矿的重要技术手段。系统梳理我国地质深部钻探技术发展历程及关键技术应用情况，对落实找矿突破战略行动具有现实意义。

1 地质岩心钻探设备的发展历程

国内地质岩心钻探设备的发展经历了以下五个阶段：第一阶段为1949年以前,国内钻探机械几乎全部由国外引进;第二阶段是20世纪50年代初,我国大量钻机都是从苏联引进的在当时来看并不先进的手把式钻机;第三阶段为50年代中期，我国开始学习国外先进钻机制造技术,并仿制出一批高质量钻机;第四阶段为60年代, 随着国内机械制造业迅速发展,我国已经开始自行设计钻机,如XY（原地矿系统）、YL（原冶金工业部）、TK（原煤炭工业部）和HXY（原核工业部）等系列;第五阶段为70年代，我国开始全面推广金刚石钻进技术，促进了我国地质岩心钻机的研制与制造业的发展，并于80年代开始基本满足了国内地质矿产勘查的需要，甚至有部分机型还向外出口。

回顾我国钻机发展的轨迹我们可以看到从20世纪60年代初期开始我国就进行了液压传动钻机的研制，但由于当时生产条件较差，技术较为落后，国产的液压元件质量未能达到相关标准，致使我国自主研发的液压传动钻机未形成产能。改革开放之后，我国相继从美国、德国等发达国家引进了多条名牌液压元件生产线，使国产液压元件的质量有了大幅度提高，这时我国已具备了研究液压传动钻机的良好物质基础和技术准备。进入21世纪后，国内研究机构及生产厂家先后研发出了全液压岩心钻机。主要产品有：勘探所研发的YDX系列全液压岩心钻机、北京天和众邦勘探技术有限公司生产的CSD系列全液压岩心钻机、山东地矿机械厂研制的XD—5系列全液压岩心钻机、张家口中地装备探矿工程机械有限公司生产的HCDU系列岩心钻机等。这些国产钻机均具备了先进钻机的全液压化、给进行程长、无级调速和机械化程度高等优点，顺应国际钻探设备的发展趋势。

2 常用地质深部钻探技术

目前我国的矿产资源勘查开发利用情况并不乐观，矿产资源探明程度还未到一半,我国地质找矿勘查工作平均深度在400m左右，而相关业务发达国家的勘查深度平均已达到800m左右。由此可见，我国的地质找矿工作还有相当大的发掘潜力，这就要求我们应大力发展深部钻探技术。

2.1 高精度定向钻探技术

利用地层自然弯曲规律或造斜工具，使井眼轴线沿设计轨迹延伸的钻孔称之为定向井。通过特殊井下工具、测量仪器和工艺技术来有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻达地下预定目标，完成定向井钻进的钻探工艺技术称之为定向钻探技术。

定向井基本分类原则是：(1)按设计井眼轴线形状可分为二维定向井和三维定向井；(2)按设计最大井斜角可分为低斜度定向井、中斜度定向井和大斜度定向井；(3)按一个井场或平台的钻井数可分为单一定向井、双筒井和丛式井；(4)按钻井的目的分为救援井、多目标井、绕障井和多底井。

随着钻井技术的不断发展，我国目前研发的定向钻探新技术有：(1)超短半径水平井：井眼从垂直转向水平的井眼曲率半径为1m-4m的水平井；(2)地质导向钻进技术：是采用同一套钻具组合，不起钻就可完成轨迹的调整及钻进任务。从而提高了钻井速度、降低钻井成本的钻井技术；(3)电磁随钻测量新技术：在钻井工程中，随钻测量系统一般是采用钻井液脉冲来传送测量数据的，这种随钻测量技术的优点是在液体钻井液中能够稳定、可靠地工作。缺点是对于气体及各种充气钻井液所产生的钻井液脉冲信号很弱甚至不能产生有效的脉冲信号，从而导致钻井液压力脉冲MWD（随钻测量参数）无法正常工作；(4)定向对接井技术：采用定向钻井技术和水平钻井技术，使地面相距数百米或数千米的两井，在地下数百米或数千米的目的矿层直接采用钻井方法，实现两井连通。

高精度受控定向钻探技术及岩心定向技术可以打出羽状钻孔，所谓羽状钻孔是由一个主孔钻进出多个分支孔。羽状钻孔在普通钻孔难以到达的陡斜矿体等勘探部位和坑道内可以发挥较大的技术优势，从而产生很大的经济优势。

2.2 反循环取样钻进技术

压缩空气在泵体的推动下经过侧入式气水龙头进入双壁钻杆间的环状间隙并向下流动，到达孔底后再通过管中心通道向上流动，同时将所钻地层样品及岩屑携至地表并进入旋流器，样品在旋流器中与空气分离，再根据地质工作要求进行不同比例的无分选缩分，最后将所采集样品按要求编码分装后送交化验室展开分析工作。

反循环取样钻探设备有：钻机、反循环双壁钻杆、孔底钻具、旋流器、分样机和空压机。反循环取样钻进技术具有钻进效率高、适合穿越复杂地层、钻孔质量好和钻进工艺简单等工艺特点。钻出样品具有代表性强、减少对样品进行后期处理的工作量、反映层位准确、品位代表性好以及地质人员可及时掌握地层变化情况的地质特点。

高精度受控定向钻探技术以及反循环取样钻进技术作为钻探工程中的高新技术以其独特的技术特点目前在固体矿产勘查、开采及其相关领域发挥着巨大的作用。高精度受控定向钻探技术最大的特点是控制见矿点的精度高, 从而提高了所获得地质资料的准确性和可靠性，适用于严重导斜地层。反循环取样钻进技术改变了传统的取心和碎岩方式，它与普通取心钻进相比，不但施工效率高( 施工效率提高3-10倍)，而且成本更为低廉( 成本仅为普通取心钻进的1/5=1/3)。

3 地质深部钻探技术实际应用

由中国地质调查局主持，中国地质科学院勘查技术研究所组织实施，中国地质科学院矿产资源所和安徽省地质调查院参与研究，安徽瑞科地矿科技有限公司负责协作施工的国家公益性行业科研专项“深部探测技术与实验研究专项”子项目《重要异常的钻探验证及金属垂向分布规律研究》——庐枞矿集区重要异常钻探验证孔（钻孔编号zk01）在安徽省庐江县刘屯进行了实地钻进研究。所选地庐江县属于长江中下游成矿带及典型矿集区，对于进行深部地质探测研究有着得天独厚的地质优势。截止到目前，ZK-01钻孔深度达到2012.35m，已经完成了2000m的设计孔深要求，项目已停钻并进行了小直径钻孔测井工作。该项目利用地科院勘探所新研制的YDX-5型全液压岩心钻机、深孔绳索取芯钻杆及相关装备及技术成果，在成矿学研究关键区域实施2000m深孔岩心钻探，获取了大量深部地质实物资料及相应的井中综合物探。此项目共开展了三个层次（40-50km，10km，2km）的立体探测和浅表2km以内的参数钻探实验，为庐枞矿集区的成矿理论和探测技术研究提供了充分的实物资料和物性数据。