金剛石深孔鉆進的特點與展望

張紹和，周 侯，韋文杰

（1.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

礦產資源對人類生存和發展而言是重要的物質基礎，礦業在我國產業經濟中處于“上游”地位，對社會產業鏈有極大影響。我國歷來是礦產貧乏（人均占有量）的國家，無論是黑色金屬還是有色金屬，乃至非金屬礦產。各屆政府一直將礦產資源勘探和開發擺在相當重要的位置。社會制度決定了我們不能通過掠奪來獲得國外資源，只可以通過互惠互利的原則從國外獲取所需資源。但是，這往往會因國際形勢的變化而受干擾。目前，中共中央、國務院推行“一帶一路”倡議，已初見成效，但立足國內、立足西部、立足深孔鉆進，仍是獲得礦產資源的主要方向，為此本文就深孔鉆進問題進行綜述討論。

1 國民經濟高速發展，需要大量礦產資源

1.1 國內礦產資源消耗及需求情況

改革開放以來，我國各項事業發展迅速，國民經濟快速增長。但經濟快速增長的同時，帶來的問題是礦產資源的逐步消耗和需求量巨大?；谖覈洕鐣l展的階段性特征與資源國情，礦產資源的快速消耗將會持續一個很長的時期，其消耗態勢短期內將難以逆轉（如圖1）。因此，資源的供需矛盾將會愈發突出，亟待解決。

圖1 中國礦產資源需求趨勢Fig.1 Import of important minerals in 2010

隨著我國工業化、城市化進程的推進，未來社會經濟有可能仍然主要依靠基礎設施建設、城市住房建設和汽車交通支柱產業的發展來促進經濟增長，這對主要金屬需求極其巨大（如鋼鐵、鋁、銅、鉛、鋅等）。由于我國是人口大國，人均礦產資源占有率低，同時伴隨我國龐大經濟體的發展要求，資源消耗量將是一個龐大的數字，在未來幾年，礦產資源緊缺的問題將會進一步加劇。根據我國《2008－2015年礦產資源規劃》預測，到2020年，煤炭消費量將超過35億噸，石油消費量為5億噸，鐵礦石13億噸，精煉銅730～760億噸，消耗量大。同時，我國45種主要礦產中有19種礦產存在不同程度短缺，對外依存度大，如表1所列：2010年鐵礦石對外依存度達64.7%，銅礦74.6%，鋁礦52.7%，我國重要礦產資源供需形勢不容樂觀，處境被動。

表1 2010年重要礦產品進口量Table 1 Trends in demand for mineral resources in China

對于國內礦產資源的需求情況，見圖1所示的預測。總體來看，未來10～15年中國礦產資源需求將出現分異：鐵、磷、錳等礦產資源的需求已達峰值，將呈緩慢下降趨勢；而煤炭、鋁、鎳、鉛、鎢等礦產資源的需求量將陸續達到峰值；清潔能源需求量（如天然氣、石油、鈾等）持續增長；戰略性礦產資源需求量（鈹、鍺、鎵、銦、鍶等）將長期持續增長?？傮w而言，在未來10～15年，中國礦產資源的需求總量仍呈增長趨勢［1］。

1.2 國內礦產資源現狀

中華人民共和國成立以來，我國開展了大規模的地質勘查工作，加強對礦產資源的普查，取得巨大成就?，F已發現171種礦產，探明有一定含量的礦產資源158種，是世界上礦產資源最豐富、種類最齊全的幾個國家之一。其中，煤、鋁、鎢、錫、銻、稀土、菱鎂礦、瑩石、膨潤土、芒硝、石膏、滑石礦等礦產資源在開采量上連續多年居于世界前列。我國諸多礦種在數量、質量上都具有明顯優勢，有較強的國際競爭能力和資源潛力。表2列舉出2009～2010年我國主要礦產品產量；2010年我國新增查明資源儲量見表3。

