金刚石深孔钻进的特点与展望

2018-08-17张绍和韦文杰

超硬材料工程 2018年3期

张绍和，周侯，韦文杰

（1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083）

矿产资源对人类生存和发展而言是重要的物质基础，矿业在我国产业经济中处于“上游”地位，对社会产业链有极大影响。我国历来是矿产贫乏（人均占有量）的国家，无论是黑色金属还是有色金属，乃至非金属矿产。各届政府一直将矿产资源勘探和开发摆在相当重要的位置。社会制度决定了我们不能通过掠夺来获得国外资源，只可以通过互惠互利的原则从国外获取所需资源。但是，这往往会因国际形势的变化而受干扰。目前，中共中央、国务院推行“一带一路”倡议，已初见成效，但立足国内、立足西部、立足深孔钻进，仍是获得矿产资源的主要方向，为此本文就深孔钻进问题进行综述讨论。

1 国民经济高速发展，需要大量矿产资源

1.1 国内矿产资源消耗及需求情况

改革开放以来，我国各项事业发展迅速，国民经济快速增长。但经济快速增长的同时，带来的问题是矿产资源的逐步消耗和需求量巨大。基于我国经济社会发展的阶段性特征与资源国情，矿产资源的快速消耗将会持续一个很长的时期，其消耗态势短期内将难以逆转（如图1）。因此，资源的供需矛盾将会愈发突出，亟待解决。

图1 中国矿产资源需求趋势Fig.1 Import of important minerals in 2010

随着我国工业化、城市化进程的推进，未来社会经济有可能仍然主要依靠基础设施建设、城市住房建设和汽车交通支柱产业的发展来促进经济增长，这对主要金属需求极其巨大（如钢铁、铝、铜、铅、锌等）。由于我国是人口大国，人均矿产资源占有率低，同时伴随我国庞大经济体的发展要求，资源消耗量将是一个庞大的数字，在未来几年，矿产资源紧缺的问题将会进一步加剧。根据我国《2008－2015年矿产资源规划》预测，到2020年，煤炭消费量将超过35亿吨，石油消费量为5亿吨，铁矿石13亿吨，精炼铜730～760亿吨，消耗量大。同时，我国45种主要矿产中有19种矿产存在不同程度短缺，对外依存度大，如表1所列：2010年铁矿石对外依存度达64.7%，铜矿74.6%，铝矿52.7%，我国重要矿产资源供需形势不容乐观，处境被动。

表1 2010年重要矿产品进口量Table 1 Trends in demand for mineral resources in China

对于国内矿产资源的需求情况，见图1所示的预测。总体来看，未来10～15年中国矿产资源需求将出现分异：铁、磷、锰等矿产资源的需求已达峰值，将呈缓慢下降趋势；而煤炭、铝、镍、铅、钨等矿产资源的需求量将陆续达到峰值；清洁能源需求量（如天然气、石油、铀等）持续增长；战略性矿产资源需求量（铍、锗、镓、铟、锶等）将长期持续增长。总体而言，在未来10～15年，中国矿产资源的需求总量仍呈增长趋势［1］。

1.2 国内矿产资源现状

中华人民共和国成立以来，我国开展了大规模的地质勘查工作，加强对矿产资源的普查，取得巨大成就。现已发现171种矿产，探明有一定含量的矿产资源158种，是世界上矿产资源最丰富、种类最齐全的几个国家之一。其中，煤、铝、钨、锡、锑、稀土、菱镁矿、莹石、膨润土、芒硝、石膏、滑石矿等矿产资源在开采量上连续多年居于世界前列。我国诸多矿种在数量、质量上都具有明显优势，有较强的国际竞争能力和资源潜力。表2列举出2009～2010年我国主要矿产品产量；2010年我国新增查明资源储量见表3。

现阶段，我国矿产资源的主要特点［2－3］是：（1）矿产资源总量丰富，品种齐全，但人均占有量少；（2）矿产质量贫富不均，贫矿多，富矿少，开发利用难度大，大多数金属矿产保有储量低，可利用的经济基础储量少；（3）支柱性矿产的质量和产出条件差；（4）资源分布与加工消费区不匹配；（5）共生伴生矿多，单矿种矿床少，分选冶炼困难，综合利用水平低。

