鉆探技術(shù)在深部礦產(chǎn)勘查的應(yīng)用

趙 煒

（西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)院資源公司，云南 昆明 650051）

1.認(rèn)識(shí)深部鉆探難度，高度重視，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)

1.1 思考1：要充分認(rèn)識(shí)深部鉆探的客觀困難首先需要深刻地認(rèn)識(shí)到深部鉆探，不是淺孔鉆探簡(jiǎn)單的延深或長(zhǎng)度的放大，而有著質(zhì)的差別。

淺孔鉆探結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備簡(jiǎn)便，工藝技術(shù)簡(jiǎn)易，鉆探技術(shù)含量少，屬簡(jiǎn)單粗放體力勞動(dòng)，技術(shù)問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題不突出，偏差后果不嚴(yán)重，掩蓋了鉆探技術(shù)重要性。

1.1.1 鉆遇復(fù)雜地層多

深部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度增加，深部鉆探穿越巖石層位較多，鉆遇堅(jiān)硬、破碎、風(fēng)化、松散、軟弱、水敏、漏失等復(fù)雜層位增多，甚至幾種復(fù)雜層同時(shí)(交替)存在。技術(shù)解決措施復(fù)雜，甚至措施相互抵觸相互矛盾，顧此失彼。

1.1.2 鉆孔偏斜距離大

對(duì)于中淺孔，除特別情況外，鉆孔角度累進(jìn)變化不大，鉆孔絕對(duì)偏斜距離也相應(yīng)較小，完全滿足地質(zhì)勘探要求；對(duì)于深孔，則是質(zhì)的變化，即使按百米遞增0.5°～1°，深度1500m鉆孔偏斜距約100～200m，如若方位變化較大，鉆孔落點(diǎn)更難確定，鉆孔更深呢顯然不能滿足勘探要求。

1.1.3 巖石樣品采取難

鉆取樣品是鉆孔的首要目的，復(fù)雜巖層取心本是鉆探較為專業(yè)的難題。深部地質(zhì)作用力大，復(fù)雜層位多，程度更加嚴(yán)重，取心困難問(wèn)題更加突出。研究結(jié)構(gòu)科學(xué)的取心鉆具和工藝先進(jìn)的鉆進(jìn)方法以及相適應(yīng)的設(shè)備成為專業(yè)課題。

1.1.4 鉆探施工成本高

深孔鉆遇復(fù)雜層多，工藝技術(shù)要求特殊，生產(chǎn)負(fù)荷大，防止孔內(nèi)事故成為首要事項(xiàng)，這就需要先進(jìn)的設(shè)備、鉆探材料和工具，其性能、強(qiáng)度、韌性、密封、耐壓等要求高，淘汰報(bào)廢率高。深孔鉆探所需設(shè)備大，能耗高。鉆遇復(fù)雜層多，技術(shù)處理費(fèi)用大。

1.2.思考2：要高度重視深部鉆探工作

在我國(guó)，完全受制于國(guó)家政策，沒(méi)有建立和形成自主的地勘經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，各項(xiàng)地質(zhì)工作和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)沒(méi)有雄實(shí)的經(jīng)濟(jì)支撐，學(xué)術(shù)理論、技術(shù)方法和地質(zhì)裝備較為落后，鉆探設(shè)備功能單一，缺乏自動(dòng)化、智能化，勞動(dòng)強(qiáng)度大；鉆探材料性能低，機(jī)械加工精度差，無(wú)統(tǒng)一執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；工作艱苦，待遇低下，新人才引不進(jìn)，老技術(shù)過(guò)時(shí)陳舊，與現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)脫節(jié)，人才匱乏，研發(fā)推廣力量薄弱，技術(shù)力量與深鉆要求差距很大。

我們認(rèn)為，重視鉆探是開(kāi)展深部勘探的首要工作，重視鉆探已迫在眉睫，現(xiàn)階段需要大力投入，深入開(kāi)展設(shè)備、鉆材、工具、儀器研發(fā)，推進(jìn)設(shè)備現(xiàn)代化、鉆材優(yōu)質(zhì)化、鉆具系列化、儀器電腦化。

