向深部找礦是發(fā)展的必然,在深部找礦過程中,除了利用更成熟的地質(zhì)理論和更先進的物化探方法、遙感技術(shù)等新探測技術(shù)外,最終還需要使用鉆掘(探)技術(shù)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(zhì)量、鉆探速度、施工成本、環(huán)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(guān)鍵技術(shù)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(zhì)量及環(huán)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(fā)利用步伐有著直接的意義。 目前安徽省使用的固體礦產(chǎn)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(nèi),煤田鉆探達到1500m左右,省地礦局313隊和省煤田地質(zhì)局分別進行了2200m和2000m深孔鉆機試驗,和國內(nèi)同行相比,鉆探技術(shù)基本與國內(nèi)先進技術(shù)達到同步,有些新工藝、新技術(shù)使用方面更是填補了空白。

 

  1 鉆探技術(shù)

 

  1.1 金剛石繩索取心技術(shù)

 

  繩索取心(WL)鉆探技術(shù)被稱為鉆探技術(shù)第一 次革命,已有近60年的推廣應用歷史。在全球地質(zhì)找礦鉆探施工中是應用最廣泛、綜合地質(zhì)效果最佳的鉆探技術(shù)。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(fā)達國家相比存在較大差距,利用繩索取心鉆探技術(shù)完成的巖心鉆探工作量仍不足全部固體礦產(chǎn)巖心鉆探工作量的30%。國產(chǎn)繩索取心鉆具存在材質(zhì)不佳、加工質(zhì)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(nèi)徑可以通過繩索取心鉆具內(nèi)管的普通鉆桿來完成鉆孔取心作業(yè),這就在完成取心作業(yè)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(shù)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(shù)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(guī)模的攻關(guān)研究,制造了一些聚晶、復合片產(chǎn)品,但其性能也遠遠趕不上國際水平。這就使得國內(nèi)金剛石鉆頭鉆進壽命短、效率偏低。據(jù)調(diào)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(huán)連續(xù)取樣(心)鉆探技術(shù)

 

  反循環(huán)連續(xù)取樣(心)鉆探技術(shù)被稱為鉆探技術(shù)第二次革命。它采用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì),利用雙壁鉆桿以沖擊回轉(zhuǎn)全面碎巖和連續(xù)巖屑作為地質(zhì)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(xù)地經(jīng)雙壁鉆桿的中心攜帶至地表,并按照順序?qū)r屑收集起來作為地質(zhì)化驗分析的地質(zhì)樣品。 國內(nèi)外大量的鉆探施工經(jīng)驗證明,采用該法獲取的地質(zhì)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(shù)的基本要求,而且其鉆探施工速度要比傳統(tǒng)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(jù)2006年有關(guān)統(tǒng)計資料,反循環(huán)連續(xù)取樣(心)鉆探技術(shù)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(shù)的研究并進行推廣應用,但由于地質(zhì)上是以巖屑代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(guān)注的是目前國際地質(zhì)鉆探承包商和礦業(yè)投資者已經(jīng)提出了取心取樣相結(jié)合的地質(zhì)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(zhì)效果都要好的結(jié)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(jīng)開始推廣這項綜合取心(樣)鉆探技術(shù)。我國則沒有這方面的應用研究。

 

  1.3 液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)

 

  勘探技術(shù)研究所于20世紀60年代開始此項技術(shù)的研究,經(jīng)過幾十年的開發(fā)、改進,已經(jīng)形成不同用途、多種規(guī)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(chuàng)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(chǎn)條件下,由于泥漿固控系統(tǒng)還停留在傳統(tǒng)的泥漿池加循環(huán)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(nèi)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(yōu)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(shù)

 

  該技術(shù)是原地礦部“七五”和“八五”期間的重點科研攻關(guān)項目,由勘探技術(shù)研究所、長春地質(zhì)學院和甘肅地礦局等科研院所、高校和相關(guān)生產(chǎn)單位聯(lián)合完成。經(jīng)過不同環(huán)境條件及機具試驗研究總結(jié)了一套比較成熟的泡沫工藝和鉆進規(guī)程。由于其后正值地質(zhì)鉆探工作量銳減,而此技術(shù)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(shù)高,因此其推廣應用處于停滯狀態(tài)。

 

  1.5 高精度受控定向鉆探技術(shù)及巖心定向技術(shù)

 

  受控定向鉆探技術(shù)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(shù),該項鉆探技術(shù)還可以實現(xiàn)在一個主孔內(nèi)鉆進多個分支孔的羽狀鉆孔。自20世紀80年代,勘探技術(shù)研究所研究、推廣應用受控定向鉆探以來,該技術(shù)已成功應用于我國的鹽鹵礦、芒硝礦等水溶性礦產(chǎn)的開采領(lǐng)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(nèi),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(nèi)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(shù)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(shù)在定向造斜段無法連續(xù)取心。

 

