钻探技术应用示范情况

1. 钻探技术应用示范情况

基地结合“福建马坑铁矿钻探技术应用示范与科研基地建设”和中国地质科学院勘探技术研究所、中国地质大学（武汉）承担的地调项目以及国家“863”项目的实施，在马坑铁矿勘查中开展深孔钻探关键技术研究，试验和示范新理论、新技术、新设备（包括钻探技术成果的现场试验、检验、评价），详见“第二篇 马坑铁矿深孔钻探关键技术集成研究”。
本课题研究成果（如何全面收集、消化和吸收前人研究成果，如何集成、综合应用国内外先进、成熟的钻探技术，如何结合实际开展深孔钻探关键技术研究，如何建立钻探技术工艺优化的评价方法和指标体系，如何开展必要的技术工艺方法优选试验，及其最终产出的深孔钻探技术组合优化的集成式创新性成果等）可以持续在“龙岩马坑—大田汤泉铁矿整装勘查区”的3个重点勘查区（马坑外围、潘田-洛阳、汤泉外围，面积达8377km2，见图15.1）铁矿深孔钻探中进行应用示范和进一步研究完善。
因此，基地具有长期开展钻探科研试验和新技术应用示范的条件。基地编制、上报的《马坑铁矿——福建龙岩野外基地建设计划》中，编列了拟申报开展的深孔钻探研究项目（课题）18个，见表15.1。

表15.1 拟申报开展的钻探研究课题经费估算表


图15.1 福建马坑外围—大田汤泉铁矿整装勘查区区域地质图

1—童子岩组（P2t）细碎屑岩；2—文笔山组（P2w）泥质粉砂岩；3—经畲组—栖霞组（C2j—P2q）灰岩（大理岩）；4—林地组（C1l）砂砾岩；5—中下石炭统（C1-2）片岩（变质粉砂岩）；6—楼子坝组（Z1l）石英云母片岩；7—中酸性火山碎屑岩；8—安山玄武岩；9—燕山期花岗岩（  ）；10—燕山期花岗闪长岩（  ）；11—辉绿岩、花岗斑岩（β、γπ）；12—断层及破碎带；13—矽卡岩；14—原生铁矿、风化铁矿

2. 钻探科研试验场所建设情况

由标准化建设的钻探机台现场与科研试验室组成，场地面积1110m2。
1）按标准化、规范化要求，组建了2台套设备精良、机具配套齐全的生产钻机，可有效保证钻探科研试验和新成果应用示范需求，并承担教学培训和科普观摩活动。
2）按功能足、设施全的要求，完善、更新钻探科研试验室的仪器、设备。
3）进一步完善钻探机修车间、设备管材仓库等相关保障设施。

3. 开展深孔钻探关键性技术的试验研究与应用

第四阶段勘查中，结合国土资源部公益性行业科研专项“福建马坑铁矿钻探技术应用示范与科研基地建设”课题（课题编号：201011002-02）的开展，承担了提高深孔钻进效率的技术方法、复杂地层护壁堵漏对策与方法、复杂地层取心工艺方法、防斜钻具与钻进工艺、受控定向钻探技术的应用、深部矿体勘查钻探技术工艺方法优化（也是福建省地勘局科研项目）等深孔钻探关键性技术的试验研究和定向钻探技术、BH-114 套管钻进等钻探新技术的应用、试验和示范，取得的主要突出的创新性成果见“第二篇 马坑铁矿深孔钻探关键技术集成研究”。

