内生金属矿深孔钻探技术与管理

内生金属矿深孔钻探技术与管理为国家找大矿、找好矿，是地勘单位的基本职责和赖以生存的基础；开发矿业，走探采一体化之路是新形势下增强地勘单位实力的方向；探矿工程既是地质找矿不可缺少的方法，也是获取经济效益、提高综合竞争能力的重要手段。在我局制定的“突出主业、拓宽实业、发展辅业、致富家业”的发展目标中，将钻探、坑探等探矿技术归位于辅业之中，现就地勘单位钻探的地位、作用及深孔钻探施工技术和管理作一简要探讨，以便与大家商榷。一、钻探工程在地质找矿中的地位作为地质勘查单位，地质工作是核心，地球物理、地球化学、遥感、测量、槽井探地表工程等是前期地质工作不可缺少的方法和手段。当地、物、化、遥工作进行到一定程度的时候，将开始钻探验证，对矿体的规模、形态、厚度进行控制，同时取出岩矿心提交化验室测定矿石品位，空钟物探测井又获取众多的地质信息。在现阶段，当物探等方法和手段对矿体的空间位置和矿石品位未能精确控制时，钻探工程是深部找矿不可缺少的重要手段。钻探是找矿的重要手段众所周知，“信息找矿战略与勘查百例”一书中介绍的国外100个大型、特大型矿床的发现均与钻探密不可分。1957年开始地质工作的澳大利亚奥林匹克坝铜金铀矿床，于1975年开始钻探工程系统控制后，方取得重大突破，使该矿成为世界上最大的铀矿床和第六大铜矿床。在澳大利亚、南非、加拿大、美国等国家矿产资源勘查中，坑探工作在前期勘查中应用较少，深部验证主要是以钻探工作为主。我国著名的白云鄂博矿区、河南省的钼矿田、煤田和众多的铝土矿区的探明，均是在使用大量钻探工程后确定高级别储量的。过去钻探在地质勘查中发挥了重要作用，现阶段在“攻深找盲、探边摸底”勘查中，钻探更是地质找矿必须依靠的手段，因而，提高钻探技术装备水平和员工素质显得尤为重要。二、钻探工程是扩大经济规模、获取经济效益的重要手段近几年来我局每年承担的政府和社会地质勘查项目较多，年地质项目设计钻探工作量约7~8万米。按我局1979年统计资料，当年开动钻机28台钻机，在16个矿区完成钻探工作量69997米，钻探技术工人和为之服务人员约1000余人。钻探工作不仅为地质找矿服务，同时安置了大量职工，保持了队伍的稳定和钻探技术的延续和发展。“九五”期间地质工作的萧条，使钻探工作量锐减，5年累计完成计划内钻探工作量10722米，大量设备闲置或改作他用，人员分流下岗，技术装备受到严重削弱。近四年来，我省利用“两权价款”项目基金为地勘单位设备更新注入了大量的资金，我局的钻探装备相应的得到了加强，目前成建制的岩心钻探设备有30余台套，按照现有设备规模，合理组织之后每年可完成钻探工作量10万米左右。2008年我局计划内和社会地质项目中设计钻探工作量13万米，若全部由我局钻探队伍施工，可获得产值约5000万元，在安置人员、锻炼队伍、提高钻探技术水平、获取经济效益等方面将发挥较大的作用。河南省煤田地质局有5个单位有钻探施工力量，钻深能力超过1000米的钻机约150台套，形成了强大的生产能力，大口径、超深煤矿通风、疏干、送冰孔，煤层气水平钻孔施工技术达到全国先进水平。近年来在河南、新疆、陕西、山西、内蒙、吉林、贵州、云南等8省区从事煤田地质、煤层气、浅层石油、油页岩、煤矿通风疏干孔等钻探工作，年完成钻探工作量约在70~100万米，年创造产值3~4亿元，不仅安置了大量职工并提到了钻探技术水平，又从中获取了显著的经济效益。煤田地质二队利用钻探收入改造老基地，使职工住宅区建成了全国文明社区。煤田地质四队利用钻探收入，出资1500万元完成了平顶山职工住宅区的水路改造、安装了煤气和暖气，职工生活质量得到改善。国内多家钻探公司和地质队在钻探施工方面的成功经验值得我们认真学习和借鉴，他们的实践证明，地质勘查单位钻探设备、钻探技术工人不是包袱，钻探施工业不仅为地质找矿提供了保障，又可以安置职工并保持队伍稳定，更重要的是可以增强单位综合竞争能力，提高单位知名度，并从钻探施工中获取巨额经济效益。