对河南省深部探矿设备与施工技术若干问题的思考

1一、对河南省深部探矿设备与施工技术若干问题的思考读者对象：河南省国土资源厅、地矿局、地勘单位负责地质找矿、探矿决策的领导，地质、探矿技术人员完稿时间：2009年3月提示：从《地质勘查导报》上得知，在近年的地质找矿中，山东、河北、辽宁三省都在1000~2000米的深部找到了大矿，这无疑是新一轮地质找矿的突破，而河南省至今进展不大。据说河南省国土资源厅、地矿局、地勘单位的有关领导和地质技术人员，都想在深部找矿中有所作为，为此年近七十的作者（曾任河南省地矿局第三地质探矿队总工程师多年，教授级探矿高级工程师）收集了大量资料，并结合自己多年从事探矿技术工作的实践，编写近一个月时间，写出了《对河南省深部探矿设备与施工技术若干问题的思考》一文，希望推荐给河南省国土资源厅、地矿局和地勘单位的有关领导，以助决策；同时推荐给热心于地质找矿探矿的一代新人，以利实践。用作者自己的话说：“这篇文章，能否对我省的深部探矿工作有一定参考价值，仅仅是个人的心愿，是一个从事数十年地质探矿工作者对社会、对新一代找矿探矿人的交待。”正文：一．前言多年没有写过这类大文章了，“不在其位，不谋其政”是先人告诫我们的祖训，“退休”就是要退下来好好休息。但随着找矿人春天的到来，不少老一代地质工作者，都已经年近古稀，又重操旧业。蒙河南省地矿局第一地质调查队和河南中矿能源有限公司领导的关照，也给我一次发挥余热的机会，聘我协助管理探矿生产和探矿技术工作，转眼已经三年，让我从中了解到一些找矿、探矿信息。作为一名老地质探矿工作者，自然凭着这点余热，又燃起了眇眇细焰。职业的敏感，使我又一次关心起找矿和探矿。在河南省的老地质探矿技术人员中，目前关心找矿与探矿，并在发挥余热者，已屈指可数；关心探矿，且又关心探矿施工技术者，更是廖若晨星。在这些晨星中，愿意提起笔来作这类大块文章者，估计只有这一位不自量的老朽了。新一代地质探矿技术人员，一是出现了空白；二是由于种种原因，愿意作这类大块文章者不多。出于这一考虑，总觉得自己有义务，对我省的深部探矿设备与施工技术两个方面，敞开思想，谈出自己所能思考到的问题。这篇文章，能否对我省的深部探矿工作有一定参考价值，仅仅是个人的心愿，是一个从事数十年地质探矿工作者对社会、对新一代找矿探矿人的交待。因此在编著这篇文章的2过程中，身上仍涌动着股股热流；在完成这篇文章之后，又感到前所未有的欣慰。从题目上可以看出，主要还是针对河南省的。因为，河南省的深部探矿工作有他自身的特殊性，其特殊性将在后面的篇幅中专题论述。二．深部探矿的概念和深孔现状1.深部探矿的概念深部探矿，随着时代和科学技术的发展，及国家经济实力的提高，应当一直把它作为一个相对概念。因为，钻孔（井）深度，在历史上不同时代、科学技术水平与国家经济实力的条件下，其钻孔（井）深度亦不同。上个世纪，由于我国科学技术与国家经济实力的限制，老一代的地质工作者，包括我们的上层领导，考虑的和从事的均为浅部找矿与探矿。建国六十年，特别是近三十年，作为一个大国，随着国家经济实力的增强，已明显感到资源量不足，今天深部找矿与探矿的光荣使命，已历史性地落在新一代地质工作者的肩上。不同矿种，所要求的钻孔（井）深度亦不同。油气勘探数千米的钻孔（井）很普遍，我国在油气勘探中，一般概念，深度超过3000米为深孔，深度超过5000米为超深孔。1974年在我国就曾施工过一个7175米的油气井（川基1号井）。而金属矿，机械岩心钻探，在我国到目前为止，也很少见到超过2500米的钻孔。据有关资料记载，1983年化工部地质勘探公司钾盐地质大队在江苏北部，采用日本TXL-IE钻机，和TV系列绳索取心钻具，施工过一个2503.86米的钻孔。钾盐虽不属金属矿，但作为机械岩心钻探，目前在我国还是最深的钻孔。地质矿产部于1979年从日本引进5台套TXL-IE钻机，分别在山东省大汶口和苏北沉积盆地施工6个深孔，以便作出钾盐的地质评价，总钻探进尺11972.38米，平均孔深1995.40米。