技术方法研究与应用

　技术思路和方法~

针对前述著书的目的和研究内容，拟采用的技术路线或研究流程为：盆地分析→含油气系统研究→建立天然气资源评价专家系统（集中在建立评价模型）→勘探层资源评价及圈闭资源评价一勘探决策分析。其中包含的技术思路有：①将资源评价与盆地分析全面而紧密结合起来，在评价模型中充分吸收盆地模拟和盆地沉积体系分析、储层研究、构造分析成果，使评价更加符合工区实际地质情况，提高评价结果可靠性；②研究中贯穿系统论观点、阶段论和转化论观点、相互联系的观点及相对的观点，把盆地、含油气系统及（油）气藏分别看作一个系统，分析其整体演化的阶段性及内部主要要素形成、发展与转化、消亡过程，分析内部要素和地质作用间的相互关系，特别是相互影响、相互配置和系统与环境关系；③加强质量控制，在分析与评价中，不但要进行点上分析，更要致力于总结面上分布规律，注意对象间的相互差异。同时在参数取值中，分析资料可靠性，并对取值（包括信度值）作相应调整，以确保评价与决策的可信度。
具体研究中所拟采取的技术方法有：
1.在盆地模拟方面，应用压实模型，通过多重回剥和剥蚀量恢复，反演沉降史；应用镜质体反射率反演古热流，再现热史；应用TTI法模拟有机质热演化成熟史，并根据前人实验和研究成果建立生烃史。
2.在层序地层格架和沉积体系研究方面：首先划分地震层序，研究盆地充填序列，然后综合利川地质、测井和地震信息，结合古地理、水动力条件、地层岩石学特征、岩石组合特征及沉积构造特征研究，开展深刻的沉积体系研究。
3.储层特征及次生孔隙的形成、分布研究中，除应用传统的研究方法外，还以储层有机地化现代理论为指导，对进油气孔隙和非进油气孔隙的演化过程进行深入探讨，研究水介质性质对砂岩储层次生孔隙的形成作用及其意义。
4.在盆地构造分析方面，在盆地演化分析基础上，从地震剖面和构造图、地层等厚图和沉积相图研究入手，分析半地堑形成机制、断陷及传递带的儿何学特征，并着重分析反转构造和断裂几何学特征与分类、运动学发展规律、成因机制、展布规律及与油气关系。
5.在含油气系统研究中，首先分析源岩储层、盖层和圈闭的形成演化过程，然后分析油气生、运、聚、散作用，总体论述系统的动态发展及与环境关系。
6.在成藏模式总结中，以新的天然气地质理论为指导，开展典型气藏解剖，然后结合盆地分析，含油气系统分析结果建立气藏形成与演化模式，探讨主要控制因素。
7.天然气资源评价专家系统建立主要是直接应用现成软件，依据成藏模式和盆地分析结果，重新建立评价模型，在专家系统中重新建立知识库。
8.评价中着重抓资料整理、参数取值这一环节，以确保评价质量。评价分断陷（或勘探层）和圈闭两个层次进行，其中含气性评价用专家系统，定量计算分别用勘探层法（FASPUM）和容积法。为贯彻经济分析这一思路，评价的资源量为可采资源量。
9.勘探决策分析用现成软件，风险和资源量直接用资源评价成果，同时开展勘探成本及市场价格分析，以钻探为中心问题，进行决策分析，按经济效益期望值排序，提出部署方案。

