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1、深部矿产资源勘探钻进关键技术问题张晓西摘要：最新的成矿理论表明在我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，因此，开展深部找矿工作已经成为地质找矿工作的重点。而必须强调的是，在深部找矿过程中，除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外，最终还需要使用钻掘（探）技术来取心取样，证实推断和探测的正确性。勘探深度的增加，对钻探技术提出了更高的要求，特别是对钻探设备、钻探机具、泥浆技术等关键技术提出了新的要求，这就需要创造必要的研究条件对那些关键技术进行攻关研究，同时重视对专业技术人员的培训，只有如此，钻探技术才能满足深部矿产资源勘探钻进的需要。关键词：深部矿产资源 钻探关键技术
2、人才培养 基础研究由于采矿技术水平的限制，过去我国的固体矿产勘探深度很少超过1500m，800-1000m孔深对于地质勘探取心钻进来说都算是深孔，而绝大多数矿山的勘查深度还不足500m。全国危机矿山接替资源找矿规划纲要（20042010年），决定在有资源潜力和市场需求的老矿山周边或深部开展找矿工作，以延长矿山服务年限。由于相当一部分危机矿山的深部和外围有许多未经充分勘查的成矿远景区，而最新的成矿理论表明在我国大陆深部蕴藏着潜力巨大的矿产资源，因此，开展深部找矿工作已经成为地质找矿工作的重点。而必须强调的是，在深部找矿过程中，除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外，
3、最终还需要使用钻掘（探）技术来取心取样，证实推断和探测的正确性。第一节 取心钻进方法取心钻进长期以来是人们获取地球内部准确信息的唯一方法与手段。虽然随着科学技术的发展与进步，地球物理方法也可用于获取地球内部信息，但由于地球物理方法检测的是一个物性参数的集合，其解释依赖于大量地层或岩石物理参数的标定，并且其解释结果包含着大量的主观推测与判断，不能完全反应原位岩石的客观组成与存在，而且解释者不同，其解释结果可能截然不同，即通常所说的地球物理数据的多解性。岩心既能反映地层物质的矿物组成、化学成份，又能表征地层的空间结构、地质构造等。通过观察、分析、研究岩心，可全面地推断出岩心所在深度的原位状况，这也
4、是油气井钻探在关键层位还需要进行取心钻进作业的主要原因。因此，我国地质勘探多采用取心钻进方法，仅在一些煤田等沉积矿床勘探工作中结合部分地球物理评价工作。国内外取心钻进技术主要可分为石油钻进取心技术、地质勘探钻进取心技术两大类。由于工作的对象都是地层或岩石，工作的目的都是从地球深部钻取岩心，上述两大类技术间存在许多共性。但是，取心目的不同，钻进地层各异，因而其间也存在一些差异。一、 国内外石油取心钻进技术概况石油取心钻进的目的主要是了解地层的生油指标、油层的孔隙度、渗透率、含油气饱和度以及油气层的有效厚度等。由于石油钻井一般口径较大，取心成本很高，所以石油钻井中取心钻进比例相对较低。在石油钻井中
5、，最常用的取心方法为提钻取心法。绳索取心方法由于要使用专门的绳索取心钻杆，在取心比例很低（一般不超过5%）的石油钻井中，在全面钻进和取心钻进的转换过程中倒换钻杆即费时也不方便，且钻杆成本很高，因此绳索取心钻进方法在石油取心钻进中很少采用。石油钻井中，为了在不同的地层中实现不同的取心目的，研制出了不同的取心工具，常用的取心工具有：自锁式取心工具、加压式取心工具、保压密闭取心工具、密闭取心工具、海绵取心工具、橡皮筒取心工具。由于石油钻井中普遍采用提钻取心，因此在取心钻进工艺上有一套独特的长筒取心技术。二、 国内外地质勘探取心钻进技术概况与石油钻井不同，地质勘探钻进主要采用取心钻进方法。取心的目的是
6、通过对岩心的观察与分析，了解岩心母本的化学成份、含矿品位、结构及赋存状态等特性，最终对取心母本的情况作出全面、客观、正确的评估。国内外取心钻进技术种类较多，分类各异。按取心方式可分为绳索取心和提钻取心；按取心管（或岩心管）的结构型式可分为单管取心、双管取心和三层管取心，其中双管取心又分双动双管和单动双管取心；按碎岩工具可分为金刚石取心钻进、硬质合金取心钻进和牙轮取心钻进；按碎岩方式可分为回转取心钻进和冲击回转取心钻进；按循环方式可分为正循环取心钻进和反循环取心钻进，其中反循环取心钻进按循环介质又可进一步分为无泵反循环、喷射反循环、水利反循环、空气反循环和气举反循环等。对取心钻进的研究，无论国内
7、还是国外，都把注意力集中如何提高取心质量、如何提高取心效率、如何提高岩心采取率、以及如何在取心困难的地层获取尽量多的岩心上。具体来说主要进行了碎岩材料与工具、取心工具、取心工艺等方面的研究，集中表现在金刚石绳索取心钻探技术上。三、 我国深部取心钻探技术定位毫无疑问，取心钻进依然是我国地质勘探钻进的主流方向，而对于深部取心钻探技术来说，绳索取心钻探技术必然是在可以预见的一段历史时期内占据主导地位的技术方法。而对于深部绳索取心钻探技术来讲，其核心技术关键应该是钻探设备、钻探机具、泥浆技术等。同时，还应该重视定向钻进技术的应用，自上世纪80年代，勘探技术研究所研究、推广应用受控定向钻探以来，不仅在安
