金剛石深孔鉆進(jìn)的特點與展望

張紹和，周 侯，韋文杰

（1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083）

礦產(chǎn)資源對人類生存和發(fā)展而言是重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，礦業(yè)在我國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)中處于“上游”地位，對社會產(chǎn)業(yè)鏈有極大影響。我國歷來是礦產(chǎn)貧乏（人均占有量）的國家，無論是黑色金屬還是有色金屬，乃至非金屬礦產(chǎn)。各屆政府一直將礦產(chǎn)資源勘探和開發(fā)擺在相當(dāng)重要的位置。社會制度決定了我們不能通過掠奪來獲得國外資源，只可以通過互惠互利的原則從國外獲取所需資源。但是，這往往會因國際形勢的變化而受干擾。目前，中共中央、國務(wù)院推行“一帶一路”倡議，已初見成效，但立足國內(nèi)、立足西部、立足深孔鉆進(jìn)，仍是獲得礦產(chǎn)資源的主要方向，為此本文就深孔鉆進(jìn)問題進(jìn)行綜述討論。

1 國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，需要大量礦產(chǎn)資源

1.1 國內(nèi)礦產(chǎn)資源消耗及需求情況

改革開放以來，我國各項事業(yè)發(fā)展迅速，國民經(jīng)濟(jì)快速增長。但經(jīng)濟(jì)快速增長的同時，帶來的問題是礦產(chǎn)資源的逐步消耗和需求量巨大?；谖覈?jīng)濟(jì)社會發(fā)展的階段性特征與資源國情，礦產(chǎn)資源的快速消耗將會持續(xù)一個很長的時期，其消耗態(tài)勢短期內(nèi)將難以逆轉(zhuǎn)（如圖1）。因此，資源的供需矛盾將會愈發(fā)突出，亟待解決。

圖1 中國礦產(chǎn)資源需求趨勢Fig.1 Import of important minerals in 2010

隨著我國工業(yè)化、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，未來社會經(jīng)濟(jì)有可能仍然主要依靠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市住房建設(shè)和汽車交通支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，這對主要金屬需求極其巨大（如鋼鐵、鋁、銅、鉛、鋅等）。由于我國是人口大國，人均礦產(chǎn)資源占有率低，同時伴隨我國龐大經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展要求，資源消耗量將是一個龐大的數(shù)字，在未來幾年，礦產(chǎn)資源緊缺的問題將會進(jìn)一步加劇。根據(jù)我國《2008－2015年礦產(chǎn)資源規(guī)劃》預(yù)測，到2020年，煤炭消費量將超過35億噸，石油消費量為5億噸，鐵礦石13億噸，精煉銅730～760億噸，消耗量大。同時，我國45種主要礦產(chǎn)中有19種礦產(chǎn)存在不同程度短缺，對外依存度大，如表1所列：2010年鐵礦石對外依存度達(dá)64.7%，銅礦74.6%，鋁礦52.7%，我國重要礦產(chǎn)資源供需形勢不容樂觀，處境被動。

表1 2010年重要礦產(chǎn)品進(jìn)口量Table 1 Trends in demand for mineral resources in China

對于國內(nèi)礦產(chǎn)資源的需求情況，見圖1所示的預(yù)測?？傮w來看，未來10～15年中國礦產(chǎn)資源需求將出現(xiàn)分異：鐵、磷、錳等礦產(chǎn)資源的需求已達(dá)峰值，將呈緩慢下降趨勢；而煤炭、鋁、鎳、鉛、鎢等礦產(chǎn)資源的需求量將陸續(xù)達(dá)到峰值；清潔能源需求量（如天然氣、石油、鈾等）持續(xù)增長；戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源需求量（鈹、鍺、鎵、銦、鍶等）將長期持續(xù)增長?？傮w而言，在未來10～15年，中國礦產(chǎn)資源的需求總量仍呈增長趨勢［1］。

