向深部找矿是发展的必然,在深部找矿过程中,除了利用更成熟的地质理论和更先进的物化探方法、遥感技术等新探测技术外,最终还需要使用钻掘(探)技术来取芯取样,证实推断和探测的正确性。深部找矿中的关键技术问题,归根结底是新深度、新要求与研发新技术、新设备器具间的矛盾、已有技术成果与推广应用间的矛盾、先进技术与旧有观念之间的矛盾、技术的先进性与经济的可行性之间的矛盾,技术需求与信息滞后之间的矛盾。
1 深部地质钻探现状
我国矿产资源分布广泛,从目前矿产资源勘查开发利用情况来看,我国矿产资源探明程度仅为1/3左右,在地质找矿方面还有相当大的潜力。我国地质找矿勘查工作平均深度在300～500m之间,而西方发达国家勘查深度平均在800m。我国深部找矿勘查技术尚处于起步阶段,随着找矿深度的不断增加,在钻探技术上还有很多问题有待解决。岩芯钻探是地质找矿工作中的重要环节,要探明地下深部矿藏,除利用先进的地质理论和物化探、遥感等探测技术外,最终需要通过岩芯钻探技术取出地下岩芯,通过试验分析才能确定矿产资源的埋藏深度、品位和储量,并最终提交有效的地质找矿成果。
现阶段深部地质钻探存在的问题主要有：装备落后,投入不足,更新缓慢。机械化程度不高,综合效率低,属于逐渐淘汰的装备。用于深部钻探施工的配套装备有限；钻探队伍的组织体系缺失,人才匮乏,观念保守,创新有限；中级以上钻探技术人员严重不足,缺乏科技创新的领军人员；生产一线缺乏高素质的钻探工人,尤其是机班长。不利于钻探工程产业的良性发展；钻探工法难以攻克复杂地层、创新有限,技术的引进与创新存在障碍；技术的引进、推广与自主研发不足以支撑发展的需要；实施深部岩心钻探面临人才、装备、机具和技术等困难；管理粗放,结构松散,效率不高；满足于一般的生产技术管理,管理层与生产层松散,技术与生产结合不密切,计划与控制能力有限,生产效率不高,成本降低困难；现场设施和管理不规范,不足以展示新时期地矿人的风采。
2 深部钻探找矿技术
2.1 金刚石绳索取芯技术
绳索取芯(wi)钻探技术在全球地质找矿钻探施工中是应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术。自20世纪70年代中期我国开始推广应用,但在应用广度和深度上与国外发达国家相比存在较大差距,利用绳索取芯钻探技术完成的岩芯钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的30%。国产绳索取芯钻具存在材质不佳、加工质量差、易折断和脱扣等问题,不能满足1000m深钻孔的需要。而深部找矿一般采用的替代方案是使用内径可以通过绳索取芯钻具内管的普通钻杆来完成钻孔取芯作业,这就在完成取芯作业的同时增大了钻孔工作量。
金刚石钻头的使用寿命是限制金刚石绳索取芯技术应用于深部找矿的另一个原因。自20世纪60年代开始研究,70年代开始推广金刚石钻探技术以来,我国金刚石钻头制造水平有了很大提高,但是其使用效果与国外仍存在较大差距。虽然在金刚石超硬复合材料方面进行了大规模的攻关研究,制造了一些聚晶、复合片产品,但其性能也远远赶不上国际水平。这就使得国内金刚石钻头钻进寿命短、效率偏低。据调查,我国的金刚石钻头寿命在硬岩地层还不足40m。
2.2 反循环连续取样(芯)钻探技术
反循环连续取样(芯)钻探技术采用压缩空气作为循环介质,利用双壁钻杆以冲击回转全面碎岩和连续岩屑作为地质样品的方式钻探施工,随着钻进的不断进行,岩屑被高速气流连续地经双壁钻杆的中心携带至地表,并按照顺序将岩屑收集起来作为地质化验分析的地质样品。
