地質巖心深部鉆探發(fā)展淺析

■ 趙國君

（中國國土資源經濟研究院，北京 101149）

近年來，我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農業(yè)現(xiàn)代化加快推進，使得我國礦產資源供需矛盾日益突出，這對地質找礦工作提出了更高的要求?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》明確提出：“實施地質找礦戰(zhàn)略工程，加大勘查力度，實現(xiàn)地質找礦重大突破，形成一批重要礦產資源的戰(zhàn)略接續(xù)區(qū)，建立起重要礦產資源儲備體系?！眹临Y源部也聯(lián)合國家發(fā)改委、科技部、財政部共同提出了《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要（2011-2020年）》，力爭為我國經濟平穩(wěn)快速發(fā)展提供有力資源保障和產業(yè)支撐。

地質深部鉆探技術發(fā)展是取得地下實物資料、建立測試通道，驗證地下信息推斷與解釋、最終圈定礦體、計算儲量、評估品位唯一的工程技術手段，是地質勘探及找礦的重要技術手段。系統(tǒng)梳理我國地質深部鉆探技術發(fā)展歷程及關鍵技術應用情況，對落實找礦突破戰(zhàn)略行動具有現(xiàn)實意義。

1 地質巖心鉆探設備的發(fā)展歷程

國內地質巖心鉆探設備的發(fā)展經歷了以下五個階段：第一階段為1949年以前,國內鉆探機械幾乎全部由國外引進;第二階段是20世紀50年代初,我國大量鉆機都是從蘇聯(lián)引進的在當時來看并不先進的手把式鉆機;第三階段為50年代中期，我國開始學習國外先進鉆機制造技術,并仿制出一批高質量鉆機;第四階段為60年代, 隨著國內機械制造業(yè)迅速發(fā)展,我國已經開始自行設計鉆機,如XY（原地礦系統(tǒng)）、YL（原冶金工業(yè)部）、TK（原煤炭工業(yè)部）和HXY（原核工業(yè)部）等系列;第五階段為70年代，我國開始全面推廣金剛石鉆進技術，促進了我國地質巖心鉆機的研制與制造業(yè)的發(fā)展，并于80年代開始基本滿足了國內地質礦產勘查的需要，甚至有部分機型還向外出口。

回顧我國鉆機發(fā)展的軌跡我們可以看到從20世紀60年代初期開始我國就進行了液壓傳動鉆機的研制，但由于當時生產條件較差，技術較為落后，國產的液壓元件質量未能達到相關標準，致使我國自主研發(fā)的液壓傳動鉆機未形成產能。改革開放之后，我國相繼從美國、德國等發(fā)達國家引進了多條名牌液壓元件生產線，使國產液壓元件的質量有了大幅度提高，這時我國已具備了研究液壓傳動鉆機的良好物質基礎和技術準備。進入21世紀后，國內研究機構及生產廠家先后研發(fā)出了全液壓巖心鉆機。主要產品有：勘探所研發(fā)的YDX系列全液壓巖心鉆機、北京天和眾邦勘探技術有限公司生產的CSD系列全液壓巖心鉆機、山東地礦機械廠研制的XD—5系列全液壓巖心鉆機、張家口中地裝備探礦工程機械有限公司生產的HCDU系列巖心鉆機等。這些國產鉆機均具備了先進鉆機的全液壓化、給進行程長、無級調速和機械化程度高等優(yōu)點，順應國際鉆探設備的發(fā)展趨勢。

2 常用地質深部鉆探技術

目前我國的礦產資源勘查開發(fā)利用情況并不樂觀，礦產資源探明程度還未到一半,我國地質找礦勘查工作平均深度在400m左右，而相關業(yè)務發(fā)達國家的勘查深度平均已達到800m左右。由此可見，我國的地質找礦工作還有相當大的發(fā)掘潛力，這就要求我們應大力發(fā)展深部鉆探技術。

2.1 高精度定向鉆探技術

利用地層自然彎曲規(guī)律或造斜工具，使井眼軸線沿設計軌跡延伸的鉆孔稱之為定向井。通過特殊井下工具、測量儀器和工藝技術來有效控制井眼軌跡，使鉆頭沿著特定方向鉆達地下預定目標，完成定向井鉆進的鉆探工藝技術稱之為定向鉆探技術。

定向井基本分類原則是：(1)按設計井眼軸線形狀可分為二維定向井和三維定向井；(2)按設計最大井斜角可分為低斜度定向井、中斜度定向井和大斜度定向井；(3)按一個井場或平臺的鉆井數(shù)可分為單一定向井、雙筒井和叢式井；(4)按鉆井的目的分為救援井、多目標井、繞障井和多底井。

隨著鉆井技術的不斷發(fā)展，我國目前研發(fā)的定向鉆探新技術有：(1)超短半徑水平井：井眼從垂直轉向水平的井眼曲率半徑為1m-4m的水平井；(2)地質導向鉆進技術：是采用同一套鉆具組合，不起鉆就可完成軌跡的調整及鉆進任務。從而提高了鉆井速度、降低鉆井成本的鉆井技術；(3)電磁隨鉆測量新技術：在鉆井工程中，隨鉆測量系統(tǒng)一般是采用鉆井液脈沖來傳送測量數(shù)據(jù)的，這種隨鉆測量技術的優(yōu)點是在液體鉆井液中能夠穩(wěn)定、可靠地工作。缺點是對于氣體及各種充氣鉆井液所產生的鉆井液脈沖信號很弱甚至不能產生有效的脈沖信號，從而導致鉆井液壓力脈沖MWD（隨鉆測量參數(shù)）無法正常工作；(4)定向對接井技術：采用定向鉆井技術和水平鉆井技術，使地面相距數(shù)百米或數(shù)千米的兩井，在地下數(shù)百米或數(shù)千米的目的礦層直接采用鉆井方法，實現(xiàn)兩井連通。