現階段，我國礦產資源的主要特點［2－3］是：（1）礦產資源總量豐富，品種齊全，但人均占有量少；（2）礦產質量貧富不均，貧礦多，富礦少，開發利用難度大，大多數金屬礦產保有儲量低，可利用的經濟基礎儲量少；（3）支柱性礦產的質量和產出條件差；（4）資源分布與加工消費區不匹配；（5）共生伴生礦多，單礦種礦床少，分選冶煉困難，綜合利用水平低。

表2 2009－2010年我國主要礦產產量Table 2 Major mining production in 2009－2010in China

表3 2010年我國新增查明資源儲量Table 3 New found resource reserves in 2010in China

1.3 國內礦產資源區域分布情況

由于我國地質構造特點，地質區域發育差別較大，分區較為明顯，決定了我國礦產資源的地區分布不均衡，差異大。如天山－陰山及秦嶺構造帶因歷次造山運動受巖漿活動影響，形成以稀土、鎳、鉻、鉬、鉛鋅、金、鐵等為主的多種金屬礦帶；而南嶺區域構造帶則形成鎢、銻、錫、鉛、鋅、汞等有色金屬礦帶。從礦產種類區域分布上看，煤炭主要分布于北方17省區，占全國總量的89%，南方14省區僅占11%；鐵礦集中在遼寧、四川、河北三省，儲量占全國的50%；鉻礦主要分布于西藏和新疆；磷礦集中于湖南、云南、湖北、貴州和四川五省；銅礦主要集中在江西、西藏、云南、甘肅等地區；陸上石油主要分布在黑龍江、河北、山東、新疆等少數省份。礦產資源的地域分布差別大。

據有關統計，我國的鐵、錳、鋁、鋅、鎢、銅等15種重要的金屬礦產資源中，有37%分布于我國西部地區，38.8%分布于中部地區，而在經濟發達的東部僅擁有總量的24.2%，這種資源分布區域與資源的消費區域不相協調，對資源開發利用難度大。

就資源分布區域而言，西部地區仍是我國重要的礦產資源后備區，潛力巨大。因此，隨著經濟建設逐步推進、資源消耗逐漸加大，我國對西部區域的礦產開發力度將會逐漸加大，礦產資源的勘查與開發將逐漸向西部地區進行戰略轉移，當前的西部大開發戰略便是實現資源開發戰略轉移的有益舉措。

2 深部找礦是我國長期戰略方針

2.1 國外深部找礦勘探成果

2.1.1 加拿大薩德伯里礦

薩德伯里礦區位于加拿大地盾南部，橫跨三個不同的地質構造單元。礦區主構造為一向斜盆地，長軸延伸60km，短軸約27km。經過多年對礦區的勘探，在該地區內發現數量規模巨大的礦田（包含40余個礦床，其中大型礦床10余個），不僅礦物種類豐富，且大小礦床集中分布，具有重要的經濟價值。該礦區內的主要礦產資源為鎳金屬礦，據估算，礦區內鎳金屬資源量達1000萬噸以上，是目前世界上最大的鎳銅礦產地。

薩德伯里礦區的勘查始于19世紀中葉，到了20世紀80年代，該礦區實施井中瞬變電磁測量方法，發現了埋深在2400m，儲量達420萬噸的維克多主礦體和底板礦帶；1991年，同樣運用井中物探＋深鉆的勘探方法在東麥克瑞迪發現埋深1000～1500m的底板礦，儲量增加680萬噸；近些年，運用深部鉆探和井中瞬變電磁法的組合，圈定深部隱伏礦床，并且成功地在接觸帶以下的底板中發現含量豐富的底板型礦床，如：采用UTEM系統探測到深度在3000m，離開鉆孔300m的大礦體，并確定其位置、形態、規模等。

薩德伯里礦區在深部找礦勘探方面取得了巨大的成果，運用了新技術和新方法不斷向地下深部區域進行地質勘探，發現了儲量豐富的礦產資源，具有巨大的經濟價值，是深部找礦的成功案例，值得我們學習與借鑒。

