固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中深部地質(zhì)鉆探找礦技術(shù)優(yōu)化研究

鄭 玄，周榮志，畢貞芳

（山東黃金地質(zhì)勘查有限公司，山東 萊州 261400）

地質(zhì)工作是目前我國很重要的經(jīng)濟工作發(fā)展之一，經(jīng)濟社會的發(fā)展離不開地質(zhì)勘探帶來的資源保障和物質(zhì)根基[1]。隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的供需也成為目前一大問題，矛盾逐漸隨之而來，礦產(chǎn)資源的供給和礦業(yè)安全時時刻刻都在制約著國家的經(jīng)濟建設(shè)及發(fā)展[2]。很大一部分的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)淺層礦產(chǎn)資源已被開發(fā)殆盡，終有一天會徹底枯竭。因此，深孔聯(lián)合鉆探技術(shù)的研究與應(yīng)用，對于深孔鉆探技術(shù)的發(fā)展和深部勘探具有不可代替和迫在眉睫的實踐意義。徹底解決日益緊張的資源危機和壓力是很重要的，地質(zhì)勘探優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用研究異常關(guān)鍵[3]。

1 固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中深部找礦鉆探工具與礦區(qū)地層分析

深部勘探鉆探的對象是淺層到深部的各種地層(含礦層)。地層，也就是由巖石構(gòu)成的地殼巖層，而巖石的構(gòu)成是由許多種類的可造巖礦物質(zhì)組建，鉆頭在鉆探時就為了鉆破巖層并取芯。巖石的物理力學性質(zhì)、化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)形態(tài)對鉆井施工有很大的作用。巖石中礦物化學組成和性質(zhì)所決定每一種巖石的化學性質(zhì)和物理力學性質(zhì)，如巖石的堅硬程度、回彈可塑性和石塊脆性、水溶水化性、磨蝕性等。每一種類的巖石裂縫、巖石層、面、節(jié)理發(fā)育情況，巖石具體破碎到什么程度是構(gòu)造巖石形狀、地層具體形成和構(gòu)造運動形態(tài)互相作用的影響因素，其作用不可分割。因此，巖石的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和結(jié)構(gòu)形態(tài)是鉆井施工的重要依據(jù)，是確定鉆井結(jié)構(gòu)、鉆井方法、巖石破碎工具和合理鉆井參數(shù)的重要依據(jù)。

深部勘探鉆探設(shè)備，即深孔鉆探設(shè)備是深部勘探鉆探的前提和必要條件。深孔鉆進是否可以正常進行，一般都是由鉆探設(shè)備的性能來決定的，鉆進工作需要具備一定的先進技術(shù)和可靠性能，才能達到所預期的效果?？碧缴顚拥讓拥你@探設(shè)備關(guān)鍵涵蓋深孔鉆機及鉆塔、動力機、泥漿泵攪拌機等。通過近年來的深入研究，我國已經(jīng)研制出XD、YDX系列動力頭鉆機，如圖1。

圖1 動力頭鉆機

動力頭鉆機使用的是鏈條送料、旋轉(zhuǎn)動力頭、全液壓控制、緊湊結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點有：①能進行長時間、穩(wěn)定、不間斷送料；②變速無壓力，所以運行也很穩(wěn)；③實現(xiàn)方便的斜孔鉆進方式；④鉆桿在添加的過程中很方便，解決了從孔底抬起鉆具的問題；⑤工藝適應(yīng)性極強方便鉆進；⑥安裝起來很方便，移動局限變??；⑦操做方便，控制力集中，可以實現(xiàn)遠程自動控制。雖然優(yōu)點突出，但是動力頭鉆機同時也存在關(guān)鍵缺點：①起升和時間長，輔助運行的時間也很長；②傳輸功耗過大，導致效率低下；③事故處理能力差；④液壓系統(tǒng)密封壽命短；⑤維護復雜，成本高；⑥制造成本高。