4. 钻探方法研究

目前，国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。
（一）金刚石绳索取心钻探
在世界各国地质找矿钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术（Wire-line Coring Drill，简称WL）20世 纪40年代最早诞生于石油钻井业，后来经美国Longyear Co.改进和开发，被应用于固体矿 产岩心钻探施工中，此后在世界范围内大量推广应用，至今已有近70年的推广应用历史。WL钻探技术的诞生和成功应用实现了不提钻取心，大大提高了钻探效率，因而被称为地 质岩心钻探技术的一次革命［24，25］。
国外一直重视和不断开发、完善金刚石WL钻探技术。主要是在钻杆选材、加工精度、热处理及几何尺寸等方面开展研究，使钻杆强度、韧性和连接螺纹的可靠性有了进一步提 高，同时对金刚石钻头进行深入研究，提高了钻头寿命和钻进效率。
我国自20世纪70年代中期开始研究并推广应用金刚石WL钻进技术，在地质找矿中发 挥了重要作用，截至1990年，完成钻探工作量达1505万m，钻进速度和台月效率大幅度提 高，取得了显著的经济与社会效益，在全国探矿领域几乎普及了该项技术，并由此获得了 国家科技进步奖一等奖［17］。但自1992年以后的十余年间，由于矿产勘探工作量锐减及钻探 施工单位向建筑基础领域的转产，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致了该项技 术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大，WL钻探用钻杆 的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标差距明显，利用WL钻探技术完成 的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的1/3［3］。近年来，随着新一轮地质 找矿热潮的兴起，该项技术又重新得到恢复和发展，应用广度和深度进一步拓展，以山 东、河北等为代表的省地勘局将该项技术进一步普及和提高，在“攻深找盲”和提高效率 等方面发挥了突出作用，钻孔深度、钻探效率等多项指标被不断突破，技术水平有了较大 提高。
（二）液动锤冲击回转钻探
国外一直重视液动冲击回转钻进技术的发展。潜孔式液动冲击器（又称液动潜孔锤，以下简称液动锤）最早起源于欧洲。1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的 专利，技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从 而实现冲击回转钻进。从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联都研制出几种具有 实用意义的液动冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有成效的是前苏联，1900～1905年 开展对液动冲击回转钻进技术的研究，1970年开始逐步在生产实践中得到应用。匈牙利在 20世纪60年代研制了φ48～160mm的5种双作用液动冲击器，将液动冲击钻具组装在一专 用拖车上，并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，搬运灵活方 便，在施工矿区或工地为多台钻机服务。日本对液动冲击器的研究起步于20世纪70年代，比较成功的是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液 作为工作介质［14］。
近年来国外在液动锤的研究领域所做的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发 的双作用液动锤，澳大利亚SDS公司的FH系列液动锤，德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀 为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用），工作流体均要 求用清水（过滤在100μm）驱动。由于冲洗液不能有效护壁，所以使用深度受到限制，最深的应用记录只有590m。
我国从1958年年底开始进行研究，到20世纪80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛时期，地质、冶金等部门分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类 型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到30种以上，累计钻探进 尺超过了百万米，取得了良好的技术、经济效果，粗略统计可提高钻进效率30％～50％以 上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段 我国的液动锤研究和应用水平已经居世界先进水平，是继前苏联以后在小口径矿产勘探领 域广泛应用液动锤钻进技术的国家［14，26］。
进入20世纪90年代，由于我国的地质勘探工作量大幅下降，小口径液动锤的研究投入几乎中断，这些成果并没有得到很好的应用和提高，对该项技术的研究应用转向主要对 水文水井、油田和工程施工用大口径液动锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘探技 术研究所研制了一种新型的YZX系列液动锤（图1-3），其静密封的可靠性和耐高温性以 及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中，他们研制 的YZX 127液动锤连续钻进了近500个回次，在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺 3485.71m、最大应用深度达 5118.2m的世界纪录。另外，勘探技术研究所还为大陆科学钻 探工程研制了KS-1 57绳索取心液动锤、SYZX273液动锤和螺杆马达/液动锤/WL-三合一钻 具，均取得成功，在提高钻进效率，防止岩心堵塞，延长回次进尺，减轻孔斜等方面都发 挥了重要作用［14，27］。