2.1.2 南非蘭德金鈾礦

南非維特瓦特斯蘭德盆地是世界上最重要的金礦產地，近百年來黃金產量居世界各種類型金礦之首。蘭德盆地位于南非共和國約翰內斯堡以南，沿盆地北、西、南三面分布有7個金礦田，總計有100多個金礦床。南非非常重視找礦新方法的應用和研究，找礦工作中注重效率。如：根據東蘭德金礦田在含金礫巖層下部一定距離有一層磁性頁巖的特點，首先通過磁法確定隱伏和半隱伏的磁性頁巖層，然后通過深部鉆探的方法，最終達到找礦目的。目前，在深部開采方面已取得不錯的成果，開采最深的礦床是卡勒頓維累（Carlrtonville）金礦田的 Western Deep Level金礦，現已開采到地下4800m［5］。

圖2 薩德伯里南部礦區Fig.2 Southern mine of Sudbury

2.2 國內近年深部找礦勘探成果

國內在深部找礦方面也初見成果，2016年山東省第六地質礦產勘查院承擔了山東省招遠市玲南礦區深部及外圍金礦詳查項目。該項目在野外施工條件差、深部找礦難度極大的不利條件下完成機械巖心鉆探2.7萬余米，其中鉆探孔深最深為1902.02m，平均孔深1562m。該項目深部找礦工作通過對部分勘探線鉆孔進行分析研究，后期在主裂面之下近200m處揭露到厚大的破碎蝕變帶，結合現場取樣化驗，見品位較高、厚度較大的金礦體。最終提交一處金礦資源含量近60t的特大型金礦床。

該項目是深部找礦的重大突破，也是實施“攻深找盲”戰略的成功實例，為臨近礦山深部找礦提供了成功的找礦經驗，對國內外同類型金礦礦床深部找礦工作具有很好的指導和借鑒作用。

2.3 深部找礦前景與戰略方針

經過數十年的礦產勘查與開采，我國淺部地層的礦產資源已開采殆盡，地質找礦逐步從過去的淺部（300m以內）、中深部（300～1000m）轉向深部（大于1000m）甚至超深部勘探（大于3000m）［6－7］。國務院前總理溫家寶曾在中國地質工作50周年紀念大會上指出，“要在市場需求和有資源潛力的老礦山周邊或深部，努力探尋新的接替資源”。《國務院關于加強地質工作的決定》中更是提出以國內急缺的重要礦產資源為主攻礦種，兼顧部分優勢礦產資源，按照東部攻深找盲、中部發揮特色、西部重點突破、境外優先周邊的方針，實施礦產資源保障工程。最新成礦理論研究及深部定位預測驗證結果表明，在地下500～1500m深度范圍內見礦范例多、儲量大，也表明我國大陸深部礦產資源開發潛力巨大。至此，深部找礦已成為我國地質找礦事業的發展方向，具有廣闊的前景。

結合國內外深部找礦經驗，我國現階段深部找礦戰略方針主要從以下幾方面著手：（1）加強深部成礦作用與成礦預測理論研究，對已有的理論、假說、模式等，不應拒絕，也不能肓從，要在實踐中不斷修正；（2）加強已知礦床深部及旁側部分的勘探，多數新發現的礦產都產在已知成礦區帶內；（3）在深部找礦過程中，應結合已有基礎進行創新，多采用新思想、新技術、新設備、新方法進行指導，在提高深部找礦過程中勘探效率的同時，提高深部找礦成功率；（4）當前我國礦產資源勘查的有效投入仍不足，地質找礦的突破需要大量資金投入，國家應繼續加大礦產勘查的投入，給予政策支持，加強西部礦產資源勘查力度的同時依靠科技進步提高在中東部“攻深找盲”的勘查水平，充分挖掘中東部資源潛力。