豎井鉆機是我國地質(zhì)巖心鉆探應(yīng)用最廣泛的先導鉆機。經(jīng)過30多年的不斷研發(fā)和改進，形成了一系列的產(chǎn)品，從100m到2000m甚至3000m，鉆機，泥漿泵，鉆機、鉆機(包括鉆桿、巖心鉆機鉆頭)和其他方面形成了一套完整的鉆井設(shè)備，鉆系統(tǒng)。它在我國地質(zhì)巖心鉆探中發(fā)揮了重要作用。該鉆機工作時傳動機械化，使用液壓來進行控制，具有以下優(yōu)點：①傳動功耗低，加快工作效率；②運行時間提升到更?。虎厶幚硎鹿屎芊奖?；④可靠實用；⑤方便修理，操作要求不高；⑥機械花費低。但立井鉆機也有明顯的缺點：①展開時間短，0.6m時鉆頭必須經(jīng)常停車掉桿；②工作穩(wěn)定性差；③變速控制，無無級調(diào)速；④加桿繁瑣，鉆具必須從孔底抬起；⑤斜井鉆進難以實現(xiàn)；⑥搬遷安裝時間長。

深孔鉆探地層類型多、復雜，涉及多個地質(zhì)時代形成的地層。它在地層類型、巖性、構(gòu)造形態(tài)、力學性質(zhì)、復雜性、地層壓力和內(nèi)應(yīng)力等方面都具備了特殊的自我優(yōu)勢。因此，有必要對地層深入研究，尤其是那些特別復雜的地層，需要加以深度分析之后在使用一些相對決策。

基于以上分析，在深部地質(zhì)鉆探中需要根據(jù)勘查地區(qū)巖層特點具體情況具體分析，靈活運用好鉆探設(shè)備。鉆機也需要在相應(yīng)的情況下選取相應(yīng)的型號，這樣才能得到更加優(yōu)質(zhì)的效果，為地質(zhì)勘測提供便捷的服務(wù)，取消不必要的麻煩，使礦產(chǎn)地質(zhì)勘查深部找礦技術(shù)更加成熟。

2 固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中深部找礦組合鉆探技術(shù)方案設(shè)計

2.1 深部找礦組合鉆探優(yōu)化技術(shù)方案設(shè)計

影響深部勘探鉆探的客觀因素包括鉆孔深度、地層硬度、破碎程度、水敏度、滲漏程度、傾角和研磨程度。逐個分析每一個案例是非常困難的，因此運用實驗優(yōu)化技術(shù)的原理，通過正交試驗的方法找出具有代表性的組合案例。

1號組合：在鉆井技術(shù)和工藝方面，面對強水敏上部地層，抑制泥漿用來濾失，鉆井完畢下一步就要羅列技術(shù)套管用來護壁。對于后續(xù)的堅硬和破碎地層，在鉆井的基礎(chǔ)上，結(jié)合液壓錘進行沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井，以提高回程進尺。采用適用于高硬度液壓沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井的鉆頭(HRC40±1)，采用“低粘度、低剪切力、低固相、低濾失”的防偏鉆具和LBM泥漿，并采取堵漏措施。漏失過于大的地層，封閉和堵塞是沒有效果的。依照地層規(guī)定，可適當提高洗滌液的護壁性能，以達到“頂漏”鉆井的目的。

2號組合：在鉆井技術(shù)和工藝方面，對于上部弱水敏地層，采用抑制泥漿，通過后保護套管壁;對于穩(wěn)定地層，采用金剛石WL鉆井，必要時加液壓錘形成沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井(鉆速不高或鉆長較短)。采用防偏斜鉆頭和長壽命鉆頭；使用LBM泥漿，并采取措施阻止泄漏。

3號組合：在鉆井工藝和工藝方面，假設(shè)覆蓋層上部疏松，鉆進泥漿，泥漿穿透后下套至管護壁;接下來的金剛石鉆井，低固相或無固相泥漿，使用壽命長。

2.2 組合鉆探技術(shù)方案的優(yōu)化選擇系統(tǒng)

