钻探工程

215 编辑：中冶有色技术网来源：吴灿辉陈惠明赵华邹道全

2024-03-04 15:34:10

【摘要】作为地质和矿产勘探的主要手段，钻探工程通过钻取岩心为揭示地下地质、矿产信息提供了重要保证。究竟什么是钻探工程？它在探秘地下世界的过程中又是怎样发挥作用的？围绕上述问题，并结合福建马坑特大型铁矿的钻探实际，从矿产资源与生产生活息息相关的角度出发，针对钻探工程在矿产勘探中的地位和作用，对其建立起整体认识，进而对其基本工作过程进行介绍，并从古代、现代钻探技术的发展过程，对其未来的发展趋势做出分析和介绍。随着钻探智能化、信息化程度的不断提高，其在地下探秘寻宝过程中也将发挥更重要的作用。

【关键词】钻探工程,地下探秘

1.钻探工程的任务和作用

人类总是对未知的事物充满了好奇，所谓“上天难，入地更难，为了把“天外世界探个究竟，我们派出了宇宙飞船和航天飞机，宇航员用肉眼目睹、用仪器记录了“外面世界的精彩。同样，我们对于无法“眼见为实的“地下世界也充满了好奇，而向地下进行钻探就为我们探索地球内部奥秘提供了有力武器。

矿产资源是社会生产和发展的重要物质基础，随着我们对矿产资源的日渐消耗和日益依赖，找到更多的矿产资源也日益紧迫和重要。我们时常可以看到，青山绿水间现代化的矿业企业进行矿石开采、优选和运输的繁忙景象，福建马坑铁矿就是其中的一个代表。作为华东地区最大的铁矿，如今，大量的铁矿资源从这里运往各地，为经济发展和工业生产提供重要的原材料，同时也创造着巨大的经济效益。而找到这样一处地下宝藏却并不容易，它离不开广大地质勘探人员的智慧和辛劳，也离不开大量的时间和资金投入。

寻找这些地下宝藏的过程我们称之为矿产资源勘探。勘探的手段有多种，主要包括地质方法、地球化学勘探、地球物理勘探、钻探等。这些方法扮演的角色也有差异，其中地质方法主要是根据野外观察、踏勘及相关资料进行理论上的分析和判断,地球化学勘探主要是对野外的岩石或土壤样品进行化学分析，了解其中的微量元素与矿物生成之间的关系,地球物理勘探则主要是利用专用仪器对地下情况进行声波、电磁波等物理参数的探测和分析。但这三种手段都是间接描述地下情况，缺乏直观性，这似乎并不能满足人们的好奇心。于是人们想到一个办法，使用特殊的工具在地下钻一个孔，将孔内的岩石提取到地面来一看究竟，这种方法我们称为岩心钻探。

从专业角度讲，岩心钻探就是用钻机按一定角度和方向向地下钻孔，并在孔底保留岩心，而且主要以提出的岩心来研究、了解地下地质和矿产情况的钻探方法。通过钻探可对所取得的地质和矿产资源参数作出最终可靠的评价。

据统计，为探明一亿吨铁矿，需要有十万米的钻探工作量,为探明十万吨铜矿，亦需钻探数万米。以福建马坑铁矿的勘探为例，该矿区经历了几十年探索和几代地质工作者的不懈努力，通过地球物理探测发现该地区存在地下磁异常现象，经深部钻探验证，探明铁矿石储量4.3亿吨。从1956年到1962年3月，1971年4月到1976年6月，先后进行的马坑铁矿第一、第二阶段勘探中，钻探工作者共完成钻孔164个，总钻探工作量53559.41米,此后的第三阶段勘探（1976年3月至1982年2月）共施工钻孔163个，共完ImmUa93e2keqH4wm5Y/v5w==成钻探工作量101337.43米。为了进一步探明该地区矿产资源潜力，2010年开始，新一轮的钻探工作正在进行。整个勘探过程的钻探工作任务巨大，正是这一个个的钻孔将该地区的地下情况摸的一清二楚，为国家探明了一座特大型铁矿床。

十分明显，钻探工程是地质和矿产资源勘探的重要手段和保证。

2.钻探工程的基本过程

a b

c d

图1 钻探实物照片

（a为钻塔，b为钻机，c为钻头，d为岩心）

日常生活中我们较为常见的是在墻壁中钻孔，用手持电动钻，根据需要加上不同尺寸的钻头，操作人员沿钻头向墙壁方向用力，墙壁上就会被钻成一个孔，并伴随产生很多钻屑。钻探工程与此类似，使用专门的钻机、钻头和其它设备一起向地下钻孔，只不过钻孔的尺寸要相对大很多，钻孔的过程也复杂很多。而对于岩心钻探来讲，与墙壁内钻孔很大的区别在于，需要把钻孔内的岩石以圆柱形岩心的形式分段取出来，因此，不能将钻孔内的岩石全部破碎掉，而要将钻头设计成圆环形式，环形刚体截面上的岩石被研磨成粉末状，中间圆形截面的岩石却未被研磨，这样才能达到钻出圆柱形岩心的目的（如图1中的c图）。