1.调查方法技术
长期以来，地质、农业、水利、环保、气象等部门从不同专业角度出发，形成了岩、土、水、气、生物等介质的调查和研究方法，制定了相应的规范规定。如地质系统的区域地质、区域地球化学、区域水工环地质等调查规范规定，为农业地质环境调查方法技术体系的形成奠定了基础。
以往调查和研究工作多从部门与学科专业角度出发，调查研究的介质要素相对单一，分析测试指标较少，不少方法技术主要适用于局部性、专题性研究目标。浙江省农业地质环境调查作为一项系统工程，覆盖范围大、涉及指标项目多、服务应用领域广，包括示范区—重点片区—全省范围的多尺度调查任务（工作比例尺变化于1：5万—1：25万—1：50万），涉及土壤、水（地表水、地下水）、生物、农产品、浅海沉积物等多种介质，迫切需要形成包括野外调查、样品采集加工、分析测试方法、数据处理和综合分析、成果表达、质量保证体系在内的一整套方法技术体系。
随着现代分析仪器、方法及测试技术水平的发展，土壤沉积物、植物、水等介质中元素全量分析测试方法已比较成熟，但有一些元素特别是痕量超痕量元素的分析测试方法及质量监控体系仍有待完善。如，土壤沉积物中元素的活动态组分对动植物具有更直接的作用，元素和有害物质的赋存形态研究可以为土壤营养分级、污染物危害评价提供更为直接的证据。然而，至今土壤元素相态提取与分析存在的问题还很多，主要表现为部门之间、实验室之间提取方法、流程不统一，不同实验室、同一实验室不同批次间分析偏差较大。因此，各种提取方法的科学性、实验条件的标准化是相态、有效态分析方法研究的重要内容。
随着当代科学技术的进步，高新技术的应用已成为现代农业地质调查和评价的重要手段，GPS、RS、GIS等新技术手段迅速在农业地质环境调查和研究中推广普及。由于这些新方法和技术的应用还只是刚刚开始，需要不断总结经验，探索并扩展其应用前景。
系统全面地将农业地质环境调查成果服务于农业生产是一项创新性工作。如何针对农业科学和生产的特点，采取生动、形象、直观的成果表达方式，满足政府决策层、基层技术管理部门、专业技术人士以及普通公民等不同层面的需要，也是当前农业地质环境调查与评价研究所面临的重要问题。
2.评价方法技术
浙江省农业地质环境调查项目，着重于开展与农业环境、农业生产、农产品安全性密切相关的区域地球化学调查工作，采取多学科合作、多部门联合的方式，广泛收集、综合集成地质、地球化学、环境、农业、生态、气候等学科专业成果资料，建设浙江省农业地质环境数据库，以弥补以往工作的不足。开展全省或重点地区的区域尺度、县（市）级尺度的多尺度多层次农业地质环境评价和规划，是充分发挥农业地质环境调查成果、实现调查资料转化利用的重要途径。
长期以来，中国农业、环保、地质、水利、气象等部门的科研单位、大专院校从部门需要出发，从各学科专业角度对中国农业生态环境进行了大量的调查和研究，积累了大量的岩、土、水、气、生物等环境要素成果资料，并开展了解释评价研究，取得了一系列成果，如全国土壤背景值、第二次全国土壤普查资料、全国区域化探扫面等。然而，总的来说，由于部门间壁垒的存在，学科专业过细分割，受研究思路、方法手段以及经费等限制，多学科综合研究、多部门协作配合差，以往相关调查与评价成果集成程度较低等多种原因的影响，使大量资料开发利率低，综合效益较差。
与传统的单学科研究、实验室试验、小范围局部调查评价有所不同，浙江省农业地质环境调查是一项包括区域和局部多尺度、水土生物多介质、调查研究相结合、基础性和应用性兼顾的复杂系统工程。不同层次的农业地质环境评价需要强有力的基础理论支持，同时需兼顾农业地质环境调查成果资料特点，充分考虑农业地质背景条件，形成一套具有科学性、可操作性、实用性的评价方法技术体系。这样的部门联系广、学科跨度大、技术层次高的高度综合性评价工作是前所未有的，很难有现成的方法技术特别是综合性评价方法供直接借鉴。尽管如此，长期以来环境地球化学、农业地质、环境质量评价、农业规划、环境卫生学等领域的研究方法、评价模型与标准具有十分重要的参考价值和借鉴意义。
土壤元素主要来自于成土母质，部分来自人为污染的叠加。元素三维分布模式，表层与深层土壤元素含量比值及其分散富集系数，成土母岩或母质、沉积环境（相）、土壤理化特性、污染源空间分布关系的分析，元素组合特征研究，元素存在形态、同位素组成测定、同位素定年技术等，污染元素分布的时空变化，以及典型污染源组分特征等，为污染源追踪、污染程度评价、异常成因分析提供了基本方法技术。