国内外大量的钻探施工经验证明,采用该法获取的地质样品不仅完全能达到确定矿体埋藏深度、矿体厚度、品位等物化参数的基本要求,而且其钻探施工速度要比传统的取柱状岩芯施工速度提高5～10倍,施工成本也将大大降低。根据2006年有关统计资料,反循环连续取样(芯)钻探技术在澳大利亚完成钻探工作量的比例超过80%。我国在20世纪80年代中期曾开展了该项技术的研究并进行推广应用,但由于地质上是以岩屑代替传统的柱状岩芯,且需使用特殊的双壁钻杆,所以推广应用受到较大阻力。
值得关注的是目前国际地质钻探承包商和矿业投资者已经提出了取芯取样相结合的地质勘探新概念,并在一些国家开始应用,取得了比任何单一方法效率及地质效果都要好的结果,大幅度提高了钻进效率、降低了成本。著名的国际钻探设备制造商瑞典atlascopco公司已经开始推广这项综合取芯(样)钻探技术。我国则没有这方面的应用研究。
2.3 高精度受控定向钻探技术及岩芯定向技术
受控定向钻探技术是一种可以使钻孔轨迹按照预定方向前进的特殊钻探技术,该项钻探技术还可以实现在一个主孔内钻进多个分支孔的羽状钻孔。在普通钻孔难以到达的勘探部位和坑道内以及陡斜矿体的勘探中,利用高精度受控定向(取芯)钻探技术可以明显减少钻探工作量和施工费用。
由于地质岩芯直径较小,地质钻探取芯对这项技术关注热度不够。受控定向钻探技术是深孔施工单位必备的手段,是施工的保证,是处理孔内事故的方法。深孔施工控制孔斜是重中之重,如何根据地质地层设计好防斜措施,减小孔斜和孔斜的变化率。
3 深部钻探找矿技术发展
3.1 岩芯钻探设备
3.1.1 加快第三代新型钻机研制和开发,积极引进石油钻井界先进技术和理念,设计出适应于岩芯钻探的深孔钻机。以液压为动力,优先开发地质岩芯顶部驱动钻机,使之成为系列化及与之相配套泥浆泵等。
3.1.2 加快坑道钻探设备的能力、功能的提升。在危机矿山接替资源的勘探中,对某些成矿模式的地层,在现有的数百米深的地下坑道或开采区内,利用坑道钻探设备来进行深部岩芯钻探工作,可以充分揭露深部地层,节约钻探费用和时间,提高勘探效率。
3.1.3 加快先进岩芯钻探设备的推广。岩芯钻探设备推广应用的最终结果是实现产业化,而产业化又是降低生产成本和销售价格的有效手段,这又反过来推动着岩芯钻探设备的推广应用。因此,岩芯钻探设备的推广应用过程就是设备的产业化过程。
3.2 岩芯钻探器具及工艺方法
3.2.1 加强信息情报收集,积极开展行业问信息交流,推动学科交叉合作。回顾钻探技术发展的几十年,情报部门提供了金刚石钻进技术、定向钻进技术、冲击回转钻进技术等一系列科技信息,对国内钻探工程界有很大的启发,为在国内科技攻关立项、研发、创新、模仿或引进技术起到了重要作用。
3.2.2 加快新型基础钻具的研制和新工艺技术的完善。新型高寿命金刚石钻头、高强度深孔绳索取芯钻杆、新型深孔双壁钻杆的研制是保证金刚石绳索取芯钻进技术、反循环连续取样(芯)钻进技术安全、经济、高效的服务于深部地质找矿工作的基础钻具,对于提高这些技术应用的可靠性、经济性有着重要作用。目前这些基础钻具有的已经由勘探所立项研究,有的正在申报立项。
3.2.3 加强岩芯钻探器具及工艺方法的系统化研究,增强钻探器具的功能、提高工艺方法的适应性,利用现有技术集成、整合出新。多功能、一体化是国外钻具发展的一个方向,我国岩芯钻探器具也应利用现有技术和工艺实现功能整合。
3.2.4 建立健全先进钻探设备、工艺方法的推广机制,建设利用先进钻探设备、工艺方法的钻探样板工程。
3.2.5 注重钻探从业人员的培训工作,提高钻探人员的素质。深部找矿的设备和仪器更加精密,操作更加自动化。没有高素质的从业人员保障,不仅不利于新技术的推广应用,而且也很难保证高质量的完成深部找矿的钻探工作。