1.2 國內(nèi)礦產(chǎn)資源現(xiàn)狀

中華人民共和國成立以來，我國開展了大規(guī)模的地質(zhì)勘查工作，加強(qiáng)對礦產(chǎn)資源的普查，取得巨大成就?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)171種礦產(chǎn)，探明有一定含量的礦產(chǎn)資源158種，是世界上礦產(chǎn)資源最豐富、種類最齊全的幾個國家之一。其中，煤、鋁、鎢、錫、銻、稀土、菱鎂礦、瑩石、膨潤土、芒硝、石膏、滑石礦等礦產(chǎn)資源在開采量上連續(xù)多年居于世界前列。我國諸多礦種在數(shù)量、質(zhì)量上都具有明顯優(yōu)勢，有較強(qiáng)的國際競爭能力和資源潛力。表2列舉出2009～2010年我國主要礦產(chǎn)品產(chǎn)量；2010年我國新增查明資源儲量見表3。

現(xiàn)階段，我國礦產(chǎn)資源的主要特點［2－3］是：（1）礦產(chǎn)資源總量豐富，品種齊全，但人均占有量少；（2）礦產(chǎn)質(zhì)量貧富不均，貧礦多，富礦少，開發(fā)利用難度大，大多數(shù)金屬礦產(chǎn)保有儲量低，可利用的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)儲量少；（3）支柱性礦產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)出條件差；（4）資源分布與加工消費區(qū)不匹配；（5）共生伴生礦多，單礦種礦床少，分選冶煉困難，綜合利用水平低。

表2 2009－2010年我國主要礦產(chǎn)產(chǎn)量Table 2 Major mining production in 2009－2010in China

表3 2010年我國新增查明資源儲量Table 3 New found resource reserves in 2010in China

1.3 國內(nèi)礦產(chǎn)資源區(qū)域分布情況

由于我國地質(zhì)構(gòu)造特點，地質(zhì)區(qū)域發(fā)育差別較大，分區(qū)較為明顯，決定了我國礦產(chǎn)資源的地區(qū)分布不均衡，差異大。如天山－陰山及秦嶺構(gòu)造帶因歷次造山運動受巖漿活動影響，形成以稀土、鎳、鉻、鉬、鉛鋅、金、鐵等為主的多種金屬礦帶；而南嶺區(qū)域構(gòu)造帶則形成鎢、銻、錫、鉛、鋅、汞等有色金屬礦帶。從礦產(chǎn)種類區(qū)域分布上看，煤炭主要分布于北方17省區(qū)，占全國總量的89%，南方14省區(qū)僅占11%；鐵礦集中在遼寧、四川、河北三省，儲量占全國的50%；鉻礦主要分布于西藏和新疆；磷礦集中于湖南、云南、湖北、貴州和四川五?。汇~礦主要集中在江西、西藏、云南、甘肅等地區(qū)；陸上石油主要分布在黑龍江、河北、山東、新疆等少數(shù)省份。礦產(chǎn)資源的地域分布差別大。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國的鐵、錳、鋁、鋅、鎢、銅等15種重要的金屬礦產(chǎn)資源中，有37%分布于我國西部地區(qū)，38.8%分布于中部地區(qū)，而在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部僅擁有總量的24.2%，這種資源分布區(qū)域與資源的消費區(qū)域不相協(xié)調(diào)，對資源開發(fā)利用難度大。

就資源分布區(qū)域而言，西部地區(qū)仍是我國重要的礦產(chǎn)資源后備區(qū)，潛力巨大。因此，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)逐步推進(jìn)、資源消耗逐漸加大，我國對西部區(qū)域的礦產(chǎn)開發(fā)力度將會逐漸加大，礦產(chǎn)資源的勘查與開發(fā)將逐漸向西部地區(qū)進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，當(dāng)前的西部大開發(fā)戰(zhàn)略便是實現(xiàn)資源開發(fā)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的有益舉措。

2 深部找礦是我國長期戰(zhàn)略方針

2.1 國外深部找礦勘探成果

2.1.1 加拿大薩德伯里礦

薩德伯里礦區(qū)位于加拿大地盾南部，橫跨三個不同的地質(zhì)構(gòu)造單元。礦區(qū)主構(gòu)造為一向斜盆地，長軸延伸60km，短軸約27km。經(jīng)過多年對礦區(qū)的勘探，在該地區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)數(shù)量規(guī)模巨大的礦田（包含40余個礦床，其中大型礦床10余個），不僅礦物種類豐富，且大小礦床集中分布，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值。該礦區(qū)內(nèi)的主要礦產(chǎn)資源為鎳金屬礦，據(jù)估算，礦區(qū)內(nèi)鎳金屬資源量達(dá)1000萬噸以上，是目前世界上最大的鎳銅礦產(chǎn)地。

