我国深部岩心钻探技术的发展现状 国内外钻探技术的发展概况
矿产资源作为人类赖以生存和发展的重要物质基础,对可持续发展战略的实现起着关键性作用。据有关资料报道,我国“十一五”期间在矿产勘查方面总投入约3000亿人民币,钻探工作量累计达约9000×104m(图1-6,图1-7)。2010年钻探工作量比2000年上升39倍。在相关院校、科研院所、企业等单位探矿工作者的共同努力下,深部岩心钻探技术成果斐然,为深部地质找矿及国家科学钻探提供了重要技术保障。
图1-6 我国“十一五”地质勘查资金投入
图1-7 我国“十一五”地质钻探工作量
在地质找矿方面,“十一五”期间我国现已完工1000m以深的钻孔数百个,2000m以深的钻孔60余个(主要由山东、辽宁、河北、安徽、江西、河南等省完成)。继2010年6月安徽省地矿局313地质队完成了安徽霍邱铁矿区勘探2706.68m深钻孔(图1-8)首创国内小口径绳索取心钻进最深纪录后,孔深纪录不断被刷新。现全国已完成3000m以深的超深孔约10余个(含地热勘探井),最深地质岩心钻探小口径绳索取心钻孔为山东省地矿局第三地质矿产勘查院在山东莱州三山岛西岭金矿于2013年完成的ZK96-5孔,终孔孔深达4006.17m。宁夏煤田地质局第二工程处于2012年在甘肃省华池县完工了一口气探井(莲54井),终孔孔深达4220m,创煤田地质钻探最深纪录。
图1-8 安徽霍邱铁矿勘探ZK1725科学试验孔终孔庆典仪式
在科学钻探方面,四川汶川地震断裂带科学钻探完成了5个异常复杂地层大口径不扰动样取心钻孔,岩心采取率均达90%以上,最深孔深达2338m。东北松辽盆地的环境科学钻探完成了2口大直径(Φ216mm～Φ156mm)不扰动样取心钻孔,孔深分别为1810m和1915m。国家深部探测计划科学钻探在全国布置6个钻孔,完工最深孔深3008.29m。核工业地质局在江西相山完成了终孔口径Φ122mm、孔深2818.88m的全孔绳索取心科学钻探孔,创大口径绳索取心钻探纪录。
在设备、机具方面,“十一五”以来,我国在引进的基础上,研制了XD、YDX、HYDX和FYD-2200型分体塔式新一代国产全液压动力头钻机(施工孔深3000m)。同时根据科学钻探需要还研制了超深孔、大功率顶驱动力头钻机,如KZ3000型全液压顶驱钻机(施工能力5000m)、XD35DB交流变频电动顶驱岩心钻机和“地壳一号”万米科学钻探钻机(图1-9),其技术性能已达国际先进水平。立轴式钻机也发展至孔深达3000m的XY-8、XY-9型。重点研发了深孔绳索取心高强度薄壁系列钻杆、钻具及配套机具,可满足孔深4000m要求。
图1-9 “地壳一号”万米科学钻探钻机
在工艺技术方面,液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具已用于深部钻探;不同地层条件下的不扰动保真取样技术、复杂地层护壁与多功能复合环保型钻井液体系、自动垂直钻进及自动控制钻孔轨迹系统、高效长寿命金刚石钻头研究、超深地热井钻探及干热井施工技术等研究方面均取得良好应用成果,部分技术已达到国际领先和国际先进水平。
钻探技术发展现状~
西方工业化国家和主要矿业大国的地质岩心钻探技术以绳索取心钻进、空气钻进为主，产品质量和技术水平一直保持较大的优势。另外，发达国家在定向钻进技术、环保钻井液技术、长寿命金刚石钻头以及全液压钻探装备、自动化钻机等方面亦保持一定优势，在钻探产品的技术标准方面亦具有强势话语权。
目前，美国、澳大利亚、加拿大、南非和欧洲等一些发达国家所采用的岩心钻进方法主要有金刚石回转钻进、三牙轮钻进和气动潜孔锤钻进。另一项重要发展是采用计算机来控制钻进，以减轻工人劳动强度，提高钻进效率和钻进精度。
取心方法包括常规提钻取心(Conventional Core Drilling)、绳索取心(Wireline Core Drilling)和反循环取样(Reversery Circulation)，但用的较多的还是绳索取心和反循环取样。
