劉 波，楊洪彬，皮微微

吉林省第六地質(zhì)探礦工程大隊，吉林 延吉 133401

為國家找大礦、找好礦，是地勘單位的基本職責和賴以生存的基礎(chǔ)。探礦工程技術(shù)既是地質(zhì)找礦不可缺少的方法，也是獲取經(jīng)濟效益、提高綜合競爭能力、樹立地勘單位形象的重要手段。在我隊制定的“做大做強地質(zhì)勘查業(yè)、做穩(wěn)做實工勘業(yè)”的發(fā)展目標中，將探礦技術(shù)歸位于主業(yè)之中?，F(xiàn)就地勘單位鉆探的地位、作用及攻深找盲鉆探施工技術(shù)和管理作一簡要探討，以便與大家商榷。

1 鉆探工程在地質(zhì)找礦中的地位

鉆探工程是地質(zhì)找礦工作中的重要環(huán)節(jié)，起著不可替代的關(guān)鍵作用，要探明地下深部礦藏，除利用先進的地質(zhì)理論和物化探、遙感等探測技術(shù)外，最終必須通過鉆探工程技術(shù)取出地下巖芯巖樣，然后通過試驗分析才能確定礦產(chǎn)資源的埋藏深度、品位、儲量，進而提高有效的地質(zhì)找礦效果。

2 鉆探工程是獲取經(jīng)濟效益的重要手段

作為從事機械巖芯鉆探的一支勁旅，尋找地表礦、淺部礦的工作量越來越少，迫使我們轉(zhuǎn)變思路，另辟蹊徑，開拓第二找礦空間。為認真貫徹《國務(wù)院關(guān)于加強地質(zhì)工作的決定》，我隊搶抓機遇，突破自我，再造優(yōu)勢，攻堅克難，突出重圍，向超深、超斜、超難的鉆探施工領(lǐng)域進軍，實施攻深找盲，提高深部找礦服務(wù)項目水平，打造一流地勘施工隊伍。我隊鉆探公司下屬十個分隊，現(xiàn)有鉆探裝備20 余臺套，其中鉆探能力超1 000 m 的鉆機就有6臺套，年施工能力在50 000 m 以上，具有較大的生產(chǎn)能力，大口徑、超深、超斜孔施工、煤層氣鉆孔施工技術(shù)達到業(yè)內(nèi)先進水平。

隨著新一輪地質(zhì)找礦的深入，對鉆探施工技術(shù)要求也越來越高，鉆孔越來越深，這就給鉆探施工技術(shù)提出了更高要求。近幾年，我隊在新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林省內(nèi)、延邊州內(nèi)從事煤田地質(zhì)、煤層氣、地熱井、油頁巖、礦山通風疏干孔等鉆探工作，年均完成深鉆孔10 余個，其中具有代表性的是大興安嶺多金屬礦區(qū)，鉆孔設(shè)計傾角70°超斜孔，施工鉆孔6 個，平均孔深526 m；敦化大蒲柴河鉬礦區(qū)，鉆孔設(shè)計傾角60°超斜孔，施工鉆孔5 個，平均孔深485.50 m；安圖海溝金礦區(qū)，坑道320 m 深處，施工鉆孔深度350.25 m；長白沿江金銅礦區(qū)施工超深孔ZK0902，終孔孔深1 515.88 m；在黑龍江漠河北極村施工超深地熱勘探孔，設(shè)計孔深2 000 m，終孔深度1 623.27 m，被當?shù)卣u為中國北極第一鉆。

通過實踐證明，進入鉆探超深、超斜、超難施工領(lǐng)域，不僅鍛煉了隊伍，提高了鉆探技術(shù)水平，更重要的是可以增強單位綜合競爭能力，提高單位知名度，并從鉆探施工中獲取較大經(jīng)濟效益。

3 深孔鉆探技術(shù)裝備與施工工藝

在“攻深找盲，探邊摸底”勘查工作中，鉆孔深度相對較深，鉆進中所遇到的技術(shù)難題將成倍增加，鉆孔施工中易遇見諸如破碎帶和蝕變帶取芯、硬巖鉆進、鉆孔彎曲、鉆孔坍塌涌漏等技術(shù)問題。若在老礦區(qū)的外圍和底部勘查，受到前期采礦的影響，采空區(qū)密布，巖石松動，鉆探施工所遇到的問題將超乎想象，鉆探成本大幅度增加。