三、深孔钻探技术装备与施工工艺有色金属地质地质勘查队伍有其自身特色，在内生金属矿床的勘查方面积累了丰富的经验。由于内生金属矿床成因复杂，成矿作用中严重受到地质构造的制约，因而岩石的完整程度和力学性质差异较大，钻孔施工中易遇见诸如破碎带和蚀变带取心、硬岩钻进、钻孔弯曲、钻孔坍塌涌漏等技术问题。特别是在“攻深找盲、探边摸底”工作中，钻孔深度相对较深，钻进中所遇到的技术难题将成倍增加。若在老矿区的外围和底部勘查，受到前期采矿的影响，采空区密布，岩石松动，钻探施工所遇到的问题将超乎想象。藤吉文院士提出，岩石圈内部第二深度空间金属矿产资源的探测深度是500~2000m。若设计钻孔深度2000m，按0~500m孔段，市场价每米钻探费用500元为基础，孔深每增加300m钻探费用提高30%计算，1701~2000孔段，每米平均价1856.47元（各孔段钻探费用计算见表1），则单孔费用将需要201.3万元。若每300m孔段，钻探费用增加40%计算，则单孔费用将需要254.8万元。表1：单孔段钻探费用计算表孔段（m）0~500501~800801~11001101~14001401~17001701~2000孔段增幅孔段单价（元/m）500.006508451098.51428.051856.4730%孔段单价（元/m）500.00700.00980.001372.001920.802689.1240%单孔费用的计算只是按市场价为基础，若按《国土资源调查预算标准》，单孔费用还要增加。一个钻孔投入200余万元人民币，对地质勘查的决策和投资部门是一笔巨额费用，同时对钻探施工寄予很高的期望值。（一）深孔钻探设备及工器具1、钻机的选型勘查深度1500~2000m的钻孔，受地层完整程度、岩石力学性质、钻孔口径、钻孔设计顶角等因素的影响，对钻机性能提出了较高的要求，选用重心较低、变速范围较宽、立轴行程较大的油压钻机较为适合。我局现有的XY-5、XY-6B立轴式钻机和CS1000P6、CS3001型全液压钻机，可以满足1000~2000m深孔的钻探要求，实际工作中按钻孔的设计深度选择钻机，见表2。需要注意的是，CS3001型全液压钻机属于自行整装式，可拆性差，爬坡能力25°，钻机本体宽度2.7m，爬行时自重22吨，适用于平原、丘陵作业，若在山区施工必须修施工便道。表2：钻探设备选型表钻孔深度（m）1000-12001200-15001500-2000钻机型号XY-5、CS1000P6XY-6BCS3001注：终孔口径以φ75mm为基准。2、其它配套设备为了提高施工速度和质量，常采用绳索取心钻进工艺。鉴于钻孔深度较大，钻孔内环状间隙较小，冲洗液或泥浆的压力损失较大，采取加大钻头外径措施后，BW320型泥浆泵基本可以满足2000m深孔钻进对压力的要求。而动力机则应与钻机和泥浆泵的需求相配套。至于钻塔除对强度和承载能力有严格要求外，其高度可以适当放宽。3、钻杆的规格与型号深孔钻探施工不确定因素较多，钻杆受力复杂，承受扭矩较大，钻杆和接头所用的材质要有足够的抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪强度；丝扣的连接必须牢固可靠，易拧卸，密封性能好。为提高钻杆强度，可以加大钻杆壁厚，但是势必增加钻杆的重量，增加回转阻力，相应地降低了同型号钻机的钻进深度。国外在深孔岩心钻探中多采用铝合金钻杆，重量约为钢钻杆的1/2。由于壁厚增加，耐磨性强，寿命增加，抗冲击能力强，抗腐蚀性强。建议在增加技术装备时，采购铝合金钻杆进行大胆尝试。目前内生金属深孔钻探，常用金刚石绳索取心钻进工艺，φ75口径为常规钻孔口径，国外钻杆采用NQ系列（φ69.9mm），国内钻杆采用φ71×5mm钻杆。为保证深孔施工达到设计深度，将φ60口径作为备用口径，每个地勘单位应配备一套满足孔深要求的φ56×4.75mm绳索钻杆和取心钻具；为满足复杂地层护壁堵漏的需求，尚应配一套φ54×6mm普通钻杆和相应的钻具。