表2 2009－2010年我国主要矿产产量Table 2 Major mining production in 2009－2010in China

表3 2010年我国新增查明资源储量Table 3 New found resource reserves in 2010in China

1.3 国内矿产资源区域分布情况

由于我国地质构造特点，地质区域发育差别较大，分区较为明显，决定了我国矿产资源的地区分布不均衡，差异大。如天山－阴山及秦岭构造带因历次造山运动受岩浆活动影响，形成以稀土、镍、铬、钼、铅锌、金、铁等为主的多种金属矿带；而南岭区域构造带则形成钨、锑、锡、铅、锌、汞等有色金属矿带。从矿产种类区域分布上看，煤炭主要分布于北方17省区，占全国总量的89%，南方14省区仅占11%；铁矿集中在辽宁、四川、河北三省，储量占全国的50%；铬矿主要分布于西藏和新疆；磷矿集中于湖南、云南、湖北、贵州和四川五省；铜矿主要集中在江西、西藏、云南、甘肃等地区；陆上石油主要分布在黑龙江、河北、山东、新疆等少数省份。矿产资源的地域分布差别大。

据有关统计，我国的铁、锰、铝、锌、钨、铜等15种重要的金属矿产资源中，有37%分布于我国西部地区，38.8%分布于中部地区，而在经济发达的东部仅拥有总量的24.2%，这种资源分布区域与资源的消费区域不相协调，对资源开发利用难度大。

就资源分布区域而言，西部地区仍是我国重要的矿产资源后备区，潜力巨大。因此，随着经济建设逐步推进、资源消耗逐渐加大，我国对西部区域的矿产开发力度将会逐渐加大，矿产资源的勘查与开发将逐渐向西部地区进行战略转移，当前的西部大开发战略便是实现资源开发战略转移的有益举措。

2 深部找矿是我国长期战略方针

2.1 国外深部找矿勘探成果

2.1.1 加拿大萨德伯里矿

萨德伯里矿区位于加拿大地盾南部，横跨三个不同的地质构造单元。矿区主构造为一向斜盆地，长轴延伸60km，短轴约27km。经过多年对矿区的勘探，在该地区内发现数量规模巨大的矿田（包含40余个矿床，其中大型矿床10余个），不仅矿物种类丰富，且大小矿床集中分布，具有重要的经济价值。该矿区内的主要矿产资源为镍金属矿，据估算，矿区内镍金属资源量达1000万吨以上，是目前世界上最大的镍铜矿产地。

萨德伯里矿区的勘查始于19世纪中叶，到了20世纪80年代，该矿区实施井中瞬变电磁测量方法，发现了埋深在2400m，储量达420万吨的维克多主矿体和底板矿带；1991年，同样运用井中物探＋深钻的勘探方法在东麦克瑞迪发现埋深1000～1500m的底板矿，储量增加680万吨；近些年，运用深部钻探和井中瞬变电磁法的组合，圈定深部隐伏矿床，并且成功地在接触带以下的底板中发现含量丰富的底板型矿床，如：采用UTEM系统探测到深度在3000m，离开钻孔300m的大矿体，并确定其位置、形态、规模等。

萨德伯里矿区在深部找矿勘探方面取得了巨大的成果，运用了新技术和新方法不断向地下深部区域进行地质勘探，发现了储量丰富的矿产资源，具有巨大的经济价值，是深部找矿的成功案例，值得我们学习与借鉴。

2.1.2 南非兰德金铀矿

南非维特瓦特斯兰德盆地是世界上最重要的金矿产地，近百年来黄金产量居世界各种类型金矿之首。兰德盆地位于南非共和国约翰内斯堡以南，沿盆地北、西、南三面分布有7个金矿田，总计有100多个金矿床。南非非常重视找矿新方法的应用和研究，找矿工作中注重效率。如：根据东兰德金矿田在含金砾岩层下部一定距离有一层磁性页岩的特点，首先通过磁法确定隐伏和半隐伏的磁性页岩层，然后通过深部钻探的方法，最终达到找矿目的。目前，在深部开采方面已取得不错的成果，开采最深的矿床是卡勒顿维累（Carlrtonville）金矿田的 Western Deep Level金矿，现已开采到地下4800m［5］。

图2 萨德伯里南部矿区Fig.2 Southern mine of Sudbury

2.2 国内近年深部找矿勘探成果

国内在深部找矿方面也初见成果，2016年山东省第六地质矿产勘查院承担了山东省招远市玲南矿区深部及外围金矿详查项目。该项目在野外施工条件差、深部找矿难度极大的不利条件下完成机械岩心钻探2.7万余米，其中钻探孔深最深为1902.02m，平均孔深1562m。该项目深部找矿工作通过对部分勘探线钻孔进行分析研究，后期在主裂面之下近200m处揭露到厚大的破碎蚀变带，结合现场取样化验，见品位较高、厚度较大的金矿体。最终提交一处金矿资源含量近60t的特大型金矿床。