我們建議，重視鉆探需要改變現(xiàn)有地質(zhì)勘探投資運(yùn)作模式，國(guó)家應(yīng)制定出臺(tái)合理的投資運(yùn)行管理辦法，將地質(zhì)研究、物化遙測(cè)探和鉆探工程分塊投資、分塊管理；設(shè)立市場(chǎng)運(yùn)作保護(hù)基準(zhǔn)價(jià)，細(xì)化費(fèi)用基準(zhǔn)定額；實(shí)行監(jiān)理制，嚴(yán)格監(jiān)管核定投資費(fèi)用，杜絕侵占挪用鉆探工作費(fèi)用。

2.認(rèn)識(shí)定向鉆進(jìn)技術(shù)意義，抓住核心技術(shù)，注重工藝研究，強(qiáng)調(diào)技術(shù)精度

2.1.思考1:要充分認(rèn)識(shí)深部鉆探之定向鉆進(jìn)技術(shù)的深遠(yuǎn)意義

受控定向鉆探是主動(dòng)控制鉆孔軌跡，使其按預(yù)定曲線鉆進(jìn)命中目標(biāo)靶點(diǎn)(區(qū))，從而達(dá)到深部找礦高精度勘探要求，解決鉆孔偏斜和陡斜礦體勘探問(wèn)題。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一主多支的羽狀或傘狀鉆孔，大幅度節(jié)約鉆探工作量及勘探投資，縮短勘探周期，在深部勘探中具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)意義；可實(shí)現(xiàn)特定軌跡曲線達(dá)到避障繞障或其它特殊目的。受控定向鉆探屬高技術(shù)特種鉆探范疇，是應(yīng)用其他學(xué)科高新技術(shù)最為集中的專業(yè)技術(shù)。

深部鉆探離不開(kāi)受控定向鉆進(jìn)。深部礦產(chǎn)勘探，鉆孔偏斜將是影響地質(zhì)找礦成果的關(guān)鍵因素，受控定向鉆探是有效解決鉆孔偏斜、保障鉆孔達(dá)到目標(biāo)落點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。

液動(dòng)孔底馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和隨鉆測(cè)量技術(shù)為深部定向鉆探拓展了強(qiáng)有力的應(yīng)用空間，地表無(wú)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能耗和鉆材消耗；軌跡任意控制，可減少大量鉆進(jìn)工作量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡鉆孔特殊目的。

2.2 思考2：要全力解決定向鉆進(jìn)專用裝備和泥漿技術(shù)問(wèn)題

（1）小口徑孔底馬達(dá)技術(shù)不甚嫻熟，輸出功率小，不能用于所有巖層鉆進(jìn)，效率低；壽命短，連續(xù)使用成本高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗拉強(qiáng)度小，不能適應(yīng)強(qiáng)力提拉。目前尚不能很好地實(shí)現(xiàn)取心鉆進(jìn)。

（2）定向測(cè)量技術(shù)是定向鉆進(jìn)至關(guān)重要的核心問(wèn)題，固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘探領(lǐng)域定向測(cè)量?jī)x器發(fā)展緩慢，可靠性和密封耐壓性都比較低，甚至使用自制或改制的原始儀器，隨鉆測(cè)量技術(shù)在石油鉆井中廣泛使用，但未能引進(jìn)到礦產(chǎn)地質(zhì)鉆探中，極少有科研單位和制造商研發(fā)制造。要研制同時(shí)滿足測(cè)量功能、測(cè)量精度和幾何規(guī)格(曲孔曲率通過(guò))要求。

（3）液動(dòng)孔底驅(qū)動(dòng)需要較大功率良好性能的輸送泵，要求高壓大流量，工作恒定穩(wěn)定，尤其是泥漿介質(zhì)。目前尚未引起業(yè)界高度關(guān)注。

2.2.4 深鉆對(duì)沖洗液提出了高要求，要解決不同復(fù)雜層護(hù)壁問(wèn)題，要有良好流變性達(dá)到減阻效果，要限制介質(zhì)粒度及含量，減小對(duì)孔壁和輸送泵體沖刷，要研制使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、性能良好的泥漿凈化設(shè)備，要防止泥漿高溫變質(zhì)失效，維持泥漿性能穩(wěn)定，要統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)起到良好效果。

2.3 思考3:要注重定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究(1)合理選擇設(shè)計(jì)鉆孔軌跡、鉆孔結(jié)構(gòu)，合理選配鉆柱，要求級(jí)配合理，減少?zèng)_洗液沿程壓力損失，這對(duì)鉆孔直徑系列與鉆柱標(biāo)準(zhǔn)匹配提出了要求。