4、对取心工具的要求现有的绳索取心钻具在一般地层可以保证岩矿心采取率，而对于蚀变带、破碎带岩矿心的采取应研制或引进质量可靠的取心钻具。石油钻进取油心的钻具质量可靠，但外径较大。如何根据石油采心钻具的结构，研制出φ75口径的质量钻具，将是实践中探索研究的内容。5、对钻头结构和寿命的要求深孔钻进使用绳索取心钻进工艺，由于钻杆外径与孔壁环状间隙较小，冲洗液在孔底循环时压力损失较大，随着钻孔的不断加深，泵压会急剧增高，影响正常作业。根据孔深、岩石松软破碎程度、是否使用泥浆等具体情况，适当加大钻头外径加大，控制在2~5mm之间。同时还应遵循钻头排队使用等技术规则。深孔钻探用钻头，要有较高的使用寿命和钻进速度，延长钻头在孔底的工作时间，最大限度的减少起下钻次数。目前我国金刚石机械岩心钻探所用的钻头，多为国产人造金刚石孕镶钻头，金刚石级别偏低，钻头寿命偏短。在钻孔深度超1000m之后，回转阻力增加，孕镶金刚石钻头所需要的高转速开不起来，可考虑采用天然金刚石表镶钻头或研制高寿命的人造金刚石孕镶钻头。为提高硬岩钻进效率，多准备异性唇面得金刚石钻头。（二）深孔钻探施工设计与技术1、深孔钻探施工技术设计深孔钻探投入较大，地质期望值较高。要保证每个钻孔达到设计目的，必须有一套完整的施工技术方案，即按钻孔编制《单孔施工组织设计》。设计包括矿区地层条件和岩石的物理机械性质，设备与动力的选择，钻探机具与钻进方法的选择，钻孔结构与技术套管设计，冲洗液与钻进参数，质量与安全措施，效率与施工进度设计，施工组织与管理等。2、钻孔结构与钻孔口径根据地质设计要求，首先确定钻孔的终孔口径，再依据地层的复杂程度、采用的冲洗液类型、护孔方法、工艺技术，按照经济实用的原则，确定钻孔的孔身结构。内生金属矿床岩石较硬，可能存在大量的破碎带，一个钻孔可以见到数层或数十层矿。2000m以浅的钻孔，终孔口径确定在φ75mm，若大于2000m，终孔口径确定在φ60mm。岩石相对完整，钻孔结构简单。开孔口径φ110mm，以φ75mm绳索取心钻进至终孔，φ60mm口径做备用。钻孔岩石比较破碎，节理、裂隙发育，破碎带、断层频繁出现，必须采用泥浆有效地护壁。这类钻孔开孔口径可以设计到φ150mm或φ130mm，准备φ127mm、φ108mm、φ89mm技术套管。仍以φ75mm为常规口径，φ60mm为备用口径。特殊情况下，φ75mm绳索取心钻杆也可以作为技术套管。地质设计需要孔内测井或进行井中物探方法试验时，应根据入井仪器的外径确定钻孔的终孔口径，依次确定上部的钻孔结构。深孔施工费用较高，一次性投入较大，但获取的地质信息量也是大量的，当地质部门对钻孔口径有特殊要求时，应以地质部门设计为准。3、深孔钻进冲洗液配方及性能指标深孔钻进岩层复杂程度要比浅孔高若干倍，施工难度大，因而冲洗液的性能应满足深孔钻进要求。当进入一个新区，缺乏深部岩层资料时，从开孔就以泥浆作为冲洗液，在保证孔壁稳定的同时，简化钻孔结构，减少技术套管的入井量。根据不同地层条件，泥浆配方和性能指标推荐如下：较稳定地层采用不分散低固相泥浆。制备1m3泥浆，加粘土粉30~40kg，Na2CO31~2kg，水解聚丙烯酰胺（PHP）0.2kg，聚丙烯酸钙（CPA）0.2kg。泥浆性能：比重1.02，粘度18~20s，失水量小于20ml/30min。水敏地层、坍塌掉块地层的泥浆（腐植酸钾泥浆）。制备1m3腐植酸钾泥浆，加粘土粉50~80kg，Na2CO33~4kg，腐植酸钾3~5kg，Na-CMC0.5~0.8kg。泥浆性能：比重1.15~1.20，粘度20~30s，失水量4~10ml/30min，pH值9~10。裂隙地层、涌水地层的泥浆（钠羧甲基纤维素泥浆）。制备1m3的泥浆，加粘土粉150~200kg，纯碱5~10kg，Na-CMC6kg。泥浆性能：比重1.3，粘度30~40s，失水量小于8ml/30min。当有深部岩层资料后，完整地层可选用清水加润滑剂或无固相冲洗液，以实现快速钻进。深孔钻进应针对地层的复杂程度合理配置泥浆并保持良好的护壁性能，将有利于钻进效率和钻孔质量的提高。深孔钻进必