图1-3 新型YZX系列液动锤

该技术在科钻一井的成功应用，推动了我国钻探技术水平的进步。同时大陆科学钻探 工程也为推动液动锤钻进技术的巨大发展起到了非常重要的促进作用，使我国的深孔液动 锤钻进技术达到了国际领先水平，得到众多国外同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国 等公司先后从我国引进该技术进行试验研究。然而，到此为止，国外液动锤取心钻进最大 孔深为2000m，由前苏联创造（无细节资料报道），液动锤全面钻进最大孔深是由澳大利 亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井的4333.03～4353.15m井段对12/4 in液动锤进行 了试验。总的来看，用于深井条件下的液动锤还处于研究试验阶段，都未能够达到大规模 应用的程度。在国内，对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究也待进一步深入。特 别是在固体矿产小口径钻探普通生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然 沉淀的水平，钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动锤内部零件频繁卡死，工作寿命大 幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接 受，但是实际应用还较少［14，28］。
（三）气动锤反循环钻探
在很多国家，气动潜孔锤（以下简称气动锤）反循环（Reverse Circulation，简称RC） 钻探技术也得到较大发展。该项技术主要有两种类型，一种是由普通气动锤＋交叉通道 接头＋双臂钻杆实现，即RC或中心取样（Center Sample Recovery，简称CSR）钻探技术；另一种是由带RC取心（样）钻头的贯通式气动锤＋双臂钻杆来实现，即贯通式RC钻探技 术。由于气动锤RC钻探技术改变了传统的碎岩和取心方式，其钻探施工效率可提高3～1 0 倍、成本降低1/2～2/3，因此，气动锤RC钻探技术被钻探界称为继WL钻探技术之后的又 一次革命［16，29］。早在20世纪80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就研究发展并 在勘探阶段较广泛地推广应用该项技术。美国1989年研制的一种无阀贯通式气动锤—— SAMPLEX-500型被MAJOR钻探公司配在CSR钻机上使用［30］。目前仅美国西部地区就有 150多台气动锤RC钻探设备用于各种地质矿产钻探，其中包括砂金和岩金矿床勘探。据报 道，澳大利亚采用气动锤RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％。有些矿区几乎完全采用气动锤RC连续取 样钻探方法，或者按照采用气动锤RC连续取样钻探与采用WL钻探工作量20：1的比例布 置。澳大利亚气动锤RC钻探最大孔深已超过700m［16］。
我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。勘探技术研究所等单位对普通浅孔锤 RC或CSR钻探技术进行了研究，1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，还相继开发 了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等，并在个别矿区进行应用。原长春地质 学院对贯通式潜孔锤RC钻探技术进行研究，并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的 RC取心（样）钻头等，特别对RC取心（样）钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等 方面做了大量研究工作，并取得了多项研究成果。但是，由于国内地质界对以岩屑代替传 统柱状岩心来评价矿产资源还不认可，目前还无相应规范可依，在地质钻探设计时还不能 采用该技术，因此，该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取 心时才进行试验应用，如河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复 杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外，由国外矿业公司出资勘探 的部分矿区，如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技 术，采用后取得了较显著的技术效果和经济效益，钻探施工效率提高3～10倍，成本降低 1/2～2/3［29］。
（四）泡沫钻探
泡沫用于钻探工程始于20世纪50年代中期。当时美国为在干旱缺水、且稳定性较差的 地层中钻井，首先在内华达州使用了泡沫钻井液。因泡沫钻进时上返速度仅为空气钻进上 返速度的1/10～1/20，有效地保证了孔壁稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐水、油 层、永冻层钻进的泡沫流体的研究，扩大了泡沫钻进的应用范围，取得了很好的经济效 益，成为低压油田开发的一种有效手段。
前苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的实验研究。到70年代，开始利用泡沫进 行小口径金刚石岩心钻进，并且在泡沫流变学、泡沫钻进过程中的温度、压力等方面进行 了深入的理论研究。在十多年的初步研究中，证明在8～10级岩层中，与使用常规冲洗液 相比，钻进机械钻速提高了30％，回次进尺提高了22.5％，钻进效率提高了25％，金刚石 消耗降低了28％，功率消耗降低了23％，综合经济效益提高了34％。到1984年，前苏联采 用泡沫钻进技术的钻探工作量近10×104m，各种泡沫剂供应也在60～70t［31，32］
在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻进技术也得到了快速的发展，并被列为 今后新技术开发的方向。美国在20世纪80年代初期已基本完成泡沫钻进的各种研究工作。Sandia Nation公司1980年研制推出了100多种阳离子、阴离子、复合型及非离子型的泡沫 剂，以适应各种复杂地层条件下的泡沫钻进的需要；泡沫钻进设备已达到系列化；钻进工 艺水平达到了计算机控制化的水平。
我国对该项技术的研究起步较晚，20世纪80年代中期，首先在石油系统利用泡沫进行 洗井、钻井工作，研制了F873、TAS等泡沫剂。此后，地矿、煤炭系统也进行了这方面的 研究工作，先后研制出了KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡 沫剂，同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究，经过对不同环境条件及机具的试验研究，总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程，推动了泡沫钻进技术的发展。但由于正值地 质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻 进技术高，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春科技大学又在原地质 矿产部立项，进行了水泵泡沫增压装置的研究，取得了泡沫增压泵的容积效率达到90％的 效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡 沫灌注系统，经在宁夏西海固地区的实际施工试验，取得了水泵的增压能力达到5MPa令 人可喜的效果［31，32］。此外，还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究，已取得了 突破性进展，但目前用于生产还需要进一步试验研究和完善。

