钻探方法研究

“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目及其成果简介~

(一)项目来源及研究目的
安徽是资源储量的大省,具有得天独厚的成矿地质条件。它地处华北、扬子、大别山三个板块结合带,在华北、扬子两个板块结合缝上,驰名中外的郯庐断裂自北向南纵穿全省,是全国19个成矿带之一的长江中下游铜铁多金属成矿带。为了进一步加快深部找矿步伐,安徽省地矿局313地质队于2008年4月向安徽省国土资源厅、安徽省地矿局申请“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目立项,2009年被列入安徽省重点科技攻关项目(编号:09010301015)。
该项目的研究目的是提高深部矿体勘探速度、勘探靶区精度、地质成果的准确性,为加速我国寻找隐伏矿与开拓深部“第二找矿空间”提供技术支持。主要任务是通过研发钻探设备及机具、钻探方法、取心方法、钻孔护壁、高效长寿钻头等技术,解决深部钻探效率问题;通过研究受控定向钻探技术解决深部陡矿体和异型矿体、地表障碍物下部矿体勘探难题;通过钻孔摄像及定向取心技术完成钻孔地质信息采集,由单孔获取岩矿层参数的任务。历经近四年的研究、试验,再研究、试验与完善,于2012年底结题,通过鉴定验收。
(二)项目研究的主要内容
“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目由安徽省地矿局313地质队主持承担,合作单位有:中国地质装备总公司、中国地质大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、无锡探矿工具厂、唐山市金石超硬材料有限公司、张家口探矿机械厂等,同时聘请了国内部分资深专家作项目指导。
“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目指导思想是,结合我国深部找矿技术需要,充分集成国内探矿技术优势,实行产、学、研、用相结合机制,以缩短研究周期,加速成果转化。项目的总体思路是:符合我国国情,以野外生产需求为中心,要求研究成果适用性好、可靠性强,易推广应用,且具有先进性、创新性,有自主知识产权。该项目共分4个课题:
课题一:分体塔式全液压动力头钻机及高强度绳索取心钻杆研制
(1)分体塔式全液压动力头钻机(FYD-2200型)
1)钻机实行分体结构设计,改变深孔钻探车载、桅杆式结构存在的弊端,以适应山区、丘陵、农田等道路较差的地区运输;
2)提升钻具设计为高塔形式,以增加立根长度;
3)钻机实现无级变速,增加调速范围;
4)钻机长行程(4.8m)设计,以增加回次进尺长度;
5)钻机动力头卡盘设计为卡瓦夹持和顶驱式两用结构;
6)钻机操作系统实现参数数字化,塔上操作可视化及钻探现场远程监控。
(2)高强度绳索取心钻杆
1)钻杆及接头优选国产高钢级无缝管材,进行特殊热处理,以增加强度和耐磨性满足3000m以内孔深钻探要求;
2)钻杆螺纹副设计为特殊形式,以增加抗扭、抗拉、防脱和密封性;
3)采用成型精密刀具加工钻杆接头螺纹,以提高螺纹加工精度。
课题二:钻孔摄像及定向取心技术在地质勘探中的应用研究
(1)钻孔摄像技术
1)实现360°孔壁数字成像、无缝拼接及高清晰度虚拟钻孔岩心图显示;
2)具有深孔内信息传输与数字分析处理功能;
3)运用钻孔摄像技术在单孔中解析岩矿层产状。
(2)定向取心技术
1)研究垂直孔、倾斜孔岩心定向系统,以扩大定向取心技术应用范围;
2)设计恒压岩心打印装置,保证可靠的导向钻进和平衡反扭矩效果;
3)研究水压力平衡,提高机械仓密封的可靠性;
4)研究孔底岩心打印控制装置,实现电机工作状态的自动控制;
5)研制微型金刚石钻头,以保证定向取心器孔底打印可靠性;
6)研究定向取心技术,在泥浆护壁钻孔中解析岩矿层产状。
课题三:钻孔设计与轨迹动态监控技术研究
1)钻孔弯曲规律分析,预测待钻钻孔的轨迹形态变化规律;
2)钻孔轨迹设计及钻孔轨迹形态绘制;
3)钻孔轨迹空间位置计算及中靶精度预测;
4)探矿、地质综合设计书编制;
5)钻孔综合资料整理及其电子文档自动生成;
6)钻孔轨迹三维可视化动态显示。
课题四:深部岩心钻探钻进工艺方法研究
1)关键装备优化选择与配置;
2)钻孔结构及套管设计;
3)特殊地层钻进取心技术;
4)高效、长寿命金刚石钻头研制与使用;
5)泥浆与护壁技术;
6)钻孔轨迹控制技术;
7)孔内事故预防与处理;
8)钻头成本与技术指标分析。
(三)项目研究主要成果
经过几年的研究与实践,“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”项目按任务书设计要求完成了FYD-2200型分体塔式全液压动力头钻机及配套机具、高强度绳索取心钻杆(N、H系列,施工深度3000m以内)、地质勘探钻孔摄像及定向取心技术、钻孔设计与轨迹动态监控技术、深部岩心钻探钻进工艺方法的研究与开发。完成了“江淮下游新生代晚期环境变化研究”与“湖北神农架晚期第四纪环境研究”不扰动样环境科学钻探孔、“汶川地震断裂带科学钻探”WFSD-3孔、“深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究”ZK1725孔等科学钻探试验孔,国家深部探测3000m科学钻探“华南于都 赣县矿集区科学钻探选址预研究”NLSD-1孔与“华东庐枞盆地科学钻探选址预研究”LZSD-1孔、安徽寿县正阳关铁及多金属潜力资源预查项目和滁州明光盐矿勘探孔等深部找矿钻孔的钻探任务,并在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、泥河铁矿、庐枞铁矿、琅琊山铜矿以及山东、浙江、江西、甘肃、四川、北京、上海等地不同地层、不同口径、不同钻进方法的深孔地质找矿和科学钻探中加以应用,取得了良好的效果。
项目研究共获得8项国家专利(其中发明专利3项)、1项国家计算机软件著作权。项目四个课题全部通过国内外科技查新及安徽省科学技术厅组织的专家技术鉴定。项目全面总结的小口径深部岩心钻探工艺及配套机具体系,对地质岩心钻探、科学钻探、环境地质勘探、水文地质水资源勘探施工等项目具有指导意义。项目研究成果总体评价为达到国际先进、国内领先水平。

