深孔钻探关键技术研究的思路与方法 各种钻探方法综合对比

根据“福建马坑铁矿钻探技术应用示范和科研基地建设”课题任务书确定的研究内容，在系统总结福建马坑铁矿各勘查阶段钻探技术和深入分析矿区钻探技术难题的基础上，紧密结合马坑铁矿第四阶段勘查（马坑铁矿外围石岩坑矿区深部勘查）钻探实际，以优化的理念开展深孔钻探集成式创新性研究，解决钻进过程中遇到的技术难题。

7.3.1 研究的思路与特点

研究工作重点围绕深孔钻探提高钻进效率、防治孔斜、复杂地层护壁与取心等关键技术开展，主要特点：

1）紧密结合钻探生产实际。紧密结合马坑铁矿钻探实际，系统总结、分析现有钻探技术工艺成果与不足，不断研究解决钻进过程中遇到的技术难题。科研成果在解决矿区钻探技术难题中产生，在解决技术难题中检验、完善。

2）优化、集成地应用先进、成熟的钻探技术。全面收集、消化和吸收前人研究成果，通过综合应用国内外先进、成熟的钻探技术，以优化的理念开展深孔钻探关键技术研究，产出深孔钻探技术优化组合的创新性成果。

3）贯彻产学研相结合的理念。通过调配大学毕业生和优秀钻探工人参加课题研究，适时开展学术活动和召开现场经验交流会，培养深部矿体勘查钻探一线急需的技术专家和技术骨干。

