地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用

地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用

周化忠

安徽省煤田地质局第三勘探队

摘要：地质岩心钻探技术是资源勘探的重要技术手段，从对地质岩心钻探技术的论述出发，分析技术原理、类型，了解技术发展前沿，并对目前资源勘探中应用最为广泛的绳索取芯地质钻探技术、连续反循环岩心钻探技术展开具体分析，以期提高地质岩心钻探技术在资源勘探中应用效果。

关键词：地质岩心钻探技术；资源勘探；应用

引言：地质岩心钻探技术已有100余年的发展历史，关于新型技术的研发与探索从未停止，近年来在先进科技的支持下，地质岩心钻探技术也有所进步。而随着矿产资源开采速度以及消耗速度加快，矿样采集工作难度不断提升，为了利用先进地质岩心钻探技术解决当前矿样采集难题，缓解矿产资源短缺现状，对于地质岩心钻探技术及其在资源勘探中应用的探究具有重要现实意义。

1 地质岩心钻探技术分析

1.1技术原理

地质岩心钻探技术是指通过钻孔达到地质中心位置，在不同地质深度条件下完成矿样采集工作，并将采集信息反馈给钻探技术人员，从而获取判断地质情况的依据。目前，地质岩心钻探技术的应用实践主要依靠机械力量以及自动化技术，通过各种方式的切削、破碎岩石、磨削，使钻头在动力的驱动下不断向岩层深部钻进，从而刻取岩心；钻进过程中根据岩层特点选择单动双管钻具、单动双管半合管钻具、绳索取芯钻具等完成取芯。由于钻进方法多样、设施完善，可以适用不同地质条件，在硬、脆、碎地层以及砂卵石层也可以高效完成钻进工作。

1.2技术类型

1.2.1复合型钻探技术

复合型钻探技术在目前的应用较为普遍，其融合多项功能，可以获取良好钻探效果，高效高质完成钻探工作；与其他钻探技术相比，在诸多复杂地形地质条件下应用也能取得理想效果，可以节约时间与成本；但技术应用中不可避免的破坏地质结构，且范围较大。目前复合型钻探技术与设备已相对成熟，长时间运行中发生故障概率也较低。

1.2.2立轴岩心钻探技术

立轴岩心钻探技术是我国最早由国外引入服务勘探行业的技术之一，其也能够应用于复杂的地质条件，但是近年来随着地质结构层情况的复杂多变，其技术缺陷愈发明显，且效率低使勘探成本大幅提升。因此，行业内集中诸多力量对立轴岩心钻探技术进行改良，改良后立轴转速提高、调速范围扩大、变速挡数增加，可以缩短辅助工序消耗的时间，提高勘探效率。

1.2.3全液压动力钻探技术

全液压动力钻探技术是目前最受勘探领域关注的技术之一，其实现机、液、电一体化、全液压传动，采用液压马达提供驱动力，减少机械传动，保证钻探过程中传动平稳、操作集中、噪声低，大幅提高钻探的安全性；且搭配连接强度高的钻具、钻杆，提高钻探精度与密封性，可以在钻探过程中 始终保持同心度、垂直度良好，有效降低管内岩心堵塞的概率；此外，技术应用实践中使用具备2级机械变速的动力头、通孔直径大的回转器，使给进行程延长至3m。全液压动力钻探技术是目前最高水平钻探技术的代表之一，是诸多难度大、复杂度高钻探作业的首选技术。

1.3 技术前沿

地质岩心钻探技术使用价值高，是资源勘探、预警灾害、地质检测等领域不可缺少的技术手段，该项技术自推出以来已有100余年，随着社会发展需要其历经多次改良、优化、创新，钻头材料、钻具设施也在不断优化。目前已经有10余种钻进方法，满足不同作业对机械碎岩方式要求、取心方式要求、冲洗液类型要求。且随着与实时化、信息化、可视化、数字化、自动化、智能化技术的深入融合，钻探过程钻具更加智能化、轻型化，有缆钻杆当中可以通过电磁感应实现“软连接”，提高钻探数据的传输效率，最高可以达到5.76万位/s，且目前也实现了“双向通讯”，使地质岩心钻探技术适用更多地质条件[1]。