運行于Windows操作系統(tǒng)(Win2000)的系統(tǒng)軟件采用組合鉆探設(shè)備選擇軟件進行操作。此軟件用于改善鉆井工藝組合方案，包括模塊的輸入輸出和設(shè)計。第一步要完成操作界面的設(shè)定，設(shè)計輸入輸出模塊。操作界有菜單欄、工具欄和操作區(qū)，工具欄等。有地層硬度、水敏度、傾角研磨等7個變量，每個變量可分為不同情況。輸入變量程序可以根據(jù)具體情況選擇鉆的輸入(動力頭鉆機,立軸鉆機會給出技術(shù)參數(shù)值，添加一個間隔，添加一個單一的時間)；主要鉆進方法(如WL鉆進或液壓錘WL鉆進)；技術(shù)措施(如堵墻、防斜等)；清洗液的種類(如PHP系列、LMB等)和鉆頭(金剛石鉆頭、復合片鉆頭等)以及鉆頭設(shè)計的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如：基體硬度、磨料、金剛石參數(shù)(目、濃度、混合目標濃度比)等。

3 固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中深部找礦組合鉆探技術(shù)實驗

為了使試驗更有說服力，采用相同的工藝，在鉆進參數(shù)相同的情況下，使鉆頭在同一孔內(nèi)交替鉆進。按其原理和結(jié)構(gòu)形式可分為閥式反作用力液壓錘、閥式振動液壓錘、閥式雙作用液壓錘、射流沖擊器、射流吸入液壓錘、復合作用錘等。從理論上講，可以將各種型號與WL鉆井相結(jié)合，形成液壓錘WL鉆井技術(shù)。SYZX75液壓錘WL鉆機特點:設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單。液壓錘沖擊旋轉(zhuǎn)鉆井，wob的作用主要是給鉆頭唇形表面的金剛石顆粒進入巖石進行一次預加載，產(chǎn)生體積巖石破碎，提高鉆井效率。然而，鉆頭的重量逐步加大會導致磨損增加。想要降低磨損，鉆頭重量不可太大，但必須克服液壓錘的后坐力。

應(yīng)根據(jù)不同巖石的抗壓強度來選擇鉆壓。一般情況下，使用液壓錘可以稍微降低鉆頭重量，使用鉆頭重量略低的便可獲得更高效率。例如SYZX75的鉆頭重量可以選擇12kN。

鉆壓：9 kN～13kN，視地層條件而定。速度：在孔徑、孔深、清洗潤滑條件、孔壁穩(wěn)定、巖石研磨、鉆桿堅固和設(shè)備允許的條件下，盡量采取高速鉆孔，一般為500 r/min～800r/min。沖洗液：50 L/min～60L/min。泵壓力 ：2.6 MPa～3.2 MPa。

試驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 鉆頭試驗數(shù)據(jù)表

對于單個位，某些老化程度甚至低于普通位。試驗結(jié)果表明，該組合鉆井技術(shù)在硬、脆、破、漏的地層中均取得了良好的效果。在強斜度地層實施組合鉆井技術(shù)方案，采用“剛性、直井、全井、長井”全井鉆進組合防偏技術(shù)。使用井底進給鉆頭技術(shù)，克服了在硬性地層中地層的打滑問題。

完成了固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘查中深部地質(zhì)鉆探WL鉆進技術(shù)的技術(shù)優(yōu)化，可以進一步發(fā)揮優(yōu)勢，節(jié)省時間提高效率，使勘探更便捷。

4 結(jié)語

通過本文的研究工作，完成了深孔鉆探地層特征的技術(shù)經(jīng)濟原理、方法分析、深孔鉆探深度的技術(shù)方法優(yōu)選等問題，完成了深孔組合鉆進工藝方案設(shè)計和典型組合的相關(guān)性能研究。WL鉆井法仍是深孔鉆井中最完善、最可靠、適用度最高，總體來說高效綜合地質(zhì)效果最好的一種鉆井方法。液壓錘與WL鉆井技術(shù)的結(jié)合形成了液壓錘WL鉆井技術(shù)，可以進一步發(fā)揮兩者各項的優(yōu)勢，成為目前深孔取芯鉆進最有效的鉆井方法，這種方法需要進一步改進和推廣，會給地質(zhì)勘探工作帶來不小的便利。