7.3.2 研究工作方法

（1）技术路线

针对（钻孔、矿区）钻探关键技术难题，研究工作的技术路线：确定目标功能→提出备选方案→进行方案评价→选择最优方案→检验、完善科研成果。

（2）钻探技术工艺方法的优选思路

根据钻探技术经济学理论（张伟，2007），按照以下步骤进行钻探技术工艺方法的优化选择与评价：①确定目标功能；②提出备选方案；③进行方案评价；④选择最优方案。

（3）研究工作程序与方法

1）调研或生产中发现需解决的钻探问题，明确解决问题的目标。

2）探讨解决问题的办法，包括国内已研究成功、本局尚未开展应用的新技术、新材料、新工艺、新方法。

3）制定解决问题的方案：为优化选择需要，至少考虑三种以上可行的、根据经验认为较为经济的方案。

4）建立优化方法的评价指标，在解决实际问题的过程中进行方案的比较选择。

5）总结、确定最佳方案，用于指导在相同条件或类似情况下发现并解决实际钻探问题。

为使研究取得高水平的创新性成果，还通过参加一系列学术研讨会、邀请相关专家现场咨询等形式，吸收和借鉴最新研究成果和技术手段。

（4）解决研究问题的对策

1）针对钻遇技术难题：深孔钻探中遇到技术难题→研究、制定相应解决难题的措施→在多项技术方案中选择最佳方案。

2）针对钻孔：在各项解决技术难题的最佳方案中，优化选择确定适合特定钻孔的最佳技术方案组合。

3）针对马坑铁矿勘查矿区：总结适合于马坑铁矿勘查的一套较佳（优）的钻探技术工艺方法组合，作为后续钻探施工的作业指导书。

4）针对其他矿区：总结解决深孔钻探技术题难的工作思路与方法，制定相关工艺方法的技术要点，供其他矿区借鉴与参考。

深孔钻探技术成果概况~

矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，钻探是自人类开发矿产资源采用的重要工程手段和技术方法。在深部找矿工作中，除了要利用更有效的地质理论作指导和应用更先进的物探、化探、遥感等新的探测技术方法外，钻探仍是取得最终成果的最基本的重要探测手段。
7.1.1 深孔钻探的主要技术进步
21世纪以来，我国进入了科学钻探与深孔钻探阶段。为保证深部地质找矿目标的实现，围绕深孔钻探开展并取得了一批重大科学研究与技术攻关成果，主要技术进步如下。
（1）深孔钻探设备、机具和仪器的研制取得丰硕成果
1）XY-6B、XY-8、XY-9、FYD-2200型、KZ3000型等深孔立轴式、全液压动力头岩心钻机和BW300/12A型、BW300/16、BW280/30型、BW160/10和BW240/9型等泥浆泵的成功研制和应用使钻进能力和钻进效率得到大大提升。
2）SQ系列绳索取心钻杆液压钳、液压夹持器、绳索取心吊卡以及用于处理事故的单油缸自对心液压拔管机等孔口辅助装置、工具的陆续推出，使孔口作业机械化体系初步形成。
3）SYZX系列绳索取心液动锤钻具在简化结构、提高工作寿命和可靠性方面取得突破，大幅度提高了钻进效率和回次进尺，改善岩心采取率和钻孔质量，使我国在该领域的应用技术处于国际领先水平。
4）XJY-850高钢级合金管材的Φ73 mm、Φ89mm绳索取心钻杆、长寿命新型金刚石钻头的研制与应用取得新突破。
5）具有工况识别、事故报警、参数存储和无线远传功能的高精度钻探参数监测系统成功研制和应用，如中国地质大学（武汉）研制的CUG-2型全液压钻机钻探参数监测系统。
（2）科学钻探引领深孔钻探技术水平的新突破
21世纪以来，为提高对地球的认识水平，提高我国资源勘查和灾害预警水平，我国陆续展开了“中国大陆科学钻探”（5118.2m）、“中国白垩纪大陆科学钻探松科1井”（南井1915m、北井1811.18m）和“汶川地震断裂带科学钻探”等重大科学钻探工程。科学钻探工程的实施，不仅建立了中国特色的新型科学钻探技术体系，而且取得了对深孔钻探具有重大指导意义和应用价值的创新性成果，如：组合式钻探技术，以螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进技术为核心的井底动力驱动取心钻进技术——三合一钻具（螺杆马达+液动锤+绳索取心）、二合一钻具（液动锤+绳索取心），以刚、直、满、重井底钻具组合和金刚石钻头异径侧钻降斜技术为主的强致斜地层井斜控制与造斜钻进技术，整体式带导向牙轮钻头的硬岩长井段大直径扩孔钻进技术，松散砂层单动三管保形取样钻进技术和破碎岩层半合管取心钻进技术，以小间隙套管、活动套管安装与回收为特征的套管固井技术，孔内事故预防与处理和钻探数据采集与处理，以“振动除砂器+高速离心除泥机离心机+30m循环槽+沉淀池+送浆池”泥浆净化措施等。
（3）新型冲洗液体系的研发取得了积极进展
新型泥浆材料和堵漏材料的成功研制与应用，为深孔钻探的实施和先进工艺的应用提供了一定的物质保证和技术支撑。
1）五种新型冲洗液处理剂：高效润滑剂（GLUB）、非分散高温聚合物稀释剂、高效护壁剂、KL植物胶及接枝淀粉共聚物。
2）五种新型冲洗液体系：PHP-GSP无固相冲洗液体系、GSP低固相冲洗液体系、生物聚合物无固相冲洗液体系、低摩阻抗盐侵冲洗液体系及KL植物胶型环保冲洗液体系。
3）新型堵漏材料堵漏：LHDLX 堵漏王与SZ随钻堵漏王、防塌型随钻堵漏剂（GPC）、复合型堵漏剂（CBM）、高失水堵漏剂GSDL等。
4）北京探矿工程研究所研制的TGLW350-692T型泥浆固控离心机在深孔绳索取心钻探中应用，取得良好效果。
（4）钻探技术规程、规范、标准的制定、修订取得重大进步
如：《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227—2010）作为国土资源行业技术标准于2010年11月11日发布，2010年12月31日实施。
7.1.2 深孔钻探关键技术及其研究概述