2 地质岩心钻探技术在资源勘探中的应用

2.1 绳索取芯地质钻探技术

绳索取芯地质钻探技术因设备简单、方便控制、人力投入少在资源勘探中应用频率较高，但与其他资源勘探技术相比，其作业成本偏高，在钻进过程中需要技术人员实时根据钻进情况对参数进行调节，全程操控作业，例如，结合钻进效率、采集的信息调节钻进参数、调整进给量；同时，技术应用过程中，必须严格按照规程要求，做好钻头转速控制，当转速失控则会在资源勘探中发生严重事故，为钻头带来不可逆的损伤，而钻探中使用的钻头价格昂贵，发生损坏后维修成本较高、难度较大。通常情况下，在资源勘探中会对技术操作进行系统的规划，其中明确要求钻头性能允许时周围线速度应控制在1.5~3.2m/s范围内，可以保证始终将钻速控制在最佳范围内；勘探过程中要根据转速要求选择直径不同的钻头，高速作业下适用于小直径钻头、低转速作业适用于大直径钻头；以金刚石钻头为例，规格不同产生的钻压不同，需要根据资源勘探具体要求进行规格确定，详见表1。此外，在资源勘探过程中，还需根据实际情况合理设计钻孔结构，可以避免在钻进过程中出现重复钻孔情况，减少时间的浪费，也使作业流程到优化；对于冲洗液的选择，通常选择无固相类型，其浮悬能力更强，成膜速度快，可以提高润滑效果，降低钻进过程中井壁的阻力，提高井壁保护效果。

表1 不同金刚石钻头钻进压力

为了实现绳索取芯地质钻探技术安全应用，资源勘探过程中可以安装报警装置，固定在进水管上方缓冲管上，并于管顶部安装压力表，可以读取孔内作业时的参数，当压力上升幅度保持在0.5~1.0MPa，表示总成到位，可以根据作业情况进行钻井设备调整，但发生岩心满罐情况或堵管情况时，压力则会异常升高，此时报警装置发出警报，为避免引发重大安装事故，应立即停止钻探，对压力异常升高情况进行分析，预防设备损伤，保证作业安全。

2.2 连续反循环岩心钻探技术

连续反循环岩心钻探技术利用冲洗介质实现反循环，可以连续将岩心、岩屑经钻杆内腔输出到地表，于上个世纪中期推出，最早应用在煤炭资源勘探当中，我国引入时间相对较晚，所以在技术实践应用上还存在诸多不成熟之处。连续反循环岩心钻探技术的最突出优势是搭载诸多高科技技术，被业内誉为目前最先进的勘探技术，技术应用中将冲洗介质压入到套筒内，使套筒就被润滑效果，从而钻杆在活动过程中因润滑与润滑中产生的空隙，实现反复循环；循环中会产生阻力，是完成取样以及打孔的基础条件。常用技术应用如下：

一是，泵吸反循环钻探技术，采用砂石泵发挥抽吸作用，于钻杆内部产生负压，联合大气压力同时发挥作用，使循环液从泥浆池进入到井口，经过循环间隙向井底流入，与破碎岩粉混合后由钻杆吸入到内腔，上升到地面后排出至沉淀池，经沉淀处理后循环液可以重新进入到井内。技术应用实践中为了避免井壁坍塌，应控制井内液面至少高于地下静水水位2m，砂石泵流量应控制在240~500m3/h、有效吸水压力应控制在6×104~7×104Pa；该项技术适用于井深50m以内的钻探作业中，井深超过70m后作业效率将大幅下降，50~70m为经济工作区段[2]。

二是，气举反循环钻探技术，技术应用中通过供气管路将压缩空气输送到井下气水混合室内，与钻杆内循环液混合，形成密度小于钻杆外液的混合液柱，因管内外存在压差，可以将钻杆内腔液体经过排渣管排向沉淀池，经过沉淀后通过自流方式循环液重新进入井内。该技术是固体矿产资源勘探中应用频率最高的技术之一，在特殊矿种、破碎且松散地层勘探中具有效率高、获取地质资源准确的优势[3]。

结束语：

综上所述，地质岩心钻探技术在资源勘探中应用优势突出，随着科技的进步，地质岩心钻探技术水平也有了提升，应结合我国资源勘探难度提升、复杂性提高情况，推广先进钻探技术，并不断拓展技术的适用范围，使其具备深层勘探、深海资源勘探能力，提高资源的开发利用效率。

参考文献：

[1]徐强.地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用探索[J].中国金属通报,2021(04):213-214.

[2]程栋.地质岩心钻探技术在资源勘探中的运用[J].冶金管理,2020(15):82-83.

[3]张学进.地质岩心钻探在资源勘探上的应用研究[J].世界有色金属,2020(11):138-139.