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1、钻探工程技术及装备 现状与发展趋势,2017/03/03,内容提要,一、钻探工程技术应用领域 二、地质钻探技术发展 三、地质钻探装备发展 四、地质钻头发展,钻探工程是利用机械方法在岩土层（含人造固结体）中钻孔，获取地下信息或利用通道完成探测、资源开采、建造的一门工程技术；是矿产资源勘探、工程地质勘查等领域的重要技术支撑；是直接获取地下实物资料的唯一技术手段；是验证地质认识及地球物理勘探成果的关键依据。,一、钻探工程技术应用领域,随着科技进步和经济的高速发展及生态文明建设的强化，钻探工程技术在国民经济中的应用范围越来越广，概括起来主要有以下几个方面： （一）地质勘探。包括地质找矿普查钻探、矿床勘
2、查钻探、矿区水文地质钻探、工程地质钻探。 （二）地下流溶体勘探开发。包括水资源钻探、石油（天然气、页岩气、可燃冰）钻探、可溶性矿产钻探。,（三）矿山井下工程。包括矿山瓦斯抽排孔钻探、矿山地下通道孔钻探、矿山尾矿砂填孔钻探、钻井筒冻结孔钻探。 （四）工程地质勘查与勘测。通过钻探取样、孔内原位测试、岩样测试查明影响工程建筑物的地质情况，准确划分地层，正确鉴别地层天然结构、密度和湿度，为工程建筑提供基础设计依据；通过钻探查明大型工程基础地质构造、岩性、物理力学性质及稳定性。,（五）岩土与地基工程。进行建筑物基础加固，如各类桩基、防渗孔、注浆孔、深基坑锚固孔等。 （六）地质灾害治理工程。借助钻探技术防
3、止山体滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降等地质灾害。 （七）地下管线铺设工程。利用定向钻进技术施工穿越建筑物、道路、江湖等障碍物的非开挖地下管线铺设工程。,（八）国防工程。钻探导弹发射井、地下核试验取样孔等。 （九）地球科学研究工程。大陆及海洋科学钻探、环境科学钻探、考古科学钻探。,二、地质钻探技术发展,（一）、国外地质钻探技术发展 近20多年来，国外地质钻探工艺方法没有根本性的突破和发展，仍然是以小口径金刚石绳索取芯钻探技术为主，对个别矿种和地质条件下辅以不同的多工艺钻探技术。 目前，美国、澳大利亚、加拿大和欧洲等一些发达国家所采用的岩心钻探方法主要有：金刚石回转钻进、三牙轮钻进和气动潜孔锤钻
4、进；取芯方法有：常规提钻取芯、绳索取芯和反循环取样，用的较多的还是绳索取芯。,国外钻探技术的发展趋势是： （1）钻探工作将更专业化、更技术化、更自动化； （2）钻机智能化； （3）立轴式钻机基本退出市场； （4）钻探工艺多样化； （5）钻探工作更注重健康安全环保。,（二）国内地质钻探技术发展 我国钻探技术和装备水平与国外先进国家相比有很大的差距，但近年来有了长足的发展。 （1）绳索取芯钻探技术。 绳索取芯技术自1978年以来得到广泛应用，深受广大地质职工欢迎，被誉为“四高、三低、两好”工程质量高、时间利用率高、钻进效率高、钻头寿命高；事故率低、劳动强度低、设备材料消耗低；地质效果好、经济效率好
5、。,随着绳索取芯钻探技术的不断进步，相继研制出了绳索取芯液动潜孔锤、螺旋杆+液动锤+绳索取芯三合一钻具（该技术达到国际先进水平，中国大陆科学钻探一井就是运用此技术），明显提高了钻进效率，减少了岩心堵塞。这两项技术的成功应用，使绳索取芯钻探技术达到一个新的高度，提高了我国钻探技术水平。,（2）液动潜孔锤钻探技术。 液动潜孔锤钻探是在回转钻探的基础上通过利用现场配套的泥浆泵输送的冲洗液驱动液动潜孔锤对破碎岩石的钻头施加一定频率的冲击能量，也就是钻头上带有冲击负荷的回转钻探。液动潜孔锤安装在钻杆或岩心管与钻头（全面钻进或取芯钻进）之间，在钻进过程中对钻头持续施加冲击负荷，达到提高钻进效率的目的。 液