深孔钻探关键技术的研究和解决是岩心钻探十分迫切、重要的新课题。深孔岩心钻探具有钻孔深度大、技术难题多、质量要求严和钻进成本高等特点，与一般岩心钻探相比，除需配备大功率深孔钻机、性能可靠的变量泵、能承受高荷载的钻塔等机具外，还有许多事关钻孔质量、钻进安全、机械钻速等技术难题需要研讨解决。在复杂地质条件下的矿区开展深孔钻探，受到的约束条件更多，解决问题的难度更大，如：深部地层地质条件不清，缺少经验可以参考；钻孔结构受到限制，复杂地质条件下的护壁技术难题更加突出、严峻；深孔起下钻作业时间长，各种孔内事故更容易诱发和恶化；等等。因此，为了使深部矿体勘查钻探优质、高效、安全、低耗并有效地降低总体钻探费用，应根据深孔岩心钻探的规律，研究解决深孔钻探关键技术问题，并进行相关钻探技术工艺方法优化探讨。
（1）深孔钻探主要关键技术
众所周知，深部矿体勘查钻孔，将遇到比浅部、中深部矿体勘查钻孔更多的技术难题。根据福建省地勘局固体岩心钻探的调查，由于存在深孔钻探工艺方法研究不够、技术措施手段单一等原因，钻孔深度超800m后，往往孔内事故率增加、钻进效率大幅度下降，致使钻探成本成倍增长。
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、孔内事故处理难度大、钻进效率低等问题。因此，有效地解决深孔（孔深≥800m）钻探中综合钻进效率低、孔深较大时复杂地层的护壁堵漏与岩矿心采取率难、孔斜超标等直接影响地质找矿勘探成果与效益的主要难题的技术工艺方法就构成了深孔钻探关键技术。
纵观全国铁矿勘查深孔钻探，均由于地层的复杂，使钻孔护壁堵漏问题成为制约铁矿勘查成果的主要技术难题。
（2）深孔钻探关键技术研究的简述
深孔岩心钻探普遍存在复杂地层护壁堵漏难以及岩矿心采取率低、孔斜超标、钻速慢等主要技术难题，直接影响了地质找矿勘探的成果与效益。因此，有关钻探单位和科研机构纷纷结合科学钻探、深孔钻探开展关键技术研究与攻关。
勘探技术研究所利用承担的“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”（“863”重点项目）项目，成功应用YDX-5型全液压地质岩心钻机及N级口径（Φ76mm）绳索取心钻具在山东省乳山金青顶金矿区施工了ZK43-1孔（2010年4月10日，终孔深度达到2212.8m），创造了采用H级口径（Φ95mm）绳索取心钻具钻进1461.9m和下入相同深度的Φ91mm×4.5mm技术套管等2项当时最深纪录；安徽省313地质队将承担的安徽省重点科技攻关项目“深部矿体勘探钻探技术方法研究”和安徽霍邱周集铁矿深部找矿项目相结合，研究解决了钻孔涌水、漏水、坍塌等复杂地层条件的钻进难题，历经一年时间，于2010年6月28日完成了ZK1725孔施工，创当时国内小口径绳索取心钻探最深纪录（终孔口径77mm，终孔深度2706.68m）；2010年11月，山东省地矿局第三地质勘查院在承担的设计孔深4000m的“中国岩金勘查第一深钻”钻探项目（山东莱州市三山岛西岭矿区）中，结合钻孔的地层特性及钻遇的技术难题，开展了一系列钻探科研与攻关工作；2009年7月至2010年12月，福建省地矿局批准并开展的“深部矿体勘查钻探技术工艺方法优化研究”科研项目，也针对钻遇技术难题，全面收集、消化和吸收前人研究成果，初步进行了长孔段、多特征复杂地层护壁堵漏对策与技术措施的探讨等。
毫无疑问，针对深孔特点开展的钻探专题研究或技术攻关，有效地支撑了深部找矿地质工作的开展，不仅不断创造国内岩心钻探孔深记录，也为本次研究留下了丰富的宝贵经验，但目前尚未见到能有效解决铁矿复杂地层钻探技术难题的研究成果。
（3）钻探技术工艺的优化研究
20世纪80年代，随着全国钻探工程数量的增加和钻探技术工艺的发展，不少专业人士根据矿区钻探的需要，应用FTA分析、方差分析、层次分析法（AHP）、灰色局势决策综合评价、几何规划、模糊优化等理论，开展了钻头类型与结构、护壁泥浆对策及配方、钻进技术参数等的优化选择，提高了钻进效率，减少了孔内事故，降低了钻探成本，推动了钻探技术工艺水平的提高，也为本次研究提供了相关经验。然而，以往工作研究，主要应用及成果基本是单一技术工艺的优化，且钻孔深度不大（一般小于700m）。
我国第一口大陆科学深钻根据科学钻探对岩心的特殊要求，进行了提钻取心和绳索取心技术经济分析，开展了金刚石绳索取心、钻头井底马达驱动、冲击回转等钻进方法及其钻具组合、钻进参数的优选等综合性研究，取得了较好的使用效果。这是国内首次富有成效地进行深孔钻探技术工艺方法优化的探索。
2007年，中国地质调查局科技外事部新技术处处长张伟博士结合大陆科学深钻实践，认为“开展技术经济学研究，可实现技术方案和技术措施的优选，为研究与开发工作指明方向，使钻探项目的实施获得最佳的经济效果”，提出了“钻探技术经济学”理论。这一理论，为钻探技术工艺方法优化组合的研究提供了工作思路，构筑了体系框架，奠定了理论基础。
（4）深孔钻探主要关键技术的研究方向
纵观国内深孔钻探专题研究或技术攻关，多数是为了保证深部矿体勘查的顺利进行，针对矿区地层特点及某一难题开展的。由于缺少系统、全面考虑，往往代价惨重或顾此失彼，孔内情况复杂化造成单孔钻探时间达半年、一年、甚至更长时间的现象也屡见不鲜。
深部矿体勘查钻探施工由于受所处的地形地貌、地层岩性特征、水文地质与工程地质、作业环境等条件的制约，必须按照深部矿体勘查钻孔设计目的和钻探要求，通过钻探机具、钻孔结构、钻进方法、钻头、泥浆、钻进技术参数等各技术工艺措施和组织管理措施的合理、有效、最佳组合，才能实现钻速高、事故少、质量好、成本低等目标。
因此，由于深部矿体勘查特殊性，为可靠、有效、低成本地解决遇到的技术难题，将深孔钻探作为一个复杂的系统工程，综合考虑各种因素和条件进行工艺技术方法的优化组合研究是发展方向，即：除需要通过科研或攻关工作，制定解决问题的技术工艺措施（包括新技术、新工艺、新方法的开发与应用）外，还要针对深部矿体勘探钻孔的地质特征优化选择有效的技术措施及其组合。