研究表明，岩土地质背景、气候、地形条件、植被生物等自然资源和环境条件及其质量状况是影响农业生产的基本要素；岩、土、水、气环境与作物的生长、产量、品质，以及家禽畜牧健康间的关系是农业地质环境综合评价的科学理论依据。众多农作物尤其是一些名优特产往往依存于特定的地质地球化学环境条件。根据农业地质环境区域分异规律及农作物适生地质地球化学模型，科学规划、合理种植，因地制宜地发展特色农业，有利于提高农产品产量、改善农产品品质，合理利用农业资源，发挥地区优势，提高农业生产效益。这是农业地质环境综合评价的理论基础和方法技术依据，其中的内在问题，就是调查研究地质地球化学环境同农产品生长之间的联系。
污染生态学研究认为，污染生态效应研究应综合考虑污染物产生和释放机理、不同环境条件下存在形态与转化规律、不同环境介质中的迁移规律及作用于生物体的毒害机理。同样，这也是农业地质环境评价的基本指导原则。
土壤、水、农产品等现有的农业地质环境单介质评价方法、标准依据及其评价成果，是综合评价规划的重要基础依据。在数十年的环境毒理学、土壤环境容量、水质基准、人体安全摄入量等研究基础上，已建立了土壤环境质量标准、水环境质量及饮用水质标准、农产品食品卫生标准等一系列国家和行业标准，形成了环境质量分级、污染指数评价等比较成熟的评价方法模型。多要素综合评价、生态系统层面的综合评价框架思路、指标体系、标准依据、方法模型是当今生态环境科学的热点研究课题，诸如层次分析法、主成分分析法、灰色评价系统、专家信息系统、神经网络系统等方法模型均具有一定的试验应用前景。
近十年来，全球定位系统（GPS）和遥感技术（RS）等高新技术的快速发展，为野外调查、快速高效地采集三维动态数据资料提供了技术条件。现代分析测试技术使多介质样品的定量分析成为可能。计算机技术、数据库技术、地理信息系统（GIS）的发展和成熟，为海量数据资料的管理、统计处理、空间分析和解释评价提供了技术平台。现代技术的突飞猛进，为多要素、多指标因子的农业地质环境综合评价和研究提供了方法手段与技术平台。
3.评价研究存在的问题
农业地质环境综合评价是一项研究内容丰富、跨越多学科、多部门的技术性系统工程，迄今为止难以找到类似先例，综合评价的理论基础、方法思路、指标标准还有待研究探索，其中还面临诸多问题：
（1）理论依据与方法思路有待进一步理清
传统的农业、地质、环境调查、研究与评价，多考虑部门自身需要，从学科专业优势出发，针对单一环境介质或某些要素进行，从而获取生态系统的部分信息，不可避免地带有学科专业性质，影响到评价研究的综合程度和生产规划的实用性。农业地质环境综合评价是以地学为主线，以地球化学资料为基础，系统考虑与农业生产密切相关的各种自然和社会因素，包括地形地貌、地质背景、地球化学环境、作物适宜性、气候条件、农业发展趋势、社会经济及市场导向等，综合程度更高，以求评价规划成果更加切合农业生产发展的实际需要。
显然，这样的多因素综合评价面临着一系列方法技术问题。如果说，相对单一的土壤、水、沉积物环境质量评价，农产品安全性评价，作物适生地质地球化学模型，农业地质环境的预测预警等评价思路和方法还存在这样或那样的问题，那么综合评价在概念理论、方法模型、指标体系、标准依据等多方面存在更多不确定因素。如何发挥地质、地球化学、环境、生态、农业等多学科理论的指导作用，充分利用农业地质环境调查资料成果，建立多学科、多信息、系统全面的评价方法和规划，兼顾开发、利用、保护，促进区域农业、生态环境、社会经济可持续发展，仍然是一个需要深入研究的课题，也是需要在本项目实践的基础上不断探索、研究解决的重要问题。
科学合理的评价工作要求有专业理论的指导，建立符合实际、操作性强的数学模型。例如，目前多以单因子污染指数为基础，进行机械的叠加处理以计算综合污染指数，进而评价总体环境质量及总体污染程度，而忽视了更为重要的污染物毒性差异、存在形态及生物有效性、污染物之间相互作用，很难反映真实的环境质量和污染生态效应。
科研部门对持久性有机污染物（POPs）的环境行为、生物毒性及在各种环境介质含量水平进行了大量的研究。但是，如何表征、判定自然环境条件下低浓度有机污染物如PCBs的长远生态效态，还存在相当大的技术难度。再如，由于土壤重金属的生态效应受到土壤环境、生物属性、元素间相互作用等影响，并且具有延滞效应，单一地根据调查取得的土壤元素含量资料评价其生态效应，本身就是一件有难度的事情。
（2）基础数据资料的局限性
农业地质环境是与农业生产密切相关的地质环境及其相关自然要素，包括基岩、土壤沉积物、水、气以及地形、生物、气候等地球表层多介质环境要素构成的自然环境体系，是生态系统的基本组成部分。农业地质环境评价需要根据不同评价目标，以地质、地球化学、农学、环境、生态等多学科理论为指导，以土壤、水、农产品、岩石、滩涂、浅海沉积物等多介质采样分析、非点源污染状况、名特优特色农产品立地背景、农业经济和农业发展调查资料为依据，综合集成农业地质环境资料信息，取得符合客观实际的农业地质环境评价成果。
