地质岩心钻探技术 我国深部岩心钻探技术的发展现状

19世纪中叶出现人力驱动的岩心钻机和天然金刚石钻头至今的100多年中，岩心钻机由早期的机械传动手把给进到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。与此同时，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。20世纪末至21世纪初，地质岩心钻探技术又有了新的发展。

2.3.2.1 地质岩心钻探设备发展方向

在地质岩心钻探领域全液压动力头钻机引领着地质岩心钻探设备发展方向，自动化钻机已达到实用化程度。

（1）全液压动力头式钻机

加拿大阿特拉斯·科普柯克里斯坦森（Christensen）公司的全液压岩心钻机已经形成完整系列。CS系列全液压钻机，钻进能力从610m至2000m，具有长行程给进、无塔升降钻具、无级调速、机械化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点。其中浅孔钻机分解性强、分解后的部件比较轻，适合难进入地区使用。Boart Longyear公司的LF70型钻机（Φ59mm孔径钻深760m）。CT-171轻便型钻机可用直升机吊运，设计特点是拆开后的部件不超过25kg，若干部件用轻合金制作，总体RFM量轻。其设计为模块化、全液压、轻便、多功能，代表了最新的发展潮流。新型“飞运”钻机是真正的小模块拼装式，适用于难进入地区采用人力或飞运搬迁。例如加拿大的HYDRACORE 4000型钻机，将动力机和液压站也设计为拼装式，钻机动力为200Hp，以绳索取心钻进工艺为主，NQ系列钻进深度达到1067m。

（2）多功能钻机

随着复合钻探技术（即金刚石岩心钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜孔锤取样钻探在一个钻孔中使用的钻进工艺）的普遍应用，适用于该复合钻进工艺的多功能钻机得到快速发展。加拿大国际钻探设备公司的CSR系列钻机，主要用于300～1000m孔深进行反循环中心取样（CSR）作业，在美国、加拿大广泛用于金、铀和铁等地质矿产勘查。美国萨姆公司的T系列钻机，用于水井和煤层气井；英格索兰公司的RD系列钻机，用于水文水井钻探；美国长年公司的HD-600型钻机用于油气、地热和矿产勘探。钻深能力从1000m至3000m不等，如HD-600型钻机用CHD-76绳索取心钻进时钻深能力为3000m。澳大利亚U.D.R.公司的Universal 5000型深孔全液压动力头式钻机，当用Φ89mm钻杆无岩心钻进Φ165mm孔径时，钻深能力为1900m；用CHD101绳索取心钻进时为3100m。配备柴油机动力410Hp，提升能力达450kN。此类钻机整机体积大且笨重，为深孔重型钻机。

（3）自动化、智能化钻机

加拿大JKS Boyles公司开发成功B系列坑道自动化钻机。该系列钻机采取全液压动力头结构，机、电、液一体化和计算机控制钻进方式。施工现场只需一名操作人员。钻进参数完全由计算机监测和控制；钻具升降等作业也全部自动完成。钻进过程也可在地面的通讯操作室（CCR）做连续监视和数据自动记录。B-10、B-15、B-20型自动钻机最大钻进孔深分别为340、600（AQ）、1550m。瑞典海格比（HAGBY）公司开发成功ONRAM系列1000/4 CCD型和2000 CCD型全自动岩心钻机（Computer Controlled Drill）。1000/4 CCD型钻机钻进能力为750m（BQ钻杆）。该钻机可采集和记录钻进过程中的13种参数，根据这些参数对钻进过程进行实时控制。