  巖心定向技術(shù),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(chǎn)狀。這項技術(shù)已經(jīng)在石油勘探開發(fā)中廣泛應用。由于地質(zhì)巖心直徑較小,地質(zhì)鉆探取心對這項技術(shù)關(guān)注熱度不夠。 受控定向鉆探技術(shù)是深孔施工單位必備的手段,他是施工的保證,是處理孔內(nèi)事故的方法。深孔施工控制孔斜是重中之重,如何根據(jù)地質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)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(fā),積極引 進石油鉆井界先進技術(shù)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(yōu)先開發(fā)地質(zhì)巖心頂部驅(qū)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(xiàn)有的數(shù)百米深的地下坑道或開采區(qū)內(nèi),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(jié)約鉆探費用和時間,提高勘探效率?？拥楞@探設備應以提升設備能力、完善設備功能和實現(xiàn)機電液一體化為主要目標,并形成300～1000m范圍內(nèi)的完整產(chǎn)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(jié)果是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,而產(chǎn)業(yè)化又是降低生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化過程。目前,國內(nèi)一些機構(gòu)在全液壓動力頭式鉆機的研發(fā)進展已經(jīng)取得了一些成績,其2000m全液壓頂驅(qū)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(chǎn)業(yè)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(yè)間信息交流,推動學科交叉合作。回顧鉆探技術(shù)發(fā)展的幾十年,情報部門提供了金剛石鉆進技術(shù)、定向鉆進技術(shù)、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)等一系列科技信息,對國內(nèi)鉆探工程界有很大的啟發(fā),為在國內(nèi)科技攻關(guān)立項、研發(fā)、創(chuàng)新、模仿或引進技術(shù)起到了重要作用。在20世紀90年代,由于我國地質(zhì)鉆探工作量的銳減,一些先進 的鉆探技術(shù)在其他行業(yè)已經(jīng)得到了成熟應用。鉆探技術(shù)的一些新技術(shù)新方法也隨著材料、機械、電子信息等學科的發(fā)展而發(fā)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(shù)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(shù)、反循環(huán)連續(xù)取樣(心)鉆進技術(shù)安全、經(jīng)濟、高效的服務于深部地質(zhì)找礦工作的基礎鉆具,對于提高這些技術(shù)應用的可靠性、經(jīng)濟性有著重要作用。目前這些基礎鉆具有的已經(jīng)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(jié)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(yōu)勢,在深部找礦工作中,特別是在泥漿使用受限制的區(qū)域,該技術(shù)都有一定的應用前景,經(jīng)過10余年的停滯,該工藝技術(shù)的成熟度相應的有所降低,做好工藝技術(shù)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(tǒng)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(xiàn)有技術(shù)集成、整合出新。多功能、一體化,是國外鉆具發(fā)展的一個方向,我國巖心鉆探器具也應利用現(xiàn)有技術(shù)和工藝實現(xiàn)功能整合。例如勘探所研制的具 有創(chuàng)新和多技術(shù)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(shù)邁上了一個新的臺階。該技術(shù)達到了國際先進水平?？碧剿鶠榻鉀Q定向造斜段不能連續(xù)取心問題正在研制的定向造斜段連續(xù)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(huán)連續(xù)取樣結(jié)合的組合鉆探技術(shù)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(shù)大都起步于20世紀60～80年代,近幾十年來專業(yè)科研機構(gòu)已經(jīng)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(yè)公司投資的進入為這一機制的建立創(chuàng)造了條件,國外礦業(yè)公司在相同情況下,更傾向于利用其國內(nèi)成熟的鉆探技術(shù)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(guān)科研機構(gòu)、技術(shù)部門學習、交流、探討,加快先進鉆探技術(shù)的消化吸收和推廣應用。

 

  (5)注重鉆探從業(yè)人員的培訓工作,提高鉆探人員的素質(zhì)。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(zhì)的從業(yè)人員保障,不僅不利于新技術(shù)的推廣應用,而且也很難保證高質(zhì)量的完成深部找礦的鉆探工作。

 

  3 結(jié)束語

 

  深部找礦中的關(guān)鍵技術(shù)問題,歸根結(jié)底是新深度、新要求與研發(fā)新技術(shù)、新設備器具間的矛盾、已有 技術(shù)成果與推廣應用間的矛盾、先進技術(shù)與舊有觀念之間的矛盾、技術(shù)的先進性與經(jīng)濟的可行性之間的矛盾,技術(shù)需求與信息滯后之間的矛盾。要解決這些問題,首先是領(lǐng)導重視,改變觀念,目標長遠;其次必須通過體制的創(chuàng)新、人員的培養(yǎng)、培訓,利用現(xiàn)有先進技術(shù)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(shù)的應用。深部找礦對地質(zhì)鉆探技術(shù)提出了更高的要求,同時也為地質(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。我國的一批鉆探技術(shù)專業(yè)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(zhì)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(zhì)鉆探技術(shù)的發(fā)展。