受部门分割的影响，已有的农业地质环境评价规划所依托的基础数据资料在系统性（介质、测试指标）、覆盖范围、数据质量（采样和分析质量）等方面存在不少问题，影响到整体评价规划成果的水平。由于综合研究深度有限，多信息综合程度低，评价规划结果往往带有一定的片面性。如在环境污染调查评价方面，已有工作一般是根据调查资料评价环境质量现状，受资料的限制对于异常成因、污染源追踪、污染物活化迁移、富集累积及其生态效应的预测研究比较薄弱。
（3）方法技术须进一步完善
污染源追踪、存在形态测定、迁移转化规律等方法还缺乏系统全面性。例如，形态分析方法，或对采集的样品保存条件要求极高，或提取分析流程过于复杂，或分析测试成本过于昂贵，分析测试重现性差，而处于实验室研究阶段，难以适应批量样品生产研究的需要。再如，不同景观条件下土壤元素存在形态的提取与测定方法，不同学者有不同的看法，需要进行标准化、规范化，同时有必要建立系统健全的质量监控与保证体系。可喜的是，近年来在中国地质调查局的组织领导下，元素存在形态的提取、测定、质量监控的标准化、规范化水平得到显著改善。又如，单源或双源影响下的污染，利用典型污染源元素组合或同位素组成特征，就可比较有效地判别污染来源及其贡献大小。但多源污染的识别难度则显著增加，各种方法有效性大大下降。
（4）指标体系、依据标准不够系统
在环境标准方面，考虑自然背景、环境要素与动植物健康的关系，以及经济技术条件，确定的环境标准系列包括污染物排放标准、环境质量评价标准、农产品安全和卫生标准等，涉及的环境介质包括土壤沉积物、水（地表水、地下水）、植物、大气等，农产品则分门别类制定了极为详细复杂的安全或卫生标准。这类法规标准虽然数以千计，但总体来说，现有的农业环境质量标准、农产品安全和卫生标准涉及的环境要素、介质因子及指标定值不够系统，仍不能满足当前多信息、多指标评价的需要。如中国土壤环境质量仅对8种重金属元素作了规定，而地球化学调查元素指标一般达50多项，由于标准不完备，多数元素的数据资料难以利用。随着中国加入WTO，农业部、科技部已将农业环境标准、农产品标准的制定工作列为当前的重要任务，大量新标准正在形成，标准体系迅速完善，需及时跟踪、收集并利用。
现有的评价方法模型多采用传统的综合污染指数法评价总体环境质量及总体污染程度，即采用各种数学模型将单因子指数进行机械地叠加处理，而忽视了污染物的地球化学行为、生物有效态、生物效应间存在的巨大差异以及各种组分间的复杂相互作用，如拮抗作用与协同效应。常常导致评价结果与事实产生明显的出入。
农业地质环境调查的环境介质、指标参数复杂多样，要求以科学准确的方法、简易可行的技术加以测定、量化或描述。由于农业地质环境调查毕竟是资金、人员、技术、时间投入都受一定限制的项目性工作，在力求全面系统的同时，相对于农业环境、农业发展这一庞大复杂系统，所获取的指标参数、资料精度及其研究深度必然带有时代局限性。因此，农业地质环境评价应切合生产实际，侧重于现有数据资料的开发利用，形成实际可行的评价指标体系。
（5）信息综合集成程度低
过去的农业发展规划多从部门优势出发，侧重于农业生产的少数要素，基于有限的信息资料进行，未能将农业生态系统作为一个有机整体进行系统调查、综合评价。已有评价规划模型大致可分为：①针对不同环境介质的评价。如土壤环境质量评价，水环境质量评价，大气环境质量评价；②针对不同应用目标、单学科角度的评价。如考虑土壤立地条件、肥力条件的种植适宜性规划，考虑地质背景条件的种植适宜性规划，考虑气候环境条件的种植适宜性规划，考虑土壤污染程度的土地质量分级利用规划，考虑农村经济水平、地理条件、市场导向的农业经济发展规划，以及考虑多种因素的综合评价，等等。这些环境质量、农业评价规划模型虽然对农业发展起到重要作用，但多学科综合研究程度低。科学全面、多学科、多信息综合的评价方法和模型并不多见。这种局面显然已不能满足当前绿色农业、优势农业发展，以及建立农业生态环境长远保护体系的需要。兼顾开发、利用、保护的原则，建立综合多信息的农业发展评价规划体系是当前一项重要而紧迫的任务。
从农业生态环境系统角度进行综合研究、评价与规划还处于探索阶段。现有的评价标准还不够系统，不同学科专业对各种评价指标的权限看法不一。虽已提出了多种综合评价模型，如层次分析法、主成分分析法、模糊（灰色）评价系统、专家信息系统等，但效果好的应用实例并不多见。
（6）成果表达方式经验不足
不同于传统的学术理论研究，农业地质环境综合评价以其重要的社会应用服务性为特色。因此，评价工作不仅要以翔实准确的数据为基础，以科学先进的方法为途径，还要以标准化、社会化、大众化、科普化作为评价和规划成果表达考评原则，以满足各级政府、专业技术管理部门、科学研究人员和社会公众等不同层次的需要。
新的研究内容、研究目标、服务对象，要求放弃传统的思路和观念，加强和突出成果表达方式的研究。充分发挥计算机信息处理技术、网络传播技术，也是改善成果表达方式的重要途径。

