technical equipment
时间：2020-06-19
摘要：本文作者长期从事钻探技术研究和管理工作，对国内钻探技术现状和国际上先进钻探技术和经验有很深的了解。作者认为我国目前地质钻探设备陈旧老化，技术方法落后，钻探效率低下，钻探工人劳动强度很大，远远不能满足加强地质工作，加速矿产勘查的要求。指出为加速矿产资源的勘探开发，应该大力推进钻探技术与装备的现代化，学习和借鉴国际上先进技术和经验，研究开发适用于我国国情的先进钻探技术、装备和工艺是十分重要的。对此，作者提出了七点具体建议：1）研发应用全液压顶驱型地质岩心钻机系列；2）研发第四代地质岩心钻机－自动化岩心钻机；3）研发并大力推广应用现代先进定向钻进技术；4）研发应用直升飞机搬迁钻探设备方法技术，加速难进入地区矿产勘查；5）加强对探矿工程研究开发机构的支持，促进研发先进实用的地质钻探装备；6）中国地质调查局加强与中国地质装备总公司的联系与合作，进行业务指导，继续促进产学研“三结合”；7）加速培养钻探技术人员，建立先进地质装备推广应用机制。
矿产资源紧缺已成为制约我国经济发展的“瓶颈”。加强地质工作，保证矿产资源供给是我国今后经济建设的一项重要任务。钻探工程是矿产勘查的重要技术方法之一，是能够直接从地下岩层获取实物样品的唯一手段。但是，我国目前地质钻探设备陈旧老化，技术方法落后，钻探效率低下，钻探工人劳动强度很大，远远不能满足加强地质工作，加速矿产勘查的要求。“国务院关于加强地质工作的决定”和“国土资源部中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）”强调提出：“地质工作必须贯彻科学发展观”，“地质工作必须应用高新技术”。因此，加速矿产资源的勘探开发，应该大力推进钻探技术与装备的现代化，学习和借鉴国际上先进技术和经验，研究开发适用于我国国情的先进钻探技术、装备和工艺是十分重要的。为此，提出以下几点认识和建议。
一、研发应用全液压顶驱型地质岩心钻机系列
国际上地质岩心钻机的发展经历了四个阶段：（1）20世纪60年代以前的手把操作机械型钻机；（2）1960年代开始应用的液压立轴型钻机；（3）1970年代开始应用的全液压顶驱型（动力头式）钻机；（4）1990年代中期开始研发的自动化钻机。由于全液压顶驱型钻机具有钻探效率高、劳动强度低、并适宜实现多种钻探工艺等优点，目前，许多国家已经普遍地将这种第三代岩心钻机运用于矿产勘查工作，其适用范围很宽，从浅孔（100m）到深孔（3000m）。我国现在广泛运用的地质岩心钻机仍停留在第二阶段，即液压立轴式岩心钻机。这类钻机钻进效率低下，如青海省地勘局在某矿区运用国产XY-4型立轴式钻机，小时钻探进尺仅1米左右，而采用国外进口的LF-90型全液压顶驱型钻机在同样条件下小时进尺则达3米多，钻进效率提高了3倍。此外，立轴式钻机通用性和标准化程度很差，钻进工艺适应性有限，且缺少2000m以上深度的机型，等等。
勘探技术研究所于去年研制成功YDX-3型（勘探者一号）全液压顶驱式岩心钻机，获得了野外的欢迎，正在推广应用之中。但是，我们还需要继续完成此类岩心钻机系列化的研究开发，特别是2000m以上的深孔钻机，以适应我国矿产资源勘查深度不断加深的需求。
二、研发第四代地质岩心钻机——自动化岩心钻机
上世纪90年代中期，岩心钻探设备又一次发生了革命性的技术进步，即完全自动化钻机投入实际应用。新一代自动化钻机首先诞生于两个矿业发达国家——瑞典和加拿大。加拿大的阿特拉斯·科普柯公司开发成功Diamec264APC型和Diamec284型全自动钻机，而瑞典的JKS·波伊尔公司则开发了B系列自动化钻机。这些钻机均是采用全液压顶驱装置，机、电、液一体化和计算机控制的钻进方式。Diamec264APC型钻机具有平均时效12m的钻进速度，台月效率平均达到1000m。其钻进效率高的原因在于它能自动地、连续地测量和监视地下岩层变化与孔底工况，随时（在0.1秒内）调整钻进参数，以保证达到最佳钻速。同时，由于这种自动控制钻进方式，可以提高钻头寿命，减轻钻杆磨损，减少岩心堵塞和烧钻等事故，从而大大地降低了钻探成本。此型钻机在野外现场仅需一人操作，钻工所需做的工作只是观察控制台面板，适时调节相应旋纽即可，还可兼作其它工作（如处理岩心样品、检查钻具等），显著地减轻了钻工体力劳动，并减少机台钻工人数。近几年，阿特拉斯·科普柯公司又陆续研发应用了DiamecU4APC型、DiamecU6APC型和DiamecU8APC型自动化钻机，性能和可靠性又有很大提高。其中DiamecU4APC型钻机属于第二代自动化钻机，真正实现了机台单人完成钻探作业的功能，DiamecU6APC型钻机则进一步简化了机械结构，提高了电子系统在恶劣环境中的工作能力，其钻探深度达1000m。作为第三代自动化钻机代表的DiamecU8APC型钻机，在其设计中更多地考虑了人类工程学（Ergonomic），即加强了人性关怀和安全。其钻探深度可达1500m。