薩德伯里礦區(qū)的勘查始于19世紀(jì)中葉，到了20世紀(jì)80年代，該礦區(qū)實施井中瞬變電磁測量方法，發(fā)現(xiàn)了埋深在2400m，儲量達(dá)420萬噸的維克多主礦體和底板礦帶；1991年，同樣運用井中物探＋深鉆的勘探方法在東麥克瑞迪發(fā)現(xiàn)埋深1000～1500m的底板礦，儲量增加680萬噸；近些年，運用深部鉆探和井中瞬變電磁法的組合，圈定深部隱伏礦床，并且成功地在接觸帶以下的底板中發(fā)現(xiàn)含量豐富的底板型礦床，如：采用UTEM系統(tǒng)探測到深度在3000m，離開鉆孔300m的大礦體，并確定其位置、形態(tài)、規(guī)模等。

薩德伯里礦區(qū)在深部找礦勘探方面取得了巨大的成果，運用了新技術(shù)和新方法不斷向地下深部區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘探，發(fā)現(xiàn)了儲量豐富的礦產(chǎn)資源，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值，是深部找礦的成功案例，值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。

2.1.2 南非蘭德金鈾礦

南非維特瓦特斯蘭德盆地是世界上最重要的金礦產(chǎn)地，近百年來黃金產(chǎn)量居世界各種類型金礦之首。蘭德盆地位于南非共和國約翰內(nèi)斯堡以南，沿盆地北、西、南三面分布有7個金礦田，總計有100多個金礦床。南非非常重視找礦新方法的應(yīng)用和研究，找礦工作中注重效率。如：根據(jù)東蘭德金礦田在含金礫巖層下部一定距離有一層磁性頁巖的特點，首先通過磁法確定隱伏和半隱伏的磁性頁巖層，然后通過深部鉆探的方法，最終達(dá)到找礦目的。目前，在深部開采方面已取得不錯的成果，開采最深的礦床是卡勒頓維累（Carlrtonville）金礦田的 Western Deep Level金礦，現(xiàn)已開采到地下4800m［5］。

圖2 薩德伯里南部礦區(qū)Fig.2 Southern mine of Sudbury

2.2 國內(nèi)近年深部找礦勘探成果

國內(nèi)在深部找礦方面也初見成果，2016年山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)了山東省招遠(yuǎn)市玲南礦區(qū)深部及外圍金礦詳查項目。該項目在野外施工條件差、深部找礦難度極大的不利條件下完成機(jī)械巖心鉆探2.7萬余米，其中鉆探孔深最深為1902.02m，平均孔深1562m。該項目深部找礦工作通過對部分勘探線鉆孔進(jìn)行分析研究，后期在主裂面之下近200m處揭露到厚大的破碎蝕變帶，結(jié)合現(xiàn)場取樣化驗，見品位較高、厚度較大的金礦體。最終提交一處金礦資源含量近60t的特大型金礦床。

該項目是深部找礦的重大突破，也是實施“攻深找盲”戰(zhàn)略的成功實例，為臨近礦山深部找礦提供了成功的找礦經(jīng)驗，對國內(nèi)外同類型金礦礦床深部找礦工作具有很好的指導(dǎo)和借鑒作用。

2.3 深部找礦前景與戰(zhàn)略方針

經(jīng)過數(shù)十年的礦產(chǎn)勘查與開采，我國淺部地層的礦產(chǎn)資源已開采殆盡，地質(zhì)找礦逐步從過去的淺部（300m以內(nèi)）、中深部（300～1000m）轉(zhuǎn)向深部（大于1000m）甚至超深部勘探（大于3000m）［6－7］。國務(wù)院前總理溫家寶曾在中國地質(zhì)工作50周年紀(jì)念大會上指出，“要在市場需求和有資源潛力的老礦山周邊或深部，努力探尋新的接替資源”?！秶鴦?wù)院關(guān)于加強(qiáng)地質(zhì)工作的決定》中更是提出以國內(nèi)急缺的重要礦產(chǎn)資源為主攻礦種，兼顧部分優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，按照東部攻深找盲、中部發(fā)揮特色、西部重點突破、境外優(yōu)先周邊的方針，實施礦產(chǎn)資源保障工程。最新成礦理論研究及深部定位預(yù)測驗證結(jié)果表明，在地下500～1500m深度范圍內(nèi)見礦范例多、儲量大，也表明我國大陸深部礦產(chǎn)資源開發(fā)潛力巨大。至此，深部找礦已成為我國地質(zhì)找礦事業(yè)的發(fā)展方向，具有廣闊的前景。

