司百堂
(河南省有色金屬地質礦產局)
為國家找大礦、找好礦，是地勘單位的基本職責和賴以生存的基礎;開發礦業，走探采壹體化之路是新形勢下增強地勘單位實力的方向;探礦工程既是地質找礦不可缺少的方法，也是獲取經濟效益、提高綜合競爭能力的重要手段。在我局制訂的“突出主業、拓寬實業、發展輔業、致富家業”的發展目標中，將鉆探、坑探等探礦技術歸位於輔業之中，現就地勘單位鉆探的地位、作用及深孔鉆探施工技術和管理作壹簡要探討，以便與大家商榷。
壹、鉆探工程在地質找礦中的地位
作為地質勘查單位，地質工作是核心，地球物理、地球化學、遙感、測量、槽井探地表工程等是前期地質工作不可缺少的方法和手段。當地、物、化、遙工作進行到壹定程度的時候，將開始鉆探驗證，對礦體的規模、形態、厚度進行控制，同時取出巖礦心提交化驗室測定礦石品位，物探測井又獲取眾多的地質信息。在現階段，當物探等方法和手段對礦體的空間位置和礦石品位未能精確控制時，鉆探工程是深部找礦不可缺少的重要手段。
鉆探是找礦的重要手段眾所周知，《信息找礦戰略與勘查百例》壹書中介紹的國外100個大型、特大型礦床的發現均與鉆探密不可分。1957年開始地質工作的澳大利亞奧林匹克壩銅金鈾礦床，於1975年開始鉆探工程系統控制後，方取得重大突破，使該礦成為世界上最大的鈾礦床和第六大銅礦床。在澳大利亞、南非、加拿大、美國等國家礦產資源勘查中，坑探工作在前期勘查中應用較少，深部驗證主要是以鉆探工作為主。我國著名的白雲鄂博礦區、河南省的鉬礦田、煤田和眾多的鋁土礦區的探明，均是在使用大量鉆探工程後確定高級別儲量的。過去鉆探在地質勘查中發揮了重要作用，現階段在“攻深找盲、探邊摸底”勘查中，鉆探更是地質找礦必須依靠的手段，因而，提高鉆探技術裝備水平和員工素質顯得尤為重要。
二、鉆探工程是擴大經濟規模、獲取經濟效益的重要手段
近幾年來我局每年承擔的政府和社會地質勘查項目較多，年地質項目設計鉆探工作量約7萬～8萬m。按我局1979年統計資料，當年開動鉆機28臺鉆機，在16個礦區完成鉆探工作量69997m，鉆探技術工人和為之服務人員約1000余人。鉆探工作不僅為地質找礦服務，同時安置了大量職工，保持了隊伍的穩定和鉆探技術的延續和發展。“九五”期間地質工作的蕭條，使鉆探工作量銳減，5年累計完成計劃內鉆探工作量10722m，大量設備閑置或改作他用，人員分流下崗，技術裝備受到嚴重削弱。近四年來，我省利用“兩權價款”項目基金為地勘單位設備更新註入了大量的資金，我局的鉆探裝備相應的得到了加強，目前成建制的巖心鉆探設備有30余臺套，按照現有設備規模，合理組織之後每年可完成鉆探工作量10萬m左右。2008年，我局計劃內和社會地質項目中設計鉆探工作量13萬m，若全部由我局鉆探隊伍施工，可獲得產值約5000萬元，在安置人員、鍛煉隊伍、提高鉆探技術水平、獲取經濟效益等方面將發揮較大的作用。