3.1 深孔鉆探設(shè)備及工器具

3.1.1 鉆機的選型

勘查深度1 500～2 000 m 的鉆孔，受地層完整程度、巖石力學性質(zhì)、鉆孔直徑、鉆孔設(shè)計傾角、自然環(huán)境等因素的影響，對鉆機性能提出了較高的要求，選用重心較低、調(diào)速范圍較寬、立軸行程較大的液壓鉆機較為適合。我隊現(xiàn)有的XY-5、XY-6B 立軸式鉆機和HYDX-5A、JDZ-5、YDX-3型全液壓鉆機，可以滿足1 000～2 000 m 深孔的鉆探要求，實際工作中按鉆孔的設(shè)計深度和傾角選擇鉆機，見表1。需要注意的是，我隊現(xiàn)有的3 臺全液壓鉆機屬于自行整裝式，可拆性差，爬坡能力30°，鉆機本體寬度2.24 m，爬行時自重10 t，適用于平原、丘陵作業(yè)，若在山區(qū)施工必須修施工便道。

鑒于近幾年的施工經(jīng)驗，全液壓動力頭鉆機具有立軸式鉆機無法比擬的優(yōu)點，具體表現(xiàn)在鉆機屬整裝模塊式，鉆孔間的搬遷、運輸安裝方便，可實現(xiàn)當天停鉆，當日開鉆；立軸動力頭行程長，可以減少因倒桿引起的巖芯堵塞現(xiàn)象；由于液壓傳輸動力，隨著孔內(nèi)負荷的增加，實行過載保護，減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生，其缺點是尾桿高度僅9 m，起下鉆時間緩慢，超深孔施工增加了輔助時間和職工的勞動強度，建議使用國內(nèi)生產(chǎn)的分體式XYX-1600型全液壓鉆機，它具有動力頭鉆機的優(yōu)點，同時具有較高的塔架或使用可拆性較好的塔機一體化鉆機，適合林區(qū)作業(yè)。超斜孔施工，選擇全液壓動力頭鉆機。

3.1.2 其它配套設(shè)備

為了提高施工速度和質(zhì)量，常采用繩索取芯鉆進工藝。鑒于鉆孔深度較大，鉆孔內(nèi)環(huán)狀間隙較小，沖洗液或泥漿的壓力損失較大，采取加大鉆頭外徑措施后，BW320 型泥漿泵基本可以滿足2 000 m 深孔鉆進對壓力的要求。而動力機則應(yīng)與鉆機和泥漿泵的需求相配套。至于鉆塔除強度和承載能力應(yīng)滿足施工需求，其高度可以適當增加。

3.1.3 鉆桿的規(guī)格與型號

深孔鉆探施工不確定因素較多，鉆桿受力復(fù)雜，承受扭矩較大，鉆桿和接頭所用的材質(zhì)要有足夠的抗拉、抗壓、抗扭、抗彎、抗剪強度；絲扣的連接必須牢固可靠、易擰卸、密封性能好。目前，深孔鉆探施工多用內(nèi)、外墩粗繩取鉆桿或外平式鉆桿，其材質(zhì)和加工質(zhì)量基本能滿足施工需求，但通過鐓粗處理的，鉆桿壁厚較普通繩取鉆桿厚2 mm，因而相應(yīng)加大了鉆頭底唇厚度，降低鉆進效率，并增加鉆桿柱重量，加大回轉(zhuǎn)阻力，相應(yīng)地降低了同型號鉆機的鉆進深度。國外在深孔巖心鉆探中多采用鈦鋁合金Q 系列鉆桿，既PQ-114 mm、HQ-89 mm、NQ-70 mm、 BQ-56 mm，重量約為鋼鉆桿的1/2，且上一級的鉆桿可以做下一級的技術(shù)套管。在長白沿江金銅礦區(qū)超深孔施工中，我隊引進唐山金石Q 系列鉆桿，通過如此級配，保護了孔壁，確保了施工安全。

