向深部找礦是發展的必然,在深部找礦過程中,除了利用更成熟的地質理論和更先進的物化探方法、遙感技術等新探測技術外,最終還需要使用鉆掘(探)技術來取心取樣,證實推斷和探測的正確性。從鉆探工程角度來看,深部找礦鉆探深度將在1500m左右,少量鉆孔孔深將達2000m。這種深度的資源勘查鉆探工作對鉆探取心取樣質量、鉆探速度、施工成本、環境保護、安全防護等方面都提出了更高的要求。

 

  鉆探取心(樣)的關鍵技術是鉆探設備、器具和工藝方法,它們不僅對鉆探效率、施工成本、取心(樣)質量及環境保護等方面有重要影響,而且對縮短整個勘探周期、加快開發利用步伐有著直接的意義。 目前安徽省使用的固體礦產勘探深孔為立軸式鉆機,煤田地勘單位使用的無液壓的立軸式鉆機,鉆探深度一般在1200m以內,煤田鉆探達到1500m左右,省地礦局313隊和省煤田地質局分別進行了2200m和2000m深孔鉆機試驗,和國內同行相比,鉆探技術基本與國內先進技術達到同步,有些新工藝、新技術使用方面更是填補了空白。

 

  1 鉆探技術

 

  1.1 金剛石繩索取心技術

 

  繩索取心(WL)鉆探技術被稱為鉆探技術第一 次革命,已有近60年的推廣應用歷史。在全球地質找礦鉆探施工中是應用最廣泛、綜合地質效果最佳的鉆探技術。自20世紀70年代中期我國開始推廣應用,但在應用廣度和深度上與國外發達國家相比存在較大差距,利用繩索取心鉆探技術完成的巖心鉆探工作量仍不足全部固體礦產巖心鉆探工作量的30%。國產繩索取心鉆具存在材質不佳、加工質量差、易折斷和脫扣等問題,不能滿足1000m深鉆孔的需要。而深部找礦一般采用的替代方案是使用內徑可以通過繩索取心鉆具內管的普通鉆桿來完成鉆孔取心作業,這就在完成取心作業的同時增大了鉆孔工作量。

 

  金剛石鉆頭的使用壽命是限制金剛石繩索取心技術應用于深部找礦的另一個原因。自20世紀60年代開始研究,70年代開始推廣金剛石鉆探技術以來,我國金剛石鉆頭制造水平有了很大提高,但是其使用效果與國外仍存在較大差距。雖然在金剛石超硬復合材料方面進行了大規模的攻關研究,制造了一些聚晶、復合片產品,但其性能也遠遠趕不上國際水平。這就使得國內金剛石鉆頭鉆進壽命短、效率偏低。據調查,我國的金剛石鉆頭壽命在硬巖地層還不足40m。

 

  1.2 反循環連續取樣(心)鉆探技術

 

  反循環連續取樣(心)鉆探技術被稱為鉆探技術第二次革命。它采用壓縮空氣作為循環介質,利用雙壁鉆桿以沖擊回轉全面碎巖和連續巖屑作為地質樣品的方式鉆探施工,隨著鉆進的不斷進行,巖屑被高速氣流連續地經雙壁鉆桿的中心攜帶至地表,并按照順序將巖屑收集起來作為地質化驗分析的地質樣品。 國內外大量的鉆探施工經驗證明,采用該法獲取的地質樣品不僅完全能達到確定礦體埋藏深度、礦體厚度、品位等物化參數的基本要求,而且其鉆探施工速度要比傳統的取柱狀巖心施工速度提高5～10倍，施工成本也將大大降低。根據2006年有關統計資料,反循環連續取樣(心)鉆探技術在澳大利亞完成鉆探工作量的比例超過80%。我國在20世紀80年代中期曾開展了該項技術的研究并進行推廣應用,但由于地質上是以巖屑代替傳統的柱狀巖心,且需使用特殊的雙壁鉆桿,所以推廣應用受到較大阻力。

 

  值得關注的是目前國際地質鉆探承包商和礦業投資者已經提出了取心取樣相結合的地質勘探新概念,并在一些國家開始應用,取得了比任何單一方法效率及地質效果都要好的結果,大幅度提高了鉆進效率、降低了成本。著名的國際鉆探設備制造商瑞典AtlasCopco公司已經開始推廣這項綜合取心(樣)鉆探技術。我國則沒有這方面的應用研究。

 

  1.3 液動沖擊回轉鉆進技術

 