河南省煤田地質局有5個單位有鉆探施工力量，鉆深能力超過1000m的鉆機約150臺套，形成了強大的生產能力，大口徑、超深煤礦通風、疏幹、送冰孔，煤層氣水平鉆孔施工技術達到全國先進水平。近年來在河南、新疆、陜西、山西、內蒙古、吉林、貴州、雲南等8省(區)從事煤田地質、煤層氣、淺層石油、油頁巖、煤礦通風疏幹孔等鉆探工作，年完成鉆探工作量約在70萬～100萬m，年創造產值3億～4億元，不僅安置了大量職工並提高了鉆探技術水平，又從中獲取了顯著的經濟效益。煤田地質二隊利用鉆探收入改造老基地，使職工住宅區建成了全國文明社區。煤田地質四隊利用鉆探收入，出資1500萬元完成了平頂山職工住宅區的水路改造、安裝了煤氣和暖氣，職工生活質量得到改善。國內多家鉆探公司和地質隊在鉆探施工方面的成功經驗值得我們認真學習和借鑒，他們的實踐證明，地質勘查單位鉆探設備、鉆探技術工人不是包袱，鉆探施工業不僅為地質找礦提供了保障，又可以安置職工並保持隊伍穩定，更重要的是可以增強單位綜合競爭能力，提高單位知名度，並從鉆探施工中獲取巨額經濟效益。
三、深孔鉆探技術裝備與施工技術
有色金屬地質勘查隊伍有其自身特色，在內生金屬礦床的勘查方面積累了豐富的經驗。由於內生金屬礦床成因復雜，成礦作用中受到地質構造的嚴重制約，因而巖石的完整程度和力學性質差異較大，鉆孔施工中易遇見諸如破碎帶和蝕變帶取心、硬巖鉆進、鉆孔彎曲、鉆孔坍塌湧漏等技術問題。特別是在“攻深找盲、探邊摸底”工作中，鉆孔深度相對較深，鉆進中所遇到的技術難題將成倍增加。若在老礦區的外圍和底部勘查，受到前期采礦的影響，采空區密布，巖石松動，鉆探施工所遇到的問題將超乎想象。
藤吉文院士提出，巖石圈內部第二深度空間金屬礦產資源的探測深度是500～2000m。若設計鉆孔深度2000m，按0～500m孔段，市場價每米鉆探費用500元為基礎，孔深每增加300m鉆探費用提高30%計算，1701～2000m孔段，每米平均價1856.47元(各孔段鉆探費用計算見表1)，則單孔費用將需要201.3萬元。若每300m孔段，鉆探費用增加40%計算，則單孔費用將需要254.8萬元。
表1 單孔段鉆探費用計算表
單孔費用的計算只是按市場價為基礎，若按《國土資源調查預算標準》，單孔費用還要增加。壹個鉆孔投入200余萬元人民幣，對地質勘查的決策和投資部門是壹筆巨額費用，同時對鉆探施工寄予很高的期望值。
(壹)深孔鉆探設備及工器具
1.鉆機的選型
勘查深度1500～2000m的鉆孔，受地層完整程度、巖石力學性質、鉆孔口徑、鉆孔設計頂角等因素的影響，對鉆機性能提出了較高的要求，選用重心較低、變速範圍較寬、立軸行程較大的油壓鉆機較為適合。我局現有的XY-5、XY-6B立軸式鉆機和CS1000P6、CS3001型全液壓鉆機，可以滿足1000～2000m深孔的鉆探要求，實際工作中按鉆孔的設計深度選擇鉆機(表2)。需要註意的是，CS3001型全液壓鉆機屬於自行整裝式，可拆性差，爬坡能力25°，鉆機本體寬度2.7m，爬行時自重22t，適用於平原、丘陵作業，若在山區施工必須修施工便道。
表2 鉆探設備選型表
註:終孔口徑以φ75mm為基準。
2.其他配套設備
為了提高施工速度和質量，常采用繩索取心鉆進工藝。鑒於鉆孔深度較大，鉆孔內環狀間隙較小，沖洗液或泥漿的壓力損失較大，采取加大鉆頭外徑措施後，BW320型泥漿泵基本可以滿足2000m深孔鉆進對壓力的要求。而動力機則應與鉆機和泥漿泵的需求相配套。至於鉆塔除對強度和承載能力有嚴格要求外，其高度可以適當放寬。
3.鉆桿的規格與型號