其中：3个钻孔均超过2300米，分别为2300.12米、2351.97米、2370.32米。2.深孔现状近年很少关心，也很少看到这方面的资料。就岩心钻探而言，据1988年以前的资料（由于种种原因，实际我国的探矿设备和技术，自1988年以来没有大的进步）：南非：在金矿勘探中，1983年采用超深钻机，施工过4576.80米的钻孔；日本：在金属地质勘探中，施工过3030米的钻孔；中国：在钾盐勘探中，采用日本TXL-IE钻机，1983年施工过一个2503.86米的机械岩心钻孔；3.近年国内进展A.山东省地质六队：a.在山东莱州，焦家——新城金矿带，布孔48个，平均孔深1074米，最深1560米，探明储量103吨。（摘自2008.10.24《地质勘查导报》）b.在山东莱州，三山岛金矿带（渤海湾）进行深部探矿，最深钻孔1950米，探明储量51吨。3B．山东省物化探地质勘查院：在山东省济宁市兖州彦店，在埋深1020~2200米，进行深部探矿，找到10亿吨的铁矿，品位25.97~31.72﹪，厚度80.46~190米，，是50年来山东省地矿局的最大成果，钻孔最深2200米。（摘自2008.10.24《地质勘查导报》）C．近两年三个省的深部探矿钻孔纪录（见下页表）D.河南省最深的机械岩心钻孔（略，手中无资料，据说金属矿的机械岩心钻探不超过1600米）山东、河北、辽宁三省深部钻孔纪录日期单位钻孔深度矿区基本情况07年河北地质四队1905.80承德M24矿区钒钛磁铁矿08山东地质四队1832.50兖州彦店铁矿08.7山东地质三队1986.88兖州彦店铁矿08.7.15河北地质四队2001.42承德M24矿区钒钛磁铁矿08.9.3辽宁地质八队2010.38本溪台沟80度斜孔铁矿08.9.5河北地质四队2010.26承德M24矿区钒钛磁铁矿08.11.25山东地质三队2046.02本溪台沟80度斜孔铁矿08.12.10山东正袁烟台分院2060.50三山岛金矿金矿注：上表资料摘自2009年2月10日《地质勘查导报》三．深部探矿的设备1.国内深部探矿设备现状目前，我国在金属矿中采用的机械岩心钻探方法，主要以金刚石回转钻进方法为主，因此国产机械岩心钻探钻机也以金刚石回转钻机为主。由于历史的原因，上个世纪五、六十年代，我国以引进或仿造原苏联的钻机为主，后来研制成功东风-1000米钻机（即XU-1000的前身，现在称XY-4型钻机），所以在往年的机械岩心钻探施工中，很少有超过1000米的钻孔，当前全国在用的钻机80﹪以上均为XY-2(300米钻机)、XY-4（1000米钻机），或实际钻进深度与此相同的其它型号钻机；部分矿区中，采用了XY-5(1500米钻机)、个别钻孔采用了XY-6（2000米钻机）和数量有限的进口钻机。不难看出，到目前为止，这些钻探设备绝大部分是用于浅部矿体的，河南省的机械岩心钻探设备也大体如此。在某种程度上，可以说还落后于其它省，在其它省近年不断出现机械岩心钻探深孔纪录时，至今未看到我省的机械岩心钻探深孔纪录。42.钻机的实际生产A．XY-4型钻以XY-4型钻机为例，又称千米钻机，不少人都认为可以钻进1000米，这一认识并不错，可是钻进1000米是有前提的，即在采用φ42mm钻杆的前提下，可以钻进1000米；采用φ50mm的钻杆、φ55mm和φ71mm的绳索取心钻杆，都不能按1000米考虑。后来厂家又生产出XY-4型加强钻机，即XY-42、XY-44型钻机，广告上出现XY-42的钻进深度到1200米；XY-44型的钻进深度到1400米。从派生出XY-42、XY-44型钻机的动向看出，这一轮的地质找矿需要深孔钻机。B．XY-4型钻机的生产试验河南三队若干年以前曾进行过东风-1000米钻机（即XU-1000型、XY-4型钻机的前身）生产试验（钻机在研制过程中必须进行的现场试验，以测试钻机各机械系统性能、部件的适应能力和在正常工作条件下实际可达到的钻进深度），在生产试验中确实超过了1100米，但那是在计划经济的条件下，不惜一切代价的做法。