深孔钻设备
深孔钻探技术成果概况
矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，钻探是自人类开发矿产资源采用的重要工程手段和技术方法。在深部找矿工作中，除了要利用更有效的地质理论作指导和应用更先进的物探、化探、遥感等新的探测技术方法外，钻探仍是取得最终成果的最基本的重要探测手段。 7.1.1 深孔钻探的主要技术进步 21世纪以来，我国进入了科学钻探与深孔钻探阶段。为保证深部地质找矿目标的实现，围绕深孔钻探开展并取得了一批重大科学研究与技术攻关成果，主要技术进步如下。 （1）深孔钻探设备、机具和仪器的研制取得丰硕成果 1）XY-6B、XY-8、XY-9、FYD-2200型、KZ3000型等深孔立轴式、全液压动力头岩心钻机和BW300/12A型、BW300/16、BW280/30型、BW160/10和BW240/9型等泥浆泵的成功研制和应用使钻进能力和钻进效率得到大大提升。 2）SQ系列绳索取心钻杆液压钳、液压夹持器、绳索取心吊卡以及用于处理事故的单油缸自对心液压拔管机等孔口辅助装置、工具的陆续推出，使孔口作业机械化体系初步形成。 3）SYZX系列绳索取心液动锤钻具在简化结构、提高工作寿命和可靠性方面取得突破，大幅度提高了钻进效率和回次进尺，改善岩心采取率和钻孔质量，使我国在该领域的应用技术处于国际领先水平。 4）XJY-850高钢级合金管材的Φ73 mm、Φ89mm绳索取心钻杆、长寿命新型金刚石钻头的研制与应用取得新突破。 5）具有工况识别、事故报警、参数存储和无线远传功能的高精度钻探参数监测系统成功研制和应用，如中国地质大学（武汉）研制的CUG-2型全液压钻机钻探参数监测系统。 （2）科学钻探引领深孔钻探技术水平的新突破 21世纪以来，为提高对地球的认识水平，提高我国资源勘查和灾害预警水平，我国陆续展开了“中国大陆科学钻探”（5118.2m）、“中国白垩纪大陆科学钻探松科1井”（南井1915m、北井1811.18m）和“汶川地震断裂带科学钻探”等重大科学钻探工程。科学钻探工程的实施，不仅建立了中国特色的新型科学钻探技术体系，而且取得了对深孔钻探具有重大指导意义和应用价值的创新性成果，如：组合式钻探技术，以螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进技术为核心的井底动力驱动取心钻进技术——三合一钻具（螺杆马达+液动锤+绳索取心）、二合一钻具（液动锤+绳索取心），以刚、直、满、重井底钻具组合和金刚石钻头异径侧钻降斜技术为主的强致斜地层井斜控制与造斜钻进技术，整体式带导向牙轮钻头的硬岩长井段大直径扩孔钻进技术，松散砂层单动三管保形取样钻进技术和破碎岩层半合管取心钻进技术，以小间隙套管、活动套管安装与回收为特征的套管固井技术，孔内事故预防与处理和钻探数据采集与处理，以“振动除砂器+高速离心除泥机离心机+30m循环槽+沉淀池+送浆池”泥浆净化措施等。 （3）新型冲洗液体系的研发取得了积极进展 新型泥浆材料和堵漏材料的成功研制与应用，为深孔钻探的实施和先进工艺的应用提供了一定的物质保证和技术支撑。 1）五种新型冲洗液处理剂：高效润滑剂（GLUB）、非分散高温聚合物稀释剂、高效护壁剂、KL植物胶及接枝淀粉共聚物。 2）五种新型冲洗液体系：PHP-GSP无固相冲洗液体系、GSP低固相冲洗液体系、生物聚合物无固相冲洗液体系、低摩阻抗盐侵冲洗液体系及KL植物胶型环保冲洗液体系。 3）新型堵漏材料堵漏：LHDLX 堵漏王与SZ随钻堵漏王、防塌型随钻堵漏剂（GPC）、复合型堵漏剂（CBM）、高失水堵漏剂GSDL等。 4）北京探矿工程研究所研制的TGLW350-692T型泥浆固控离心机在深孔绳索取心钻探中应用，取得良好效果。 （4）钻探技术规程、规范、标准的制定、修订取得重大进步 如：《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227—2010）作为国土资源行业技术标准于2010年11月11日发布，2010年12月31日实施。 7.1.2 深孔钻探关键技术及其研究概述 深孔钻探关键技术的研究和解决是岩心钻探十分迫切、重要的新课题。深孔岩心钻探具有钻孔深度大、技术难题多、质量要求严和钻进成本高等特点，与一般岩心钻探相比，除需配备大功率深孔钻机、性能可靠的变量泵、能承受高荷载的钻塔等机具外，还有许多事关钻孔质量、钻进安全、机械钻速等技术难题需要研讨解决。在复杂地质条件下的矿区开展深孔钻探，受到的约束条件更多，解决问题的难度更大，如：深部地层地质条件不清，缺少经验可以参考；钻孔结构受到限制，复杂地质条件下的护壁技术难题更加突出、严峻；深孔起下钻作业时间长，各种孔内事故更容易诱发和恶化；等等。因此，为了使深部矿体勘查钻探优质、高效、安全、低耗并有效地降低总体钻探费用，应根据深孔岩心钻探的规律，研究解决深孔钻探关键技术问题，并进行相关钻探技术工艺方法优化探讨。 （1）深孔钻探主要关键技术 众所周知，深部矿体勘查钻孔，将遇到比浅部、中深部矿体勘查钻孔更多的技术难题。根据福建省地勘局固体岩心钻探的调查，由于存在深孔钻探工艺方法研究不够、技术措施手段单一等原因，钻孔深度超800m后，往往孔内事故率增加、钻进效率大幅度下降，致使钻探成本成倍增长。 我国地质岩心钻探经历60多年的发展，尽管技术水平已达到相当高的程度，拥有众多的钻探科研攻关成果，也积累了丰富的钻探经验，但深部矿体勘查钻探却有许多技术难题亟待解决，如：设备能力不足、机具无法正常工作、浅部采空区对勘探的影响、孔深较大时复杂地层的护壁堵漏与取心困难、中深钻孔的经验与方法无法有效应用、孔内事故处理难度大、钻进效率低等问题。因此，有效地解决深孔（孔深≥800m）钻探中综合钻进效率低、孔深较大时复杂地层的护壁堵漏与岩矿心采取率难、孔斜超标等直接影响地质找矿勘探成果与效益的主要难题的技术工艺方法就构成了深孔钻探关键技术。 纵观全国铁矿勘查深孔钻探，均由于地层的复杂，使钻孔护壁堵漏问题成为制约铁矿勘查成果的主要技术难题。 （2）深孔钻探关键技术研究的简述 深孔岩心钻探普遍存在复杂地层护壁堵漏难以及岩矿心采取率低、孔斜超标、钻速慢等主要技术难题，直接影响了地质找矿勘探的成果与效益。因此，有关钻探单位和科研机构纷纷结合科学钻探、深孔钻探开展关键技术研究与攻关。 勘探技术研究所利用承担的“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”（“863”重点项目）项目，成功应用YDX-5型全液压地质岩心钻机及N级口径（Φ76mm）绳索取心钻具在山东省乳山金青顶金矿区施工了ZK43-1孔（2010年4月10日，终孔深度达到2212.8m），创造了采用H级口径（Φ95mm）绳索取心钻具钻进1461.9m和下入相同深度的Φ91mm×4.5mm技术套管等2项当时最深纪录；安徽省313地质队将承担的安徽省重点科技攻关项目“深部矿体勘探钻探技术方法研究”和安徽霍邱周集铁矿深部找矿项目相结合，研究解决了钻孔涌水、漏水、坍塌等复杂地层条件的钻进难题，历经一年时间，于2010年6月28日完成了ZK1725孔施工，创当时国内小口径绳索取心钻探最深纪录（终孔口径77mm，终孔深度2706.68m）；2010年11月，山东省地矿局第三地质勘查院在承担的设计孔深4000m的“中国岩金勘查第一深钻”钻探项目（山东莱州市三山岛西岭矿区）中，结合钻孔的地层特性及钻遇的技术难题，开展了一系列钻探科研与攻关工作；2009年7月至2010年12月，福建省地矿局批准并开展的“深部矿体勘查钻探技术工艺方法优化研究”科研项目，也针对钻遇技术难题，全面收集、消化和吸收前人研究成果，初步进行了长孔段、多特征复杂地层护壁堵漏对策与技术措施的探讨等。 