結(jié)合國內(nèi)外深部找礦經(jīng)驗，我國現(xiàn)階段深部找礦戰(zhàn)略方針主要從以下幾方面著手：（1）加強(qiáng)深部成礦作用與成礦預(yù)測理論研究，對已有的理論、假說、模式等，不應(yīng)拒絕，也不能肓從，要在實踐中不斷修正；（2）加強(qiáng)已知礦床深部及旁側(cè)部分的勘探，多數(shù)新發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)都產(chǎn)在已知成礦區(qū)帶內(nèi)；（3）在深部找礦過程中，應(yīng)結(jié)合已有基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新，多采用新思想、新技術(shù)、新設(shè)備、新方法進(jìn)行指導(dǎo)，在提高深部找礦過程中勘探效率的同時，提高深部找礦成功率；（4）當(dāng)前我國礦產(chǎn)資源勘查的有效投入仍不足，地質(zhì)找礦的突破需要大量資金投入，國家應(yīng)繼續(xù)加大礦產(chǎn)勘查的投入，給予政策支持，加強(qiáng)西部礦產(chǎn)資源勘查力度的同時依靠科技進(jìn)步提高在中東部“攻深找盲”的勘查水平，充分挖掘中東部資源潛力。

3 現(xiàn)階段金剛石深孔鉆進(jìn)的特點

鉆探是獲取地質(zhì)巖心資料，對地層內(nèi)部情況進(jìn)行觀察和分析最直接有效的手段。隨著勘查進(jìn)尺的加深，對鉆探過程也提出了很大的挑戰(zhàn)。金剛石鉆進(jìn)由于在堅硬巖層中有著優(yōu)良的鉆進(jìn)效果被廣泛用于深孔鉆進(jìn)取心過程中。但由于在深孔中地應(yīng)力極大，在較大的圍壓下巖石趨于完整堅硬致密，使鉆進(jìn)尤為困難，進(jìn)尺緩慢。同時，在深孔中鉆孔內(nèi)的條件錯綜復(fù)雜，存在如孔內(nèi)溫差較大、巖石硬度高、鉆孔偏斜愈加明顯等問題，對金剛石鉆頭、鉆具、鉆井液等都有很大影響，一旦其中某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，更換鉆頭、起下鉆等輔助處理環(huán)節(jié)極其耗時，將變成一個不可忽視的問題，會嚴(yán)重影響整個勘探過程的進(jìn)行。因此，高效長壽命鉆頭、防打滑鉆頭、耐高溫鉆井液、鉆孔的防斜與糾偏等問題都成為金剛石深孔鉆進(jìn)中亟需解決的問題，仍需依靠不斷研發(fā)鉆探新技術(shù)、新方法和新設(shè)備來彌補(bǔ)當(dāng)前深孔鉆進(jìn)中存在的不足之處。

3.1 近年我國深孔鉆探設(shè)備的發(fā)展

在進(jìn)行過深孔鉆進(jìn)過程中，選擇合適的深孔鉆探設(shè)備尤為重要。在選擇深孔鉆探設(shè)備時，應(yīng)考慮以下幾個因素：（1）優(yōu)良的生產(chǎn)性；所選用鉆探設(shè)備生產(chǎn)效率要高，以提高整個勘查過程的生產(chǎn)效率，節(jié)約勘探用時。（2）可靠性強(qiáng)；鉆探設(shè)備在整個使用過程中性能穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為零部件配合精度高、零件耐用可靠，操作簡易安全，能提高生產(chǎn)質(zhì)量。（3）能耗低；使用清潔能源，能源利用率高，節(jié)約性好。（4）通用性強(qiáng)；設(shè)備所使用的結(jié)構(gòu)簡單，零部件易于拆卸、檢查、維修，能實現(xiàn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，互換性強(qiáng)。滿足以上要求的設(shè)備可作為深孔鉆進(jìn)中經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的鉆探設(shè)備。近年來，國內(nèi)在深孔鉆探設(shè)備的研發(fā)中也取得了不錯的成果［8－9］。