岩心钻探的钻孔深度通常从几百米至几千米不等（见表1），假设一口岩心钻探孔的孔深为1000米，以目前亚洲第一，世界第三高塔——上海东方明珠电视塔为例，其高467.9米，千米左右的孔深就有将近三个东方明珠塔加在一起那么高。如此深度，钻机提供的回转动力需要通过特制钢管（我们称之为钻杆）连接并传递动力给孔底的钻头。随着钻进深度的增加，钻头不断向地下延伸，需要将一定长度的单根钻杆接上去组成不断伸长的钻杆柱。孔底的钻头由于与岩石不停的摩擦，会产生很大的热量，如果不及时使钻头降温钻头会烧坏，甚至与岩石粘结在一起，而无法继续钻进，因此，需要用流动的液体流过钻头将摩擦产生的热量及时带走，这种液体称为冲洗液。冲洗液从地表灌入孔底，并从孔底回到地面的过程称为冲洗液循环，我们常把冲洗液称为钻探的“血液，不仅是因为它像血液一样在不停的循环，更是因为它在钻进过程中发挥着不可或缺的作用。当孔底装岩心的岩心管填满、钻头磨损达到使用寿命需要更换、更换孔底其它专用钻具等情况下，需要将孔内的钻杆、钻具全部提升至地面，取出岩心或者更换完钻头、钻具后又将钻杆柱及钻具下入孔内，这个过程称为起下钻。

表1 地质岩心钻探钻孔深度分级

钻孔分级浅孔中深孔深孔特深孔

深度范围（米） ﹤300 300～1000 1000～3000 ﹥3000

地表的钻探设备（钻机及水泵等）与孔底联系起来的渠道有两条：其一为钻杆柱、钻具及钻头，用以进行钻进岩石,其二为冲洗液，通过钻杆柱中心孔道，流经孔底，由井筒环状间隙返回地面，如图2所示。由这两条渠道连续完成钻进工序。钻塔和升降机是完成钻杆柱或其它工具升降的必须设备。动力机是驱动工作机械的动力源，是任何工作机械不可少的，其余部分则属于辅助工具和附属条件。

图2 钻探基本组成和过程示意图

1-钻机，2-环状间隙，3-孔壁，4-钻头，5-冲洗液流动方向，

6-钻杆柱，7-冲洗液循环槽，8-高压软管

为了使钻进工作能够连续不断地进行，必须进行破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁三项必需的工作环节。破碎岩石主要由钻头完成，岩石破碎后会产生大量岩石碎屑和粉末，需要及时从孔底清除，否则会使钻头在孔底反复研磨残留的岩屑而无法进一步向下推进。岩石被破碎和钻取后，就形成了圆柱形的钻孔，在一些岩石不稳定的地层，钻孔孔壁周围的岩石由于失去支撑容易发生坍塌，坍塌下来的破碎岩石会将钻杆抱住，从而使钻杆无法正常转动,另一种情况是，地层岩石中裂隙很多，冲洗液经过时很快从裂隙中流走而无法顺利到达孔底。这些情况下，需要想办法来维护孔壁的稳定和防止冲洗液的漏失。如在孔内下入比钻头、钻杆柱等尺寸更大的钢管，称之为套管，使钻杆柱与孔壁隔离，从而免受不稳定岩石坍塌的影响，也可以阻断冲洗液流失的渠道。但套管的成本较高，整个钻孔都下入套管会极大地提高成本，因此在深度较深的孔段处理不稳定地层，更多的是将水泥浆灌入，使固结的水泥作为保证正常钻进和钻孔安全的人工孔壁。

当钻孔穿过含矿的岩石并进入下部无矿岩石后停止钻进，把钻具提升上来并拧卸后，测量钻孔弯曲度、温度，检查钻孔深度，然后对钻孔注水泥进行封孔，从而完成一个钻孔的钻进工作。

3.钻探工程的发展

我国的钻探有着悠久的历史，早在新石器时代晚期，我们的祖先就通过掘凿的方法打出了深达十多米的大口径水井,到了东周时期钻探技术水平明显提高，特别是大约2250年前，蜀太守李冰创造性地运用开凿大口径水井的方法，组织人们在四川双流东南的华阳镇凿成了我国第一口盐井——广都盐井，早期凿井技术从此诞生,到了宋代人们利用竹篾绳索冲击式钻探方法打出了卓筒井，人类在经历数千年掘凿大口径时期对钻探技术的探索，直到此时，才使人类在地表直接从事勘探和开采地下资源成为可能，才有了真正意义上的机械钻探技术，是钻探技术发展的里程碑。明代钻探技术飞速发展，钻探技术逐步规范。时至清代，钻探技术日臻完善，钻进深度突飞猛进，1835年采用“冲击式凿井法钻出世界上首个超千米井——燊海井，井深1001.42米，此井为天然气和黑卤生产井，是中国古代钻进工艺成熟的标志，该井直至1989年才停产，持续生产达154年，实为世界罕见。