钻机方面，国外市场上全液压动力头岩心钻机已经成为主流机型，已形成完整的产品系列。以瑞典Atlas Copco公司生产的CS系列全液压地表取心钻机、Diamec系列全液压坑道取心钻机、R系列反循环钻机，加拿大Boart Longyear公司生产的LF系列全液压地表取心钻机，澳大利亚UDR公司生产的UDR KL系列和UDR系列全液压取心钻机为主导。钻机的钻深能力有大幅度提高，钻机均为全液压动力头长行程钻进。
地表钻机动力设备方面，大部分为柴油机或电动机，移动形式有履带自行式、卡车自行式和轮胎拖挂式；而地下巷道钻机动力大都为电机，移动形式大都为履带自行式和轮胎拖挂式。
18世纪中叶出现人力驱动的岩心钻机和天然金刚石钻头。随着蒸汽机的发明和日渐成熟，19世纪末出现了蒸汽动力驱动的转速不高的人力给进钻机。到20世纪初出现了螺旋给进钻机。20世纪30～40年代，液压技术开始用于钻机的给进系统，具有多种调速范围的变速箱也开始应用于岩心钻机。从20世纪60～70年代起，随着液压传动技术的发展和液压元件质量的提高，出现了全液压驱动和控制的动力头式钻机，从而开辟了岩心钻探的新天地。通过100多年的发展，岩心钻机由早期的机械传动手把给进钻机到后来的机械传动液压给进立轴钻机发展到今天的全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。同时，孔底动力钻具（潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等）也从发明到发展，至今已具有一定水平。从1862年天然金刚石用于制造金刚石钻头开始，岩心钻探方法问世；1899年发明了铁砂（钢粒）钻进；1916年硬质合金开始用于钻探；1954年世界第一颗人造金刚石制造成功并用于制造金刚石钻头。人类经历了天然金刚石表镶钻头钻探时代，铁砂、钢粒和硬质合金钻探时代，人造金刚石孕镶钻头钻探时代至今到了人造复合超硬材料钻探时代。
我国从19世纪末至20世纪初就已开始在国内进行矿产勘查。1949年前国内钻探所用钻机全部由国外引进，钻机主要来自德、英、日、美等国家。1950年我国开动地质岩心钻机139台，组建9个石油钻井队，就是当时全国拥有的钻探机械。其中包括1947～1948年引进的10套具有当时先进水平的美国长年公司的液压与螺旋给进的金刚石钻探装备。
20世纪50年代初，新中国从苏联大量引进当时并不先进的手把给进式钻机，并开始仿制。60年代开始自行设计钻机。之后，不断引进当时世界上性能先进的钻机（主要作样机），并自行设计开发各种用途和类型的钻探装备，逐步形成XY、YL、CS、MK、TK和HXY等系列地质岩心钻机。特别是70年代开始全面推广金刚石钻进技术，促进了我国地质岩心钻机的研制与制造业的发展。到80年代就基本满足了国内地质矿产调查的需要，并有部分向国外出口。90年代后，对全液压动力头式钻机进行了有益探索，但因国内液压传动技术相对落后，研制的样机未能推广使用。进入21世纪，随着液压传动技术的发展，我国开始研制新一代YDX系列全液压动力头式钻机并不断推广，至今YDX系列及其他型号的国产全液压动力头式钻机已推广应用近千台套。
国外地质矿产勘查普遍采用全液压高转速动力头式钻机。国外钻探机械装备的发展不论是何种用途的钻机，其发展趋势均可归纳如下：
1）除部分用途以外，多数钻探机械将具备一机多能，为用户多向服务提供方便；
2）愈来愈多地采用拼装式设计（Component Design），便于变形设计派生产品，便于采用集装箱和空吊运输；
3）更多地采用动力头式钻机。
近年来，西方发达国家无论是在新设备研制上还是在新工艺方法的应用上都有了突飞猛进的发展。目前，国外有能力研发深孔高速动力头地质岩心钻机的国家主要有加拿大、瑞典、美国、澳大利亚等。其中阿特拉斯公司（CS系列）及长年公司（LF系列）的地质岩心钻机钻进能力从600～2000m均形成了系列（图2.1）。计算机控制只需单人操作的自动化钻机达到实用化程度。
图2.1 国外普遍使用的动力头式钻机
我国钻探技术的发展现状
答：我国从20世纪60年代开始金刚石钻头的研制,经过几十年的发展,工艺技术取得了飞速发展和进步。钻头的制造和使用水平大幅度提高,金刚石钻头平均寿命由早期的30～35m提高到100多米,钻进时效提高到新水平。随着钻头切削材料技术的进步,钻头对地层适应性进一步增强。 随着地质工作的整体复苏,岩心钻探工作量在逐年增多。以绳索...