根据“福建马坑铁矿钻探技术应用示范和科研基地建设”课题任务书确定的研究内容，在系统总结福建马坑铁矿各勘查阶段钻探技术和深入分析矿区钻探技术难题的基础上，紧密结合马坑铁矿第四阶段勘查（马坑铁矿外围石岩坑矿区深部勘查）钻探实际，以优化的理念开展深孔钻探集成式创新性研究，解决钻进过程中遇到的技术难题。
7.3.1 研究的思路与特点
研究工作重点围绕深孔钻探提高钻进效率、防治孔斜、复杂地层护壁与取心等关键技术开展，主要特点：
1）紧密结合钻探生产实际。紧密结合马坑铁矿钻探实际，系统总结、分析现有钻探技术工艺成果与不足，不断研究解决钻进过程中遇到的技术难题。科研成果在解决矿区钻探技术难题中产生，在解决技术难题中检验、完善。
2）优化、集成地应用先进、成熟的钻探技术。全面收集、消化和吸收前人研究成果，通过综合应用国内外先进、成熟的钻探技术，以优化的理念开展深孔钻探关键技术研究，产出深孔钻探技术优化组合的创新性成果。
3）贯彻产学研相结合的理念。通过调配大学毕业生和优秀钻探工人参加课题研究，适时开展学术活动和召开现场经验交流会，培养深部矿体勘查钻探一线急需的技术专家和技术骨干。
7.3.2 研究工作方法
（1）技术路线
针对（钻孔、矿区）钻探关键技术难题，研究工作的技术路线：确定目标功能→提出备选方案→进行方案评价→选择最优方案→检验、完善科研成果。
（2）钻探技术工艺方法的优选思路
根据钻探技术经济学理论（张伟，2007），按照以下步骤进行钻探技术工艺方法的优化选择与评价：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。
（3）研究工作程序与方法
1）调研或生产中发现需解决的钻探问题，明确解决问题的目标。
2）探讨解决问题的办法，包括国内已研究成功、本局尚未开展应用的新技术、新材料、新工艺、新方法。
3）制定解决问题的方案：为优化选择需要，至少考虑三种以上可行的、根据经验认为较为经济的方案。
4）建立优化方法的评价指标，在解决实际问题的过程中进行方案的比较选择。
5）总结、确定最佳方案，用于指导在相同条件或类似情况下发现并解决实际钻探问题。
为使研究取得高水平的创新性成果，还通过参加一系列学术研讨会、邀请相关专家现场咨询等形式，吸收和借鉴最新研究成果和技术手段。
（4）解决研究问题的对策
1）针对钻遇技术难题：深孔钻探中遇到技术难题→研究、制定相应解决难题的措施→在多项技术方案中选择最佳方案。
2）针对钻孔：在各项解决技术难题的最佳方案中，优化选择确定适合特定钻孔的最佳技术方案组合。
3）针对马坑铁矿勘查矿区：总结适合于马坑铁矿勘查的一套较佳（优）的钻探技术工艺方法组合，作为后续钻探施工的作业指导书。
4）针对其他矿区：总结解决深孔钻探技术题难的工作思路与方法，制定相关工艺方法的技术要点，供其他矿区借鉴与参考。