毫无疑问，针对深孔特点开展的钻探专题研究或技术攻关，有效地支撑了深部找矿地质工作的开展，不仅不断创造国内岩心钻探孔深记录，也为本次研究留下了丰富的宝贵经验，但目前尚未见到能有效解决铁矿复杂地层钻探技术难题的研究成果。 （3）钻探技术工艺的优化研究 20世纪80年代，随着全国钻探工程数量的增加和钻探技术工艺的发展，不少专业人士根据矿区钻探的需要，应用FTA分析、方差分析、层次分析法（AHP）、灰色局势决策综合评价、几何规划、模糊优化等理论，开展了钻头类型与结构、护壁泥浆对策及配方、钻进技术参数等的优化选择，提高了钻进效率，减少了孔内事故，降低了钻探成本，推动了钻探技术工艺水平的提高，也为本次研究提供了相关经验。然而，以往工作研究，主要应用及成果基本是单一技术工艺的优化，且钻孔深度不大（一般小于700m）。 我国第一口大陆科学深钻根据科学钻探对岩心的特殊要求，进行了提钻取心和绳索取心技术经济分析，开展了金刚石绳索取心、钻头井底马达驱动、冲击回转等钻进方法及其钻具组合、钻进参数的优选等综合性研究，取得了较好的使用效果。这是国内首次富有成效地进行深孔钻探技术工艺方法优化的探索。 2007年，中国地质调查局科技外事部新技术处处长张伟博士结合大陆科学深钻实践，认为“开展技术经济学研究，可实现技术方案和技术措施的优选，为研究与开发工作指明方向，使钻探项目的实施获得最佳的经济效果”，提出了“钻探技术经济学”理论。这一理论，为钻探技术工艺方法优化组合的研究提供了工作思路，构筑了体系框架，奠定了理论基础。 （4）深孔钻探主要关键技术的研究方向 纵观国内深孔钻探专题研究或技术攻关，多数是为了保证深部矿体勘查的顺利进行，针对矿区地层特点及某一难题开展的。由于缺少系统、全面考虑，往往代价惨重或顾此失彼，孔内情况复杂化造成单孔钻探时间达半年、一年、甚至更长时间的现象也屡见不鲜。 深部矿体勘查钻探施工由于受所处的地形地貌、地层岩性特征、水文地质与工程地质、作业环境等条件的制约，必须按照深部矿体勘查钻孔设计目的和钻探要求，通过钻探机具、钻孔结构、钻进方法、钻头、泥浆、钻进技术参数等各技术工艺措施和组织管理措施的合理、有效、最佳组合，才能实现钻速高、事故少、质量好、成本低等目标。 因此，由于深部矿体勘查特殊性，为可靠、有效、低成本地解决遇到的技术难题，将深孔钻探作为一个复杂的系统工程，综合考虑各种因素和条件进行工艺技术方法的优化组合研究是发展方向，即：除需要通过科研或攻关工作，制定解决问题的技术工艺措施（包括新技术、新工艺、新方法的开发与应用）外，还要针对深部矿体勘探钻孔的地质特征优化选择有效的技术措施及其组合。
深孔钻探技术工艺方法的优化选择（设计）
深孔钻探是一个复杂的系统工程，受众多的因素制约和影响。为了实现质量好、钻速高、事故少、成本低等钻探施工目标，钻探工程设计必须针对矿区所处的地形地貌、地层特征、水文地质、作业环境等条件，按照勘查钻孔设计目的和钻探要求，进行各项技术方案和技术方法组合的论证、优选，最终确定最佳的钻孔结构、钻进方法、碎岩机具、取心钻具、钻进参数、护壁堵漏等技术措施及其组合。这一过程也称钻探工程设计（钻探技术设计、钻探工程施工设计），是确定矿区或钻孔具体钻探施工的工艺技术方法和组织管理措施的过程和成果，是应用先进技术、实现科学管理的前提，是编制设计预算、签订经济合同的基础，是组织钻探生产的依据。 12.1.1 深孔钻探目标及其实现途径 （1）深孔钻探的总体目标 1）质量好：岩（矿）心采取率、钻孔孔斜等质量指标好，全面满足地质设计或钻探合同约定的各项质量要求。 