(一)SYZX系列绳索取心液动锤的应用及其钻进工艺优化

冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。SYZX75、95型绳索取心液动锤将绳索取心和液动锤两大钻进优势技术结合形成的一种新钻进方法，是中国地质科学院勘探技术研究所研发的、具有国际领先水平的钻探科技新成果，可大大地提高钻进效率和回次进尺，也可有效地控制孔斜、提高破碎地层的岩心采取率。该课题在马坑钻探中开展了SYZX系列绳索取心液动锤的推广应用，并进行绳索取心液动锤钻进工艺优化。在马坑矿区绳索取心液动锤的使用及其与普通绳索取心钻进的现场对比试验，证明了该技术在矿区的适用性和优越性，应大力推广应用。

(1)与普通绳索取心钻进相比钻进效率大幅度提高。由于金刚石绳索取心钻进采用以较高转速为主的钻进规程参数，具有回转钻进切削、磨削碎岩的特点。使用液动锤后，给钻头施加高频脉动载荷，冲击力瞬时可达极高值，使被钻进的岩石在交变的外力作用下产生脆裂剪崩的体积破碎，明显提高了机械钻速(破碎岩石的效率)，岩石越坚硬，效率提高的幅度愈明显。

(2)在可钻性9～12级坚硬“打滑”地层，钻速显著提高。按目前的绳索取心钻进水平条件，一般不宜在10～12级的岩层中钻进。在致密完整、弱研磨性、坚硬的“打滑”地层钻进，虽然采用软胎体钻头辅以人工研磨及孔内投硬岩屑等措施，绳索取心钻进仍显现出钻效低、回次进尺少等问题。

坚硬“打滑”的地层应用绳索取心液动潜孔锤钻进时，交频冲击荷载能使钻头唇面接触处的岩石表面光洁度降低，增加了钻头与岩石的摩擦力。同时，较粗的岩粉颗粒也促成了金刚石从胎体中出刃的条件，所以可显著提高钻速。

(3)在硬、脆、碎地层提高岩矿心采取率，延长回次进尺。液动锤在液动作用下启动工作，产生了高频冲击荷载。使钻具采心机构处于冲击振动作用下，岩心不易堵塞(即使产生堵塞也能较快解卡)，减少岩心的自磨作用，从而提高岩矿心采取率，延长回次进尺，在破碎地层这种优点更为明显。

(4)使用绳索取心液动锤钻进可避免烧钻事故。经过两年多使用表明，使用液动潜孔锤绳索取心钻进，一旦发现泵压下降，冲击器不工作，要及时提钻检查，可避免烧钻事故。两年来，几乎无发生烧钻事故。

(5)绳索取心液动锤钻进减斜效果好。与回转钻进相比，钻压和转速较低，并且钻速高，有利于降低孔斜。

(6)绳索取心液动冲击回转钻进还可减轻绳索取心钻杆内壁结垢现象。

(二)金刚石钻头的优选研究

1.钻头试验选择的综合经济效益评价指标及优选方法

现场对比试验选择：根据目的和需要，选择不同技术参数的钻头在矿区或同一地层进行钻头适应性、时效、寿命等指标的对比试验，探讨各钻头参数对钻探成本效益的贡献率，求证合适的钻头性能参数或钻头品种。统计分析选择：通过对钻头历史使用资料进行统计分析，结合地层岩石可钻性合理选择钻头类型，从而更好地用好钻头，达到提高钻速、降低成本的目的。

2.S75钻头主要性能结构参数的优选成果

金刚石钻头的性能结构参数有镶嵌类型、胎体性能、金刚石的质量和粒度、金刚石浓度、水口形状及其数量和大小、底唇形状等。根据岩石的硬度、研磨性和完整度等岩层性质和其他技术条件，以高效、长寿、低耗、安全为标准，确定不同地层适用的孕镶金刚石钻头主要性能结构参数。

3.不同工况下钻头方案的确定

钻速与寿命在不同情况下对钻探综合效益的贡献率是不同的，研究确定了不同的工况的钻头方案：采用绳索取心钻进时，应有足够的钻头寿命，以延长提钻间隔，减少提钻次数和提钻时间；绳索取心钻进在深孔硬岩条件下，钻头方案为：在保证钻头寿命足够长的前提下，提高钻头的机械钻速；钻速低下时，如钻遇坚硬致密“打滑”地层，应以提高钻速为主；软硬互层频繁和破碎裂隙性地层，应主要考虑延长钻头寿命。

4.研究确定提高钻头寿命的技术对策

绳索取心钻进，一个提钻间隔内回次多、进尺长，钻遇多种不同性能岩层的可能性增多，要求钻头具有较广的地层适应性。主要对策：金刚石采用高强度、不同粒径混镶，增加钻头的适应性；提高工作层的高度；加强钻头的内外保径，如：增高内外侧刃高度，内外侧刃采用天然金刚石补强或采用高强度、较粗粒的单晶、聚晶体保径，钢体外焊合金颗粒等；增加胎体的耐冲击、耐磨性。