自动化钻机具有很高的生产效率并体现以人为本的理念，代表了国际地质岩心钻机的发展方向。我国作为矿业大国，今后地质勘查任务繁重，应当将研究开发自动化岩心钻机的任务提上日程。
三、研发并大力推广应用现代先进定向钻进技术
定向钻进是一种先进高效的钻探方法。特别是在一个主孔底部侧钻出许多分枝孔以达到多个地质靶点，可以节省大量钻探工作量。在1980年代，我国固体矿产勘查运用这项技术曾达到国际先进水平。如安徽省冬瓜山铜矿勘探中，在一个主孔中施工了6个分枝孔，主孔中最深造斜点孔深622m，6个分枝孔钻入矿体靶点深度均超过800m，最深的854m。共完成工作量3063.19m，比从地表分别钻探6个钻孔达到地下相同靶点位置节约工作量48%，节省资金33%，节约时间43%，地质效果与经济效益均十分显著。然而，由于技术人才出现断层，目前野外钻探施工已基本上不再掌握这套技术了。
同时，近20年来，国际上石油定向钻井技术突飞猛进。为了加速钻采、提高采油率与降低成本，“多分技井”、“大位移井”和“水平井”等创新的定向钻进技术不断出现并广泛应用。目前，石油钻井水平位移早已超过10000m。多分枝井最多一口主井下面超过8个分枝井，分枝井的长度超过2500m。可以说，现在定向钻探技术的先进程度已达到“随心所欲”的程度，即按人的意愿，想钻到哪里就可以精确地钻到那里。
目前，定向钻进方法具体有两项尖端技术：地质导向钻进系统和旋转闭环导向钻进系统。
地质导向钻进系统包括随钻测量（MWD）、随钻测井（LWD）甚至随钻地震（SWD）以及一整套自动控制钻孔方向的综合技术。其随钻测量的地层参数（如电阻率、密度、中子伽玛等）和钻孔轨迹几何参数（如顶角和方位角等）的多种传感器，安置于钻头之上距离仅1m的钻具中。运用此种地质导向钻进方法，钻头可以非常精确地钻到岩矿层目标，或沿着矿层（油层）内钻进与取心（样）。而旋转闭环导向系统则是另一种智能化自动化钻进系统，能在钻杆柱旋转的条件下，按预定的轨迹或按矿层目标作定向钻进。
今后，我国在地质勘探领域应积极运用定向钻探技术。一是要大力推广应用“螺杆钻具加弯接头偏斜器”、“连续造斜器”以及“小直径中曲率半径水平定向孔钻探工艺”等我国原已研发成功且行之有效的定向钻进技术，如举办培训班，进行现场示范等。同时，启动研发当代国际上最先进的定向钻进技术方法、如地质导向钻进系统和旋转闭环导向钻进系统，等等。
四、研发应用直升飞机搬迁钻探设备方法技术，加速难进入地区矿产勘查
我国已确定的16个重点成矿区带内，多为崇山峻岭、严寒高原或戈壁沙漠等难进入地区。在这些地区，因钻探设备运送和搬迁的困难，将会大大地影响和延误整个勘探工作的进行。
美国和加拿大等西方发达国家对于“难进入地区”（Unaccessible Area）或“边远地区”（Remote Area）的矿产勘查工作，于上世纪70年代早已形成一套先进成熟的钻探设备运输和搬迁的方法，即运用直升机吊运和飞机载运的技术。近年来，适宜于采用空运的钻探设备又有较大进展，如加拿大波特·长年公司专门研制了LF-70型直升飞机—轻便钻机（Heli-Portable Drill），和JKS·波伊尔公司称为“飞运钻机”（Fly-in Drill）的JKS1000型钻机，等等。
LF-70型钻机钻探钻孔深度可达1000米。用直升飞机搬迁吊装全套钻探设备器材（总重约14吨），从已完工的钻探工地搬迁至新的施工工地只需往返飞行7次。在陡峭山区搬迁到15公里直线距离远的新钻探工地，总共只需要75分钟。这比运用公路汽车运输和人力畜力驮运效率提高数倍甚至几十倍。从而显著地加快了钻探设备器材搬迁的速度，大大地减轻工人的体力劳动。LF-70型直升飞机搬迁用钻机对恶劣环境具有良好的适应性。无论地形地貌多么复杂，气温变化范围多大，均可适用。该型钻机曾应用于高温达50℃的赤道地区（如印度尼西亚热带丛林Irian Jaya），和加拿大萨斯喀彻温省零下50℃的高寒冰雪地区。