目前深孔鉆探，多選擇金剛石繩索取芯鉆進工藝，Ф75 直徑為常規(guī)鉆孔直徑，國外鉆桿采用NQ系列（Ф70 mm），國內(nèi)鉆桿采用Ф70×5 mm 或Ф72×8 mm 鉆桿。

表1 鉆探設(shè)備選型表Table 1 Drilling equipment selection table

為保證深孔施工達到設(shè)計深度，將Ф60 mm直徑作為備用直徑，每個地勘單位應(yīng)配備一套滿足孔深要求的Ф56×4.75 mm 繩索鉆桿和取芯鉆具。

3.1.4 對鉆進工藝和取芯工具的要求

繩索取芯鉆進工藝，它具有鉆進效率高，取芯質(zhì)量好，鉆頭壽命長，勞動強度低，鉆探成本低等特點，特別是在5～8 級中硬完整地層中效率最為顯著，但對于鉆進超過9 級的堅硬、破碎、巖芯易堵塞地層，就顯的很不適宜。安圖海溝金礦區(qū)是典型的硬、脆、碎地層，使用繩索取芯鉆進工藝，其臺月效率為586 m/臺月，時效為1.86 m/h，回次進尺1.45 m/回，巖礦心采取率為85%，改用繩索取芯沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝后，臺月效率提高了25%，時效提高了40%，回次進尺提高了50%，巖礦心采取率提高10%。因繩沖鉆進將繩索取芯和液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的優(yōu)勢相互結(jié)合，能防止巖芯堵塞，增加回次進尺，尤其是在破碎地層及堅硬打滑地層鉆進，可成倍提高鉆進效率。目前，國內(nèi)已研制出了超深孔繩索取芯沖擊回轉(zhuǎn)鉆具，它預(yù)示著不久的將來，繩沖工藝在深孔鉆探施工中將有所發(fā)揮。

3.1.5 對鉆頭結(jié)構(gòu)和壽命的要求

深孔鉆探選擇繩索取芯鉆進工藝，由于鉆桿外徑與孔壁環(huán)狀間隙較小，沖洗液在孔底循環(huán)時壓力損失較大，隨著鉆孔的不斷加深，泵壓會急劇增高，影響正常作業(yè)。因此應(yīng)根據(jù)孔深、巖石的完整程度，使用的鉆桿和選用的沖洗液情況，適當加大鉆頭外徑，孔壁間隙控制在2～5 mm 之間，同時還應(yīng)遵循鉆頭、擴孔器排隊使用等技術(shù)規(guī)則。

深孔鉆探用鉆頭，要有較高的使用壽命和鉆進效率，延長鉆頭在孔底的工作時間，最大限度的減少提下鉆次數(shù)。目前國內(nèi)巖芯鉆探所用的鉆頭，多為人造金剛石孕鑲鉆頭，金剛石品位偏低，鉆頭壽命偏短。在鉆孔深度超1 000 m 之后，鉆具回轉(zhuǎn)阻力增加，孕鑲金剛石鉆頭所需要的高轉(zhuǎn)速開不起來，可考慮采用天然金剛石表鑲鉆頭或研制高壽命的人造金剛石孕鑲鉆頭，為提高硬巖鉆進效率，多準備異型唇面的金剛石鉆頭。

3.2 深孔鉆探施工設(shè)計與技術(shù)

3.2.1 深孔鉆探施工技術(shù)設(shè)計

深孔鉆探投入較大，投資方與地質(zhì)期望值較高，要保證施工每個鉆孔達到設(shè)計目的，必須有一套完整的施工技術(shù)方案，即按鉆孔編制《單孔施工組織設(shè)計》。內(nèi)容包括礦區(qū)地層條件和巖石的物理機械性質(zhì)、設(shè)備與動力的選擇、鉆進方法與鉆探機具的選擇、鉆孔結(jié)構(gòu)與技術(shù)套管設(shè)計、沖洗液性能與鉆進參數(shù)、質(zhì)量與安全保證措施、經(jīng)濟技術(shù)指標設(shè)計、勞動組織與管理等。

3.2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆孔直徑

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，首先確定鉆孔的終孔直徑，再依據(jù)地層的復(fù)雜程度、選用的沖洗液類型、護壁堵漏方法、鉆進工藝，按照經(jīng)濟實用的原則，確定鉆孔的孔身結(jié)構(gòu)。