2010年，福建省121隊深孔施工選用XY-6B型鉆機(jī)、BW-320型泥漿泵、120kw柴油發(fā)電機(jī)組、加重型ZTl7A四角鉆塔的主要鉆探設(shè)備和SJ-3000繩索取心絞車，自制攪拌機(jī)，加強(qiáng)提引器、加重型閉式木馬夾持器，BSSG-III型小口徑高速水龍頭等鉆探附屬設(shè)備，能夠滿足孔深1200m～1800m，終孔直徑77mm的繩索取心深孔鉆進(jìn)施工要求，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。在現(xiàn)場使用中累計完成鉆探進(jìn)尺25000m，特別是在福建省龍永煤田東門地礦區(qū)施工1305號鉆孔時，終孔直徑77mm，孔深1427.2m。

2012年，在汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目（WFSD）中，使用了中國地質(zhì)大學(xué)研究團(tuán)隊自主研制的我國首套科學(xué)鉆探專用設(shè)備，包括KZ3000型全液壓鉆機(jī)以及深部鉆探配套用高壓泥漿泵和鉆桿鉆具等。該套設(shè)備集全液壓、高速頂驅(qū)、大口徑、深部取心于一身，具有綜合能力強(qiáng)、工藝適應(yīng)性廣、操控智能程度高等特點，在WFSD-2孔深部取心鉆探中，各項功能滿足設(shè)計要求，應(yīng)用情況良好。深孔取心鉆探設(shè)備作為我國在全液壓大口徑深部取心鉆探設(shè)備的全新嘗試，經(jīng)過 WFSD-2孔實鉆驗證，探索了一條可完成頂驅(qū)取心鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)盤擴(kuò)孔鉆進(jìn)功能的低成本深孔取心鉆探設(shè)備的技術(shù)路線。該配套設(shè)備的研發(fā)，對提高我國深孔鉆探設(shè)備的發(fā)展水平具有重要的意義。

在深孔鉆進(jìn)中的防斜、治斜和孔底監(jiān)測問題上，國內(nèi)也取得一定的成果［10－12］。2010年新疆哈密白山鉬礦深孔鉆探過程中，當(dāng)時ZK15-5孔發(fā)現(xiàn)孔斜問題，在孔深1268～1368m段，針對該孔斜問題，使用了SYZX75型繩索取心式液動錘，同時配以采用液態(tài)聚合物為主處理劑的無固相泥漿進(jìn)行處理，最終經(jīng)過多次測斜后發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜趨勢有所緩減，取得了預(yù)期效果。同時在深孔孔底監(jiān)測問題上，專利中介紹了一種深孔鉆進(jìn)中孔底參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括安裝于鉆桿上且位于孔底處的信息采集裝置與信號發(fā)射裝置，以及位于地表上的接收裝置。該系統(tǒng)可采集各種鉆進(jìn)參數(shù)，能夠減少深孔鉆進(jìn)過程中的孔內(nèi)事故，提高鉆探效率。

3.2 近年我國深部鉆探工藝的進(jìn)展

鉆探工藝對整個鉆進(jìn)過程影響極大，選擇合適的鉆探工藝、優(yōu)化鉆進(jìn)規(guī)程能在很大程度上減少孔內(nèi)事故、提高整個鉆進(jìn)過程的工作效率。鉆探工藝包括許多方面，如所采用的鉆具結(jié)構(gòu)、取心工藝和鉆井液配方體系等。在深部鉆探過程中，隨著孔深的不斷增加，孔內(nèi)情況也逐漸變得復(fù)雜，地應(yīng)力越來越大，巖層愈加堅硬致密，孔內(nèi)溫度逐漸升高。這些都對整個鉆探過程提出了更大的挑戰(zhàn)。相比于淺孔鉆進(jìn)，隨著進(jìn)尺的增加，深孔鉆進(jìn)的難度會呈幾何倍數(shù)遞增。針對上述問題，部分研究人員采取一些有效的處理方式，使上述問題得到部分或根本解決。

