固体矿产地质勘查中深部地质钻探找矿技术优化研究

郑 玄，周荣志，毕贞芳

（山东黄金地质勘查有限公司，山东 莱州 261400）

地质工作是目前我国很重要的经济工作发展之一，经济社会的发展离不开地质勘探带来的资源保障和物质根基[1]。随着我国工业化的快速发展，矿产资源的供需也成为目前一大问题，矛盾逐渐随之而来，矿产资源的供给和矿业安全时时刻刻都在制约着国家的经济建设及发展[2]。很大一部分的经济发达地区浅层矿产资源已被开发殆尽，终有一天会彻底枯竭。因此，深孔联合钻探技术的研究与应用，对于深孔钻探技术的发展和深部勘探具有不可代替和迫在眉睫的实践意义。彻底解决日益紧张的资源危机和压力是很重要的，地质勘探优化技术的应用研究异常关键[3]。

1 固体矿产地质勘查中深部找矿钻探工具与矿区地层分析

深部勘探钻探的对象是浅层到深部的各种地层(含矿层)。地层，也就是由岩石构成的地壳岩层，而岩石的构成是由许多种类的可造岩矿物质组建，钻头在钻探时就为了钻破岩层并取芯。岩石的物理力学性质、化学性质和结构形态对钻井施工有很大的作用。岩石中矿物化学组成和性质所决定每一种岩石的化学性质和物理力学性质，如岩石的坚硬程度、回弹可塑性和石块脆性、水溶水化性、磨蚀性等。每一种类的岩石裂缝、岩石层、面、节理发育情况，岩石具体破碎到什么程度是构造岩石形状、地层具体形成和构造运动形态互相作用的影响因素，其作用不可分割。因此，岩石的物理性质、化学性质和结构形态是钻井施工的重要依据，是确定钻井结构、钻井方法、岩石破碎工具和合理钻井参数的重要依据。

深部勘探钻探设备，即深孔钻探设备是深部勘探钻探的前提和必要条件。深孔钻进是否可以正常进行，一般都是由钻探设备的性能来决定的，钻进工作需要具备一定的先进技术和可靠性能，才能达到所预期的效果。勘探深层底层的钻探设备关键涵盖深孔钻机及钻塔、动力机、泥浆泵搅拌机等。通过近年来的深入研究，我国已经研制出XD、YDX系列动力头钻机，如图1。

图1 动力头钻机

动力头钻机使用的是链条送料、旋转动力头、全液压控制、紧凑结构，主要优点有：①能进行长时间、稳定、不间断送料；②变速无压力，所以运行也很稳；③实现方便的斜孔钻进方式；④钻杆在添加的过程中很方便，解决了从孔底抬起钻具的问题；⑤工艺适应性极强方便钻进；⑥安装起来很方便，移动局限变小；⑦操做方便，控制力集中，可以实现远程自动控制。虽然优点突出，但是动力头钻机同时也存在关键缺点：①起升和时间长，辅助运行的时间也很长；②传输功耗过大，导致效率低下；③事故处理能力差；④液压系统密封寿命短；⑤维护复杂，成本高；⑥制造成本高。

竖井钻机是我国地质岩心钻探应用最广泛的先导钻机。经过30多年的不断研发和改进，形成了一系列的产品，从100m到2000m甚至3000m，钻机，泥浆泵，钻机、钻机(包括钻杆、岩心钻机钻头)和其他方面形成了一套完整的钻井设备，钻系统。它在我国地质岩心钻探中发挥了重要作用。该钻机工作时传动机械化，使用液压来进行控制，具有以下优点：①传动功耗低，加快工作效率；②运行时间提升到更小；③处理事故很方便；④可靠实用；⑤方便修理，操作要求不高；⑥机械花费低。但立井钻机也有明显的缺点：①展开时间短，0.6m时钻头必须经常停车掉杆；②工作稳定性差；③变速控制，无无级调速；④加杆繁琐，钻具必须从孔底抬起；⑤斜井钻进难以实现；⑥搬迁安装时间长。

深孔钻探地层类型多、复杂，涉及多个地质时代形成的地层。它在地层类型、岩性、构造形态、力学性质、复杂性、地层压力和内应力等方面都具备了特殊的自我优势。因此，有必要对地层深入研究，尤其是那些特别复杂的地层，需要加以深度分析之后在使用一些相对决策。

基于以上分析，在深部地质钻探中需要根据勘查地区岩层特点具体情况具体分析，灵活运用好钻探设备。钻机也需要在相应的情况下选取相应的型号，这样才能得到更加优质的效果，为地质勘测提供便捷的服务，取消不必要的麻烦，使矿产地质勘查深部找矿技术更加成熟。

2 固体矿产地质勘查中深部找矿组合钻探技术方案设计

2.1 深部找矿组合钻探优化技术方案设计

影响深部勘探钻探的客观因素包括钻孔深度、地层硬度、破碎程度、水敏度、渗漏程度、倾角和研磨程度。逐个分析每一个案例是非常困难的，因此运用实验优化技术的原理，通过正交试验的方法找出具有代表性的组合案例。