5.制定合理使用金刚石钻头的工作要点

要使金刚石钻头实现高效率、长寿命，合理使用它也是一个重要因素。合理使用钻头要注意以下几个问题：钻头要分组排队使用，根据设计孔深，按钻头内、外径尺寸，轮换使用：先用外径大、内径小的钻头；后用外径小、内径大的钻头。每次下入钻头与前一回次钻头直径差要小，当钻进8～9级岩石时，不大于0.1mm；当钻进10～12级岩石时，不大于0.05mm；选择好扩孔器，做好钻头与扩孔器及卡簧间配合；合理控制机械钻速，对软的、中硬粗颗粒的岩层，钻进速度快，岩粉量大，为了及时排除岩粉达到冷却钻头的目的，除增加冲洗液量外，要控制钻进速度。一般连续钻进时效不要超过5m/h，时效过高，易于造成钻头的非正常磨损，甚至会引起烧钻；避免钻头非正常损坏。

6.金刚石钻进技术参数的优选

钻压：确定合理的钻压是提高钻进效率，降低成本的重要措施之一。应根据岩石可钻性、研磨性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量选择钻压。

转速：转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。应根据岩石性质、钻孔结构及设备能力等因素选择转速，即考虑获得较高的钻速，也要保证合理的钻头寿命。

泵量：泵量的大小既必须保证冲洗液完成排除岩粉、冷却钻头等功能需求，也应能实现钻头金刚石自锐、防止复杂地层孔壁遭受冲刷破坏等要求。应视岩石性质、环状间隙、钻头类型、金刚石粒度、胎体性能等因素进行选择与适当调整。

泵压：泵压是一定泵量的情况下，冲洗液在特定钻进环境中的流动阻力。泵压的大小受钻杆内径及其密封、取心钻具过水断面、钻头水口、钻孔环状间隙、钻孔漏失情况等因素的影响，是反映孔内状况的敏感参数之一。钻进过程中，应设法降低泵压，保证钻进所需泵量的实现。

根据上述的原则、方法与思路，通过试验确定了马坑矿区绳索取心钻进技术参数组合(表4-2)和SYZX75绳索取心液动锤钻进最佳技术参数。

表4-2 绳索取心钻进技术参数组合经验推荐表

7.组合钻进技术试验

(1)试验任务的由来：石岩坑矿区ZK8321孔设计孔深900m，离已完工原水文观测孔8号钻孔15m。根据观8孔钻取的岩心，地层为泥岩、砂岩、粘土层等，其中大部分砂质泥岩(岩心极破碎，裂隙发育，采取率极低)。由于孔壁缩径、坍塌现象严重，观8孔孔深500m，施工时间达4个多月。为了加快勘探进度，提高钻进效率，经地质部门同意灰岩以上地层可不采取岩心，即孔深390m以上通过孔口取样判断地层情况。课题利用这一条件，开展组合钻进技术试验，设计试验方案(表4-3)。

表4-3 组合钻进技术试验设计方案表

(2)牙轮钻头钻具组合：按钟摆防斜原理组配牙轮钻头钻具：ϕ200mm牙轮钻头0.2m+5.15m钻具+2.56m泥粉管+钻铤+钻杆。钟摆钻具组合可利用钻具自身重力产生的钟摆力来实现降斜防斜目的。其防斜原理就是钻头以上、切点以下的一段钻铤犹如一个“钟摆”，钻头在这段钻铤的重力的横向分力——即钟摆力的作用下，靠向切削下侧井壁，从而起到减小井斜角的作用。

(3)试验过程：ZK8321孔于2011年6月19日开孔，0～13m为ϕ250mm金刚石钻头钻进，13m开始用ϕ200mm牙轮钻头钻进，浓泥浆护孔。钻进至孔深256.37m时，发生严重孔内事故，最后采取偏孔方法绕过事故钻具。牙轮钻头钻进进尺243.37m，用时384h，台月效率480m/台月，时效为1.15m/h。

(4)试验体会：采用牙轮钻头和优质浓泥浆全面钻进，钻进效率高，裸眼时间短，孔壁稳定。遇破碎、裂隙、全漏失地层，可将钻杆下入漏失孔段底部，用水灰比0.3～0.45水泥浆拌和细砂，从孔口将水泥浆倒入钻杆，由钻杆内管送到预定位置，对大裂隙地层堵漏效果显著。

(三)马坑铁矿护壁堵漏技术组合优化

由于福建铁矿区岩性极复杂、岩相变化极大、断裂与褶皱十分发育等原因，深孔钻探护壁是关键。经过多个钻孔的试验实践，研究制定了“优质泥浆+有效堵漏、旋喷水泥浆固结、多层次套管等复合护壁”技术。该技术作为马坑铁矿深孔钻探护壁原则与工艺要点(表4-4)，有效保证了钻进的顺利进行。