上述各种取心钻探技术方法各有特点，在深孔钻探中到底应采用哪种方法才能获得更好的技术经济效果？首先通过计算进行对比。
目前国内硬岩（可钻性7～9级）钻探施工各种方法的技术指标参数见表6-1。
表6-1 各种取心钻探方法钻探技术指标参数


代入公式5-5计算得出各种取心钻探方法施工不同深度钻孔所需钻探总时间见表6-2。
各种钻探方法施工不同深度钻孔时台月效率随孔深的变化情况如图6-6所示。
对图6-6分析研究，得出以下结论：
（1）各种取心钻探方法对深孔钻探的适应性不同。各种取心钻探方法所采用的钻具有所不同，因而其成本投入有一定差别，但是这种差别较小，相对于完成的大量钻探工作量 而言，差别更小，因此，一种方法适不适应深孔钻探，主要体现在其钻探效率和其技术特 点与优势。液动锤WL钻探取心方法效率最高，切能减少岩心堵塞，减少提下钻次数和孔 内事故，延长钻头寿命，降低成本，取得较好的综合经济效益，对深孔钻探非常有利；WL 钻探方法效率次之，较适合深孔钻探；而提钻取心方法效率最低，最不适宜于深孔钻探。
（2）液动锤提钻取心方法与WL钻探方法及不提钻换钻头方法的台月效率曲线在不同 深度有交叉，即当钻孔深度在1100m左右时，采用液动锤提钻取心方法与WL钻探方法的台月效率相当。说明液动锤提钻取心方法施工一定深度（1100m）以内的钻孔时，钻探施 工效率还是具有一定优势，但超过这一深度，其提钻取心的劣势就显现出来，该方法在较 浅的深孔（1100m以浅）尚可采用，而在更深的钻孔中不宜采用。
表6-2 各种取心钻探方法施工不同深度钻孔所需钻探总时间


注：不提钻换钻头的机械钻速均低于其他钻进方法。

图6-6 各种钻探方法施工的台月效率随孔深的变化

（3）不提钻换钻头方法和WL钻探方法的效率曲线相差较小，说明该方法在目前深孔 钻探施工中的效率与WL钻探方法基本相当。尽管不提钻换钻头方法可明显减少提下钻次数，减轻劳动强度，但是，由于目前不提钻换钻头钻具结构较复杂，可靠性较差，成本较 高，因此，目前还难以适应深孔钻探工程施工。

m科学钻孔施工设想技术方案
答：钻探技术设计的总原则是:在满足地学研究要求和技术可行的前提下,力求最佳的施工经济性。具体地说,应体现以下三个原则:(1)尽量采用现有的钻探技术,进行必要的改进和开发;(2)主要采用国产的设备、器具,少量国内一时无法解决的关键设备、器具考虑从国外引进;(3)结合地质钻探和石油钻探技术的优点,使深孔硬岩中连续取心...

