空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)淺析

俱養(yǎng)社，馬峰良

(陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)在國外被稱作“CSR(center sample recover)”，主要是以雙壁鉆具組成的反循環(huán)系統(tǒng)和全面破碎的碎巖方式，在地表依靠取樣裝置、分樣器等設(shè)備收集雙壁鉆具中心通道上返至地表的巖屑，取代常規(guī)取芯鉆探中的巖芯進(jìn)行地質(zhì)編錄、巖礦分析等，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的鉆探方法。

國外在地質(zhì)勘探中利用反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)所完成的鉆探工作量在20世紀(jì)80年代后期就超過了長期占主導(dǎo)地位的金剛石鉆探技術(shù)。且反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機(jī)及鉆具已形成系列化。例如英格索蘭公司的TH系列鉆機(jī)，加拿大DRILL SYSTEMS公司的CSR鉆機(jī)及鉆具[1]。

中國在20世紀(jì)80年代后期，為驗證該方法的地質(zhì)效果，專門引進(jìn)荷蘭康納德公司生產(chǎn)的Mini-200砂鉆和加拿大調(diào)整者公司生產(chǎn)的CSR-1000AV鉆機(jī)，在山東及寧夏等地進(jìn)行地質(zhì)效果對比試驗與鉆探生產(chǎn)試驗，均取得較好的效果。通過“七五”期間對中心取樣鉆探技術(shù)的攻關(guān)研究，對中心取樣鉆探的設(shè)備及鉆具進(jìn)行了國有化的研究，并在多個礦區(qū)進(jìn)行大量試驗，積累了豐富經(jīng)驗[2]。

20世紀(jì)80年代后期至90年代初期，全球固體礦產(chǎn)鉆探處于低迷時期。國內(nèi)的鉆探單位紛紛開始轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)工程市場。國外的礦產(chǎn)公司為了自身的生存與發(fā)展，紛紛拓展中國市場，許多國外公司在中國進(jìn)行風(fēng)險勘查和稀有金屬的開采。在開發(fā)過程中，對國內(nèi)合作伙伴所采用的鉆探技術(shù)落后、效率低表示不滿，國外公司提出采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)，有的公司自己從國外進(jìn)口設(shè)備及鉆具進(jìn)行施工。此舉推動了中國空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)的發(fā)展[3]。

一方面，國外公司在中國進(jìn)行的礦產(chǎn)勘查推崇反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)；另一方面，國內(nèi)公司到國外承包工程，工程招標(biāo)首先提出要使用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)，這樣在工藝方法的選擇上，采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)成為必選條件，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了機(jī)遇，同時也面臨挑戰(zhàn)。

1 空氣反循環(huán)取樣技術(shù)原理與特點

1.1 方法原理

壓縮空氣經(jīng)氣盒子或氣水龍頭進(jìn)入雙壁鉆具的環(huán)狀間隙并下行，到達(dá)孔底后經(jīng)內(nèi)管中心通道上返，同時將所鉆地層樣品及巖屑攜帶至地面進(jìn)入旋流器，樣品在旋流器中與空氣分離，再根據(jù)地質(zhì)要求利用分樣器進(jìn)行不同比例縮分[4]，如圖1所示。

圖1 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)工作原理Fig.1 Working principle of air reverse circulation continuous sampling technology

1.2 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)特點

鉆進(jìn)效率高：采用中空式潛孔錘[5-6]和特殊反循環(huán)牙輪鉆頭，改變了傳統(tǒng)取芯鉆進(jìn)的碎巖方式，以沖擊破碎代替了切削、磨削破碎；利用高壓空氣排粉效果好；不用提鉆取芯或更換鉆頭，提高純鉆進(jìn)時間。2006年，在黑龍江巖金礦使用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)，鉆探工作量為10 000 m，設(shè)計孔深30～50 m，地層風(fēng)化嚴(yán)重，利用繩索取芯鉆探技術(shù)巖芯采取率和鉆進(jìn)效率低，后采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)，經(jīng)過對比分析空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)是繩索取芯鉆進(jìn)效率的4倍，而且施工成本降低了50%。