5. 钻探设备研究

国外一些先进国家首先对深孔钻探设备进行了研究开发，研制了钻进深度2000m以深的各种岩心钻机，如加拿大挑战者钻探公司研制的HSS-150、美国长年公司研制的DH-10、澳大利亚明德利尔公司研制的F150C、日本利根公司研制的TXL-1 E、瑞典阿特拉斯-科普 柯研制的D-2000等，钻进能力为2000～4600m ，动力配备为40.5～220.6kW，钻机主要部 件大都采用液压马达驱动。此外，高压泥浆泵、高载荷长立根钻塔等配套完善。
随着流体传动与控制技术、传感器检测技术、自动控制技术以及计算机技术的发展，国外知名钻探设备生产商开发出一系列技术先进、性能优良的全液压动力头岩心钻机（以 下简称动力头钻机），使其钻进能力和钻进效率获得了巨大提高。如美国宝长年公司的 LF230动力头钻机、澳大利亚U.D.R.公司的UDR300D动力头钻机和加拿大阿特拉斯公司的 CS4002动力头钻机（图1-1）等，与立轴回转钻机相比，由于动力头钻机具有很多优点，很 快得到了推广和应用。目前，动力头顶驱式钻机在发达国家已成为钻探设备的主导型式［23］。

图1-1 国外深孔动力头钻机

我国目前采用的钻机主要仍是20世纪70年代研制的立轴式钻机，钻进能力大多在1500m以内。近几年部分厂家陆续研制了2000m钻机，2007年连云港黄海探矿机械厂还研 制了3000m钻机。这些钻机性能特点基本一致，没有大的突破。
动力头钻机，我国自1960年开始研究，原长春地质学院设计了一台电力—液压传动300m钻机，并于1962年制成。此后至1976年，上海探矿机械厂、张家口探矿机械厂、重 庆探矿机械厂、北京探矿机械厂等纷纷研制了600m、1000m和1500m动力头钻机，但由于 当时我国的液压技术水平低而导致钻机性能不佳，在生产中没有推广开，后来由于钻探工 作量锐减，该钻机的研究工作基本停止。近年来，国内一些科研院所、大学和厂家在消 化吸收国外动力头钻机的基础上，相继研发了新产品，如山东省地质探矿机械厂研发了 XD-3、XD-5型、中国地质调查局勘探技术研究所研发了YDX-3及YDX-3A型等新型动力 头钻机（图1-2）。另外，勘探技术研究所还在立轴钻机的基础上进行研究、改进，研发成 功了新型机械传动立轴钻机，较好地克服了原立轴式钻机固有的给进行程短、频繁停机倒 杆的缺点，加长了给进行程，并实现了无主动钻杆、不停机倒杆钻进，提高了工作效率。尽管在研发中有了一些改进和创新，但是总体而言，研制工作还不够深入，新技术应用不 足，技术创新不够，适合我国国情、性能优良的深孔动力头钻机亟待研制开发。