深孔鉆探施工不確定因素較多，鉆桿受力復雜，承受扭矩較大，鉆桿和接頭所用的材質要有足夠的抗拉、抗壓、抗扭、抗彎、抗剪強度;絲扣的連接必須牢固可靠，易擰卸，密封性能好。為提高鉆桿強度，可以加大鉆桿壁厚，但是勢必增加鉆桿的重量，增加回轉阻力，相應的降低了同型號鉆機的鉆進深度。國外在深孔巖心鉆探中多采用鋁合金鉆桿，重量約為鋼鉆桿的1/2。由於壁厚增加，耐磨性強，壽命增加，抗沖擊能力強，抗腐蝕性強。建議在增加技術裝備時，采購鋁合金鉆桿進行大膽嘗試。
目前內生金屬深孔鉆探，常用金剛石繩索取心鉆進工藝，φ75mm口徑為常規鉆孔口徑，國外鉆桿采用NQ系列(φ69.9mm)，國內鉆桿采用φ71×5mm鉆桿。
為保證深孔施工達到設計深度，將φ60mm口徑作為備用口徑，每個地勘單位應配備壹套滿足孔深要求的φ56×4.75mm繩索鉆桿和取心鉆具;為滿足復雜地層護壁堵漏的需求，尚應配備壹套φ54×6mm普通鉆桿和相應的鉆具。
4.對取心工具的要求
現有的繩索取心鉆具在壹般地層可以保證巖礦心采取率，而對於蝕變帶、破碎帶巖礦心的采取應研制或引進質量可靠的取心鉆具。石油鉆進取油心的鉆具質量可靠，但外徑較大。如何根據石油采心鉆具的結構，研制出φ75mm口徑的質量鉆具，將是實踐中探索研究的內容。
5.對鉆頭結構和壽命的要求
深孔鉆進使用繩索取心鉆進工藝，由於鉆桿外徑與孔壁環狀間隙較小，沖洗液在孔底循環時壓力損失較大，隨著鉆孔的不斷加深，泵壓會急劇增高，影響正常作業。根據孔深、巖石松軟破碎程度、是否使用泥漿等具體情況，適當加大鉆頭外徑，控制在2～5mm之間。同時還應遵循鉆頭排隊使用等技術規則。
深孔鉆探用鉆頭，要有較高的使用壽命和鉆進速度，延長鉆頭在孔底的工作時間，最大限度地減少起下鉆次數。目前我國金剛石機械巖心鉆探所用的鉆頭，多為國產人造金剛石孕鑲鉆頭，金剛石級別偏低，鉆頭壽命偏短。在鉆孔深度超過1000m之後，回轉阻力增加，孕鑲金剛石鉆頭所需要的高轉速開不起來，可考慮采用天然金剛石表鑲鉆頭或研制高壽命的人造金剛石孕鑲鉆頭。為提高硬巖鉆進效率，多準備異性唇面的金剛石鉆頭。
(二)深孔鉆探施工設計與技術
1.深孔鉆探施工技術設計
深孔鉆探投入較大，地質期望值較高。要保證每個鉆孔達到設計目的，必須有壹套完整的施工技術方案，即按鉆孔編制《單孔施工組織設計》。設計包括礦區地層條件和巖石的物理機械性質，設備與動力的選擇，鉆探機具與鉆進方法的選擇，鉆孔結構與技術套管設計，沖洗液與鉆進參數，質量與安全措施，效率與施工進度設計，施工組織與管理等。
2.鉆孔結構與鉆孔口徑
根據地質設計要求，首先確定鉆孔的終孔口徑，再依據地層的復雜程度、采用的沖洗液類型、護孔方法、工藝技術，按照經濟實用的原則，確定鉆孔的孔身結構。
內生金屬礦床巖石較硬，可能存在大量的破碎帶，壹個鉆孔可以見到數層或數十層礦。2000m以淺的鉆孔，終孔口徑確定在φ75mm，若大於2000m，終孔口徑確定在φ60mm。
巖石相對完整，鉆孔結構簡單。開孔口徑φ110mm，以φ75mm繩索取心鉆進至終孔，φ60mm口徑做備用。
鉆孔巖石比較破碎，節理、裂隙發育，破碎帶、斷層頻繁出現，必須采用泥漿有效地護壁。這類鉆孔開孔口徑可以設計到φ150mm或φ130mm，準備φ127mm、φ108mm、φ89mm技術套管。仍以φ75mm為常規口徑，φ60mm為備用口徑。特殊情況下，φ75mm繩索取心鉆桿也可以作為技術套管。