8、徽铜陵冬瓜山铜矿勘探工作中取得了极大成功，还成功应用于我国的盐卤矿、芒硝矿等水溶性矿产的开采领域。在普通钻孔难以到达的勘探部位和坑道内以及陡斜矿体的勘探中，利用高精度受控定向（取心）钻探技术可以明显减少钻探工作量和施工费用。四、 金刚石取心钻进技术一、金刚石钻头的选择与使用(一)选择金刚石钻头的原则(1)软至中硬和完整均质岩层，一般宜用天然表镶钻头、复合片钻头、聚晶钻头，部分可用烧结体钻头。(2)硬至坚硬致密的岩层(分级表中712级)，一般宜用孕镶钻头，尖环槽同心圆或交错尖环槽钻头，或细粒表镶金刚石钻头。(3)在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，如煤系地层，宜用尖齿型广谱钻头或耐磨性好的
9、、补强的电镀孕镶钻头。(4)根据岩石的研磨性、风化程度和破碎程度选择胎体耐磨性的原则是：强研磨性岩层，选用高耐磨性的胎体；中等研磨性岩层，选用中等耐磨性的胎体；弱研磨性岩层，选用低耐磨性的胎体。(5)复杂岩层，研磨性越强、越硬，选用金刚石品级好、粒度相对细的钻头。(6)强研磨性、较破碎的岩层，在保证金刚石包镶良好的条件下，选用金刚石浓度较高的钻头。反之，均质致密、弱研磨性的岩层，选用金刚石浓度较低的钻头。(7)岩层软，排粉多，选用复合片钻头或聚晶钻头，易冲蚀的岩矿层取心，应采用底喷式钻头。俄罗斯常用的天然和人造金刚石钻头的应用范围见表9-25。表1 俄罗斯常用的天然和人造金刚石钻头应用范围钻头
10、类型用途应用范围规定应用范围的文件01A3单层岩心管用钻头可钻性89级(rm=15.234.1)的弱研磨性、细粒、致密、完整的岩性TY2-037-79-8001A4可钻性89级(rm=15.234.1)的弱研磨性、中粒、裂隙岩层TY2-037-79-80023可钻性912级(rm=22.8115.2)的弱研磨性、很坚硬、致密、细粒到隐晶质的完整岩层TY2-037-79-80024可钻性10和12级(rm=34.0115.2)研磨性、细和中粒、极坚硬、致密和裂隙岩层TY2-037-79-8004A3可钻性79级(rm=10.234.1)的弱研磨性、细和中粒的岩层TY2-037-79-8007A3
11、可钻性79级(rm=10.234.1)的弱研磨性、细和中粒的岩层TY2-037-79-8014A3可钻性810级(rm=15.251.2)的裂隙性岩层TY2-037-79-80A4可钻性810级(rm=15.251.2)的致密和微裂隙岩层TY2-037-79-804可钻性912级(rm=22.876.8)的微裂隙和裂隙层交错的研磨性岩层TY2-037-313-81023可钻性711级(rm=10.2115.2)的弱研磨性、研磨性岩层OCT2477-4-7515A3可钻性67级(rm=6.815.1)的岩层TY037-216-7716A3可钻性67级(rm=4.610.1)的岩层TY037-21
12、6-77024可钻性912级(rm=22.876.8)的研磨性、细和中粒极坚硬致密和裂隙性岩层TY2-037-79-8018A3双层岩心用钻头可钻性811级(rm=15.234.2)的致密和弱裂隙性岩层TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)193()YT型可钻性911级(rm=34.276.8)的致密和弱研磨性岩层TY2-037-333-82(TY41-01-438-81)可钻性89级(rm=15.234.2)的致密和弱研磨性岩层TY41-01-189-8110A3H-2和2型可钻性89级(rm=15.234.2)的弱研磨性、细粒、裂隙与致密岩层TY2-037-79-80
13、113可钻性1012级(rm=34.276.8)的弱研磨性、细粒隐晶质、裂隙与致密岩层TY2-037-79-8012A3定向钻进用钻头可钻性89级(rm=15.234.2)的弱研磨性岩层TY2-037-79-80133可钻性911级(rm=22.876.8)的弱研磨性岩层TY2-037-79-8008A3无岩心钻进用钻头可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-80083可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-8009A3可钻性911级(rm=22.876.8)的弱和中等研磨性岩层TY2-037-79-8001A
14、3CB和01A4CB型人造金刚石钻头可钻性达8级(rm=15.222.8)的完整和弱裂隙性岩层TY2-037-302-80023CB和024CB可钻性达8级(rm15.2)的致密和弱裂隙性岩层TY2-037-302-8015A3CB可钻性56级(rm=4.510.1)的岩层2-037-255-8015A3KC可钻性56级(rm=4.510.1)的岩层2-037-255-8003P(KCAB)可钻性58级(rm=4.522.8)的不同研磨性的岩层TY48-19-344-8016A3CB可钻性68级(rm=6.815.2)的岩层2-037-255-8001镶有斯拉乌季契的钻头可钻性710级(rm=10.151.2)的完整和弱裂隙性岩层88乌克兰CM725-8002可钻性58级(rm=4.522.8)的完整和弱裂隙性岩层88乌克兰CM725-8003可钻性811级(rm=15.276.8)的裂隙性岩层88乌克兰CM725-8004，05可钻性911级(rm=22.876.8)的坚硬、完整、研磨性岩层88乌克兰CM725-8006，-7可钻性810级(rm=15.251.2)的完整岩层(二)合理使用金刚石钻头选择钻头类型之后，为了取得最优的技术经济指标，必须采取以下8项技术措施。1金刚石钻头、扩孔器要排队轮换使用(1)根据岩层、设计孔深等情况，钻头、扩孔器应排队轮换使用，先用外径
