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深孔钻探技术装备与施工工艺
有色金属地质地质勘查队伍有其自身特色，在内生金属矿床的勘查方面积累了丰富的经验。由于内生金属矿床成因复杂，成矿作用中严重受到地质构造的制约，因而岩石的完整程度和力学性质差异较大，钻孔施工中易遇见诸如破碎带和蚀变带取心、硬岩钻进、钻孔弯曲、钻孔坍塌涌漏等技术问题。特别是在“攻深找盲、探边摸底”工作中，钻孔深度相对较深，钻进中所遇到的技术难题将成倍增加。若在老矿区的外围和底部勘查，受到前期采矿的影响，采空区密布，岩石松动，钻探施工所遇到的问题将超乎想象。
藤吉文院士提出，岩石圈内部第二深度空间金属矿产资源的探测深度是500~2000m。若设计钻孔深度2000m，按0~500m孔段，市场价每米钻探费用500元为基础，孔深每增加300m钻探费用提高30%计算，1701~2000孔段，每米平均价1856.47元（各孔段钻探费用计算见表1），则单孔费用将需要201.3万元。若每300m孔段，钻探费用增加40%计算，则单孔费用将需要254.8万元。
表1                         单孔段钻探费用计算表
孔段（m）
0~500
501~800
801~1100
1101~1400
1401~1700
1701~2000
孔段增幅
孔段单价（元/m）
500.00
650
845
1098.5
1428.05
1856.47
30%
孔段单价（元/m）
500.00
700.00
980.00
1372.00
1920.80
2689.12
40%
单孔费用的计算只是按市场价为基础，若按《国土资源调查预算标准》，单孔费用还要增加。一个钻孔投入200余万元人民币，对地质勘查的决策和投资部门是一笔巨额费用，同时对钻探施工寄予很高的期望值。
（一）深孔钻探设备及工器具
1、钻机的选型
勘查深度1500~2000m的钻孔，受地层完整程度、岩石力学性质、钻孔口径、钻孔设计顶角等因素的影响，对钻机性能提出了较高的要求，选用重心较低、变速范围较宽、立轴行程较大的油压钻机较为适合。我局现有的XY-5、XY-6B立轴式钻机和CS1000P6、CS3001型全液压钻机，可以满足1000~2000m深孔的钻探要求，实际工作中按钻孔的设计深度选择钻机，见表2。需要注意的是，CS3001型全液压钻机属于自行整装式，可拆性差，爬坡能力25°，钻机本体宽度2.7m，爬行时自重22吨，适用于平原、丘陵作业，若在山区施工必须修施工便道。
表2              钻探设备选型表
钻孔深度（m）
1000-1200
1200-1500
1500-2000
钻机型号
XY-5、CS1000P6
XY-6B
CS3001
注：终孔口径以φ75mm为基准。
2、其它配套设备
为了提高施工速度和质量，常采用绳索取心钻进工艺。鉴于钻孔深度较大，钻孔内环状间隙较小，冲洗液或泥浆的压力损失较大，采取加大钻头外径措施后，BW320型泥浆泵基本可以满足2000m深孔钻进对压力的要求。而动力机则应与钻机和泥浆泵的需求相配套。至于钻塔除对强度和承载能力有严格要求外，其高度可以适当放宽。
3、钻杆的规格与型号
深孔钻探施工不确定因素较多，钻杆受力复杂，承受扭矩较大，钻杆和接头所用的材质要有足够的抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪强度；丝扣的连接必须牢固可靠，易拧卸，密封性能好。为提高钻杆强度，可以加大钻杆壁厚，但是势必增加钻杆的重量，增加回转阻力，相应地降低了同型号钻机的钻进深度。国外在深孔岩心钻探中多采用铝合金钻杆，重量约为钢钻杆的1/2。由于壁厚增加，耐磨性强，寿命增加，抗冲击能力强，抗腐蚀性强。建议在增加技术装备时，采购铝合金钻杆进行大胆尝试。
目前内生金属深孔钻探，常用金刚石绳索取心钻进工艺，φ75口径为常规钻孔口径，国外钻杆采用NQ系列（φ69.9mm），国内钻杆采用φ71×5mm钻杆。
为保证深孔施工达到设计深度，将φ60口径作为备用口径，每个地勘单位应配备一套满足孔深要求的φ56×4.75mm绳索钻杆和取心钻具；为满足复杂地层护壁堵漏的需求，尚应配一套φ54×6mm普通钻杆和相应的钻具。
4、对取心工具的要求
现有的绳索取心钻具在一般地层可以保证岩矿心采取率，而对于蚀变带、破碎带岩矿心的采取应研制或引进质量可靠的取心钻具。石油钻进取油心的钻具质量可靠，但外径较大。如何根据石油采心钻具的结构，研制出φ75口径的质量钻具，将是实践中探索研究的内容。
5、对钻头结构和寿命的要求