目前，国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。

（一）金刚石绳索取心钻探

在世界各国地质找矿钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术（Wire-line Coring Drill，简称WL）20世 纪40年代最早诞生于石油钻井业，后来经美国Longyear Co.改进和开发，被应用于固体矿 产岩心钻探施工中，此后在世界范围内大量推广应用，至今已有近70年的推广应用历史。WL钻探技术的诞生和成功应用实现了不提钻取心，大大提高了钻探效率，因而被称为地 质岩心钻探技术的一次革命^{［24，25］}。

国外一直重视和不断开发、完善金刚石WL钻探技术。主要是在钻杆选材、加工精度、热处理及几何尺寸等方面开展研究，使钻杆强度、韧性和连接螺纹的可靠性有了进一步提 高，同时对金刚石钻头进行深入研究，提高了钻头寿命和钻进效率。

我国自20世纪70年代中期开始研究并推广应用金刚石WL钻进技术，在地质找矿中发 挥了重要作用，截至1990年，完成钻探工作量达1505万m，钻进速度和台月效率大幅度提 高，取得了显著的经济与社会效益，在全国探矿领域几乎普及了该项技术，并由此获得了 国家科技进步奖一等奖^［17］。但自1992年以后的十余年间，由于矿产勘探工作量锐减及钻探 施工单位向建筑基础领域的转产，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致了该项技 术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大，WL钻探用钻杆 的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标差距明显，利用WL钻探技术完成 的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的1/3^［3］。近年来，随着新一轮地质 找矿热潮的兴起，该项技术又重新得到恢复和发展，应用广度和深度进一步拓展，以山 东、河北等为代表的省地勘局将该项技术进一步普及和提高，在“攻深找盲”和提高效率 等方面发挥了突出作用，钻孔深度、钻探效率等多项指标被不断突破，技术水平有了较大 提高。