图1—2 国产动力头钻机

6. 钻探新技术的应用概况

在西部大开发、国土资源地质大调查中，党中央及国土资源部已把水资源的勘查与开发列为重中之重。全国地下水资源调查评价是地质大调查中的一项重要工作内容，要想按时按质的完成任务和达到预定的目标，除采用先进的地质理论和地质技术外，还必须采用先进的取心取样钻探新技术。若采用常规的钻探技术进行施工，有很多地区存在着不少技术难题，如勘探速度慢、效率低、成本高；孔内卡钻、埋钻事故频繁；易堵塞生产层裂隙、泥皮粘糊孔壁等；缺水地区还存在着大量的生产用水难以解决，不可避免的影响对水资源的勘查与评价。这一系列因素，要求我们改变原有的观念，进行技术革新，选择适合一定地区的、先进的钻探技术，提高钻探效率、降低成本、保质保量地完成任务，从而带动钻探新技术的推广应用。
“六五”至“八五”期间，钻探技术进步显著，以绳索取心为主体的金刚石钻探技术有了很大发展，带动了钻探技术工艺方法和技术装备等全面变革，受控定向钻探技术已经达到了国际先进水平，冲击回转钻探技术成为拥有我国自主知识产权的一项特色技术，达到国际先进水平；多工艺空气钻探技术和反循环钻探技术趋于成熟；钻探机械和仪器发展了适应多工艺方法的系列产品，技术装备基本成龙配套，在地质勘查中发挥了积极作用。
2.2.2.1 多工艺空气钻探技术
空气钻进是指用压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或者既用其作为破岩机具的动力，又兼作冲洗介质的一种钻进工艺方法。近几年来发展很快，技术成熟，逐渐形成包括循环介质、循环方式、碎岩方法和应用领域的多工艺空气钻进技术体系。
其主要特点如下：低密度介质有利于提高碎岩速度；能有效冷却钻头、清除岩屑和快速判层；能在不稳定地层中保护孔壁和少污染环境；有利于保护含水层和低压油气层并提高产出率；特别有利于在干旱缺水地区和严寒、冻结层施工；亦利于忌用液体循环的抗滑锚固孔和露天矿爆破孔施工；空气潜孔锤钻进能大幅度提高硬岩钻孔速度；气举反循环钻进能实现2～3m以上大直径井孔和超过2000m的深井施工。
多工艺空气钻探被视为当今应用最广和最有发展前景的钻探技术之一，通过“七五”、“八五”期间的攻关研究与完善，已形成较为成熟的现代快速综合钻探技术，“多工艺空气钻探技术推广应用”已被国家科委遴选编入“国家科技成果重点推广计划项目创产值超亿元100例”。勘探所结合各领域不同用途、各地区不同地质条件等进行了多工艺空气钻探技术研究与开发，以及在实践中不断的完善，先后开发了SHB114/70、127/70、140/100、CSR73/33、CSR73/39等多种双壁钻具与配套器具。还开发了多种型号的钻机，如SPC系列水井钻机、全液压动力头式FD-300型钻机等，及可用于复杂地层的ADF型系列泡沫剂等。
多工艺空气钻进技术的应用，成功解决了长期存在的若干技术难题，如干旱缺水地区、永冻层及漏失层钻探施工；用其他循环介质无法保证安全钻进的地区施工；用其他钻探方法无法保证钻探质量的地区施工；用其他钻探方法在若干岩层钻进效率甚低等。
该技术的推广应用，大大提高了水文水井钻进速度与成井质量，用空气潜孔锤和气举反循环钻进比常规同转钻进一般可成倍乃至十几倍提高钻进速度；已产生了巨大的经济效益和社会效益，据不完全统计，多工艺空气钻进自推广以来完成钻进工作量130余万米，仅20个单位至1998年的统计，累计创产值64亿余元，新增利税0.9亿元；已为我国晋北、豫西、陕甘宁和内蒙古、广西岩溶地区、京郊山区等，打了许多丰产井，解决了数以百万计的人畜与生产用水困难，为扶贫致富发挥了重要作用。
2.2.2.2 多介质反循环钻探技术
所谓反循环钻进就是指钻探过程中循环介质同常规钻探方法的循环方向相反，反循环钻进一般采用双壁钻具，循环介质主要分为压缩空气和液体两种。钻进过程中，循环介质经过双壁气水龙头、双壁主动钻杆、双壁钻杆内外管环隙到达孔底，驱动孔底破岩器具破碎岩石，并携带岩心及岩屑经钻杆的中心通道到达地表的岩心或岩样的收集装置。
由于反循环钻进具有独特的双壁钻具结构，无须提出孔内钻具就能获取所需的地质样品，决定了该方法具有如下优点：时间利用率高，钻进效率高，劳动强度低，洗井效果好；孔底清洁，钻头寿命长，实现了钻进、取样同时进行，达到了优质、高效的目的。
根据循环介质的不同，反循环钻探技术主要分为空气反循环和水力反循环。
（1）空气反循环连续取样钻探
具有多种钻具组合方式（图2.4），能够适应多种地层条件（表2.1）进行取心或取样连续钻进，能够满足地质上对岩心的要求；尤其适合干旱缺水地区水文地质勘查孔钻探施工等。