解決復(fù)雜地層鉆探難題：空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)時，壓縮空氣在雙壁鉆具的封閉系統(tǒng)循環(huán)，當(dāng)遇到溶洞、大裂隙等復(fù)雜地層時，能實現(xiàn)正常循環(huán)，而在常規(guī)取芯鉆探中卻無法實現(xiàn)。鉆具級差小，有效地解決了松散地層鉆孔難題。尤其在砂金勘探領(lǐng)域一直是常規(guī)取芯鉆探技術(shù)無法涉足的地域，所以國內(nèi)外砂金勘探95%的鉆孔均采用“CSR”技術(shù)。如：昆明富坤鉆探有限公司自2008年以來采用該技術(shù)進(jìn)行砂金勘探，鉆探工作量達(dá)60 000多米。

鉆孔質(zhì)量好：雙壁鉆具為滿眼鉆進(jìn)，剛性好，很少發(fā)生孔斜；完整巖石或破碎地層樣品的采取率均能達(dá)到100%，且無泥漿、水等外來的污染。

鉆進(jìn)工藝簡單：由于空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆具的特點和碎巖方式的改變，鉆進(jìn)參數(shù)如鉆壓、轉(zhuǎn)速等控制比較簡單。實現(xiàn)了樣品的連續(xù)上返，鉆頭壽命長，一個孔鉆進(jìn)過程中僅提鉆一次。除特殊情況外，復(fù)雜地層鉆進(jìn)也不需采用護(hù)孔堵漏措施，鉆孔結(jié)構(gòu)簡單，通常一徑到底。

2 常用鉆具配套方案

空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)常采用全液壓動力頭空氣反循環(huán)取樣鉆機(jī)配套雙壁鉆桿、氣盒子、空氣反循環(huán)牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、反循環(huán)氣動潛孔錘等，實現(xiàn)空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)，偶爾也采用轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)配套汽水龍頭及空氣反循環(huán)取樣鉆具實現(xiàn)空氣反循環(huán)取樣鉆進(jìn)，常用鉆具配套方案見表1。

表1 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆具方案

3 空氣反循環(huán)取樣應(yīng)用范圍分類

目前，我國空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要應(yīng)用如砂金勘探、礦山爆破孔、化探取樣孔、物探爆破孔、淺層礦體勘查、深部找礦鉆井的淺井段[7-10]。

砂金勘探：砂金礦地層一般由泥質(zhì)層、砂礦層或礦層、基巖層組成，采用普通的取芯技術(shù)取芯困難，且該類地層中夾雜巨礫層或巨礫不易穿過，采用常規(guī)的鉆進(jìn)方法均達(dá)不到地質(zhì)設(shè)計要求，采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)能夠順利成孔，且采取率能達(dá)到100%。

礦山爆破孔的施工：礦山爆破孔一般深度不大，成孔后將炸藥投入到孔內(nèi)即可施工。礦山爆破孔數(shù)量多，要求施工速度快。山西朔州露天煤礦、內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤礦均采用反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)施工礦山爆破孔。

淺層礦體勘查：一些淺層礦體的勘查可采用反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)，鉆進(jìn)效率高，取樣質(zhì)量好，可實現(xiàn)快速開采。

深部找礦鉆孔的淺孔段：隨著我國找礦工作轉(zhuǎn)向深部，地質(zhì)勘探鉆孔逐漸加深至上千米。為加快鉆孔速度，在地質(zhì)勘探鉆孔的淺井段使用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)，提高鉆進(jìn)效率，下部可采用別的工藝進(jìn)行組合鉆進(jìn)技術(shù)來達(dá)到地質(zhì)鉆探目的。

4 空氣反循環(huán)取樣技術(shù)實際應(yīng)用

空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)有了很大的發(fā)展，在國外已得到普遍應(yīng)用。隨著我國地質(zhì)礦山勘探工作任務(wù)的加大，傳統(tǒng)的繩索取芯技術(shù)還存在一些問題[11]。近年來反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探裝備及工藝技術(shù)已在我國礦產(chǎn)勘探中開始拓展應(yīng)用，解決地質(zhì)鉆探技術(shù)難題。

昆明富坤鉆探有限公司自2007年就開始采用反循環(huán)氣動潛孔錘鉆探技術(shù)，實現(xiàn)砂金勘探施工，如圖2所示。幾年來的應(yīng)用實踐證明，空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探取樣率可達(dá)到100%，完全能滿足砂金勘探取樣要求。施工效率比常規(guī)取樣效率提高10倍以上，成本大幅度降低，并減輕了勞動強(qiáng)度。目前該公司已經(jīng)完成取樣鉆探施工量2.8萬余米，取得了非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖2 云南砂金勘探反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)施工現(xiàn)場Fig.2 Construction site of reverse circulation continuous sampling drilling for placer gold exploration in Yunnan