采用φ42mm的钻杆，孔深超过1000米，钻机已经不能正常工作，辅助时间大幅度增加，钻机出现不正常损坏，起下钻刹车冒烟，一边浇水一边才能坚持工作。C.XY-4型钻机的实际生产能力钻机的实际生产能力，应当是在钻机可以正常工作的条件下所能达到的能力。如果说XY-4型钻机采用φ42mm钻杆（一般指内平钻杆，内加厚钻杆为φ43mm）可以达到钻进1000米的实际能力；采用φ50mm的钻杆（一般指内平钻杆，内加厚钻杆为φ53mm），钻机的实际能力则降至700米（广告中最深850米，只能作参考）。因为φ42mm的内平钻杆每米重4.56kg,而φ50mm的钻杆每米重6.04kg，钻机的实际生产能力，即钻进深度，是根据钻机立轴的最大扭矩确定的，也是在研制过程中通过生产试验标定的。XY-4型钻机的最大扭矩为2.64KN.m(千牛.米)，有的生产厂家为2.86KN.m(千牛.米)。钻杆的每米重量越重，负荷就越大，在钻进中加在钻机立轴上的扭矩就越大。要求的钻孔口径越大，钻杆就必须相应加粗，绳索取心钻进更是如此。所以，在钻机立轴的最大扭矩不变的情况下，钻机的实际钻进深度是由钻具的重量决定的。目前在生产现场，很少有人采用φ42mm钻杆，多采用φ50mm的钻杆，所以XY-4型钻机的实际生产能力只能按700米考虑。D．XY-4型钻机用于绳索取心现在，大部分施工钻机采用的多为绳索取心钻具，深部探矿也必须采用绳索取心钻进，甚至采用不起钻换钻头、钻具的先进工艺，以减少起下钻具的辅助时间，保持钻孔的稳定性。而绳索取心钻杆的每米重：φ75mm口径的绳索取心钻杆（φ71×5mm）的每米重：8.14kg；φ59mm口径的绳索取心钻杆（φ55×4.75mm）的每米重：6.16kg；也就是说φ59mm口径绳索取心钻杆的每米重量6.16kg，还略高于φ50mm的普通钻杆每米重量6.04kg。XY-4型钻机5的实际生产能力，采用φ59mm口径的绳索取心钻进，也只能按700米考虑。E．对XY-5、XY-6型钻机实际生产能力的考虑从以上对XY-4型钻机实际生产能力的论述中可以推算，若采用φ59mm口径的绳索取心作为终孔口径（全国危机矿山接替资源找矿项目管理办公室技术管理处规定的最小终孔口径）：XY-5型钻机（即1500米钻机）的实际生产能力，只能按1200米考虑（据说也有过1500米的纪录）；XY-6型钻机（即2000米钻机）的实际生产能力，只能按1600米考虑（虽然目前已经有2046.02米的纪录：山东省地质局第三地质大队在辽宁本溪某铁矿区，2008年12月结束一个终孔孔深为2046.02米的钻孔）。往年在研制的过程中，XY-5型钻机曾进行过生产试验，但是否进行过1500-1800米生产试验，尚不清楚。XY-6型钻机在研制过程中，并没有进行过2000-2400米的现场生产试验（至今国内也没有采用XY-6型钻机进行金刚石机械岩心钻探，钻孔深度2400米的纪录），所以把XY-6型钻机的钻进深度在广告上标到2400米，是缺乏科学依据的，在深部探矿设备的选择中，更不可以作为依据。F.考虑钻机实际生产能力不可忽略的重要因素XY-4、XY-5、XY-6三种型号的钻机，过去都分别出现过1000米1500米、2000米的生产纪录，说明都已经达到了钻机的设计能力，为什么在考虑钻机的实际生产能力时，不按照这些生产纪录去考虑呢？我们还是从“钻机的实际生产能力，应当是在钻机可以正常工作的条件下所能达到的能力”的定义中去说明这一问题。钻机的工作环境，不仅仅是理想的完整地层、岩石级别不高、清水加润滑液钻进。在我国我省矿床类型甚多，地质构造复杂，地质岩心钻探在生产中采用泥浆作冲洗液的地层，多于采用清水加润滑液的地层，深部探矿不可能只选择清水加润滑液的地层布孔。泥浆的“粘度”是保证顺利通过复杂地层的重要性能指标之一，但也是增加钻杆摩擦阻力的主要因素。在同样的钻孔深度钻进，采用清水加润滑液作冲洗液，转速可开到800转/分；而采用泥浆作冲