3 現階段金剛石深孔鉆進的特點

鉆探是獲取地質巖心資料，對地層內部情況進行觀察和分析最直接有效的手段。隨著勘查進尺的加深，對鉆探過程也提出了很大的挑戰。金剛石鉆進由于在堅硬巖層中有著優良的鉆進效果被廣泛用于深孔鉆進取心過程中。但由于在深孔中地應力極大，在較大的圍壓下巖石趨于完整堅硬致密，使鉆進尤為困難，進尺緩慢。同時，在深孔中鉆孔內的條件錯綜復雜，存在如孔內溫差較大、巖石硬度高、鉆孔偏斜愈加明顯等問題，對金剛石鉆頭、鉆具、鉆井液等都有很大影響，一旦其中某個環節出現異常，更換鉆頭、起下鉆等輔助處理環節極其耗時，將變成一個不可忽視的問題，會嚴重影響整個勘探過程的進行。因此，高效長壽命鉆頭、防打滑鉆頭、耐高溫鉆井液、鉆孔的防斜與糾偏等問題都成為金剛石深孔鉆進中亟需解決的問題，仍需依靠不斷研發鉆探新技術、新方法和新設備來彌補當前深孔鉆進中存在的不足之處。

3.1 近年我國深孔鉆探設備的發展

在進行過深孔鉆進過程中，選擇合適的深孔鉆探設備尤為重要。在選擇深孔鉆探設備時，應考慮以下幾個因素：（1）優良的生產性；所選用鉆探設備生產效率要高，以提高整個勘查過程的生產效率，節約勘探用時。（2）可靠性強；鉆探設備在整個使用過程中性能穩定，主要表現為零部件配合精度高、零件耐用可靠，操作簡易安全，能提高生產質量。（3）能耗低；使用清潔能源，能源利用率高，節約性好。（4）通用性強；設備所使用的結構簡單，零部件易于拆卸、檢查、維修，能實現通用化、標準化，互換性強。滿足以上要求的設備可作為深孔鉆進中經濟效益最優的鉆探設備。近年來，國內在深孔鉆探設備的研發中也取得了不錯的成果［8－9］。

2010年，福建省121隊深孔施工選用XY-6B型鉆機、BW-320型泥漿泵、120kw柴油發電機組、加重型ZTl7A四角鉆塔的主要鉆探設備和SJ-3000繩索取心絞車，自制攪拌機，加強提引器、加重型閉式木馬夾持器，BSSG-III型小口徑高速水龍頭等鉆探附屬設備，能夠滿足孔深1200m～1800m，終孔直徑77mm的繩索取心深孔鉆進施工要求，并取得了較好的經濟技術指標。在現場使用中累計完成鉆探進尺25000m，特別是在福建省龍永煤田東門地礦區施工1305號鉆孔時，終孔直徑77mm，孔深1427.2m。

2012年，在汶川地震斷裂帶科學鉆探項目（WFSD）中，使用了中國地質大學研究團隊自主研制的我國首套科學鉆探專用設備，包括KZ3000型全液壓鉆機以及深部鉆探配套用高壓泥漿泵和鉆桿鉆具等。該套設備集全液壓、高速頂驅、大口徑、深部取心于一身，具有綜合能力強、工藝適應性廣、操控智能程度高等特點，在WFSD-2孔深部取心鉆探中，各項功能滿足設計要求，應用情況良好。深孔取心鉆探設備作為我國在全液壓大口徑深部取心鉆探設備的全新嘗試，經過 WFSD-2孔實鉆驗證，探索了一條可完成頂驅取心鉆進和轉盤擴孔鉆進功能的低成本深孔取心鉆探設備的技術路線。該配套設備的研發，對提高我國深孔鉆探設備的發展水平具有重要的意義。

在深孔鉆進中的防斜、治斜和孔底監測問題上，國內也取得一定的成果［10－12］。2010年新疆哈密白山鉬礦深孔鉆探過程中，當時ZK15-5孔發現孔斜問題，在孔深1268～1368m段，針對該孔斜問題，使用了SYZX75型繩索取心式液動錘，同時配以采用液態聚合物為主處理劑的無固相泥漿進行處理，最終經過多次測斜后發現鉆孔偏斜趨勢有所緩減，取得了預期效果。同時在深孔孔底監測問題上，專利中介紹了一種深孔鉆進中孔底參數實時監測系統，主要包括安裝于鉆桿上且位于孔底處的信息采集裝置與信號發射裝置，以及位于地表上的接收裝置。該系統可采集各種鉆進參數，能夠減少深孔鉆進過程中的孔內事故，提高鉆探效率。