该项目是深部找矿的重大突破，也是实施“攻深找盲”战略的成功实例，为临近矿山深部找矿提供了成功的找矿经验，对国内外同类型金矿矿床深部找矿工作具有很好的指导和借鉴作用。

2.3 深部找矿前景与战略方针

经过数十年的矿产勘查与开采，我国浅部地层的矿产资源已开采殆尽，地质找矿逐步从过去的浅部（300m以内）、中深部（300～1000m）转向深部（大于1000m）甚至超深部勘探（大于3000m）［6－7］。国务院前总理温家宝曾在中国地质工作50周年纪念大会上指出，“要在市场需求和有资源潜力的老矿山周边或深部，努力探寻新的接替资源”。《国务院关于加强地质工作的决定》中更是提出以国内急缺的重要矿产资源为主攻矿种，兼顾部分优势矿产资源，按照东部攻深找盲、中部发挥特色、西部重点突破、境外优先周边的方针，实施矿产资源保障工程。最新成矿理论研究及深部定位预测验证结果表明，在地下500～1500m深度范围内见矿范例多、储量大，也表明我国大陆深部矿产资源开发潜力巨大。至此，深部找矿已成为我国地质找矿事业的发展方向，具有广阔的前景。

结合国内外深部找矿经验，我国现阶段深部找矿战略方针主要从以下几方面着手：（1）加强深部成矿作用与成矿预测理论研究，对已有的理论、假说、模式等，不应拒绝，也不能肓从，要在实践中不断修正；（2）加强已知矿床深部及旁侧部分的勘探，多数新发现的矿产都产在已知成矿区带内；（3）在深部找矿过程中，应结合已有基础进行创新，多采用新思想、新技术、新设备、新方法进行指导，在提高深部找矿过程中勘探效率的同时，提高深部找矿成功率；（4）当前我国矿产资源勘查的有效投入仍不足，地质找矿的突破需要大量资金投入，国家应继续加大矿产勘查的投入，给予政策支持，加强西部矿产资源勘查力度的同时依靠科技进步提高在中东部“攻深找盲”的勘查水平，充分挖掘中东部资源潜力。

3 现阶段金刚石深孔钻进的特点

钻探是获取地质岩心资料，对地层内部情况进行观察和分析最直接有效的手段。随着勘查进尺的加深，对钻探过程也提出了很大的挑战。金刚石钻进由于在坚硬岩层中有着优良的钻进效果被广泛用于深孔钻进取心过程中。但由于在深孔中地应力极大，在较大的围压下岩石趋于完整坚硬致密，使钻进尤为困难，进尺缓慢。同时，在深孔中钻孔内的条件错综复杂，存在如孔内温差较大、岩石硬度高、钻孔偏斜愈加明显等问题，对金刚石钻头、钻具、钻井液等都有很大影响，一旦其中某个环节出现异常，更换钻头、起下钻等辅助处理环节极其耗时，将变成一个不可忽视的问题，会严重影响整个勘探过程的进行。因此，高效长寿命钻头、防打滑钻头、耐高温钻井液、钻孔的防斜与纠偏等问题都成为金刚石深孔钻进中亟需解决的问题，仍需依靠不断研发钻探新技术、新方法和新设备来弥补当前深孔钻进中存在的不足之处。

3.1 近年我国深孔钻探设备的发展

在进行过深孔钻进过程中，选择合适的深孔钻探设备尤为重要。在选择深孔钻探设备时，应考虑以下几个因素：（1）优良的生产性；所选用钻探设备生产效率要高，以提高整个勘查过程的生产效率，节约勘探用时。（2）可靠性强；钻探设备在整个使用过程中性能稳定，主要表现为零部件配合精度高、零件耐用可靠，操作简易安全，能提高生产质量。（3）能耗低；使用清洁能源，能源利用率高，节约性好。（4）通用性强；设备所使用的结构简单，零部件易于拆卸、检查、维修，能实现通用化、标准化，互换性强。满足以上要求的设备可作为深孔钻进中经济效益最优的钻探设备。近年来，国内在深孔钻探设备的研发中也取得了不错的成果［8－9］。