Atlas Copco公司开发成功Diamec系列全自动钻机，为典型适合金刚石钻进的高速低扭矩钻机。Diamec系列钻机适用于地表或巷道内施工，为全液压动力头式，配备机、电、液一体化的操作系统。经矿山实际应用，具有钻进效率高、钻进成本低和操作简易等明显的优点。Diamec264APC型钻机配置有3种不同的给进长度（0.8、1.8、3.3m），以适应不同需要。近几年，阿特拉斯·科普柯公司陆续研发了DiamecU4APC型、DiamecU6APC型和DiamecU8APC型自动化钻机。其中DiamecU4APC型属第二代自动化钻机，真正实现了机台单人操作。DiamecU6APC型钻机在DiamecU4APC的基础上进一步简化了结构，提高了电子系统在恶劣环境中的工作能力，其钻深能力为1000m。作为第三代自动化钻机代表的DiamecU8APC型钻机，在其设计中更多地考虑了人类工程学（Ergonomic），加强了人性关怀和安全，其钻深能力为1500m。

（4）我国XY系列液压立轴岩心钻机

“九五”期间分别研制成功液压立轴式双卡盘不停车倒杆和交流变频双卡盘地质岩心钻机。“十五”期间研制成功了YDX-3型新一代全液压动力头式地质岩心钻机，钻机适用于金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺方法。

2.3.2.2 地质岩心钻探工艺技术新进展

随着地质工作的整体复苏，岩心钻探工作量在逐年增多。以绳索取心、液动冲击回转、定向钻进等先进钻探技术为主要特征的小口径金刚石地质岩心钻探技术又重新显示出活力。同时，地质大调查专项成功实施以来，钻探工艺技术又有了新的发展。特别是国家重大科学工程——中国大陆科学钻探工程“科钻一井”的圆满完成对提高我国的岩心钻探工艺水平起到了极大的促进作用。

1）液动潜孔锤结构有较大改进，性能有很大提高，“三合一”钻具初步研制成功。“十五”期间研制成功的YZX127液动潜孔锤，采用了全新结构，大幅度提高了液动锤的能量利用率和稳定性，其技术成果获得2项国家发明专利。在“科钻一井”施工中创造了单井连续使用液动锤进尺3485.69m和使用井深5118.2m两项世界纪录。自主研制的液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具在“科钻一井”主孔5000多米孔深成功钻进一个回次并取出3.5m长的完整岩心。证明该套钻具的研究获得初步成功。

2）对VDS垂钻系统及保真取样钻具进行了有益探索。多用途微机自动定向钻进系统与工艺的研究以自动控制纠偏为主线，探索利用成熟的传感器、液压和机械等技术组成机、电一体化的闭环控制垂钻系统，基本解决了由于空间狭小和工作环境恶劣引发的各项技术难题，探索出了一套可用于闭环控制系统的主要硬件设计的工作思路，为今后开展高技术自动垂直钻井或自动定向钻进系统研究，积累了经验，为系列化研究打下了基础。

3）定向钻探技术及对接井钻井技术有新发展。设计了适应于定向钻进的组合钻具，改进了中低转速螺杆钻具，使之可适应牙轮钻头、金刚石钻头及复合片钻头；编制了定向钻进与水平钻进设计与控制软件；改变了水溶性矿产的采矿方式，大大提高了采矿效率和矿产资源利用率。完成了2对近3000m深井对接井，开创了我国对接井技术的新纪元，实现采卤对接井的重大技术突破。

4）中国大陆科学钻探工程“科钻一井”的圆满完成。2005年12月17日“中国大陆科学钻探工程新型钻井技术体系的研究与应用”科技成果通过了国土资源部的鉴定。该项目创造性地将“组合式钻探技术”、“灵活的双孔方案”和“超前孔小直径取心钻进方法”有机地结合起来，形成了独具中国特色的科学钻井技术体系。该新型钻井技术体系主要由井底动力驱动的冲击回转取心钻探技术、硬岩大直径长井段扩孔钻进技术、强致斜地层井斜控制技术、性能优良的LBM-SD泥浆体系、小间隙固井及活动套管应用技术、孔内事故预防处理技术、钻探数据采集处理技术等组成。“科钻一井”的成功实施及其所取得的科技成果对我国地质岩心钻探技术水平的提高起到了极大的推动作用。