(2)研究鉆進(jìn)工藝 (包括常規(guī)鉆進(jìn)和定向鉆進(jìn))對(duì)沖洗液護(hù)壁、潤(rùn)滑、低阻作用要求，研究泥漿的配制、維護(hù)、凈化工作。

(3)研究導(dǎo)斜鉆進(jìn)彎曲強(qiáng)度或曲率規(guī)律，盡可能做到曲率可控。研究鉆桿的抗彎強(qiáng)度和測(cè)量?jī)x器的暢順通過(guò)對(duì)導(dǎo)斜彎曲強(qiáng)度 (或曲率)的限制，探索彎曲鉆孔柔桿鉆進(jìn)技術(shù)。

(4)研究定向鉆進(jìn)、常規(guī)鉆進(jìn)工藝銜接要求，避免修孔卡鉆、修孔劈直，要求導(dǎo)斜工具標(biāo)準(zhǔn)系列與鉆孔結(jié)構(gòu)口徑系列相對(duì)應(yīng)。

(5)研究分支孔施工工藝，包括"栓塞架橋"、側(cè)鉆分叉、套管開(kāi)窗、窗孔串通與密閉、輔助導(dǎo)斜器具安放打撈等一系列工序問(wèn)題，研制專用輔助導(dǎo)斜器具及安放打撈工具。(6)研究改進(jìn)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)獨(dú)立制動(dòng)功能，以解決因鉆機(jī)功能缺陷，現(xiàn)在定向鉆進(jìn)防轉(zhuǎn)制動(dòng)工序復(fù)雜而致操作失誤帶來(lái)的導(dǎo)斜偏向問(wèn)題。

2.4 思考4：不可忽視定位精度

深部鉆探，這個(gè)量已與鉆孔定位值同等重要，沒(méi)有定位精度的定位，其真實(shí)可靠性值得警惕，低精度的鉆孔定位可能帶來(lái)大的錯(cuò)誤，禍及勘探成果，甚或達(dá)不到目的。

鉆孔定位、鉆孔軌跡描述是通過(guò)測(cè)量鉆孔諸點(diǎn)空間角度經(jīng)擬合計(jì)算確定的，可用下式表述:

式中:S(x，y，z)- 鉆孔空間測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；f(L，，a，A，M，t，T……)- 擬合數(shù)學(xué)模型函數(shù)；L、、a- 鉆孔測(cè)點(diǎn)深度，空間角度；A、M-測(cè)量?jī)x器，測(cè)量方法和觀測(cè)者；t、T-測(cè)量時(shí)點(diǎn)，溫度。

上式表明，鉆孔定位精度、定位誤差來(lái)源除與測(cè)點(diǎn)及空間角度有關(guān)外，與儀器、測(cè)量方法和測(cè)量行為、測(cè)量時(shí)點(diǎn)、溫度等諸多因素相關(guān)，與采用的擬合數(shù)學(xué)模型有關(guān)。目前通過(guò)數(shù)理論證，常用的幾種數(shù)學(xué)模型擬合精度相差較小，影響精度因素主要為函數(shù)的元素，所以控制鉆孔精度重點(diǎn)在于確定測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法和測(cè)量行為、測(cè)量時(shí)點(diǎn)等。對(duì)于深孔鉆探，多因素綜合影響累計(jì)誤差將很大，不可忽視每個(gè)細(xì)小因素的影響，即使只有0.1°誤差，累計(jì)誤差將達(dá)1‰以上，如采用儀器說(shuō)明書(shū)精度，則定位誤差接近1%。所以對(duì)于深孔而言，要制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)量規(guī)范，盡可能采用較密測(cè)點(diǎn)、高精度儀器、科學(xué)測(cè)量的方法和準(zhǔn)確的測(cè)量行為，及時(shí)跟蹤鉆孔形成時(shí)點(diǎn)，加強(qiáng)儀器維護(hù)保養(yǎng)與校驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法處理各類誤差，減少人為因素，可以大幅度提高控制精度。

結(jié)語(yǔ)

深部鉆探客觀難度大，需要高度重視和深入研究，改變現(xiàn)行投資模式，依靠經(jīng)濟(jì)投入，大力開(kāi)發(fā)技術(shù)研發(fā)工作，制定科學(xué)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，實(shí)現(xiàn)理論上水平，裝備上臺(tái)階，技術(shù)大飛躍。

[1]黃才啟，劉良根.深部礦產(chǎn)勘探與受控定向鉆進(jìn)技術(shù)方法思考.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì).[期刊]探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009-06-15.