2010年，福建省121队深孔施工选用XY-6B型钻机、BW-320型泥浆泵、120kw柴油发电机组、加重型ZTl7A四角钻塔的主要钻探设备和SJ-3000绳索取心绞车，自制搅拌机，加强提引器、加重型闭式木马夹持器，BSSG-III型小口径高速水龙头等钻探附属设备，能够满足孔深1200m～1800m，终孔直径77mm的绳索取心深孔钻进施工要求，并取得了较好的经济技术指标。在现场使用中累计完成钻探进尺25000m，特别是在福建省龙永煤田东门地矿区施工1305号钻孔时，终孔直径77mm，孔深1427.2m。

2012年，在汶川地震断裂带科学钻探项目（WFSD）中，使用了中国地质大学研究团队自主研制的我国首套科学钻探专用设备，包括KZ3000型全液压钻机以及深部钻探配套用高压泥浆泵和钻杆钻具等。该套设备集全液压、高速顶驱、大口径、深部取心于一身，具有综合能力强、工艺适应性广、操控智能程度高等特点，在WFSD-2孔深部取心钻探中，各项功能满足设计要求，应用情况良好。深孔取心钻探设备作为我国在全液压大口径深部取心钻探设备的全新尝试，经过 WFSD-2孔实钻验证，探索了一条可完成顶驱取心钻进和转盘扩孔钻进功能的低成本深孔取心钻探设备的技术路线。该配套设备的研发，对提高我国深孔钻探设备的发展水平具有重要的意义。

在深孔钻进中的防斜、治斜和孔底监测问题上，国内也取得一定的成果［10－12］。2010年新疆哈密白山钼矿深孔钻探过程中，当时ZK15-5孔发现孔斜问题，在孔深1268～1368m段，针对该孔斜问题，使用了SYZX75型绳索取心式液动锤，同时配以采用液态聚合物为主处理剂的无固相泥浆进行处理，最终经过多次测斜后发现钻孔偏斜趋势有所缓减，取得了预期效果。同时在深孔孔底监测问题上，专利中介绍了一种深孔钻进中孔底参数实时监测系统，主要包括安装于钻杆上且位于孔底处的信息采集装置与信号发射装置，以及位于地表上的接收装置。该系统可采集各种钻进参数，能够减少深孔钻进过程中的孔内事故，提高钻探效率。

3.2 近年我国深部钻探工艺的进展

钻探工艺对整个钻进过程影响极大，选择合适的钻探工艺、优化钻进规程能在很大程度上减少孔内事故、提高整个钻进过程的工作效率。钻探工艺包括许多方面，如所采用的钻具结构、取心工艺和钻井液配方体系等。在深部钻探过程中，随着孔深的不断增加，孔内情况也逐渐变得复杂，地应力越来越大，岩层愈加坚硬致密，孔内温度逐渐升高。这些都对整个钻探过程提出了更大的挑战。相比于浅孔钻进，随着进尺的增加，深孔钻进的难度会呈几何倍数递增。针对上述问题，部分研究人员采取一些有效的处理方式，使上述问题得到部分或根本解决。

3.2.1 深孔钻进用金刚石钻头

在进行深部钻探过程中，起下钻的辅助过程极其耗时，钻孔越深，起下钻耗时越长，进尺速度越慢，经济效率越下降。同时，在深部地层中，多见于花岗岩岩层，岩石趋于坚硬致密，常用的碎岩工具是孕镶金刚石钻头，但在这种类型的地层中进行钻进时，钻头容易出现打滑不进尺的情况，无法吃入地层对岩石进行有效破碎，即使能有效碎岩，钻头也会由于磨损较快导致寿命降低，需要重新起钻更换钻头，这严重影响了钻进效率。为了解决深孔钻进出现的问题，绳索取心钻具、高强度钻杆、井下更换钻头和高效率长寿命钻头等新技术新方法便应运而生，都在一定程度上提高了钻进效率。钻头是碎岩取心的主要工具，近年来研究人员对适应于深孔钻进的新型取心钻头进行研制，取得了不错的效果。为了提高钻头的使用寿命，有研究者通过提高钻头工作层高度、配合增加水口数量方法，设计了一种高胎体多水口钻头，应用于深孔钻进［13］，如图3所示。