钻进(全面钻进、取心钻进和扩孔钻进)技术方案
答：在超深井取心钻探中往往发生岩心失落甚至取不到岩心的情况,这时就要借助侧壁取样技术进行补取岩心。 现有多种侧壁取样方法,包括压入式侧壁取样方法、射孔式侧壁取样方法、造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法、旋转式侧壁取样方法等。其中的造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法和旋转式侧...

钻探方法研究
答：目前,国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。 (一)金刚石绳索取心钻探 在世界各国地质找矿钻探施工中,应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术(Wire-line Coring Drill,简称WL)20世 纪40年代最早诞...

钻孔特性分析及钻探技术优化组合方案设计
答：孔深取最浅H=1500m,Ed/El=1.0121<e高(1.0402),故选择立轴钻机。 主要配套设备,应选择23m钻塔,10～15MPa泥浆泵。 (2)钻探方法与工艺优选。上部弱水敏性地层,采用常规WL钻探方法;采用相应 的钾基聚合物泥浆或钙基泥浆,穿过后下入技术套管护壁。以下坚硬、破碎、强研磨性 地层,采用液动锤WL冲击回转钻进,一定...

深孔钻探技术工艺方法的优化选择(设计)
答：3）事故少：有效避免孔内复杂情况和事故的发生，事故及停待时间少。4）成本低：综合钻探成本低。（2）实现深孔钻探目标的途径 为有效解决钻探实际问题（表12.1），确保深孔钻探保质、安全、快速、低成本地顺利进行，实现各项钻探目标，必须在施工前做好工作部署、合理确定可行的工艺技术方法、调配好钻...

钻探施工中主要技术要领有哪些
答：为地质目的服务的多种技术方法中, 钻探方法是一个主要而又最直接的手段.因此，钻探施工的质量直接关系到地质勘查效果。根据钻探施工技术规程的有关要求，钻探施工中主要技术要领包括：1、岩心采取率；2.钻孔弯曲度；3.孔深误差；4.原始报表；5.简易水文观测；6.封孔等六个方面。在这六个方面中，岩(...

超深孔钻探前沿技术
答：1）垂孔钻进 垂孔钻进钻孔倾斜是超深钻的普遍难题（表5.2）。维持钻孔的垂直是超深孔成败的关键。原苏联在科拉半岛钻了6个斜孔后，摸索出了一套控制超深孔孔斜的方法。有两个或三个涡轮马达并在一起的钻进系统是一种有效的垂孔钻进系统。用这种钻进系统可获得4000m孔深只偏斜1°的好效果。德国...

深孔液动锤WL钻探技术应用研究
答：（二）液动锤WL钻探技术参数 1.钻压 液动锤冲击回转钻进，钻压同样根据岩石的抗压强度合理选择，采用液动锤WL钻进钻压一般可比常规WL略低。如SYZX75液动锤WL钻进钻压可以选择1 2kN。2.转速 转速则根据所钻岩石的性质，钻孔的直径、深度、倾角，设备和钻具的型号规格，以及冲击功的大小和冲击频率的...

深孔金刚石WL钻探技术应用研究
答：（一）钻探设备优化选择 根据第17号钻探技术优化组合方案，区内深孔钻探，1500m以浅钻孔可选择动力头钻 机，更深钻孔则选用立轴钻机。玲珑金矿东风矿区，是钻探工作量较大的一个矿区，分3期进行。自2007年开始，到2010年5月，累计完成钻孔114个，完成钻探工作量130917.75m（含普查14175.25m/15孔）...

科学钻探中的测井应用
答：在该项目的实施过程中,在其先导孔的钻探中共使用了65种不同类型、不同方法的测井仪器,共测井398次;在主孔的钻探中,使用了50种不同类型、不同方法的测井仪器,共测井266次。KTB的地球物理测井,采用了当时世界上最先进的测井方法和技术,获得了大量的深部现场原位数据,为地球科学研究提供了丰富的、极为可靠的资料,...