新中国成立后，正规化的钻探工作逐步建立起来，通过科技人员进行钻探科学技术的研究，钻探设备和钻进工艺得到了快速发展。进入新时期，国家经济持续快速发展，矿产资源需求旺盛，加之整体科技和财力水平显著提升，使得钻探设备和钻进工艺得到了不断更新和推广应用。从福建马坑铁矿几十年的勘探过程来看，钻探方法也不断更新，从钢粒钻进到硬质合金钻进，再到金刚石钻进，以及金刚石绳索取心液动冲击钻进技术的应用和推广，钻探工程质量不断提高，为该矿区矿产资源的准确评价提供了可靠保证。

由于地下地层情况千变万化，实际的钻探工程要比想象的复杂的多。只有不断提高技术和装备水平，才能解决不断出现的钻探难题，才能提高效率、提升质量。钻探从过去“摸着打、现在“算着打，并向“看着打的方向不断发展。所谓的“看着打就是要将各种测量仪器及成像仪器随钻具一起下入孔底，边钻进边将所测数据及图像信息传到地面，地面的钻探作业人员可以根据这些数据和图像，同步了解孔底钻进情况，并通过自动化控制系统调整钻进的参数、钻孔轨迹，这种钻进过程我们可以称之为“智能钻进。

智能钻进和传统钻进最大的不同是使用“连续油管代替传统的由单根钻杆连接组成的钻杆柱。传统的钻杆柱一般不能弯曲，而连续油管虽同为钢管，但其强度和韧性都很高，有很好的绕性，几千米长的连续油管可以绕成一卷。如此一来，在钻进的起下钻过程中无需拆装钻杆单根或立根，大大节省时间和工人的劳动强度,钻孔轨迹的弯曲程度也不必再受钻杆抗弯强度的限制,此外，由于连续油管特殊的连续性，可以在其中集成电缆，有了电缆就可以直接向孔底供电，实现孔底动力由液动变为更为稳定可靠的电动，同时还可以方便孔底监测仪器和控制仪器的使用及数据的传输。

在鉆进过程中，孔底电动机直接驱动钻头进行作业，高性能冲洗液通过连续油管送入孔底进行循环。安置在孔底钻头上的钻进参数监测仪检测钻进技术参数、获取地层信息，并实时传给地面控制中心。技术人员可以及时的掌握孔内的钻进情况和地层情况，如果需要改变钻压、转速、钻孔轨迹等，则可以及时通过自动化控制系统进行调整。此外，还可以利用互联网的便捷性，实现钻进过程中“疑难杂症的全球会诊，就是通过互联网将现场的问题甚至视频信息反馈给全球各地的相关专家，让他们帮助解决这些难题。

当然，这样的智能化钻进要想推广使用，尤其是实现采取岩心钻进，还有很多技术问题需要研究和攻克，但钻探工程向着更加自动化、信息化方向发展的趋势是显而易见的。

钻探是探明地下情况、寻找矿产资源的重要手段，关乎国家资源的战略储备和经济的长远发展，因此责任重大、使命光荣。同时，钻探又是一门复杂的系统性工程，它涉及到地质、矿产勘查、岩石力学、机械设计与加工、自动化控制、工程管理等多个学科和领域，因此对技术和人才的依赖极大。钻探事业的持续发展和长做常新离不开科技的进步和新技术的支撑，更离不开一代又一代钻探人的艰苦奋斗和献智献身。当前，我国的地质钻探事业还有很多技术难题亟待解决，钻探技术水平也有待进一步提高，这就呼唤更多的有志青年才俊加入到钻探队伍中来，将更多的先进技术应用于钻探工作中，推动钻探技术和效益不断提高，为国家寻找出更多的地下宝藏。

图3 智能钻进系统示意图

参考文献：

[1] 汤凤林， А.Г.加里宁，段隆臣. 岩心钻探学[M]. 湖北武汉：中国地质大学出版社， 2009.

[2] 陈惠明. 福建马坑外围铁矿深部勘查钻探工艺组合应用研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程）， 2011，38（9）：6-9.

[3] 陶建华等. 地勘钻探技师培训教材[M]. 北京：地质出版社， 2013.

[4] 冉恒谦等. 地质钻探技术与应用研究[J]. 地质学报， 2011，85（11）：1806-1822.

[5] 王仰之. 中国古代的水井[J]. 西北大学学报（自然科学版）， 1982（3）.

作者简介：

吴灿辉，1982年生，男，福建漳州人，工学学士，工作于福建省第八地质大队（国土资源部“马坑铁矿——福建龙岩野外基地），工程师，主要从事地质岩心钻探方面的科研和管理工作。

基金项目：

文章受到“国土资源部公益性行业科研专项课题——福建马坑铁矿钻探技术应用示范与科研基地建设（201011002-2）的资助

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