6、动潜孔锤钻探较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点，是解决坚硬岩层和某些复杂地层钻探效率低、钻孔质量差的有效钻探技术。,（3）反循环钻探技术。 空气反循环钻探方法具有钻探效率高、成本低、适合干旱缺水地区钻探施工等一系列优点。水力反循环钻进技术具有取芯质量好、判层技术及时间利用率高、劳动强度低等优点。 （4）组合钻探技术。 组合钻探技术是一种将空气反循环连续取样、水力反循环连续取芯及金刚石绳索取芯钻探的优点有机结合起来的综合地质钻探新技术。特点是：采用一套双壁钻杆、同一台钻机和相同辅助器具，根据地层情况和地质要求，因地制宜，能够通过简单的组合，快速地实现上述三种不同钻探工艺，最
7、大限度地达到提高综合钻探效率和降低成本的目的。,（5）定向对接井技术。 定向对接连通井技术是采用螺杆钻孔定向钻探技术和水平钻井技术，使地面相距数百米的两井，在地下数百米甚至上千米的目的层处对接。该技术应用范围广，应用于固体矿产勘探及可溶性矿产开采、地浸矿山开采、采用高精度定向钻进技术还可用在城市及特殊区域不开挖地表完成管道铺设等；在水井、地热井及煤层气井采用长距离定向水平井技术穿越含气、水丰富地层，可以提高水、气采取率，延长井的使用寿命。,（三）我国钻探新进展 1. 深部科研钻探 2009年4月22日，国家专项“深部探测技术与实验研究”启动，反应了当代中国地质钻探向深部发展的需求。 2016年
8、9月5日，全国国土资源系统科技创新大会明确提出，面向国家重大需求，全力实施“三深一土” （深地探测、深海探测、深空对地观测、土地科技创新）国土资源科技创新战略。 随着矿产资源的不断勘探和开采，浅部矿产资源已开采殆尽，深部找矿已经是我国地质找矿事业的发展方向。,2008年11月6日，汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）首钻启动。WFSD采用一系列先进的观测和分析手段，开展地质构造、地震地质、岩石力学、化学物理、地震物理、流体作用和流变等多学科研究。对大地震和复发微地震的源区进行直接取样， 通过多学科观测和测试，揭示控制断裂 作用及地震发生的物理和化学作用，为 未来地质的检测、预报或预警提供最基
9、 础的数据。至2014年6月，WFSD第四孔 验收工作已经完成。,2012年，由山东矿三院承担的西藏罗布莎科学钻探遇到空钻探施工顺利竣工，该项目历时3年之久，完成了罗布莎LSD-1号孔（孔深1477.8米）、罗布莎LSD-2号孔（孔深1853.79米）。其中LSD-2号孔首开高原科学钻探先河，创造了高原钻探孔深之最。,2014年2月云南腾冲火山-地热-构造带科钻项目工程完成验收，该项目是国家深部探测计划之一，于2012年5月20日开钻，取芯钻进深度至1222.24米，钻穿多期火山喷发地层、巨厚花岗岩蚀变层，并钻入完整花岗岩地层300米。该孔实现连续取芯，岩芯直径为69.5mm和95mm，平均岩
10、芯采取率为89.25%，总进尺1420米，岩芯总长1112.48米。,2.岩芯找矿向深部挺进。 在地质找矿岩芯钻探方面，我国现已完工1000m以深的钻孔数百个，2000m以深的钻孔60余个（主要山东、辽宁、河北、安徽、江西、河南等省完成）。继2016年6月，由安徽省地矿局313地质队在安徽霍邱铁矿区勘探中完成了一口2706.68m孔深钻孔，首创国内小口径绳索取芯钻井最深记录后，孔深记录不断被刷新，现全国已完成3000m以深的超深孔约10余个（含地热井勘探）。,安徽省地矿局313地质队在安徽霍邱铁矿区勘探中，初步估算新增333类铁矿石资源量1.8亿吨；霍邱铁矿田北部整装勘查项目已探明333类铁矿
11、石资源量1700万吨。此外，于2012年底启动的该队最大的商业性项目“周集、范桥铁矿勘探”，野外钻探工作已全部完成，共求得111b+122b+333类铁矿石资源量3.2亿吨，其中新增铁矿石资源量2100余万吨，为下一步矿山建设提供了较充分的地质依据。,3.向海洋找矿钻进探索 随着国家海洋强国战略的提出，海洋开发上升至前所未有的战略高度。海洋为我国经济社会可持续发展提供了广阔的发展空间。 2015年山东省第三地质矿产勘察 院海下钻进2000多米，探获莱州三 山岛北部海域金矿床，近况资源量 达470多吨（储量20吨以上为大型 金矿，50吨以上为特大型金库）。,三、地质钻探装备发展,（一）全液压岩心
