地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)

19世紀(jì)中葉出現(xiàn)人力驅(qū)動(dòng)的巖心鉆機(jī)和天然金剛石鉆頭至今的100多年中，巖心鉆機(jī)由早期的機(jī)械傳動(dòng)手把給進(jìn)到機(jī)械傳動(dòng)液壓給進(jìn)立軸鉆機(jī)發(fā)展到今天的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)以及自動(dòng)化、智能化地質(zhì)巖心鉆機(jī)。與此同時(shí)，孔底動(dòng)力鉆具（潛孔錘、螺桿鉆、渦輪鉆、孔底電鉆等）也從發(fā)明到發(fā)展，至今已具有一定水平。從1862年天然金剛石用于制造金剛石鉆頭巖心鉆探方法問世；1899年發(fā)明了鐵砂（鋼粒）鉆進(jìn)；1916年硬質(zhì)合金開始用于鉆探；1954年世界第一顆人造金剛石制造成功并用于制造金剛石鉆頭；人類經(jīng)歷了天然金剛石表鑲鉆頭鉆探時(shí)代，鐵砂、鋼粒和硬質(zhì)合金鉆探時(shí)代，人造金剛石孕鑲鉆頭鉆探時(shí)代至今到了人造復(fù)合超硬材料鉆探時(shí)代。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)又有了新的發(fā)展。

2.3.2.1 地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備發(fā)展方向

在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)引領(lǐng)著地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備發(fā)展方向，自動(dòng)化鉆機(jī)已達(dá)到實(shí)用化程度。

（1）全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)

加拿大阿特拉斯·科普柯克里斯坦森（Christensen）公司的全液壓巖心鉆機(jī)已經(jīng)形成完整系列。CS系列全液壓鉆機(jī)，鉆進(jìn)能力從610m至2000m，具有長(zhǎng)行程給進(jìn)、無塔升降鉆具、無級(jí)調(diào)速、機(jī)械化程度高、配套器具齊全、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。其中淺孔鉆機(jī)分解性強(qiáng)、分解后的部件比較輕，適合難進(jìn)入地區(qū)使用。Boart Longyear公司的LF70型鉆機(jī)（Φ59mm孔徑鉆深760m）。CT-171輕便型鉆機(jī)可用直升機(jī)吊運(yùn)，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是拆開后的部件不超過25kg，若干部件用輕合金制作，總體RFM量輕。其設(shè)計(jì)為模塊化、全液壓、輕便、多功能，代表了最新的發(fā)展潮流。新型“飛運(yùn)”鉆機(jī)是真正的小模塊拼裝式，適用于難進(jìn)入地區(qū)采用人力或飛運(yùn)搬遷。例如加拿大的HYDRACORE 4000型鉆機(jī)，將動(dòng)力機(jī)和液壓站也設(shè)計(jì)為拼裝式，鉆機(jī)動(dòng)力為200Hp，以繩索取心鉆進(jìn)工藝為主，NQ系列鉆進(jìn)深度達(dá)到1067m。

（2）多功能鉆機(jī)

隨著復(fù)合鉆探技術(shù)（即金剛石巖心鉆探、空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探、空氣潛孔錘取樣鉆探在一個(gè)鉆孔中使用的鉆進(jìn)工藝）的普遍應(yīng)用，適用于該復(fù)合鉆進(jìn)工藝的多功能鉆機(jī)得到快速發(fā)展。加拿大國(guó)際鉆探設(shè)備公司的CSR系列鉆機(jī)，主要用于300～1000m孔深進(jìn)行反循環(huán)中心取樣（CSR）作業(yè)，在美國(guó)、加拿大廣泛用于金、鈾和鐵等地質(zhì)礦產(chǎn)勘查。美國(guó)薩姆公司的T系列鉆機(jī)，用于水井和煤層氣井；英格索蘭公司的RD系列鉆機(jī)，用于水文水井鉆探；美國(guó)長(zhǎng)年公司的HD-600型鉆機(jī)用于油氣、地?zé)岷偷V產(chǎn)勘探。鉆深能力從1000m至3000m不等，如HD-600型鉆機(jī)用CHD-76繩索取心鉆進(jìn)時(shí)鉆深能力為3000m。澳大利亞U.D.R.公司的Universal 5000型深孔全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，當(dāng)用Φ89mm鉆桿無巖心鉆進(jìn)Φ165mm孔徑時(shí)，鉆深能力為1900m；用CHD101繩索取心鉆進(jìn)時(shí)為3100m。配備柴油機(jī)動(dòng)力410Hp，提升能力達(dá)450kN。此類鉆機(jī)整機(jī)體積大且笨重，為深孔重型鉆機(jī)。