3.2.1 深孔鉆進(jìn)用金剛石鉆頭

在進(jìn)行深部鉆探過程中，起下鉆的輔助過程極其耗時，鉆孔越深，起下鉆耗時越長，進(jìn)尺速度越慢，經(jīng)濟(jì)效率越下降。同時，在深部地層中，多見于花崗巖巖層，巖石趨于堅硬致密，常用的碎巖工具是孕鑲金剛石鉆頭，但在這種類型的地層中進(jìn)行鉆進(jìn)時，鉆頭容易出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺的情況，無法吃入地層對巖石進(jìn)行有效破碎，即使能有效碎巖，鉆頭也會由于磨損較快導(dǎo)致壽命降低，需要重新起鉆更換鉆頭，這嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。為了解決深孔鉆進(jìn)出現(xiàn)的問題，繩索取心鉆具、高強(qiáng)度鉆桿、井下更換鉆頭和高效率長壽命鉆頭等新技術(shù)新方法便應(yīng)運而生，都在一定程度上提高了鉆進(jìn)效率。鉆頭是碎巖取心的主要工具，近年來研究人員對適應(yīng)于深孔鉆進(jìn)的新型取心鉆頭進(jìn)行研制，取得了不錯的效果。為了提高鉆頭的使用壽命，有研究者通過提高鉆頭工作層高度、配合增加水口數(shù)量方法，設(shè)計了一種高胎體多水口鉆頭，應(yīng)用于深孔鉆進(jìn)［13］，如圖3所示。

圖3 高胎體多水口鉆頭Fig.3 High matrix multi-nozzle bit

普通鉆頭的工作層高度為5～7mm，該鉆頭的工作層的高度提高至15～22mm左右，同時配合更多的水口以提供足夠多的沖洗液來冷卻鉆頭、排除巖粉，降低胎體中金剛石的熱損傷，以提高鉆頭的使用壽命，使其能克服深孔鉆進(jìn)中鉆頭容易過早失效的問題。研究人員通過相關(guān)試驗證明，相比于常規(guī)同規(guī)格孕鑲金剛石鉆頭，該類型鉆頭的鉆進(jìn)效率獲得提高的同時，使用壽命也提高50%左右。在該類型鉆頭的優(yōu)化設(shè)計中，更是有研究者做出了改進(jìn)，如文獻(xiàn)［14］中所介紹的鉆頭，在鉆頭工作層不同高度部分鑲嵌不同粗細(xì)的超硬材料來保持高胎體鉆頭的使用性能，如圖4所示。

圖4 高胎體鉆頭及其胎體情況Fig.4 High matrix bit and matrix condition

高胎體設(shè)計雖然能提高鉆頭的使用壽命，但鉆頭長時間在井底工作過程中，鉆頭唇面內(nèi)外徑容易出現(xiàn)不均勻磨損的現(xiàn)象，使鉆頭唇面出現(xiàn)斜坡形唇面，進(jìn)而加速鉆頭的磨損，這對鉆頭使用壽命的保持是不利的。因此，有研究者對鉆頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用扇形水口結(jié)構(gòu)設(shè)計了扇形水口高胎體鉆頭，使鉆頭在長時間工作過程中內(nèi)外圓弧高度方向基本相同［15］。

適應(yīng)深孔鉆進(jìn)鉆頭的設(shè)計和優(yōu)化改進(jìn)也是一個綜合問題［16］，有研究者通過從鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)、金剛石選擇與匹配、原材料優(yōu)選、配方創(chuàng)新、制造工藝優(yōu)化及針對地層優(yōu)化性能參數(shù)等幾個方面入手，研制新型鉆頭。文獻(xiàn)［17］所介紹的鉆頭，通過提高工作層高度、加大鉆頭外徑、加寬水槽寬度、選用階梯齒形唇面、采用復(fù)合保徑、選用高質(zhì)量金剛石顆粒、優(yōu)化胎體配方、優(yōu)化燒結(jié)工藝和結(jié)合地層進(jìn)行設(shè)計的綜合的方法，設(shè)計了適用于深孔鉆進(jìn)的新型高胎體低溫?zé)Y(jié)鉆頭，并通過野外現(xiàn)場試驗驗證，取得了較好效果。