近年来，美国又研发和应用了更为先进的装有测绘记录和全球定位系统的直升飞机运载钻机（RTK-GPS HELI-DRILL）。该航空钻探系统降落到工地后即开始钻进作业，孔位地理座标与海拔高度被自动记录于系统之内。该套设备配备有钻探4个钻孔（18.3米深度）所需的水量及闭式冲洗液循环系统。钻探施工时无需因用水或其它辅助机具再作额外的飞行。
目前，运用飞机运输、搬迁和吊装钻探设备的技术方法，除在美国、加拿大及欧洲与澳大利亚等发达地区广泛而成熟的应用外，在发展中国家也已逐步推广应用。一些直升飞机公司专门承担这方面的业务。如设在布鲁塞尔的空中技术（Skytech）飞机公司运送地质钻探装备业务已遍及亚洲的印度尼西亚、巴布亚新几内亚、西伯利亚，及南美洲厄瓜多尔等国家。该公司于1996年和非洲乌干达地质调查与矿业局联合组建了新的直升飞机公司，主要对中非地区提供单次飞行运送2.72-20吨净负载钻探设备的业务。
我国目前在矿产勘查工作中尚未运用这套先进技术。前几年冶金系统从加拿大引进两台LF-70型钻机，本该运用直升飞机搬迁吊运，但是在四川陡峭山区的钻探作业中，仍采用骡马驮运加人挑肩扛的原始搬运方式。该情况刊载于英国的“地质钻探”（Geo Drilling）杂志上，阅完不禁令人感叹！
为加速我国重点成矿区带难进入地区的地质勘查工作，及早应用航空技术运输、搬迁和吊装地质钻探设备的整套技术方法，提出以下建议：
1.增加和提高对运用现代航空技术运输和搬迁钻探设备技术方法重要性的了解和认识，迅速开展这方面的工作。
2.开展国内外调研和考察，全面了解和掌握实施钻探设备航空运输和吊装技术方法的各个环节及解决办法。
3.研究开发适于空运和吊装的钻探设备及运作的技术和方法。
4.中国地质调查局内明确专门的机构或人员领导、管理，并尽早启动此项工作。
五、加强对探矿工程研究开发机构的支持，促进研发先进实用的地质钻探装备。
原地矿部所属三个探矿工程类研究所（勘探所、探工所和工艺所）在建国后数十年中，对推动钻探工程装备的技术进步，做了很大贡献。如研发的小口径金刚石钻探配套技术与装备，使我国在短短的十年左右时间内就赶上了当时的国际地质钻探水平。个别钻探技术（如液动冲击回转钻探技术）更处于国际领先水平。目前，这三个研究所在科技体制改革中正在进行转制。为加速我国地质钻探技术和装备的现代化，部与中国地质调查局仍应继续大力支持这几个研发机构，以促进我国地质钻探装备的更新换代，赶上世界先进水平。
六、中国地质调查局加强与中国地质装备总公司的联系与合作，进行业务指导，继续促进产学研“三结合”
原地矿部所属中装公司下属多个钻探设备和物探仪器工厂（分布于北京、上海、张家口、重庆、衡阳、东海等地）。在过去数十年，曾组织研究所、大学与这些工厂实施“三结合”，成效显著，为我国地质行业提供了绝大多数的探矿设备和仪器。目前，中装公司虽然隶属于中国机械工业集团总公司，与我部无直接关系，但其仍是国内最大的地质装备制造企业，其规模和制造能力在世界上也处前几位。建议中国地质调查局加强与中装公司的联系与合作，进行业务指导，发挥其作用，积极促进其与部内有关研发机构实施“三结合”，为地质勘查提供先进的技术装备。
七、加速培养钻探技术人员，建立先进地质装备推广应用机制
目前，我国许多现场地质钻探技术人员和工人缺乏施工经验，甚至对过去常规的钻探操作，如金刚石钻进与绳索取心技术等都不会或掌握不好，更没有深孔钻探技术经验。如广西地勘局在桂北2个大型铅锌矿实施的2个750米钻孔，当孔探超过300米以后，年轻的钻工都不敢下钻了，只好请退休或退养的老机班长来完成。
常规的钻探技术和设备都不能掌握，更不能指望现有水平不高的人员去运用先进的钻探装备了。新型的地质装备具有技术含量高、价格昂贵的特点，必须培养具有一定文化素质和实际工作经验的技术人员和工人来掌握使用。为保证今后地质勘探中高效、安全地运用现代先进的钻探装备和技术，中国地质调查局需加强培训工作，建立先进地质装备推广应用机制，如组建新技术装备推广示范中心是十分必要的。
总之，为加强地质工作，实现地质勘查工作现代化，必须应用当代最先进的钻探技术与装备，尽早使设备更新换代，采用最新的钻探工艺方法，从整体上赶上国际先进水平。
