深部找矿的现状与挑战

深部找矿的现状与挑战

随着我国工业化和城市化进程的加快，对地下矿产资源的需求和需求逐年增加，矿产资源的供应和保障成为制约国家发展和经济发展的“瓶颈”。全国大多数经济较发达地区的浅部矿产资源已被探明、开采而趋于枯竭。现有的1600多个大中型矿山企业几乎都面临资源危机,有相当一部分矿山企业生产到了中晚期,保有储量锐减,一些老矿山经过几十年乃至上百年的开采已经到了枯竭阶段。资料表明:我国多数矿山的勘查深度一般在500m以浅,而相当一部分危机矿山的深部和外围存在着许多未经充分勘查的成矿远景区,深部找矿潜力巨大。国内外经验表明,进行深部找矿,在地质测量、物化探圈定矿床勘查靶区后,最关键的技术就是用钻探取出实物样,经观察、研究、分析、计算后确定其产状、成分、储量、埋藏空间、开采条件等技术经济数据,做出开采利用的正确评价。因此,钻探工作的成功与否直接关系着地质找矿的成败,而在深部地质找矿中,钻探技术起着最终决定性、不可替代的关键作用。1动力头钻机的研制和发展我国目前采用的钻机仍然以20世纪70年代研制的立轴式钻机为主。立轴式钻机钻进能力大多在1500m以内。近几年部分厂家陆续研制了2000m钻机,2007年连云港黄海探矿机械厂还研制了3000m钻机。这些钻机性能特点基本一致,没有大的突破。我国自1960年开始研究动力头钻机。原长春地质学院于1962年研制出一台电力-液压传动300m钻机。此后至1976年,上海探矿厂、重庆探矿厂、张家口探矿厂、北京探矿厂等纷纷研制了600m、1000m和1500m动力头钻机,但在生产中没有推广开,后来由于钻探工作量锐减,该钻机的研究工作基本停止。近年来,国内一些科研院所、大学和厂家在消化吸收国外动力头钻机基础上,相继研发了新产品,如中国地调局勘探技术研究所研发了YDX-3及YDX-3A型,山东省地质探矿机械厂研发了XD-3、XD-5型等等。另外,勘探技术研究所在立轴钻机的基础上进行研究、改进,研发成功了新型机械传动立轴钻机,较好地克服了原立轴式钻机固有的给进行程短、频繁停机倒杆的缺点,加长了给进行程,并实现了无主动钻杆、不停机倒杆钻进,提高了工作效率。尽管在国内众多科研机构的努力下,在钻探设备研发中有了一些改进和创新,但是总体而言,研制工作还不够深入,新技术应用不足,技术创新不够,适合我国国情、性能优良的深孔钻机(钻进深度大于1500m)亟待尽快研制开发。2wl钻头与国外建筑基我国于20世纪70年代中期开始研究并在地质找矿中推广应用金刚石WL钻进技术,总钻探工作量达400×104m,钻进速度和台月效率大幅度提高,在地质找矿中发挥了重要作用,获得了国家科技进步一等奖。但近20余年来,由于矿产勘探工作量锐减及钻探施工单位向建筑基础领域的转产,金刚石WL钻探技术的应用也明显减少,导致了该项技术与WL相关钻具的发展比较缓慢。在应用广度和深度上与国外先进国家相比存在较大差距,特别是WL钻探用钻杆的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标同美国、德国、日本等发达国家还不在同一个水平上,利用WL钻探技术完成的岩芯钻探工作量仍不足全部固体矿产岩芯钻探工作量的1/3。在钻探技术方法方面,我国开展了很多研究工作,取得了大量研究成果。2.1车桥资金开采技术研究从1958年底开始进行研究,到20世纪80年代末,我国的液动锤研究进入鼎盛时期。地质、冶金等部门分别研制出多种规格型号的液动锤用于小口径取芯钻探,其类型涵盖了正作用、反作用和双作用、复合式液动锤等,全部型号达到30种以上。液动锤累计钻探进尺超过了百万米,取得了良好的技术、经济效果,粗略统计可提高钻进效率30%～50%以上,同时还可明显提高钻孔质量和岩芯采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段我国的液动锤研究和应用水平已经居于世界先进水平,是继前苏联以后在小口径矿产勘探领域广泛应用液动锤钻进技术的国家。进入20世纪90年代,由于我国的地质勘探工作量大幅下降,液动锤的研究投入锐减,已有成果并没有得到很好的应用和进一步提高,对该项技术的研究应用也转向对油田、水文水井和工程施工用大口径液动锤的研究。研究重点是对提高液动锤的单次冲击功和能量利用率方面进行深入研究,研制成功ZC-800、YYQ-178、Q-150、SYC-178、YS-219等型号以及YZX系列的液动锤。直到1997年,中国地调局勘探技术研究所研制了一种新型的液动锤,液动锤静密封的耐高温性能、可靠性以及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中,他们研制的YZX127液动锤被连续钻进了近500个回次,在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺3485.71m、最大应用深度达5118.2m的世界纪录。此外,勘探技术研究所还为大陆科学钻探工程研制了SYZX273液动锤、KS-157液动锤WL和螺杆马达/液动锤/WL三合一钻具,都取得了较好的效果,在提高钻进效率,延长回次进尺,防止岩芯堵塞,减轻孔斜等方面都发挥了重要作用。液动锤钻进技术在大陆科学钻探工程中的成功应用,在推动了我国钻探技术水平的进步、拓宽应用领域起到了非常重要的作用,得到众多国外同行的高度评价。但是,对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究尚待进一步深入。特别是在普通钻探生产条件下,由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然沉淀的水平,钻进过程中泥浆固相含量较高,导致液动锤内部零件频繁卡死,工作寿命大幅度降低,从而导致提钻频繁。在推广过程中,液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接受,但是实际应用还较少。