地質設計需要孔內測井或進行井中物探方法試驗時，應根據入井儀器的外徑確定鉆孔的終孔口徑，依次確定上部的鉆孔結構。深孔施工費用較高，壹次性投入較大，但獲取的地質信息量也是大量的，當地質部門對鉆孔口徑有特殊要求時，應以地質部門設計為準。
3.深孔鉆進沖洗液配方及性能指標
深孔鉆進巖層復雜程度要比淺孔高若幹倍，施工難度大，因而沖洗液的性能應滿足深孔鉆進要求。當進入壹個新區，缺乏深部巖層資料時，從開孔就以泥漿作為沖洗液，在保證孔壁穩定的同時，簡化鉆孔結構，減少技術套管的入井量。根據不同地層條件，泥漿配方和性能指標推薦如下:
(1)較穩定地層采用不分散低固相泥漿。制備1m3泥漿，加粘土粉30～40kg，Na2CO31～2kg，水解聚丙烯酰胺(PHP)0.2kg，聚丙烯酸鈣(CPA)0.2kg。泥漿性能:相對密度1.02，黏度18～20s，失水量小於20mL/30min。
(2)水敏地層、坍塌掉塊地層的泥漿(腐殖酸鉀泥漿)。制備1m3腐殖酸鉀泥漿，加粘土粉50～80kg，Na2CO33～4kg，腐殖酸鉀3～5kg，Na-CMC0.5～0.8kg。泥漿性能:相對密度1.15～1.20，黏度20～30s，失水量4～10mL/30min，pH值9～10。
(3)裂隙地層、湧水地層的泥漿(鈉羧甲基纖維素泥漿)。制備1m3的泥漿，加粘土粉150～200kg，純堿5～10kg，Na-CMC6kg。泥漿性能:相對密度1.3，黏度30～40s，失水量小於8mL/30min。
當有深部巖層資料後，完整地層可選用清水加潤滑劑或無固相沖洗液，以實現快速鉆進。
深孔鉆進應針對地層的復雜程度合理配置泥漿並保持良好的護壁性能，將有利於鉆進效率和鉆孔質量的提高。深孔鉆進必須配備泥漿性能指標測試儀，建立良好的泥漿循環系統，並配備有效的除砂設備。泥漿性能指標隨著鉆孔的逐步加深、巖性變化適當調整。
4.鉆進技術參數
深孔鉆進的鉆壓和轉速不同於普通的淺孔，在800m以前的孔段可采用常規的鉆進參數，當孔深大於800m之後，只要鉆機有能力，盡量保持高轉速，壓力應根據巖石力學性質、可鉆性、鉆頭的唇面形狀和防斜的需要適時調整，泵量則根據環狀間隙和鉆進效率適度調整。
5.預防孔斜措施
地層促斜作用，導致鉆孔嚴重彎曲。河南省桐柏縣大河銅礦區設計鉆孔頂角8°，孔深400m時鉆孔軌跡偏離勘探線60m;國內某鉆探公司在非洲施工，孔深1300m時偏離勘探線300m，鉆孔嚴重彎曲導致未能鉆穿預想的隱伏礦體，使巨額投入未達到地質目的。深孔鉆進在防斜方面應采取如下措施:控制鉆桿與孔壁間隙;采用不同類型的鉆頭，並控制鉆壓;在用加大尺寸鉆頭時，使用扶正器;換徑時采用導正鉆具。
6.深部鉆孔的測井技術
深孔鉆探除采取巖礦心、地質編錄外，還應采用孔中物探測井技術，提高鉆孔的利用程度，為地質找礦獲取更多的地質信息。
7.開展深孔鉆進技術攻關活動
深孔鉆探投入大，周期長，風險高，鉆探施工單位應結合具體情況組建鉆探技術攻關小組，著重開發研究解決如下技術:老礦山周邊采空區鉆進與護壁，深孔鉆孔結構設計，技術套管入孔與起拔，隨鉆測斜與糾斜技術，深孔定向鉆進與分支孔施工技術，復雜地層鉆進與取心技術等。