（二）液动锤冲击回转钻探

国外一直重视液动冲击回转钻进技术的发展。潜孔式液动冲击器（又称液动潜孔锤，以下简称液动锤）最早起源于欧洲。1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的 专利，技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从 而实现冲击回转钻进。从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联都研制出几种具有 实用意义的液动冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有成效的是前苏联，1900～1905年 开展对液动冲击回转钻进技术的研究，1970年开始逐步在生产实践中得到应用。匈牙利在 20世纪60年代研制了φ48～160mm的5种双作用液动冲击器，将液动冲击钻具组装在一专 用拖车上，并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，搬运灵活方 便，在施工矿区或工地为多台钻机服务。日本对液动冲击器的研究起步于20世纪70年代，比较成功的是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液 作为工作介质^［14］。

近年来国外在液动锤的研究领域所做的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发 的双作用液动锤，澳大利亚SDS公司的FH系列液动锤，德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀 为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用），工作流体均要 求用清水（过滤在100μm）驱动。由于冲洗液不能有效护壁，所以使用深度受到限制，最深的应用记录只有590m。

我国从1958年年底开始进行研究，到20世纪80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛时期，地质、冶金等部门分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类 型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到30种以上，累计钻探进 尺超过了百万米，取得了良好的技术、经济效果，粗略统计可提高钻进效率30％～50％以 上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段 我国的液动锤研究和应用水平已经居世界先进水平，是继前苏联以后在小口径矿产勘探领 域广泛应用液动锤钻进技术的国家^{［14，26］}。

进入20世纪90年代，由于我国的地质勘探工作量大幅下降，小口径液动锤的研究投入几乎中断，这些成果并没有得到很好的应用和提高，对该项技术的研究应用转向主要对 水文水井、油田和工程施工用大口径液动锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘探技 术研究所研制了一种新型的YZX系列液动锤（图1-3），其静密封的可靠性和耐高温性以 及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中，他们研制 的YZX 127液动锤连续钻进了近500个回次，在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺 3485.71m、最大应用深度达 5118.2m的世界纪录。另外，勘探技术研究所还为大陆科学钻 探工程研制了KS-1 57绳索取心液动锤、SYZX273液动锤和螺杆马达/液动锤/WL-三合一钻 具，均取得成功，在提高钻进效率，防止岩心堵塞，延长回次进尺，减轻孔斜等方面都发 挥了重要作用^{［14，27］}。

图1-3 新型YZX系列液动锤

该技术在科钻一井的成功应用，推动了我国钻探技术水平的进步。同时大陆科学钻探 工程也为推动液动锤钻进技术的巨大发展起到了非常重要的促进作用，使我国的深孔液动 锤钻进技术达到了国际领先水平，得到众多国外同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国 等公司先后从我国引进该技术进行试验研究。然而，到此为止，国外液动锤取心钻进最大 孔深为2000m，由前苏联创造（无细节资料报道），液动锤全面钻进最大孔深是由澳大利 亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井的4333.03～4353.15m井段对12/4 in液动锤进行 了试验。总的来看，用于深井条件下的液动锤还处于研究试验阶段，都未能够达到大规模 应用的程度。在国内，对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究也待进一步深入。特 别是在固体矿产小口径钻探普通生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然 沉淀的水平，钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动锤内部零件频繁卡死，工作寿命大 幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接 受，但是实际应用还较少^{［14，28］}。

（三）气动锤反循环钻探

在很多国家，气动潜孔锤（以下简称气动锤）反循环（Reverse Circulation，简称RC） 钻探技术也得到较大发展。该项技术主要有两种类型，一种是由普通气动锤＋交叉通道 接头＋双臂钻杆实现，即RC或中心取样（Center Sample Recovery，简称CSR）钻探技术；另一种是由带RC取心（样）钻头的贯通式气动锤＋双臂钻杆来实现，即贯通式RC钻探技 术。由于气动锤RC钻探技术改变了传统的碎岩和取心方式，其钻探施工效率可提高3～1 0 倍、成本降低1/2～2/3，因此，气动锤RC钻探技术被钻探界称为继WL钻探技术之后的又 一次革命^{［16，29］}。早在20世纪80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就研究发展并 在勘探阶段较广泛地推广应用该项技术。美国1989年研制的一种无阀贯通式气动锤—— SAMPLEX-500型被MAJOR钻探公司配在CSR钻机上使用^［30］。目前仅美国西部地区就有 150多台气动锤RC钻探设备用于各种地质矿产钻探，其中包括砂金和岩金矿床勘探。据报 道，澳大利亚采用气动锤RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％。有些矿区几乎完全采用气动锤RC连续取 样钻探方法，或者按照采用气动锤RC连续取样钻探与采用WL钻探工作量20：1的比例布 置。澳大利亚气动锤RC钻探最大孔深已超过700m^［16］。