3.2.2 深孔鉆進(jìn)用沖洗液

沖洗液作為鉆探的“血液”，在鉆探過程中起著極其重要的作用，深孔鉆進(jìn)中所使用的沖洗液要經(jīng)受更大的挑戰(zhàn)。在深孔中進(jìn)行鉆進(jìn)，沖洗液流所經(jīng)過的地層更多，與地層之間的相互作用更為明顯，特別是進(jìn)入深部地層時，由于高的地?zé)釡囟龋箾_洗液的性能會發(fā)生變化，如黏度改變會導(dǎo)致沖洗液的攜粉和冷卻鉆頭的能力發(fā)生大的變化。因此，在進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時，對沖洗液配方必須進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。在鉆孔沖洗液的配方研究上，現(xiàn)已有許多成果可以借鑒［18－19］，以下作一簡要介紹。

鉆進(jìn)上部較松散、易坍塌的覆蓋層應(yīng)采用護(hù)壁性能較好的泥漿。如有研究者提出了參考配方：純堿＋膨潤土＋中粘纖維素＋植物膠＋聚丙烯酰胺（PHP）；泥漿性能參數(shù)：黏度控制在35s以內(nèi)、密度1.03kg／L、失水量11～15mL、pH 值8.5。鉆進(jìn)較長孔段的硬脆碎地層和松散的易坍塌掉塊地層時應(yīng)采用護(hù)壁性能較好的優(yōu)質(zhì)低固相泥漿，有研究者推薦選用的泥漿體系為：燒堿＋膨潤土＋高粘纖維素（Na－CMC）＋植物膠＋PHP；泥漿性能參數(shù)：黏度18～25s、密度1.03～1.05kg／L、失水量10～15mL、pH 值8～9。500m以上深孔中鉆進(jìn)研究者推薦選用無固相沖洗液配方：PHP（1200萬～1500萬分子量）0.1～0.3kg／桶、纖維素0.4～0.6kg／桶（煮溶后添加）、CR650為50～100g／桶、POL用50～100g／桶、植物膠2－4kg／桶、潤滑劑2～4kg／桶。

3.3 金剛石深部鉆探的優(yōu)勢

金剛石鉆進(jìn)在深部鉆探中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）金剛石鉆頭在堅硬地層中鉆進(jìn)具有優(yōu)良的使用效果［20］。金剛石鉆進(jìn)對堅硬巖石的破碎效果高于硬質(zhì)合金，能適應(yīng)深孔的要求。（2）硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)等其他鉆進(jìn)方法在深孔鉆探中經(jīng)濟(jì)性較差，隨著勘探深度的增加，勘探成本呈幾何倍數(shù)遞增，達(dá)不到勘探所需要的經(jīng)濟(jì)效果。而金剛石鉆進(jìn)在深部鉆探中卻能保持良好的經(jīng)濟(jì)性，性價比高。（3）與金剛石鉆頭配套的繩索取心鉆進(jìn)，能實現(xiàn)不提鉆取心鉆進(jìn)，在深孔鉆進(jìn)中能減少起下鉆時間，在一定程度上提高勘探的工作效率，節(jié)約勘探成本。（4）一系列與繩索取心相關(guān)的技術(shù)可應(yīng)用在深孔鉆進(jìn)中，指導(dǎo)深部鉆探。如深孔孔內(nèi)參數(shù)實時監(jiān)測、參數(shù)采集和隨鉆預(yù)警等技術(shù)，使信息化程度提高。

4 結(jié)論與展望

（1）隨著資源的開發(fā)與利用，對地層深部礦床資源的勘探與開發(fā)已迫在眉睫，我們要順應(yīng)時代的潮流，進(jìn)行西部大開發(fā)，加強(qiáng)西部礦產(chǎn)資源的勘查力度。同時依靠科技進(jìn)步提高中、東部“攻深找盲”的勘查水平，充分挖掘中、東部資源潛力，進(jìn)行深部找礦工作，這是具有重要意義的工作。

（2）在進(jìn)行深部勘探過程中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)革新，多采用新思想、新技術(shù)、新設(shè)備、新方法等進(jìn)行鉆探工作指導(dǎo)，在提高深部找礦過程中勘探效率的同時，提高深部找礦成功率。

（3）金剛石鉆進(jìn)在深部鉆探中具有非常明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)階段已有許多研究成果可供借鑒，相信隨著時間的推移，金剛石在深孔鉆進(jìn)中的優(yōu)勢將會在深部鉆探過程中逐漸彰顯出來，在深部找礦工作中發(fā)揮越來越大的作用。