深部金屬礦床巖石較硬，可能存在大量的破碎帶，一個鉆孔可以遇見到數(shù)層或數(shù)十層礦化帶。2 000 m 以內(nèi)的鉆孔，終孔直徑確定在Ф75 mm，若大于2 000 m，終孔直徑確定在Ф60 mm。

巖層相對完整，盡可能簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，開孔直徑Ф110 mm，下入Ф108 mm 表層套管，Ф95 mm繩取鉆至完整基巖，下入Ф89 mm 技術(shù)套管，以Ф75 mm 繩索取芯鉆進至終孔，Ф60 mm 直徑做備用。

巖層比較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，破碎帶、斷層泥頻繁出現(xiàn)，必須采用優(yōu)質(zhì)泥漿或水泥漿封閉有效地護壁。這類鉆孔結(jié)構(gòu)可以設(shè)計到四開，即Ф130 mm、Ф110 mm、Ф95 mm， 準 備Ф127 mm、Ф108 mm、v89 mm 技術(shù)套管，仍以Ф75 mm為終孔直徑，Ф60 mm 為備用直徑。特殊情況下，Ф75 mm 繩索取芯鉆桿也可以作為技術(shù)套管，建議施工此類地層，最好使用Q 系列鉆具，并配備套管鉆頭，隨著鉆孔深度的增加，視孔壁穩(wěn)定情況，合理調(diào)節(jié)技術(shù)套管入孔深度。

地質(zhì)設(shè)計需要孔內(nèi)測井或進行井中物探方法試驗時（多煤田施工），應(yīng)根據(jù)入井儀器的外徑確定鉆孔的終孔直徑，依次確定上部的鉆孔結(jié)構(gòu)。雖深孔施工費用較高，一次性投入較大，但獲取的地質(zhì)信息量也是較大的，當?shù)刭|(zhì)對鉆孔直徑有特殊要求時，應(yīng)以地質(zhì)設(shè)計為準。

3.2.3 深孔鉆進沖洗液配方及性能指標

沖洗液選擇的正確與否，是決定鉆孔能否順利完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時深孔鉆進巖層復(fù)雜程度要比淺孔高若干倍，施工難度大、風險高，因而沖洗液的性能應(yīng)滿足深孔鉆進要求。當進入一個新區(qū)，缺乏深部巖層資料時，應(yīng)優(yōu)選沖洗液配方，制定綜合治理措施，預(yù)防為主，在保證孔壁穩(wěn)定的同時，簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，減少技術(shù)套管的層次和入孔量。根據(jù)不同地層條件，推薦如下沖洗液配方和性能指標，供同行們借鑒。

對于較穩(wěn)定地層采用無固相沖洗液，其配方有以下幾種。

（1） PAM－KHM（聚丙烯酰胺－腐植酸鉀）無固相沖洗液其配方為：制備1 m3該沖洗液，加KHM 15 kg、PAM 0.2 kg、Na-CMC 0.2 kg。性能指標：密度1.06～1.08 kg/L，粘度16～18 S，pH 值8～9。

（2） LBM 無固相沖洗液其配方：制備1 m3該沖洗液，加NV1.2%～5%，CSA 0.1%～0.3%，CPA 0.1%，性能指標：密度1.02～1.05 kg/L，粘度18～24 S，失水量9～10 mL/30 min，pH 值8～9。

（3） PAB 無固相沖洗液（適用于蝕變帶、斷層泥、破碎帶、孔壁易失穩(wěn)地層的沖洗液），制備1 m3該沖洗液，加PA 粉12 kg、PB 粉2.25 kg。性能指標：密度1.01～1.05 kg/L，粘度22～24 s，失水量3.5 mL/30 min，pH 值8～9。