5）新型钻探碎岩方法还在不懈探索。中国地质大学（武汉）建成了“热熔钻进实验系统”，针对松散、卵砾石地层进行了初步实验。中国地质大学（北京）声频振动钻机及钻探技术研究正在进行，定向钻进钻孔轨迹实时监控和中靶系统研究也已启动。吉林大学生物非光滑理论与仿生金刚石钻头研究已取得试验数据。

地质岩心钻探中，钻探孔深分哪几种？以及划分标准是什么？~

不同的应用领域钻孔深度的划分标准不同，地质岩心钻探钻孔深度划分如下：
浅孔：＜300m；中深孔：300-1000m；深孔：1000-3000m；特深孔：＞3000m。
该标准仅适用于地表地质钻孔深度划分，不适用于坑道内钻孔、工程地质钻孔、油气钻孔、水文地质及地热钻孔等的深度划分。

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。

地质岩心钻探工艺及器具
答：(1)绳索取心技术 取心技术主要有提钻取心和绳索取心两种方式。近20多年来，国内外地质钻探工艺方法没有根本性的突破和发展，仍然是以小口径金刚石绳索取心钻探技术为主，仅对个别矿种和不同地质条件下辅以不同的多工艺钻探技术。绳索取心技术在取心钻探工作量中所占比重超过了70%。(2)绳索取心钻...

地质岩心钻探技术
答：该新型钻井技术体系主要由井底动力驱动的冲击回转取心钻探技术、硬岩大直径长井段扩孔钻进技术、强致斜地层井斜控制技术、性能优良的LBM-SD泥浆体系、小间隙固井及活动套管应用技术、孔内事故预防处理技术、钻探数据采集处理技术等组成。“科钻一井”的成功实施及其所取得的科技成果对我国地质岩心钻探技术水平的提高起...

地质岩心钻探新技术有哪些
答：最常见的有4种。1、全液压动力头式钻机。2、浅孔钻机。3、BoartLongyear公司的LF70型钻机。4、CT-171轻便型钻机。

钻进取心方法
答：排出的泥浆一部分在剩余压力作用下,沿内外管间隙由底喷钻头或侧喷钻头水眼经钻具与孔壁间隙返至地面(形成正循环),而另一部分泥浆在负压作用下,吸入内管腔中形成孔底反循环,给内管中岩心产生一个上浮吸附力,以悬浮颗粒较大的岩屑和破碎岩心,使岩心之间不发生自磨,有效地提高岩心采取率。 该钻具适于硬、脆、碎及...

钻探方法研究
答：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...

我国钻探技术的发展现状
答：以绳索取心、液动冲击回转、定向钻进等先进钻探技术为主要特征的小口径金刚石地质岩心钻探技术又重新显示出活力。20世纪末至21世纪初,地质岩心钻探技术又有了新的发展。具体表现在如下几个方面。 (1)组合钻探技术研究 该技术实现了一套器具满足不同地质环境及不同取样目的的需要,为地质调查快速取样、干旱缺水复杂...

开展深部岩心钻探技术研究的目的和意义
答：钻探作验证”。只有钻探拿到实物样品才能验证矿藏的存在,只有通过大量的钻探工作量才能获得可信的储量。实现“攻深找盲”和特殊地区的找矿突破,不仅找矿理论要创新,钻探工艺及技术装备的突破更是关键。深部岩心钻探关键技术与装备研究将为地质找矿提供技术支撑,对推动我国钻探技术发展具有重要意义。

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...

我国深部岩心钻探技术的发展现状
答：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-...

地质钻探方法的主要类型有哪些?
答：按机械碎岩方式分有回转钻探、冲击钻探、冲击回转钻探等；按碎岩工具或磨料分有钢粒钻探、硬质合金钻探、金刚石钻探、复合片钻探、牙轮钻头钻探等；按获取岩心的方式分有提钻取心、绳索取心、反循环连续取心取样等；按冲洗液类型分有清水钻探、泥浆钻探、空气钻探等；按冲洗液循环方式分有正循环钻探、反...