另外，河南省三道莊鉬鎢礦區(qū)詳勘工作鉆探工作中，所遇地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地層裂隙發(fā)育、孔壁易坍塌、漏失嚴(yán)重，難以滿足礦區(qū)高生產(chǎn)進(jìn)度要求。為解決礦區(qū)地質(zhì)勘探中所遇的技術(shù)難題，只好采用反循環(huán)氣動潛孔錘連續(xù)取樣技術(shù)得以解決。

山西省朔州市煤礦勘探引進(jìn)的阿特拉斯科普柯公司 TH60鉆機(jī)，如圖3所示，配套澳大利亞空氣反循環(huán)連續(xù)取樣牙輪鉆頭技術(shù)，進(jìn)行煤礦勘探工作，也充分體現(xiàn)了此種鉆探技術(shù)的重大作用[12]。

圖3 山西露天煤礦勘探引進(jìn)阿特斯科普柯TH60鉆機(jī)Fig.3 Atlas Copco TH60 drilling rig introduced during open pit coal mine exploration in Shanxi

北京中資環(huán)鉆探有限公司，采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)在內(nèi)蒙古、新疆等地取得顯著效果，如圖4所示。當(dāng)孔內(nèi)沒水的情況下，使用空氣反循環(huán)潛孔錘鉆進(jìn)，當(dāng)孔內(nèi)有水背壓較大的情況下使用反循環(huán)連續(xù)取樣牙輪鉆頭，目前施工鉆孔總進(jìn)尺5 000 m以上[13]。

圖4 中資環(huán)新疆反循環(huán)取樣施工現(xiàn)場 Fig.4 Construction site of reverse circulation sampling in Xinjiang

為試驗氣動潛孔錘反循環(huán)跟管鉆進(jìn)技術(shù)，勘探技術(shù)研究所采用自制的FD-300反循環(huán)取樣鉆機(jī)在北京石景山地區(qū)共進(jìn)行了2個鉆孔的試驗。一次性穿越30 m厚的卵礫石地層，取樣率為100%，達(dá)到了預(yù)期目的，如圖5所示。并得到了同行專家和從事這方面監(jiān)理的認(rèn)可。

2014年10月，采用勘探技術(shù)研究所地調(diào)項目研制的FD-600型空氣反循環(huán)鉆機(jī)在新疆哈密卡拉塔格(國家級)整裝勘查區(qū)紅石礦區(qū)進(jìn)行了野外生產(chǎn)應(yīng)用試驗[14]，配合北京中資環(huán)鉆探有限公司取樣鉆探任務(wù)，采用空氣反循環(huán)連續(xù)取樣實施4個鉆孔，見表2，累計進(jìn)尺量為830 m，最深鉆孔深度為232 m，終孔孔徑φ110 mm以上。

圖5 北京石景山反循環(huán)取樣施工現(xiàn)場Fig.5 Construction site of reverse circulation sampling in Shijingshan，Beijing

表2 新疆紅石礦區(qū)空氣反循環(huán)取樣鉆孔數(shù)據(jù)

2015年4月，勘探技術(shù)研究所對FD-600行空氣循環(huán)取樣鉆機(jī)在前期試驗基礎(chǔ)上，對鉆機(jī)、鉆具出現(xiàn)問題完成改進(jìn)，同年5月在黑龍江省多寶山銅礦完成北京恒金源鉆探技術(shù)有限公司承擔(dān)的鉆探取樣任務(wù)，共實施10個鉆孔，數(shù)據(jù)見表3，累計進(jìn)尺量為800 m，最深鉆孔深度108 m，終孔孔徑φ133 mm。

表3 黑龍江多寶山銅礦空氣反循環(huán)取樣鉆孔數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

空氣反循環(huán)連續(xù)取芯鉆探技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，該項技術(shù)未來必會受到廣泛應(yīng)用，這也就迫切要求廣大地質(zhì)工作者積極研發(fā)這一領(lǐng)域的新設(shè)備、新工藝及配套設(shè)施，使得設(shè)備性能更可靠、更實用，工藝方法更廣泛地適應(yīng)于不同的地質(zhì)環(huán)境，除應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探取樣外，還能應(yīng)用于水井、地?zé)峋?、煤礦瓦斯排放井、煤層氣井、油氣田井、太陽能井、地源熱泵井、回灌井及各種大口徑工程施工。