图2.4 空气反循环钻探钻具组合示意图

由于循环介质为空气，不会堵塞水通道、对水质无污染，且不会打丢含水层；钻进过程中即可根据岩样上返潮湿程度判断是否进入含水层；随着含水层钻进深度的增加，孔口返水量逐渐增大，穿过含水层后，返水量趋于稳定，从而可以大致地判断含水层的位置，定性地判断水量的大小。如宁夏二人山-金场子矿区原定为贫水区（5m3/24h），用空气反循环钻探20余孔，不仅孔孔见水，且涌水量达20～30m3/h。又如，在周口店北京探矿工程研究所院内用常规方法钻进数百米深未找到地下水，用空气反循环钻进方法却发现了较丰富的达饮用水标准的地下水。
表2.1 钻具组合与适应地层情况


（2）水力反循环连续取心钻探技术
以液体作为循环介质，利用双壁钻具实现岩心的连续上返。该钻探技术以硬质合金和金刚石钻头为碎岩工具，以回转磨削取心的方式钻进。主要用于2～4级覆盖地层、煤系地层以及较完整的中硬岩层中钻进。实践证明，水力反循环连续取心钻探技术用于水文地质勘查、地质填图、地球化学勘探、煤田取心钻探及环境保护等钻探施工中，具有较高的钻探效率和较好的地质效果。在山东烟台300多米钻探施工中，综合台月效率达1300多米，时间利用率达75%。
2.2.2.3 绳索取心钻探技术
绳索取心钻探技术是一种应用较广泛的地质取心钻探技术，该技术对地层适应性广。1973年勘探所首次研制成功用于岩心钻探的绳索取心钻具，后续逐步开发出多种系列产品，包括：水文水井绳索取心钻具系列、坚硬“打滑”地层用绳索取心钻具系列、用于深孔的重型绳索取心钻具、松软破碎地层及煤系地层的绳索取心半合管钻具系列和绳索取心塑料三层管和超前管钻具等，与此同时，还开发了与其配套使用的钻头、扩孔器等，大大提高了我国金刚石钻探的技术水平。
应用绳索取心钻探技术可以减少升降钻具次数，增加纯钻进时间，减少岩心磨蚀和中途脱落机会，岩心采取率达90%～100%；能延长钻头寿命等；被誉为“四高、三低、两好”，即工程质量高、时间利用率高、钻进效率高、钻头寿命高；事故率低、劳动强度低、设备材料消耗低；地质效果好、经济效益好。
为了满足新一轮地质大调查地质钻探需要和进一步提高我国地质钻探综合水平而采用的一种新型钻探技术——组合钻探技术应运而生，将空气反循环连续取样、水力反循环连续取心及绳索取心钻探技术有机结合起来，采用一套钻杆和辅助器具就能完成，达到了因地施钻，满足了地质要求，提高了钻探效率，降低了钻探成本。该项技术可较好地用于水文地质孔勘查与固体矿产勘探；同时勘探所还在继续开发复杂地层中深孔使用的绳索取心配套钻具等。
2.2.2.4 液动冲击回转钻探技术
液动潜孔锤钻探技术是在回转钻进的基础上增加一个利用冲洗液驱动的液动潜孔锤，它可产生具有一定冲击能量和频率的载荷，从而可大幅度提高5级以上地层钻探效率，克服金刚石钻进“打滑”问题，在岩心易堵塞的破碎岩层中延长回次进尺。勘探所先后开发出六个系列30多个规格的液动潜孔锤，如正作用系列、双作用系列、绳索取心系列、水文水井钻系列、液气两用系列，目前仍在开发深井用液动锤及喷反系列液动锤等。
中国大陆科学钻探是国家重点工程项目，它的实施从钻探技术的角度来看将是全面检验和提高我国钻探技术水平的一个极好的机会，其2000m先导孔及主孔施工采用了具有中国特色的先进技术：螺杆马达/液动锤/金刚石取心钻进工艺方法。勘探所研发的YZX127液动锤成为CCSD主孔不可缺少的钻探器具，在主孔的钻进中发挥了主导作用。
综上所述，勘探所从1958年起率先开始液动潜孔锤技术研究，经过几代人不懈努力，在理论和技术上有新的突破的同时，积极进行科技成果的转化与应用，使其应用领域进一步拓展。近年来液动冲击回转钻探技术已应用于地下水勘查、水井与地热、油气井、地质岩心钻探、水下爆破及工程地质勘察等领域，且在推广应用中取得了良好的效益。
2.2.2.5 受控定向分支孔钻探技术
受控定向钻探技术就是采用孔底马达和必要的弯接头或弯外壳控制方向沿设计的轨迹进行钻进，达到预定的靶区，该钻探技术可在一个主孔的不同深度、不同方向钻出多个分支孔，可大大提高钻探效率，节约成本，提高钻孔的综合利用率。
目前，受控定向分支孔钻探技术已成功地在固体矿产勘探中得到应用，定向钻探对接井技术也广泛应用于盐矿、地下煤层气化等领域，可在一个主孔内钻出6～9条分支孔，可实现两井相距500m的钻孔在地下3000m深度的对接，勘探所已成功使用该技术完成对接井三十多对，2002年勘探所在湖北完成了深达2787m的对接，创国内对接井之最。该技术的成功应用已为社会及生产单位带来了很好的社会效益和经济效益。
受控定向多分支孔钻探技术用于开发地热及水文水井钻探等方面，能较好地扩大地热井及水井的采集面积，丰富水源的水量；在濒临枯竭的水井中，可以在同一主井实施放射状水平井，以提高水井的采取率及延长使用寿命，使枯井起死回生；对接连通井技术可将地下干热岩转换成地热，以充分发挥地下能源的有效作用，为民造福。