3.2 近年我國深部鉆探工藝的進展

鉆探工藝對整個鉆進過程影響極大，選擇合適的鉆探工藝、優化鉆進規程能在很大程度上減少孔內事故、提高整個鉆進過程的工作效率。鉆探工藝包括許多方面，如所采用的鉆具結構、取心工藝和鉆井液配方體系等。在深部鉆探過程中，隨著孔深的不斷增加，孔內情況也逐漸變得復雜，地應力越來越大，巖層愈加堅硬致密，孔內溫度逐漸升高。這些都對整個鉆探過程提出了更大的挑戰。相比于淺孔鉆進，隨著進尺的增加，深孔鉆進的難度會呈幾何倍數遞增。針對上述問題，部分研究人員采取一些有效的處理方式，使上述問題得到部分或根本解決。

3.2.1 深孔鉆進用金剛石鉆頭

在進行深部鉆探過程中，起下鉆的輔助過程極其耗時，鉆孔越深，起下鉆耗時越長，進尺速度越慢，經濟效率越下降。同時，在深部地層中，多見于花崗巖巖層，巖石趨于堅硬致密，常用的碎巖工具是孕鑲金剛石鉆頭，但在這種類型的地層中進行鉆進時，鉆頭容易出現打滑不進尺的情況，無法吃入地層對巖石進行有效破碎，即使能有效碎巖，鉆頭也會由于磨損較快導致壽命降低，需要重新起鉆更換鉆頭，這嚴重影響了鉆進效率。為了解決深孔鉆進出現的問題，繩索取心鉆具、高強度鉆桿、井下更換鉆頭和高效率長壽命鉆頭等新技術新方法便應運而生，都在一定程度上提高了鉆進效率。鉆頭是碎巖取心的主要工具，近年來研究人員對適應于深孔鉆進的新型取心鉆頭進行研制，取得了不錯的效果。為了提高鉆頭的使用壽命，有研究者通過提高鉆頭工作層高度、配合增加水口數量方法，設計了一種高胎體多水口鉆頭，應用于深孔鉆進［13］，如圖3所示。

圖3 高胎體多水口鉆頭Fig.3 High matrix multi-nozzle bit

普通鉆頭的工作層高度為5～7mm，該鉆頭的工作層的高度提高至15～22mm左右，同時配合更多的水口以提供足夠多的沖洗液來冷卻鉆頭、排除巖粉，降低胎體中金剛石的熱損傷，以提高鉆頭的使用壽命，使其能克服深孔鉆進中鉆頭容易過早失效的問題。研究人員通過相關試驗證明，相比于常規同規格孕鑲金剛石鉆頭，該類型鉆頭的鉆進效率獲得提高的同時，使用壽命也提高50%左右。在該類型鉆頭的優化設計中，更是有研究者做出了改進，如文獻［14］中所介紹的鉆頭，在鉆頭工作層不同高度部分鑲嵌不同粗細的超硬材料來保持高胎體鉆頭的使用性能，如圖4所示。

圖4 高胎體鉆頭及其胎體情況Fig.4 High matrix bit and matrix condition

高胎體設計雖然能提高鉆頭的使用壽命，但鉆頭長時間在井底工作過程中，鉆頭唇面內外徑容易出現不均勻磨損的現象，使鉆頭唇面出現斜坡形唇面，進而加速鉆頭的磨損，這對鉆頭使用壽命的保持是不利的。因此，有研究者對鉆頭的結構進行優化改進，采用扇形水口結構設計了扇形水口高胎體鉆頭，使鉆頭在長時間工作過程中內外圓弧高度方向基本相同［15］。

適應深孔鉆進鉆頭的設計和優化改進也是一個綜合問題［16］，有研究者通過從鉆頭結構改進、金剛石選擇與匹配、原材料優選、配方創新、制造工藝優化及針對地層優化性能參數等幾個方面入手，研制新型鉆頭。文獻［17］所介紹的鉆頭，通過提高工作層高度、加大鉆頭外徑、加寬水槽寬度、選用階梯齒形唇面、采用復合保徑、選用高質量金剛石顆粒、優化胎體配方、優化燒結工藝和結合地層進行設計的綜合的方法，設計了適用于深孔鉆進的新型高胎體低溫燒結鉆頭，并通過野外現場試驗驗證，取得了較好效果。