钻探技术发展现状
答：西方工业化国家和主要矿业大国的地质岩心钻探技术以绳索取心钻进、空气钻进为主，产品质量和技术水平一直保持较大的优势。另外，发达国家在定向钻进技术、环保钻井液技术、长寿命金刚石钻头以及全液压钻探装备、自动化钻机等方面亦保持一定优势，在钻探产品的技术标准方面亦具有强势话语权。目前，美国、澳大利亚...
国内外科学钻探及超深井取心现状
答：CCSD-1井是我国实施最深的科学钻探井,也是近期国际大陆科学钻探实施的最深井,是在超高压变质带结晶岩地层中实施的全孔取心钻探井。运用了螺杆马达+液动锤驱动金刚石钻头回转冲击钻进技术,该技术在坚硬结晶岩地层中取得了巨大成功,是我国现代取心钻进技术水平的体现,这为实施13000m科学超深井奠定了技术基础。 1.1.2...
国内发展现状
答：由于国家对地质找矿的重视,使我国钻探技术发展很快。20世纪50年代至60年代初,全国已开动地质岩心钻机达3000余台,年岩心钻探工作量近1500×104m。在中硬以下地层中推广不同类型的硬质合金钻进,台月效率创1000m纪录;在中硬以上地层中采用铁砂、钢粒钻进,推广一次性投砂法、连续投砂法,有效地提高了硬岩...
我国钻探技术发展的特点
答：目前，我国地质钻探装备的设计和制造已具备一定的实力，立轴式岩心钻机在基本性能、技术水平上与国外基本接近。立轴式岩心钻机历史悠久，性能已被我国一线钻探工作人员掌握，具有野外检修维护简单、钻探施工功耗低、较强的超载能力、有利于处理事故等优点，但存在给进行程短、频繁倒杆、启动不平稳，由此导致岩心...
深孔钻探技术成果概况
答：我国地质岩心钻探经历60多年的发展,尽管技术水平已达到相当高的程度,拥有众多的钻探科研攻关成果,也积累了丰富的钻探经验,但深部矿体勘查钻探却有许多技术难题亟待解决,如:设备能力不足、机具无法正常工作、浅部采空区对勘探的影响、孔深较大时复杂地层的护壁堵漏与取心困难、中深钻孔的经验与方法无法有效应用、孔内...
勘查技术方法的历史、现状及发展趋势
答：在各种矿产资源的开发利用过程中,勘查技术与工程也就逐渐形成了。 我国是一个有五千多年悠久历史和文化的文明古国,勘查技术的发展具有很长的历史。公元前180年成书的《管子·地数篇》明确记载着:“山有赭者,其下有铁;上有铅者,其下有银;上有丹砂者,其下有金;上有慈石者,其下有铜金,此山之见荣者也。”...
钻探工程及其发展趋势
答：2）钻探机械及其配套设备技术的提高，以及大量出现的车载钻机，为地质勘探广泛采用钻探工程创造了有利条件。3）绳索取心工具的采用，不仅保持煤心、岩心的完好性，提高了取心率，同时大大缩短了取心时间，提高了钻探效率。但同时，钻探工程也具有显著缺点，如：只能获取一个孤立点的地质资料，该点的地质...
钻探技术发展趋势
答：钻探工艺方面，由于反循环钻探技术与取心钻探技术相比，具有施工效率高、单位成本低的特点，在国外已普遍应用。钻杆方面，近年来，绳索取心钻进是地质岩心钻探的首要技术手段，被各领域广泛采用。但是，随着钻孔深度的不断加大，绳索取心钻杆的性能成为深孔施工的首要制约因素，国外一些设备公司研发的绳索取心...
定向取心的技术现状
答：定向取心技术是20世纪70年代发展起来的,它采用机械式专用工具和仪器对岩心实时定向取心,在地表复位,取得岩矿层结构面产状。目前国内外具代表性的机械式岩心定向装置有:瑞典 Atlas Copco公司的Craelius岩心定向器,美国的Odgers和Christensen岩心定向钻具,英国的Archway岩心定向器,德国的KTB岩心定向系统,前苏联...