图3 高胎体多水口钻头Fig.3 High matrix multi-nozzle bit

普通钻头的工作层高度为5～7mm，该钻头的工作层的高度提高至15～22mm左右，同时配合更多的水口以提供足够多的冲洗液来冷却钻头、排除岩粉，降低胎体中金刚石的热损伤，以提高钻头的使用寿命，使其能克服深孔钻进中钻头容易过早失效的问题。研究人员通过相关试验证明，相比于常规同规格孕镶金刚石钻头，该类型钻头的钻进效率获得提高的同时，使用寿命也提高50%左右。在该类型钻头的优化设计中，更是有研究者做出了改进，如文献［14］中所介绍的钻头，在钻头工作层不同高度部分镶嵌不同粗细的超硬材料来保持高胎体钻头的使用性能，如图4所示。

图4 高胎体钻头及其胎体情况Fig.4 High matrix bit and matrix condition

高胎体设计虽然能提高钻头的使用寿命，但钻头长时间在井底工作过程中，钻头唇面内外径容易出现不均匀磨损的现象，使钻头唇面出现斜坡形唇面，进而加速钻头的磨损，这对钻头使用寿命的保持是不利的。因此，有研究者对钻头的结构进行优化改进，采用扇形水口结构设计了扇形水口高胎体钻头，使钻头在长时间工作过程中内外圆弧高度方向基本相同［15］。

适应深孔钻进钻头的设计和优化改进也是一个综合问题［16］，有研究者通过从钻头结构改进、金刚石选择与匹配、原材料优选、配方创新、制造工艺优化及针对地层优化性能参数等几个方面入手，研制新型钻头。文献［17］所介绍的钻头，通过提高工作层高度、加大钻头外径、加宽水槽宽度、选用阶梯齿形唇面、采用复合保径、选用高质量金刚石颗粒、优化胎体配方、优化烧结工艺和结合地层进行设计的综合的方法，设计了适用于深孔钻进的新型高胎体低温烧结钻头，并通过野外现场试验验证，取得了较好效果。

3.2.2 深孔钻进用冲洗液

冲洗液作为钻探的“血液”，在钻探过程中起着极其重要的作用，深孔钻进中所使用的冲洗液要经受更大的挑战。在深孔中进行钻进，冲洗液流所经过的地层更多，与地层之间的相互作用更为明显，特别是进入深部地层时，由于高的地热温度，使冲洗液的性能会发生变化，如黏度改变会导致冲洗液的携粉和冷却钻头的能力发生大的变化。因此，在进行深孔钻进时，对冲洗液配方必须进行进一步的改进。在钻孔冲洗液的配方研究上，现已有许多成果可以借鉴［18－19］，以下作一简要介绍。

钻进上部较松散、易坍塌的覆盖层应采用护壁性能较好的泥浆。如有研究者提出了参考配方：纯碱＋膨润土＋中粘纤维素＋植物胶＋聚丙烯酰胺（PHP）；泥浆性能参数：黏度控制在35s以内、密度1.03kg／L、失水量11～15mL、pH 值8.5。钻进较长孔段的硬脆碎地层和松散的易坍塌掉块地层时应采用护壁性能较好的优质低固相泥浆，有研究者推荐选用的泥浆体系为：烧碱＋膨润土＋高粘纤维素（Na－CMC）＋植物胶＋PHP；泥浆性能参数：黏度18～25s、密度1.03～1.05kg／L、失水量10～15mL、pH 值8～9。500m以上深孔中钻进研究者推荐选用无固相冲洗液配方：PHP（1200万～1500万分子量）0.1～0.3kg／桶、纤维素0.4～0.6kg／桶（煮溶后添加）、CR650为50～100g／桶、POL用50～100g／桶、植物胶2－4kg／桶、润滑剂2～4kg／桶。

3.3 金刚石深部钻探的优势

金刚石钻进在深部钻探中的优势主要体现在以下几个方面：（1）金刚石钻头在坚硬地层中钻进具有优良的使用效果［20］。金刚石钻进对坚硬岩石的破碎效果高于硬质合金，能适应深孔的要求。（2）硬质合金钻进、冲击钻进等其他钻进方法在深孔钻探中经济性较差，随着勘探深度的增加，勘探成本呈几何倍数递增，达不到勘探所需要的经济效果。而金刚石钻进在深部钻探中却能保持良好的经济性，性价比高。（3）与金刚石钻头配套的绳索取心钻进，能实现不提钻取心钻进，在深孔钻进中能减少起下钻时间，在一定程度上提高勘探的工作效率，节约勘探成本。（4）一系列与绳索取心相关的技术可应用在深孔钻进中，指导深部钻探。如深孔孔内参数实时监测、参数采集和随钻预警等技术，使信息化程度提高。