7. 钻探及主要成果

1958～1964年，地质部第一石油普查勘探大队在合肥盆地钻浅井43口，累计进尺25172m，在盆地北部的朱巷地区朱1井发现了下白垩统朱巷组（K1z）暗色泥岩；1970～1976年，安徽石油勘探处钻深井6口（图1-8），进尺16511m，浅井14口，进尺12293m，证实了下白垩统朱巷组（K1z）暗色泥岩的存在，并发现上白垩统响导铺组（K2x）中上部和下第三系定远组中上部存在暗色地层，指出盆地东部是寻找油气的有利地区，主要勘探目的层系是白垩系和下第三系。

图1-8　合肥盆地参数井井位分布图

合深1井位于肥东县响导铺村，老合肥-蚌埠公路旁，构造上处于大桥断坳中部浅层重力正异常高部位，电法显示为隆起。该井于1970年11月29日开钻，至1972年2月25日完钻完钻井深3000.8m。钻遇第四系10m，上白垩统1932.5m，下白垩统1058.3m（未穿）。
合深2井位于肥西县花岗村南，构造上处于舒城断坳北部。完钻井深3310.77m。于1972年4月8日开钻，10月26日完钻，钻遇第四系20m，下第三系3290.77m（未穿），当时确定目的层为中-下侏罗统，发现地层有浅变质现象，预计钻至3500m也无法将该套地层钻穿，故提前完钻。
合深3井位于寿县大顺集村西南，构造上处于大桥断坳与霍邱断隆过渡的斜坡地带—瓦埠重力高上。完钻井深2444.94m，钻遇第四系30m，上侏罗统1023.5m，下侏罗统1303m，之后直接进入太古宇，钻遇88.44m（未穿）。
合深4井位于定远县郧庄北，构造上处于定远洼陷东兴集重力负异常带。该井完钻井深2509m。自1973年3月31日开钻，至8月20日完钻。该井钻遇第四系25.3m，下第三系2151.7m，之后直接进入二叠系，钻遇厚度332m（未穿），证实了该地区存在下第三系和淮南型上古生界，并在下第三系定远组中发现膏盐和暗色地层。
合深5井位于肥东县路口埠，构造上处于肥中断裂带东部路口埠重力低的中心部位。该井完钻井深2497.22m。于1973年8月28日开钻，1974年4月4日因工程问题而提前完钻，该井钻遇第四系42m，下第三系1525m，上白垩统1430.22m。合深6井位于定远县三官庙村，构造上处于大桥断坳的核部。设计完钻井深2748.55m。1974年7月24日开钻，1975年5月16日完钻，钻遇第四系14m，其下为白垩系，钻遇厚度2734.55m（未穿）。
安参1井是胜利油田有限公司在肥中断裂北部双墩构造钻探的重要参数井。该井位于长丰县塘拐村，构造上处于大桥断坳与霍邱断隆的过渡部位，紧邻肥中断裂。该井于2000年12月9日导管开钻，2002年4月10日完钻，完钻井深5200m，完钻层位下古生界。该井钻遇下白垩统、中—上侏罗统、下侏罗统防虎山组（J1f）以及石炭系—二叠系。该井的钻探，为解决合肥盆地目前存在的一些地质问题提供了基础资料。