我隊在長白沿江金銅礦區(qū)成功使用該沖洗液進行超深孔施工，礦區(qū)地層條件800 m 以內(nèi)為泥巖、砂巖、頁巖、夾煤層、煤層互層頻繁，厚度5～10 m 不等，800～1 500 m 主要圍巖為灰?guī)r，伴生著溶腔高度0.5～1.6 m 大小不一的溶洞，含金、銅礦化帶在1 200 m。地層較復(fù)雜，坍塌、漏失嚴重，孔壁失穩(wěn)，采用常規(guī)的沖洗液無法滿足護壁要求，而有效的套管護壁，因孔內(nèi)坍塌、掉塊嚴重，套管入孔困難，無法實現(xiàn)。我們引進了長春工程學院研發(fā)的PAB 無固相沖洗液，該沖洗液由PA 和PB 兩種高聚物組成，沖洗液中高聚物大分子呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在孔壁上吸附成網(wǎng)、成膜的速度快，分子膜致密、膠結(jié)性強，適用于鉆進高嶺石化、綠泥石化等蝕變帶，斷層泥與角礫層，粉碎狀破碎層，泥質(zhì)和碳質(zhì)頁巖，流砂和風化巖等孔壁失穩(wěn)地層，但該沖洗液宜于護壁，不適宜于堵漏。

（4） 鈉羧甲基纖維素沖洗液（適用于裂隙地層、涌水地層的沖洗液），制備1 m3該沖洗液，加粘土粉150～200 kg，純堿5～10 kg，Na-CMC 6 kg。性能指標：密度1.3，粘度30～40 s，失水量小于8 mL/30 min。

當有深部巖層資料后，完整地層可選用清水加潤滑劑，鉆桿涂抹潤滑脂，以實現(xiàn)快速鉆進。

深孔鉆進應(yīng)針對地層的復(fù)雜程度合理配置泥漿并保持良好的護壁性能，將有利于鉆進效率和鉆孔質(zhì)量的提高。深孔鉆進必須配備泥漿性能指標測試儀，建立良好的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，并配備有效的除砂、除泥設(shè)備，隨著孔深增加、巖性變化適當調(diào)整性能指標。

3.2.4 鉆進技術(shù)參數(shù)

深孔鉆進的參數(shù)不同于普通的淺孔，在800 m以內(nèi)的孔段可采用常規(guī)的鉆進參數(shù)，當孔深大于800 m 之后，只要鉆機有能力，鉆桿質(zhì)量過關(guān)，要盡量保持高轉(zhuǎn)速，壓力應(yīng)根據(jù)所鉆巖層力學性質(zhì)、可鉆性、鉆頭的底唇形狀和防斜的需要適時調(diào)整，泵量則根據(jù)環(huán)狀間隙、鉆進效率和孔壁穩(wěn)定性適度調(diào)整。

3.2.5 預(yù)防孔斜措施

深孔鉆進，巖層換層頻繁，鉆進參數(shù)掌握不當，易導(dǎo)致鉆孔彎曲，因此，深孔鉆進在防斜方面應(yīng)采取如下措施：根據(jù)所鉆巖層力學性質(zhì)，合理選擇鉆進參數(shù)；控制鉆桿與孔壁間隙；采用不同類型的鉆頭，并控制鉆壓；在用加大尺寸鉆頭時，使用扶正器；換徑時采用導(dǎo)正鉆具。

3.2.6 開展深孔鉆進技術(shù)攻關(guān)活動

深孔鉆探投入大、周期長、風險高，施工單位應(yīng)結(jié)合礦區(qū)具體情況組建鉆探技術(shù)攻關(guān)小組，著重研究解決如下技術(shù)：老礦山周邊采空區(qū)鉆進與護壁、深孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)套管入孔與起拔、隨鉆測斜與糾斜技術(shù)、復(fù)雜地層鉆進、護壁堵漏及取芯技術(shù)等。

4 深孔鉆探的組織與管理

深孔鉆探包括施工組織和鉆探技術(shù)兩個方面。鉆探技術(shù)和設(shè)備選型與配套前面已經(jīng)敘述，生產(chǎn)的組織和管理也十分必要。三超鉆孔的施工，我隊積累了一定經(jīng)驗。在設(shè)備工器具配套的前提下，隊、鉆探公司兩級管理部門應(yīng)有經(jīng)驗豐富的鉆探技術(shù)人員負責鉆探生產(chǎn)的管理和技術(shù)研究，施工現(xiàn)場要有高水平的技術(shù)管理人員指導(dǎo)鉆探作業(yè)，更需要熟練的技術(shù)工人來操作，依據(jù)所鉆巖層的變化制定行之有效的預(yù)防措施。