2.2地质成功成果我国自20世纪80年代开始,开展了固体矿产定向钻探技术的研究。原地矿部把“定向钻探技术研究”列为“六五”重点科技攻关项目,重点开展了“定向孔连续造斜器及配套工具与施工工艺研究”和“螺杆钻随钻测量定向钻探配套器具及施工工艺研究”。前者在研制成功LZ-73造斜器的基础上,又先后研制了LZ-54、LZ-89造斜器及SQ-73随钻取芯造斜器等;后者成功研制了与WL钻杆配套使用的DG-38型定向仪、与普通Φ50mm钻杆配套使用的DX-38型定向仪和YS-1型、ZS-1型、GSX-40型随钻定向监测仪以及其它配套机具与钻进工艺,研究工作均获得成功,相继获得原地矿部科技成果一等奖。该成果已在国内多个固体矿床勘查中推广使用,先后在安徽冬瓜山铜矿、安徽李楼镜铁矿、黑龙江多宝山铜矿和山西铜矿峪深孔钻探中成功应用,曾在一个主孔中成功施工6个分枝孔,取得了显著的社会效益和经济效益。此后,随地质勘探工作量的锐减,该项技术在地质勘探领域处于停滞状态。不过,同时在石油探采和钾盐、钠盐探采领域得到进一步研究和发展,已形成较完善的水平井、对接井技术。2.3其它研究研究进展该项技术主要有两种类型。一种是由带RC取芯(样)钻头的贯通式气动锤+双臂钻杆来实现,即贯通式RC钻探技术;另一种是由普通气动锤+交叉通道接头+双臂钻杆实现,即RC或CSR钻探技术。我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。前者主要有原长春地质学院进行研究,并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的RC取芯(样)钻头等,特别对RC取芯(样)钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等方面做了大量研究工作,并取得了多项研究成果。后者主要由勘探技术研究所等单位进行研究,1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验;另外还相继开发了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等,并在个别矿区进行应用。但是由于国内地质界对以岩屑代替传统柱状岩芯来评价矿产资源还不认可,在钻探设计时不采用该技术,因此,该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取芯时才进行试验应用。如新疆白干湖钨锡矿、河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿等复杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外由国外业公司出资勘探的部分矿区,如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中,要求采用RC钻探技术,采用后取得了较显著的技术效果和经济效益,钻探施工效率提高3～10倍,成本降低1/2～2/3。2.4预处理和增压工艺研究我国对该项技术的研究起步较晚,20世纪80年代中期,首先在石油系统利用泡沫进行洗井、钻井工作,同时也研制了几种泡沫剂(如F873、TAS等)。与此同时,煤炭系统也进行了这方面的研究工作,并研制成功了KZF123泡沫剂。原地质矿产部在泡沫钻进技术方面也做了初步研究,被列入“七五”和“八五”期间的重点科研攻关项目,由勘探技术研究所、原长春地质学院、原成都地质学院和甘肃地矿局等科研院所、高校和相关生产单位联合完成,先后研制出了CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡沫剂,研制了一整套泡沫测试装置,同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究,经过不同环境条件及机具试验研究总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程,有力地推动了泡沫钻进技术的发展。但由于其后正值地质钻探工作量锐减,而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻进技术高,因此其推广应用处于停滞状态。直到20世纪90年代中后期,长春科技大学又在原地矿部立项,进行了水泵泡沫增压装置的研究,取得了泡沫增压泵的容积效率达到90%的效果。2000年,为配合西部大开发,在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡沫灌注系统,经在宁夏西海固地区的实际施工试验,取得了水泵的增压能力达到5MPa令人可喜的效果。此外,还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究,已取得了突破性进展[22,23,24,25,26,27]。3深孔钻进面临的主要问题综上所述,深部找矿在我国是一个新问题、新领域。深孔钻探面临更大的风险和挑战,除钻遇的地层类型多、复杂多变等客观因素外,在深孔钻探设备、钻探方法和工艺方面存在以下主要问题。3.1大型深孔钻机我国目前采用的钻机大多还是20世纪70年代研制的立轴钻机,几年前钻进能力最深为1500m,近几年才研制了2000m钻机和3000m样机。该类钻机从小(型)到大(型)结构、性能基本一致,其给进行程短、启动不平稳、加接钻杆慢等特点不利于深孔钻探。动力头钻机的研发、生产还刚刚开始,已投入使用的钻机其钻探施工能力不强,最大也只有1500m(2000～2500m的正在研发),不能满足1500m以深的钻探需要。3.2钻孔限制设计过去大量采用的WL钻杆只适用于1000m左右的钻孔。近几年不少厂家生产的加强型(加重型)钻杆虽已突破2000m,但对更深钻孔能否适用依据不足。3.3wl钻芯的研