表4-4 石岩坑铁矿地层与护壁堵漏对策选择表

1.高压旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用

高压旋喷水泥浆固结护壁法技术是本研究形成的、国内首创的创新性成果。该技术吸收高压旋喷加固软土地基的精髓，通过机具的研制和工艺的研究，以高压旋喷水泥浆的方式，解决了常规护壁方法不能胜任的深部“断层泥”护壁难题，如：中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层，钻孔漏失、泥浆护壁难且无法采用套管隔离情况下的护壁等。

2.旋喷水泥浆护壁的首次应用试验——马坑ZK7529孔

马坑矿区ZK7529孔设计孔深1200m，于2010年10月19日开孔，至2011年10月4日终孔，终孔孔深1299.19m。该孔于孔深960m后，钻遇三个“断层泥”破碎带：前两个断层采用套管隔离，第三个断层应用了水泥浆高压旋喷灌注法。具体护壁情况概述如下。

第一个断层带：孔深969.20～970.50m(中间夹0.2m基岩)，地下水有径向流动。钻进时阻力大，提出后孔段即被细石充填。采用泥浆护壁无效后，多次采用常规方法灌注水泥，均未取上水泥心样，后扩孔下入ϕ89套管。

第二个断层：1049.60～1051.60m(ϕ77mm口径)。自1015.69～1051.60m中取岩心8m左右，出现坍塌；多次灌注水泥浆后，均因偏斜出新孔又屡次坍塌。于是扩孔至孔深1086.94m，下入ϕ73mm飞管。

第三个断层：1135.50～1138.50m(ϕ59mm)，地层为强风化辉绿岩，风化严重的“断层泥”松散地层，胶结性差，怕水冲刷。由于受钻孔口径限制，采用ϕ59钻具(钻杆为ϕ50外丝+ϕ50内丝)钻进。穿过该断层带后，出现严重坍塌、缩径现象，多次灌注水泥浆护壁无效。由于受口径限制无法下入套管隔离复杂孔段，探讨应用了水泥浆高压旋喷灌注法，解决了护壁难题。

3.旋喷水泥浆护壁作业情况

(1)设备：XY-5型钻机，BW-250型泥浆泵，泥浆搅拌机等生产设备。

(2)护壁材料：采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，加入适量促凝早强剂(NaCl)及速凝剂(三乙醇胺)，浆液密度控制在1.6g/cm³。水泥用量15包，配制水泥浆量600L，替水量900L。

(3)旋喷钻具组合：ϕ50外丝钻杆+ϕ42内丝钻杆36m+喷具(喷具喷嘴3个，孔径5mm)+扫孔钻具。

(4)下入孔内预定位置后，先扫孔，扫至孔底后，送水畅通后，替入一定清水后开始送浆。

(5)压送水泥浆浆及替水量旋喷。当浆液自喷嘴喷射时，开动钻机，采用(表4-5)所列技术参数进行旋喷作业，直至浆液、替水压送完毕(开始送浆时，无泵压或泵压较低，待浆液出喷嘴时，泵压升至4～5MPa)。

表4-5 高压旋喷技术参数表

(6)注浆完毕，把钻杆提起一立根后，清洗钻杆，提钻。

(7)注浆24h后探水泥面，48h后扫孔。

4.旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用体会

在马坑矿区5个钻孔的11处复杂地层孔段中，根据不同孔段的长短分别进行1次或多次旋喷水泥浆护壁，累计旋喷水泥浆作业33次，有7个孔段解决了护壁问题，4个孔段取得一定的护壁效果。通过该技术的研究与应用，有以下体会。

(1)旋喷水泥浆与灌注水泥浆护壁方法的比较。旋喷水泥浆护壁的工艺方法、操作步骤与注意事项与灌注水泥浆护壁基本相同，但却能取得比灌注水泥浆更好更可靠的护壁效果，并在灌注水泥浆无法解决的已严重超径孔段、溶洞地层等获得成功护壁，主要是高压浆液从慢转、缓提的钻具侧向高速喷出(表4-6)，使浆液不仅具有很大的冲击破土、渗入裂隙能力，充分置换泥浆和充填超径、溶洞空间，并与旋喷段孔内的岩土颗粒搅拌混合。

表4-6 旋喷水泥浆与灌注水泥浆护壁工艺的主要区别表

(2)旋喷水泥浆护壁技术的适用地层：通过多个钻孔的应用实践，旋喷水泥浆可以在复杂地层孔段形成有效的护壁“水泥套管”，解决采用泥浆护壁、普通方法灌注水泥均无效，以及受口径限制也无法下入套管隔离复杂孔段的情况下的护壁难题。试验表明，该技术适用于下列地层护壁：中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层，如：马坑矿区深部常见层厚1～5m不等“断层泥”；任意孔深的坍塌超径孔段、溶洞地层等有、无充填物中、小孔洞或溶洞群。