12、钻机 国外地质矿产勘查用钻机，已大量采用全液压动力头钻机。其特点是回次进尺长、自动化、机械化程度高。其所有功能均为液压驱动，操控精准便捷，与传统的立轴钻机相比取芯作业的效率及安全性大大增加。适用于金刚石绳索取芯、冲击回转、定向钻进、反循环连续取芯等多种高效钻探工艺方法，也可用于水井、锚固钻进、工程地质钻进工艺。,阿特拉斯科科普柯全液压钻机,主要优点: （1）自动智能：全液压动力头钻机自动化、智能化、信息化水平明显提高，对地层的适应性强，输出的扭矩大，可有效地钻进卵石层、强风化岩层和较硬的岩层。 （2）精简方便：简化了钻机的整体结构，操作与控制系统更加简洁化，便于操作，可控性好，钻机事故少。 （
13、3）省时高效：全液压动力头钻机无塔；回转器可以沿机身导轨在行程范围内往返移动，节约时间，保证效率。,（4）便捷移动：全液压动力头钻机履带行走系统方便设备的移动、安装，减少安装钻塔时间，提高有效钻进时间。 （5）质量保证：给进行程长，钻进过程平稳，无级调速，能机上加杆，利于保护孔壁，施工效率高、质量好。 主要不足： （1）制造成本较高，使用、维护要求较严。 （2）钻机操作规程优化和完善有待深化。 （3）液压机油路布线多，如发生泄漏未及时发现，污染施工环境，经济损失大。,（二）便携式全液压钻机 EP200系列钻机是英格尔全新推出的多用途便携式全液压多用途钻机，根据不同工况，具有多种配置，设备利用率
14、高；重量轻，拆装搬家方便。有EP200、EP200G、EP200H、EP600、EP600Plus几种类型。,主要模块,45kg,桁架,主要应用优势 （1）功能齐全：EP200G钻机最大钻进深度能达到200m左右，具有钻探、取样、综合测井、水文试验，原位测试等功能； （2）更轻：EP200G钻机的优点在于模块数量少，易于拆卸，单个部件重量仅180kg，易于搬运（修简易便道即可），机台尺寸更小（1.5mx2m）。对于艰险复杂山区勘察钻探具有很大优势。,（3）更快：EP200G采用薄壁金刚石钻进，钻机可以开高速、钻进效率高，在硬质岩、花岗岩、石英岩等坚硬打滑地层有高效表现。 （4）安全性增强：钻机
15、采用直连式钻杆，全孔跟管钻进方式，对一般的破碎地层适应性较好，不易出现垮孔等孔内事故，同时，EP200G钻机采用全液压传动，系统具有限压保护，有效避免了机械损伤等安全事故。,（5）勘探质量高：EP200G钻机采用薄壁钻具全孔跟管钻进，在破碎地层、基岩风化层、土层等地层岩心采取率高（配合英格尔施工法，对软土层，白云岩，泥岩，沙岩也可采取原状岩心）； （6）节约成本：从经济效益指标分析，EP200G钻机较常规钻机经济效益高23倍；其不用修路，无需基础工程，占地面积少，可人工搬运的优点，可节省大量的修路和青苗补偿费用；同时它还有操作简便，省人力，易上手的特点。,四、地质钻头的发展,（一）、金刚石钻头
16、制造方法 目前应用最广泛的方法是热压烧结法、电镀法两种。还有无压浸渍烧结法、电火花烧结法、钎焊法等。 热压法制造钻头由于具有钻头胎体性能容易调整、方便制造不同耐磨性的钻头、钻头的适应性广等优点而被广泛地应用于钻头生产中。 缺点是：与电镀法相比，设备工艺更复杂，钻头制造成本高。,热压钻头,电镀法的主要优点是，由于一般是在低温下电镀，对金刚石没有热损伤，对金刚石的质量要求低一些，加上设备简单、工艺简单，钻头制造成本低，在匹配的地层中自锐性好，钻进效率高。其主要缺点是：钻头胎体性能不易调整，地层适应性较差。,电镀钻头,（二）金刚石钻头发展趋势 （1）胎体材料的发展 主要是预合金粉的应用提高了胎体强度，提高其对金刚石的包裹能力，提高胎体与钢体的粘结强度，不易出现掉齿的现象，钻头质量更稳定，可制造高胎体钻头。,（2）金刚石表面金属化 金刚石表面金属化对于提高金刚石抗氧化能力、包镶强度以及抗冲击等均能产生良好的效果。（图为表面金属镀Ni后的金刚石）,（3）钻头胎体内部结构变化 a.胎体径向三层钻头 将钻头胎体径向设计为三层。内外层耐磨性强，金刚石浓度