（3）自動(dòng)化、智能化鉆機(jī)

加拿大JKS Boyles公司開發(fā)成功B系列坑道自動(dòng)化鉆機(jī)。該系列鉆機(jī)采取全液壓動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)，機(jī)、電、液一體化和計(jì)算機(jī)控制鉆進(jìn)方式。施工現(xiàn)場(chǎng)只需一名操作人員。鉆進(jìn)參數(shù)完全由計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制；鉆具升降等作業(yè)也全部自動(dòng)完成。鉆進(jìn)過程也可在地面的通訊操作室（CCR）做連續(xù)監(jiān)視和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。B-10、B-15、B-20型自動(dòng)鉆機(jī)最大鉆進(jìn)孔深分別為340、600（AQ）、1550m。瑞典海格比（HAGBY）公司開發(fā)成功ONRAM系列1000/4 CCD型和2000 CCD型全自動(dòng)巖心鉆機(jī)（Computer Controlled Drill）。1000/4 CCD型鉆機(jī)鉆進(jìn)能力為750m（BQ鉆桿）。該鉆機(jī)可采集和記錄鉆進(jìn)過程中的13種參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

Atlas Copco公司開發(fā)成功Diamec系列全自動(dòng)鉆機(jī)，為典型適合金剛石鉆進(jìn)的高速低扭矩鉆機(jī)。Diamec系列鉆機(jī)適用于地表或巷道內(nèi)施工，為全液壓動(dòng)力頭式，配備機(jī)、電、液一體化的操作系統(tǒng)。經(jīng)礦山實(shí)際應(yīng)用，具有鉆進(jìn)效率高、鉆進(jìn)成本低和操作簡(jiǎn)易等明顯的優(yōu)點(diǎn)。Diamec264APC型鉆機(jī)配置有3種不同的給進(jìn)長(zhǎng)度（0.8、1.8、3.3m），以適應(yīng)不同需要。近幾年，阿特拉斯·科普柯公司陸續(xù)研發(fā)了DiamecU4APC型、DiamecU6APC型和DiamecU8APC型自動(dòng)化鉆機(jī)。其中DiamecU4APC型屬第二代自動(dòng)化鉆機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)臺(tái)單人操作。DiamecU6APC型鉆機(jī)在DiamecU4APC的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了電子系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的工作能力，其鉆深能力為1000m。作為第三代自動(dòng)化鉆機(jī)代表的DiamecU8APC型鉆機(jī)，在其設(shè)計(jì)中更多地考慮了人類工程學(xué)（Ergonomic），加強(qiáng)了人性關(guān)懷和安全，其鉆深能力為1500m。

（4）我國(guó)XY系列液壓立軸巖心鉆機(jī)

“九五”期間分別研制成功液壓立軸式雙卡盤不停車倒桿和交流變頻雙卡盤地質(zhì)巖心鉆機(jī)?！笆濉逼陂g研制成功了YDX-3型新一代全液壓動(dòng)力頭式地質(zhì)巖心鉆機(jī)，鉆機(jī)適用于金剛石繩索取心、沖擊回轉(zhuǎn)、定向鉆進(jìn)、反循環(huán)連續(xù)取心（樣）等多種高效鉆探工藝方法。

2.3.2.2 地質(zhì)巖心鉆探工藝技術(shù)新進(jìn)展

隨著地質(zhì)工作的整體復(fù)蘇，巖心鉆探工作量在逐年增多。以繩索取心、液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)、定向鉆進(jìn)等先進(jìn)鉆探技術(shù)為主要特征的小口徑金剛石地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)又重新顯示出活力。同時(shí)，地質(zhì)大調(diào)查專項(xiàng)成功實(shí)施以來，鉆探工藝技術(shù)又有了新的發(fā)展。特別是國(guó)家重大科學(xué)工程——中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程“科鉆一井”的圓滿完成對(duì)提高我國(guó)的巖心鉆探工藝水平起到了極大的促進(jìn)作用。