8. 钻探施工方法试验

一、冲洪积倾斜平原区钻探方法试验
1.试验工程基本情况
为研究浅层地热能采集方法，此次在郑州高新技术开发区进行了反循环清水钻进和正循环泥浆钻进试验对比。
试验工程共施工抽水井3眼，其中反循环清水钻进施工成井1眼.井深85m；正循环泥浆钻进施工成井2眼.井深均为140m。3眼井孔径均为0.6mm，井径0.3mm，滤料规格1～3mm石英砂。
洗井采用相同方法，即首先用200QJ80-50型水泵抽水洗井，并用7m3空压机压风震荡洗井，直至水清沙净，然后进行抽、灌试验，试验时，D3为抽水井，D1和D2为回灌井。试验工程基本情况结果见表4-8。
表4-8 试验工程基本情况表


2.试验结果分析
试验结果对比见表4-9，试验求得参数见表4-2。D1孔采用反循环清水钻进施工，抽水试验降深32.1m，涌水量48m3/h，试验求得渗透系数28.24m/d.回灌试验稳定灌水量13.0m3/h，水位升高6.5m.单位回灌量2.0m3/h·m；D2孔采用正循环泥浆钻进，抽水试验降深19.7m，涌水量67.5m3/h，试验求得渗透系数7.61m/d，回灌试验稳定灌水量32.7m3/h.水位升高30.0m，单位回灌量1.09m3/h·m。
表4-9 不同施工工艺成井效果对比表


从单位回灌量来看，反循环清水钻进的D1井回灌效果比正循环泥浆钻进施工的D2井效果好，反循环清水钻进的D1井单位回灌量是正循环的1.8倍。但由于D1井静水位埋深较小，反映出总的回灌量小于D2井。因此，从地温空调井回灌效果考虑，反循环清水钻进施工工艺优于正循环泥浆钻进。
二、黄河滩区钻探方法试验
根据前人资料.在黄河滩地细颗粒含水层中使用正循环泥浆钻进与反循环清水钻进两种方法试验结果如下：
1.场地基本情况
试验工程由3个大口径管井（C4、C11、C12）组成，孔径0.8m，管径0.6m,3眼井分别位于边长15m的等边三角形3个顶点上，井深（70m左右）、所揭露的地层、成井结构（滤水管长度40m，普通缠丝滤水管，缠丝间隙1～1.5mm，砾料规格1～3mm）基本相同。
2.成井工艺
（1）正循环泥浆钻进工艺
1）主要施工设备：SPJ-300型钻机，BW600/30泥浆泵。
2）施工方法：孔深70m一径到底，采用黏土及黏土粉混合造浆，比例为2:1或3:1，处理剂主要是CMC和碱面，泥浆黏度为20～30s。
3）洗井方法：物理、化学等多种方法联合洗井。
（2）泵吸反循环清水钻进工艺
1）主要施工设备：GPS-15型泵吸反循环钻机。
2）施工方法：上部下入9m长的保护管，采用清水（自然浊水）为冲洗液，自流供水循环。
3）洗井方法：采用潜水泵和空压机分别洗井。
上述两种成井工艺的洗井效果与抽水试验结果见表4-10。
表4-10 洗井效果对比与单井抽水试验结果表


3.不同施工工艺对钻孔涌水量的影响
通过井群干扰抽水试验结果（表4-11）可以看出，在单井出水量大小接近的情况下，使用清水钻进工艺成井比使用泥浆钻进成井单位涌水量要大37.5%以上。
通过试验对比，泵吸反循环清水钻进比正循环泥浆钻进成井速度快、洗井容易且时间短、单井涌水量大。因此，在较细颗粒含水层中使用清水反循环钻进明显优于正循环泥浆钻进的成井质量。
表4-11 井组抽水试验成果表