  勘探技術研究所于20世紀60年代開始此項技術的研究,經過幾十年的開發、改進,已經形成不同用途、多種規格的系列液動沖擊器。特別是YZX127型液動潛孔錘在2006年完工的中國大陸科鉆一井施工中創下了總進尺4038.88m、平均小時效率1.13m、平均回次長度6.31m的好成績。但是在普通鉆探生產條件下,由于泥漿固控系統還停留在傳統的泥漿池加循環槽讓巖粉自然沉淀的水平,在鉆進過程中泥漿固相含量較高,導致液動潛孔錘內的零件頻繁卡死,工作壽命大幅度降低,從而導致提鉆頻繁。在推廣過程中,其優點雖為大家所認識和接受,但是實際應用卻較少。

 

  1.4 空氣泡沫鉆探技術

 

  該技術是原地礦部“七五”和“八五”期間的重點科研攻關項目,由勘探技術研究所、長春地質學院和甘肅地礦局等科研院所、高校和相關生產單位聯合完成。經過不同環境條件及機具試驗研究總結了一套比較成熟的泡沫工藝和鉆進規程。由于其后正值地質鉆探工作量銳減,而此技術在初期投資、能耗和后期泡沫劑回收方面的費用都比普通鉆進技術高,因此其推廣應用處于停滯狀態。

 

  1.5 高精度受控定向鉆探技術及巖心定向技術

 

  受控定向鉆探技術是一種可以使鉆孔軌跡按照預定方向前進的特殊鉆探技術,該項鉆探技術還可以實現在一個主孔內鉆進多個分支孔的羽狀鉆孔。自20世紀80年代,勘探技術研究所研究、推廣應用受控定向鉆探以來,該技術已成功應用于我國的鹽鹵礦、芒硝礦等水溶性礦產的開采領域。特別是該所承 接并完成的土耳其Beypazari天然堿礦工程項目,其控制精度在0.5m以內,標志著我國的高精度受控定向鉆探施工進入國際先進水平行列。在普通鉆孔難以到達的勘探部位和坑道內以及陡斜礦體的勘探中,利用高精度受控定向(取心)鉆探技術可以明顯減少鉆探工作量和施工費用。惟一遺憾的是該技術在定向造斜段無法連續取心。

 

  巖心定向技術,是通過對孔底巖心作定向標記,從而獲取帶有定向標記方位角的定向巖心,對定向巖心復位測量或計算,即可求解出巖層層面或斷裂面的產狀。這項技術已經在石油勘探開發中廣泛應用。由于地質巖心直徑較小,地質鉆探取心對這項技術關注熱度不夠。 受控定向鉆探技術是深孔施工單位必備的手段,他是施工的保證,是處理孔內事故的方法。深孔施工控制孔斜是重中之重,如何根據地質地層設計好防斜措施,減小孔斜和孔斜的變化率。

 

  2 解決深部找礦關鍵技術問題的對策

 

  2.1 巖心鉆探設備

 

  (1)加快第三代新型鉆機研制和開發,積極引 進石油鉆井界先進技術和理念,設計出適應于巖心鉆探的深孔鉆機。以液壓為動力,優先開發地質巖心頂部驅動鉆機,使之成為系列化及與之相配套泥漿泵等。

 

  (2)加快坑道鉆探設備的能力、功能的提升。在危機礦山接替資源的勘探中,對某些成礦模式的地層,在現有的數百米深的地下坑道或開采區內,利用坑道鉆探設備來進行深部巖心鉆探工作,可以充分揭露深部地層,節約鉆探費用和時間,提高勘探效率。坑道鉆探設備應以提升設備能力、完善設備功能和實現機電液一體化為主要目標,并形成300～1000m范圍內的完整產品體系,達到深部找礦要求。

 

  (3)加快先進巖心鉆探設備的推廣。巖心鉆探設備推廣應用的最終結果是實現產業化,而產業化又是降低生產成本和銷售價格的有效手段,這又反過來推動著巖心鉆探設備的推廣應用。因此,巖心鉆探設備的推廣應用過程就是設備的產業化過程。目前,國內一些機構在全液壓動力頭式鉆機的研發進展已經取得了一些成績,其2000m全液壓頂驅巖心鉆機和KD21000型坑道鉆機也在積極地進行項目申報,爭取形成系列化,推動此類鉆機的產業化進程,以進一步降低成本。

 

  2.2 巖心鉆探器具及工藝方法

 