深孔钻进使用绳索取心钻进工艺，由于钻杆外径与孔壁环状间隙较小，冲洗液在孔底循环时压力损失较大，随着钻孔的不断加深，泵压会急剧增高，影响正常作业。根据孔深、岩石松软破碎程度、是否使用泥浆等具体情况，适当加大钻头外径加大，控制在2~5mm之间。同时还应遵循钻头排队使用等技术规则。
深孔钻探用钻头，要有较高的使用寿命和钻进速度，延长钻头在孔底的工作时间，最大限度的减少起下钻次数。目前我国金刚石机械岩心钻探所用的钻头，多为国产人造金刚石孕镶钻头，金刚石级别偏低，钻头寿命偏短。在钻孔深度超1000m之后，回转阻力增加，孕镶金刚石钻头所需要的高转速开不起来，可考虑采用天然金刚石表镶钻头或研制高寿命的人造金刚石孕镶钻头。为提高硬岩钻进效率，多准备异性唇面得金刚石钻头。
（二）深孔钻探施工设计与技术
1、深孔钻探施工技术设计
深孔钻探投入较大，地质期望值较高。要保证每个钻孔达到设计目的，必须有一套完整的施工技术方案，即按钻孔编制《单孔施工组织设计》。设计包括矿区地层条件和岩石的物理机械性质，设备与动力的选择，钻探机具与钻进方法的选择，钻孔结构与技术套管设计，冲洗液与钻进参数，质量与安全措施，效率与施工进度设计，施工组织与管理等。
2、钻孔结构与钻孔口径
根据地质设计要求，首先确定钻孔的终孔口径，再依据地层的复杂程度、采用的冲洗液类型、护孔方法、工艺技术，按照经济实用的原则，确定钻孔的孔身结构。
内生金属矿床岩石较硬，可能存在大量的破碎带，一个钻孔可以见到数层或数十层矿。2000m以浅的钻孔，终孔口径确定在φ75mm，若大于2000m，终孔口径确定在φ60mm。
岩石相对完整，钻孔结构简单。开孔口径φ110mm，以φ75mm绳索取心钻进至终孔，φ60mm口径做备用。
钻孔岩石比较破碎，节理、裂隙发育，破碎带、断层频繁出现，必须采用泥浆有效地护壁。这类钻孔开孔口径可以设计到φ150mm或φ130mm，准备φ127mm、φ108mm、φ89mm技术套管。仍以φ75mm为常规口径，φ60mm为备用口径。特殊情况下，φ75mm绳索取心钻杆也可以作为技术套管。
地质设计需要孔内测井或进行井中物探方法试验时，应根据入井仪器的外径确定钻孔的终孔口径，依次确定上部的钻孔结构。深孔施工费用较高，一次性投入较大，但获取的地质信息量也是大量的，当地质部门对钻孔口径有特殊要求时，应以地质部门设计为准。
3、深孔钻进冲洗液配方及性能指标
深孔钻进岩层复杂程度要比浅孔高若干倍，施工难度大，因而冲洗液的性能应满足深孔钻进要求。当进入一个新区，缺乏深部岩层资料时，从开孔就以泥浆作为冲洗液，在保证孔壁稳定的同时，简化钻孔结构，减少技术套管的入井量。根据不同地层条件，泥浆配方和性能指标推荐如下：
较稳定地层采用不分散低固相泥浆。制备1m3泥浆，加粘土粉30~40kg，Na2CO3 1~2kg，水解聚丙烯酰胺（PHP）0.2kg，聚丙烯酸钙（CPA）0.2kg。泥浆性能：比重1.02，粘度18~20s，失水量小于20ml/30min。
水敏地层、坍塌掉块地层的泥浆（腐植酸钾泥浆）。制备1m3腐植酸钾泥浆，加粘土粉50~80kg，Na2CO3 3~4kg，腐植酸钾3~5kg，Na-CMC 0.5~0.8kg。泥浆性能：比重1.15~1.20，粘度20~30s，失水量4~10 ml/30min，pH值9~10。
裂隙地层、涌水地层的泥浆（钠羧甲基纤维素泥浆）。制备1m3的泥浆，加粘土粉150~200kg，纯碱5~10kg，Na-CMC 6kg。泥浆性能：比重1.3，粘度30~40s，失水量小于8 ml/30min。
当有深部岩层资料后，完整地层可选用清水加润滑剂或无固相冲洗液，以实现快速钻进。
深孔钻进应针对地层的复杂程度合理配置泥浆并保持良好的护壁性能，将有利于钻进效率和钻孔质量的提高。深孔钻进必须配备泥浆性能指标测试仪，建立良好的泥浆循环系统，并配备有效的除砂设备。泥浆性能指标随着钻孔的逐步加深、岩性变化适当调整。
4、钻进技术参数
深孔钻进的钻压和转速不同于普通的浅孔，在800m以前的孔段可采用常规的钻进参数，当孔深大于800m之后，只要钻机有能力，尽量保持高转速，压力应根据岩石力学性质、可钻性、钻头的唇面形状和防斜的需要适时调整，泵量则根据环状间隙和钻进效率适度调整。
5、预防孔斜措施
地层促斜作用，导致钻孔严重弯曲。河南省桐柏县大河铜矿区设计钻孔顶角8°，孔深400m时钻孔轨迹偏离勘探线60m；国内某钻探公司在非洲施工，孔深1300m时偏离勘探线300m，钻孔严重弯曲导致未能钻穿预想的隐伏矿体，使巨额投入未达到地质目的。深孔钻进在防斜方面应采取如下措施：控制钻杆与孔壁间隙；采用不同类型的钻头，并控制钻压；在用加大尺寸钻头时，使用扶正器；换径时采用导正钻具。
6、深部钻孔的测井技术
深孔钻探除采取岩矿心、地质编录外，还应采用孔中物探测井技术，提高钻孔的利用程度，为地质找矿获取更多的地质信息。