我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。勘探技术研究所等单位对普通浅孔锤 RC或CSR钻探技术进行了研究，1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，还相继开发 了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等，并在个别矿区进行应用。原长春地质 学院对贯通式潜孔锤RC钻探技术进行研究，并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的 RC取心（样）钻头等，特别对RC取心（样）钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等 方面做了大量研究工作，并取得了多项研究成果。但是，由于国内地质界对以岩屑代替传 统柱状岩心来评价矿产资源还不认可，目前还无相应规范可依，在地质钻探设计时还不能 采用该技术，因此，该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取 心时才进行试验应用，如河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复 杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外，由国外矿业公司出资勘探 的部分矿区，如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技 术，采用后取得了较显著的技术效果和经济效益，钻探施工效率提高3～10倍，成本降低 1/2～2/3^［29］。

（四）泡沫钻探

泡沫用于钻探工程始于20世纪50年代中期。当时美国为在干旱缺水、且稳定性较差的 地层中钻井，首先在内华达州使用了泡沫钻井液。因泡沫钻进时上返速度仅为空气钻进上 返速度的1/10～1/20，有效地保证了孔壁稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐水、油 层、永冻层钻进的泡沫流体的研究，扩大了泡沫钻进的应用范围，取得了很好的经济效 益，成为低压油田开发的一种有效手段。

前苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的实验研究。到70年代，开始利用泡沫进 行小口径金刚石岩心钻进，并且在泡沫流变学、泡沫钻进过程中的温度、压力等方面进行 了深入的理论研究。在十多年的初步研究中，证明在8～10级岩层中，与使用常规冲洗液 相比，钻进机械钻速提高了30％，回次进尺提高了22.5％，钻进效率提高了25％，金刚石 消耗降低了28％，功率消耗降低了23％，综合经济效益提高了34％。到1984年，前苏联采 用泡沫钻进技术的钻探工作量近10×10⁴m，各种泡沫剂供应也在60～70t^{［31，32］}

在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻进技术也得到了快速的发展，并被列为 今后新技术开发的方向。美国在20世纪80年代初期已基本完成泡沫钻进的各种研究工作。Sandia Nation公司1980年研制推出了100多种阳离子、阴离子、复合型及非离子型的泡沫 剂，以适应各种复杂地层条件下的泡沫钻进的需要；泡沫钻进设备已达到系列化；钻进工 艺水平达到了计算机控制化的水平。

我国对该项技术的研究起步较晚，20世纪80年代中期，首先在石油系统利用泡沫进行 洗井、钻井工作，研制了F873、TAS等泡沫剂。此后，地矿、煤炭系统也进行了这方面的 研究工作，先后研制出了KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡 沫剂，同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究，经过对不同环境条件及机具的试验研究，总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程，推动了泡沫钻进技术的发展。但由于正值地 质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻 进技术高，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春科技大学又在原地质 矿产部立项，进行了水泵泡沫增压装置的研究，取得了泡沫增压泵的容积效率达到90％的 效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡 沫灌注系统，经在宁夏西海固地区的实际施工试验，取得了水泵的增压能力达到5MPa令 人可喜的效果^{［31，32］}。此外，还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究，已取得了 突破性进展，但目前用于生产还需要进一步试验研究和完善。

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