(3)存在的问题：综合旋喷水泥浆护壁技术的应用情况，由于存在以下主要问题，致使护壁效果不够理想，甚至造成旋喷水泥浆护壁的失败。

旋喷钻具喷嘴加工较为随意，达不到科学、合理；旋喷浆液压力不足；旋喷转速(n)和提升速度(υ_t)的组合不匹配，如：旋喷具提升过快等；替浆水量的控制不当；作业人员经验不足，关键环节操作不熟练，各岗位工作人员配合不密切。

5.提高旋喷水泥浆护壁效果的思考与探讨

针对旋喷水泥浆护壁技术应用存在的主要问题与不足，有必要进一步研究，持续完善该技术。为此，结合高压旋喷技术的相关研究成果，有以下设想和探讨。

(1)旋喷钻具喷嘴的设计优选——探寻高质量喷嘴：喷嘴是喷头的重要组成部分，喷嘴的水力学特性的好坏直接影响射流对地层的冲切效果，进而决定“水泥套管”直径的大小。为了研究喷嘴不同流道形状和不同长度的射流效果，选择3种喷嘴做了针对性的室内试验，并在分析对比试验数据和结果的基础上，得出以下的结论：收敛圆锥角喷嘴流道形式可减少喷嘴自身的压力降损失；当喷嘴长度与直径的比值为8～10，射流具有较好的喷射性能，射流流束稳定，冲击力强。

通过进一步研究，探寻符合旋喷水泥浆护壁要求的高质量喷嘴。一般地，高质量的喷嘴应该使射流具有如下的特性：扩散角小、等速核长、喷嘴的流量系数大(即射流通过喷嘴的能量损失小)。

(2)旋喷浆液适配机具研究：旋喷回转机构的研制，探讨解决旋喷转速不当问题。利用立轴式钻机最低转速进行旋喷回转，转速太快；以点动方式回转，转速不均。解决的设想是：研制可安装在孔口的、可无级调速的喷浆液压回转器；研制以钻机立轴为动力输入端的减速回转装置，将立轴的较高回转速度转换为所需的旋喷转速；旋喷高压注浆泵的研制或探寻。通过进一步研究，研制或探寻满足旋喷水泥浆护壁所需流量、泵压的注浆泵；配套浆液搅拌机、浆液除渣器等机具的研制。

(3)旋喷固结护壁浆液研究：理想的注浆材料应能满足护壁力学性能要求，浆液应具有良好的可注性、凝胶时间可任意调整、价格低廉、无毒、无污染、施工方便等。通过进一步的研究，选择合适的注浆材料及其配合比。初步考虑以下两个途径：水泥浆及其外加剂的选择。纯水泥浆液系无机质硅酸盐材料，无毒无公害，长时间性能稳定且价格低廉，应优先选用。根据工程需要，可通过试验在水泥浆液中加入适量的速凝、悬浮或防冻等外加剂及掺和料，保证浆液质量和低成本；化学浆液的选择与应用。化学浆液具有一些独特性能，如浆液黏度低、可注性好、凝胶时间可准确控制等，但化学浆液价格比较昂贵，且往往有毒性和污染环境，不利于环保。由于地质勘查钻孔孔距大、孔径小，护壁所需浆液量不多，化学浆液的较高价格与所含毒性对钻探成本及环境影响不大。因此，化学浆液也是值得选择与应用的护壁浆液。

综上所述，旋喷水泥浆护壁研究成果在福建龙岩马坑铁矿深部复杂地层护壁获得成果后，先后在福建煤田、湖北放马山等矿区多个钻孔推广应用，表明该技术可以在任意孔深的坍塌超径孔段、软弱松散地层等形成可靠、有效的“水泥套管”护壁。这一成果，为小口径深孔复杂地层护壁增添了一项有效的护壁技术和手段。目前，该技术已成为机台深孔钻探主要和必备的护壁手段。

(四)套管钻进技术在马坑铁矿复杂地层中的应用试验

BH114套管钻进技术是中国地质科学院成都探矿工艺所研发的钻探新成果。该技术通过利用外管代替绳索钻杆传递钻压和扭矩驱动孔内套管取心钻具回转钻进，在不提钻情况下进行绳索取心、检查或更换孔底主副钻头，有效减少起钻次数，避免频繁取下钻导致复杂地层孔壁不稳定及其引发的孔内事故，降低劳动强度，改善施工环境和促进安全生产。2012年9月8日，福建省第八地质大队在石岩坑矿区ZK9501孔进行BH114套管钻进技术试验(自孔深25.58m开始至186m)，不仅为BH114套管钻进技术的进一步完善提供了宝贵的试验数据，达到预期目的。

现场试验情况：2012年9月12日至2012年9月28日，在马坑矿区ZK9501孔25.84～183.18m孔段进行ϕ114套管钻进技术生产试验，试验进尺157.34m，并下入ϕ114套管181.70m，实现了随钻下套管隔离保护孔壁。

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