  (1)加強信息情報收集,積極開展行業間信息交流,推動學科交叉合作。回顧鉆探技術發展的幾十年,情報部門提供了金剛石鉆進技術、定向鉆進技術、沖擊回轉鉆進技術等一系列科技信息,對國內鉆探工程界有很大的啟發,為在國內科技攻關立項、研發、創新、模仿或引進技術起到了重要作用。在20世紀90年代,由于我國地質鉆探工作量的銳減,一些先進 的鉆探技術在其他行業已經得到了成熟應用。鉆探技術的一些新技術新方法也隨著材料、機械、電子信息等學科的發展而發展。如果閉門造車,不僅研究成果的先進性和適用性難以保證,而且還可能重復研究,造成大量資源浪費。

 

  (2)加快新型基礎鉆具的研制和新工藝技術的完善。新型高壽命金剛石鉆頭、高強度深孔繩索取心鉆桿、新型深孔雙壁鉆桿的研制是保證金剛石繩索取心鉆進技術、反循環連續取樣(心)鉆進技術安全、經濟、高效的服務于深部地質找礦工作的基礎鉆具,對于提高這些技術應用的可靠性、經濟性有著重要作用。目前這些基礎鉆具有的已經由勘探所立項研究,有的正在申報立項。 空氣泡沫鉆進與普通泥漿鉆進比較,有著節水、增加鉆效、提高鉆頭壽命及對巖心無污染且不易堵心等優勢,在深部找礦工作中,特別是在泥漿使用受限制的區域,該技術都有一定的應用前景,經過10余年的停滯,該工藝技術的成熟度相應的有所降低,做好工藝技術的完善是其推廣應用的前提。

 

  (3)加強巖心鉆探器具及工藝方法的系統化研究,增強鉆探器具的功能、提高工藝方法的適應性,利用現有技術集成、整合出新。多功能、一體化,是國外鉆具發展的一個方向,我國巖心鉆探器具也應利用現有技術和工藝實現功能整合。例如勘探所研制的具 有創新和多技術集成的“三合一” (螺桿馬達+液動錘+繩索取心)鉆具,并且在大陸科鉆一井中成功使用,使我國的鉆探技術邁上了一個新的臺階。該技術達到了國際先進水平。勘探所為解決定向造斜段不能連續取心問題正在研制的定向造斜段連續繩索取心工具及正在申報立項的中空式液動錘繩索取心工具、繩索取心與反循環連續取樣結合的組合鉆探技術也屬于此范疇。

 

  (4)建立健全先進鉆探設備、工藝方法的推廣機 制,建設利用先進鉆探設備、工藝方法的鉆探樣板工 程。在我國,深部找礦中可以利用的先進鉆探技術大都起步于20世紀60～80年代,近幾十年來專業科研機構已經做了大量的研究改進工作,但是目前的應用情況卻仍有待加強。國外礦業公司投資的進入為這一機制的建立創造了條件,國外礦業公司在相同情況下,更傾向于利用其國內成熟的鉆探技術來完成鉆孔勘探,我們可以以此為契機使其成為利用先進鉆探設備、工藝方法的示范,供相關科研機構、技術部門學習、交流、探討,加快先進鉆探技術的消化吸收和推廣應用。

 

  (5)注重鉆探從業人員的培訓工作,提高鉆探人員的素質。深部找礦的設備和儀器更加精密,操作更加自動化。沒有高素質的從業人員保障,不僅不利于新技術的推廣應用,而且也很難保證高質量的完成深部找礦的鉆探工作。

 

  3 結束語

 

  深部找礦中的關鍵技術問題,歸根結底是新深度、新要求與研發新技術、新設備器具間的矛盾、已有 技術成果與推廣應用間的矛盾、先進技術與舊有觀念之間的矛盾、技術的先進性與經濟的可行性之間的矛盾,技術需求與信息滯后之間的矛盾。要解決這些問題,首先是領導重視,改變觀念,目標長遠;其次必須通過體制的創新、人員的培養、培訓,利用現有先進技術來滿足深部找礦的需要,建立一批示范工程來推動先進鉆探技術的應用。深部找礦對地質鉆探技術提出了更高的要求,同時也為地質鉆探技術的發展創造了條件。我國的一批鉆探技術專業研究院所在過去的幾十年中取得了一些成績,在深部找礦的地質鉆探過程中應一如既往的起到科技排頭兵的作用,推動地質鉆探技術的發展。