3.2.2 深孔鉆進用沖洗液

沖洗液作為鉆探的“血液”，在鉆探過程中起著極其重要的作用，深孔鉆進中所使用的沖洗液要經受更大的挑戰。在深孔中進行鉆進，沖洗液流所經過的地層更多，與地層之間的相互作用更為明顯，特別是進入深部地層時，由于高的地熱溫度，使沖洗液的性能會發生變化，如黏度改變會導致沖洗液的攜粉和冷卻鉆頭的能力發生大的變化。因此，在進行深孔鉆進時，對沖洗液配方必須進行進一步的改進。在鉆孔沖洗液的配方研究上，現已有許多成果可以借鑒［18－19］，以下作一簡要介紹。

鉆進上部較松散、易坍塌的覆蓋層應采用護壁性能較好的泥漿。如有研究者提出了參考配方：純堿＋膨潤土＋中粘纖維素＋植物膠＋聚丙烯酰胺（PHP）；泥漿性能參數：黏度控制在35s以內、密度1.03kg／L、失水量11～15mL、pH 值8.5。鉆進較長孔段的硬脆碎地層和松散的易坍塌掉塊地層時應采用護壁性能較好的優質低固相泥漿，有研究者推薦選用的泥漿體系為：燒堿＋膨潤土＋高粘纖維素（Na－CMC）＋植物膠＋PHP；泥漿性能參數：黏度18～25s、密度1.03～1.05kg／L、失水量10～15mL、pH 值8～9。500m以上深孔中鉆進研究者推薦選用無固相沖洗液配方：PHP（1200萬～1500萬分子量）0.1～0.3kg／桶、纖維素0.4～0.6kg／桶（煮溶后添加）、CR650為50～100g／桶、POL用50～100g／桶、植物膠2－4kg／桶、潤滑劑2～4kg／桶。

3.3 金剛石深部鉆探的優勢

金剛石鉆進在深部鉆探中的優勢主要體現在以下幾個方面：（1）金剛石鉆頭在堅硬地層中鉆進具有優良的使用效果［20］。金剛石鉆進對堅硬巖石的破碎效果高于硬質合金，能適應深孔的要求。（2）硬質合金鉆進、沖擊鉆進等其他鉆進方法在深孔鉆探中經濟性較差，隨著勘探深度的增加，勘探成本呈幾何倍數遞增，達不到勘探所需要的經濟效果。而金剛石鉆進在深部鉆探中卻能保持良好的經濟性，性價比高。（3）與金剛石鉆頭配套的繩索取心鉆進，能實現不提鉆取心鉆進，在深孔鉆進中能減少起下鉆時間，在一定程度上提高勘探的工作效率，節約勘探成本。（4）一系列與繩索取心相關的技術可應用在深孔鉆進中，指導深部鉆探。如深孔孔內參數實時監測、參數采集和隨鉆預警等技術，使信息化程度提高。

4 結論與展望

（1）隨著資源的開發與利用，對地層深部礦床資源的勘探與開發已迫在眉睫，我們要順應時代的潮流，進行西部大開發，加強西部礦產資源的勘查力度。同時依靠科技進步提高中、東部“攻深找盲”的勘查水平，充分挖掘中、東部資源潛力，進行深部找礦工作，這是具有重要意義的工作。

（2）在進行深部勘探過程中，應結合現有基礎進行技術革新，多采用新思想、新技術、新設備、新方法等進行鉆探工作指導，在提高深部找礦過程中勘探效率的同時，提高深部找礦成功率。

（3）金剛石鉆進在深部鉆探中具有非常明顯的優勢，現階段已有許多研究成果可供借鑒，相信隨著時間的推移，金剛石在深孔鉆進中的優勢將會在深部鉆探過程中逐漸彰顯出來，在深部找礦工作中發揮越來越大的作用。