1号组合：在钻井技术和工艺方面，面对强水敏上部地层，抑制泥浆用来滤失，钻井完毕下一步就要罗列技术套管用来护壁。对于后续的坚硬和破碎地层，在钻井的基础上，结合液压锤进行冲击旋转钻井，以提高回程进尺。采用适用于高硬度液压冲击旋转钻井的钻头(HRC40±1)，采用“低粘度、低剪切力、低固相、低滤失”的防偏钻具和LBM泥浆，并采取堵漏措施。漏失过于大的地层，封闭和堵塞是没有效果的。依照地层规定，可适当提高洗涤液的护壁性能，以达到“顶漏”钻井的目的。

2号组合：在钻井技术和工艺方面，对于上部弱水敏地层，采用抑制泥浆，通过后保护套管壁;对于稳定地层，采用金刚石WL钻井，必要时加液压锤形成冲击旋转钻井(钻速不高或钻长较短)。采用防偏斜钻头和长寿命钻头；使用LBM泥浆，并采取措施阻止泄漏。

3号组合：在钻井工艺和工艺方面，假设覆盖层上部疏松，钻进泥浆，泥浆穿透后下套至管护壁;接下来的金刚石钻井，低固相或无固相泥浆，使用寿命长。

2.2 组合钻探技术方案的优化选择系统

运行于Windows操作系统(Win2000)的系统软件采用组合钻探设备选择软件进行操作。此软件用于改善钻井工艺组合方案，包括模块的输入输出和设计。第一步要完成操作界面的设定，设计输入输出模块。操作界有菜单栏、工具栏和操作区，工具栏等。有地层硬度、水敏度、倾角研磨等7个变量，每个变量可分为不同情况。输入变量程序可以根据具体情况选择钻的输入(动力头钻机,立轴钻机会给出技术参数值，添加一个间隔，添加一个单一的时间)；主要钻进方法(如WL钻进或液压锤WL钻进)；技术措施(如堵墙、防斜等)；清洗液的种类(如PHP系列、LMB等)和钻头(金刚石钻头、复合片钻头等)以及钻头设计的相关技术参数，如：基体硬度、磨料、金刚石参数(目、浓度、混合目标浓度比)等。

3 固体矿产地质勘查中深部找矿组合钻探技术实验

为了使试验更有说服力，采用相同的工艺，在钻进参数相同的情况下，使钻头在同一孔内交替钻进。按其原理和结构形式可分为阀式反作用力液压锤、阀式振动液压锤、阀式双作用液压锤、射流冲击器、射流吸入液压锤、复合作用锤等。从理论上讲，可以将各种型号与WL钻井相结合，形成液压锤WL钻井技术。SYZX75液压锤WL钻机特点:设计新颖，结构简单。液压锤冲击旋转钻井，wob的作用主要是给钻头唇形表面的金刚石颗粒进入岩石进行一次预加载，产生体积岩石破碎，提高钻井效率。然而，钻头的重量逐步加大会导致磨损增加。想要降低磨损，钻头重量不可太大，但必须克服液压锤的后坐力。

应根据不同岩石的抗压强度来选择钻压。一般情况下，使用液压锤可以稍微降低钻头重量，使用钻头重量略低的便可获得更高效率。例如SYZX75的钻头重量可以选择12kN。

钻压：9 kN～13kN，视地层条件而定。速度：在孔径、孔深、清洗润滑条件、孔壁稳定、岩石研磨、钻杆坚固和设备允许的条件下，尽量采取高速钻孔，一般为500 r/min～800r/min。冲洗液：50 L/min～60L/min。泵压力 ：2.6 MPa～3.2 MPa。

试验数据如表1所示.

表1 钻头试验数据表

对于单个位，某些老化程度甚至低于普通位。试验结果表明，该组合钻井技术在硬、脆、破、漏的地层中均取得了良好的效果。在强斜度地层实施组合钻井技术方案，采用“刚性、直井、全井、长井”全井钻进组合防偏技术。使用井底进给钻头技术，克服了在硬性地层中地层的打滑问题。

完成了固体矿产地质勘查中深部地质钻探WL钻进技术的技术优化，可以进一步发挥优势，节省时间提高效率，使勘探更便捷。

4 结语

通过本文的研究工作，完成了深孔钻探地层特征的技术经济原理、方法分析、深孔钻探深度的技术方法优选等问题，完成了深孔组合钻进工艺方案设计和典型组合的相关性能研究。WL钻井法仍是深孔钻井中最完善、最可靠、适用度最高，总体来说高效综合地质效果最好的一种钻井方法。液压锤与WL钻井技术的结合形成了液压锤WL钻井技术，可以进一步发挥两者各项的优势，成为目前深孔取芯钻进最有效的钻井方法，这种方法需要进一步改进和推广，会给地质勘探工作带来不小的便利。