2）钻速高：钻进速度快，纯钻时间多，机械钻速和钻月、台月效率高。 3）事故少：有效避免孔内复杂情况和事故的发生，事故及停待时间少。 4）成本低：综合钻探成本低。 （2）实现深孔钻探目标的途径 为有效解决钻探实际问题（表12.1），确保深孔钻探保质、安全、快速、低成本地顺利进行，实现各项钻探目标，必须在施工前做好工作部署、合理确定可行的工艺技术方法、调配好钻探设备和人员等资源、周密制定应对复杂情况措施，也就是要事先做好用来指导钻进作业的钻探技术设计。 表12.1 钻探目标与需解决的主要问题一览表 12.1.2 钻探技术设计的主要类型和相互关系 （1）钻探技术设计的类型 1）勘查（探）矿区钻探技术设计； 2）单一钻孔钻探技术设计； 3）针对某一具体问题或解决深孔钻探中遇到技术难题的方案设计，即专项技术设计。 （2）钻探技术设计的相互关系 1）勘查（探）矿区钻探技术设计是对整个矿区钻探施工的总体部署，原则确定钻探施工的基本方法和资源供给、组织管理的方式，具有总体性、概要性的特征，是钻孔钻探技术设计的基础和依据。 2）单一钻孔钻探技术设计是针对具体钻孔的情况，选择实际钻探施工中采用的工艺技术方法，具有具体性、可实施性的特点，是钻孔钻探技术设计的细化和补充。 3）专项技术设计贯穿于矿区或钻孔技术设计的始终，它通过对某一具体问题可采用的各种工艺技术方法进行比选，确定最佳的方案，并对方案的实施步骤、拟用机具、操作方法、工艺措施进行具体设计，可操作性强。 4）各类钻探技术设计，都应进行多方案的选择，具有优化的成分。 （3）矿区情况与地层岩石性质是钻探技术设计基点 钻探技术设计必须充分考虑影响、制约钻探施工的各种矿区情况、地层岩石性质等因素，主要有： 1）矿区的地理和交通位置，矿产种类，矿区面积，地形地貌及当地气候等。 2）影响钻探施工的主要地质因素，包括： （a）矿区地层与构造情况； （b）岩矿石种类、名称，岩石的主要矿物成分与结构，岩矿层产状； （c）岩石主要物理机械性质和钻探特性：软硬程度、可钻性、研磨性等； （d）地层岩石节理裂隙发育程度、破碎程度； （e）地层岩石含水、透水性等水文地质情况。 12.1.3 深孔钻探技术工艺方法的优化选择（设计）方法 （1）工作依据和条件 1）依据：①项目的地质设计：主要有钻孔深度，钻孔直径，取心钻进比率，地层等；②钻探工程的施工条件和技术要求；③有关的规程、规范和标准；④计划任务书或合同、协议；⑤所拥有的钻探技术装备手段。 2）设计编制应掌握必要的资料：计划任务书、地质设计书、交通位置图、工程一览表，以及标明工程布置的地质地形图、勘探线剖面图、钻孔理想柱状图等。 3）为进行技术工艺方案的优化选择，尚应有相关钻探实际成本的基础数据，如构成钻探成本的主要因素及其对综合效益的影响程度、单位时间钻机作业费等指标值。 （2）工作程序 1）踏勘现场，了解矿区水源、交通及孔位等情况； 2）收集和分析各种资料，进行技术方法试验； 3）召开施工方案论证会，对施工技术方法、施工力量安排的合理性与可行性进行对比、论证、优选，对主要经济技术指标进行估算； 4）按“实事求是、先进合理、讲求实效”的原则，编写设计（优化选择成果）。设计内容要求：要简明扼要、突出重点，图件、图表要清晰齐全。 （3）优化选择（设计）方法 实践证明，一个好的技术工艺方案，最少必须满足两项基本条件：①能有效地解决遇到的实际难题；②应用成本低、综合效益好。 根据钻探技术经济学理论，进行钻探技术工艺方法的优化选择与评价，至少应包括以下步骤：①确定目标功能；②提出备选方案；③进行方案评价；④选择最优方案。 进行钻探技术工艺方法的优化选择与评价时，还要积极引进、推广新技术、新方法，贯彻优化设计思想，以期取得好的地质效果与经济效益。