四、深孔鉆探的組織與管理
1.深孔鉆探施工的管理
深孔鉆探包括施工組織和鉆探技術兩個方面。鉆探技術和設備選型與配套前面已經敘述，生產的組織和管理也十分必要。超深鉆孔的施工，我局經驗不多，三隊今年在山西省翼城縣鐵礦異常驗證鉆探施工中完成了壹個深度1076.50m的鉆孔，是我局在內生金屬鉆探方面施工的第壹個深孔，積累了壹定的深孔施工經驗。但是此孔事故較多，施工時間過長，經濟效益不高。
深孔鉆探施工在設備器具配套的前提下，要有高水平的技術管理人員指導鉆探作業施工，更需要熟練的技術工人來操作。今後在深部勘查中，將會設計更多的超深鉆孔，鉆探施工如何保證完成任務，將是我們面臨的問題。目前情況下，局隊兩級管理部門應有鉆探技術人員負責鉆探生產的管理和技術研究，並需要培訓壹批熟練的技術工人。在設備購置、技術研究、人員培養等方面，重點向深孔鉆探施工方面傾斜。
2.鉆探技術工人的培養與使用
為發揮現有油壓鉆機和全液壓鉆機的作用，積極為地質找礦服務並取得經濟效益，在組織管理方式方面需進行優化。應有技術和管理人員負責鉆機的使用和維修，建議千米鉆孔每臺鉆機配技術工人7人(機長1人、班長3人、鉆工3人)，其他8～10名工人可采用雇用臨時用工的形式解決。鉆探技術工人要經過技術培訓，固定使用。工作作業方式按三班八小時工作制，既保證生產的正常進行又保持工人有良好的體力，最大限度地挖掘設備和人力資源的潛力。1500～2000m深孔施工，采用4班6小時工作制，技術工人足額配置，並配備2～3名技術人員。
目前全局巖心鉆機有30臺套，每臺鉆機按7名技術工人配置需要210人，但目前能勝任鉆探工作的技術工人較少，且年齡偏大，需要招收壹批合同制工人來操作鉆機。河南省煤田地質局招收合同制工人的經驗值得我們借鑒。首先，這批工人在技工學校通過鉆探專業的技術培訓;其次，通過社會保障部門與工人之間簽訂長期用工合同;再次，合同制工人按企業用工的方式管理，單位為工人繳納基本養老保險、醫療保險、失業、工傷和生育等保險，繳費基數、繳費比例、享受待遇等均與社會企業工人壹視同仁;最後，合同制工人在工作期間享受同等待遇。所招收的工人其身份是合同制，隸屬於當地勞動保障部門。除合同制技術工人之外，鉆機上還需要普通工人，考慮到地勘行業工作的特殊性，這批人可以采用隨用隨聘的方式，並與工人簽訂臨時用工合同，以保障鉆機滿員，盡力發揮技術設備的作用。
3.鉆探裝備的配套
近年來兩權價款設備購置費的註入，使我局的鉆探設備得到更新，但是在應用中存在鉆桿不配套問題。比如XY-5鉆機在購置時配備φ71mm繩索鉆桿，正常情況下可以保證施工，巖層復雜、鉆孔坍塌漏失，需要頻繁提鉆或註水泥漿護壁時，繩索鉆桿就失去了優勢。建議每個地質隊應配置壹套普通鉆桿以適應鉆探生產的需要。
4.優惠政策與要求
為保證全局現有鉆探設備發揮應有的作用，在我局地勘單位鉆探工作量向外發包時，優先考慮自己內部的鉆機，給他們創造壹個較為寬松的內部環境。局內部鉆探設備的使用在現階段以隊為單元，若集中力量向社會上承攬工程時，則以巖土公司和四隊為龍頭，發揮他們甲級資質和管理的優勢。局內部各種類型的設備應建立臺賬，提高設備的有效利用率，按時提取設備折舊費，不得將設備租賃給個人經營。