1）液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)有較大改進(jìn)，性能有很大提高，“三合一”鉆具初步研制成功?！笆濉逼陂g研制成功的YZX127液動(dòng)潛孔錘，采用了全新結(jié)構(gòu)，大幅度提高了液動(dòng)錘的能量利用率和穩(wěn)定性，其技術(shù)成果獲得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。在“科鉆一井”施工中創(chuàng)造了單井連續(xù)使用液動(dòng)錘進(jìn)尺3485.69m和使用井深5118.2m兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。自主研制的液動(dòng)潛孔錘+螺桿馬達(dá)+繩索取心“三合一”鉆具在“科鉆一井”主孔5000多米孔深成功鉆進(jìn)一個(gè)回次并取出3.5m長(zhǎng)的完整巖心。證明該套鉆具的研究獲得初步成功。

2）對(duì)VDS垂鉆系統(tǒng)及保真取樣鉆具進(jìn)行了有益探索。多用途微機(jī)自動(dòng)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)與工藝的研究以自動(dòng)控制糾偏為主線，探索利用成熟的傳感器、液壓和機(jī)械等技術(shù)組成機(jī)、電一體化的閉環(huán)控制垂鉆系統(tǒng)，基本解決了由于空間狹小和工作環(huán)境惡劣引發(fā)的各項(xiàng)技術(shù)難題，探索出了一套可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)的工作思路，為今后開展高技術(shù)自動(dòng)垂直鉆井或自動(dòng)定向鉆進(jìn)系統(tǒng)研究，積累了經(jīng)驗(yàn)，為系列化研究打下了基礎(chǔ)。

3）定向鉆探技術(shù)及對(duì)接井鉆井技術(shù)有新發(fā)展。設(shè)計(jì)了適應(yīng)于定向鉆進(jìn)的組合鉆具，改進(jìn)了中低轉(zhuǎn)速螺桿鉆具，使之可適應(yīng)牙輪鉆頭、金剛石鉆頭及復(fù)合片鉆頭；編制了定向鉆進(jìn)與水平鉆進(jìn)設(shè)計(jì)與控制軟件；改變了水溶性礦產(chǎn)的采礦方式，大大提高了采礦效率和礦產(chǎn)資源利用率。完成了2對(duì)近3000m深井對(duì)接井，開創(chuàng)了我國(guó)對(duì)接井技術(shù)的新紀(jì)元，實(shí)現(xiàn)采鹵對(duì)接井的重大技術(shù)突破。

4）中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程“科鉆一井”的圓滿完成。2005年12月17日“中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程新型鉆井技術(shù)體系的研究與應(yīng)用”科技成果通過了國(guó)土資源部的鑒定。該項(xiàng)目創(chuàng)造性地將“組合式鉆探技術(shù)”、“靈活的雙孔方案”和“超前孔小直徑取心鉆進(jìn)方法”有機(jī)地結(jié)合起來，形成了獨(dú)具中國(guó)特色的科學(xué)鉆井技術(shù)體系。該新型鉆井技術(shù)體系主要由井底動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的沖擊回轉(zhuǎn)取心鉆探技術(shù)、硬巖大直徑長(zhǎng)井段擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)、強(qiáng)致斜地層井斜控制技術(shù)、性能優(yōu)良的LBM-SD泥漿體系、小間隙固井及活動(dòng)套管應(yīng)用技術(shù)、孔內(nèi)事故預(yù)防處理技術(shù)、鉆探數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)等組成?！翱沏@一井”的成功實(shí)施及其所取得的科技成果對(duì)我國(guó)地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)水平的提高起到了極大的推動(dòng)作用。

5）新型鉆探碎巖方法還在不懈探索。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）建成了“熱熔鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，針對(duì)松散、卵礫石地層進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）聲頻振動(dòng)鉆機(jī)及鉆探技術(shù)研究正在進(jìn)行，定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控和中靶系統(tǒng)研究也已啟動(dòng)。吉林大學(xué)生物非光滑理論與仿生金剛石鉆頭研究已取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。