高精度受控定向鉆探技術及巖心定向技術可以打出羽狀鉆孔，所謂羽狀鉆孔是由一個主孔鉆進出多個分支孔。羽狀鉆孔在普通鉆孔難以到達的陡斜礦體等勘探部位和坑道內可以發(fā)揮較大的技術優(yōu)勢，從而產生很大的經濟優(yōu)勢。

2.2 反循環(huán)取樣鉆進技術

壓縮空氣在泵體的推動下經過側入式氣水龍頭進入雙壁鉆桿間的環(huán)狀間隙并向下流動，到達孔底后再通過管中心通道向上流動，同時將所鉆地層樣品及巖屑攜至地表并進入旋流器，樣品在旋流器中與空氣分離，再根據(jù)地質工作要求進行不同比例的無分選縮分，最后將所采集樣品按要求編碼分裝后送交化驗室展開分析工作。

反循環(huán)取樣鉆探設備有：鉆機、反循環(huán)雙壁鉆桿、孔底鉆具、旋流器、分樣機和空壓機。反循環(huán)取樣鉆進技術具有鉆進效率高、適合穿越復雜地層、鉆孔質量好和鉆進工藝簡單等工藝特點。鉆出樣品具有代表性強、減少對樣品進行后期處理的工作量、反映層位準確、品位代表性好以及地質人員可及時掌握地層變化情況的地質特點。

高精度受控定向鉆探技術以及反循環(huán)取樣鉆進技術作為鉆探工程中的高新技術以其獨特的技術特點目前在固體礦產勘查、開采及其相關領域發(fā)揮著巨大的作用。高精度受控定向鉆探技術最大的特點是控制見礦點的精度高, 從而提高了所獲得地質資料的準確性和可靠性，適用于嚴重導斜地層。反循環(huán)取樣鉆進技術改變了傳統(tǒng)的取心和碎巖方式，它與普通取心鉆進相比，不但施工效率高( 施工效率提高3-10倍)，而且成本更為低廉( 成本僅為普通取心鉆進的1/5=1/3)。

3 地質深部鉆探技術實際應用

由中國地質調查局主持，中國地質科學院勘查技術研究所組織實施，中國地質科學院礦產資源所和安徽省地質調查院參與研究，安徽瑞科地礦科技有限公司負責協(xié)作施工的國家公益性行業(yè)科研專項“深部探測技術與實驗研究專項”子項目《重要異常的鉆探驗證及金屬垂向分布規(guī)律研究》——廬樅礦集區(qū)重要異常鉆探驗證孔（鉆孔編號zk01）在安徽省廬江縣劉屯進行了實地鉆進研究。所選地廬江縣屬于長江中下游成礦帶及典型礦集區(qū)，對于進行深部地質探測研究有著得天獨厚的地質優(yōu)勢。截止到目前，ZK-01鉆孔深度達到2012.35m，已經完成了2000m的設計孔深要求，項目已停鉆并進行了小直徑鉆孔測井工作。該項目利用地科院勘探所新研制的YDX-5型全液壓巖心鉆機、深孔繩索取芯鉆桿及相關裝備及技術成果，在成礦學研究關鍵區(qū)域實施2000m深孔巖心鉆探，獲取了大量深部地質實物資料及相應的井中綜合物探。此項目共開展了三個層次（40-50km，10km，2km）的立體探測和淺表2km以內的參數(shù)鉆探實驗，為廬樅礦集區(qū)的成礦理論和探測技術研究提供了充分的實物資料和物性數(shù)據(jù)。

4 總結及建議

4.1 應大力研發(fā)及推廣現(xiàn)代先進鉆進技術

定向鉆進技術是一種先進高效的鉆探方法，不論是固體地質勘查方面還是非金屬地質勘查方面其都是非常重要的鉆探手段。尤其在一個主孔底部側鉆出許多分支孔以達到多個地質靶點的鉆孔中，定向鉆進技術作用發(fā)揮明顯，節(jié)省了很大的鉆探工作量。

我國在地質鉆探工程中要積極運用定向鉆探技術，一方面要大力推廣應用我國自主研發(fā)的且行之有效的定向鉆進技術，如舉辦相關學習班、在生產一線做示范等。另一方面要積極與國外同行交流，多了解學習國際上先進的定向鉆進技術方法，把先進的定向鉆探設備和定向鉆進技術引進來。

4.2 行業(yè)主管部門應加強與相關地質裝備企業(yè)之間的聯(lián)系與合作

中國鉆探裝備生產相關企業(yè)中，中國地質裝備總公司是國內最大的地質裝備制造企業(yè)，其規(guī)模和制造能力在世界上也是處于領先地位的。但其隸屬于中國機械工業(yè)集團總公司，和行業(yè)行政主管部門無直接關系，所以相關行業(yè)行政主管部門應加強與中國地質裝備總公司聯(lián)系與合作，為地質勘探提供更加先進和優(yōu)秀的鉆探技術裝備。

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