地质岩心钻探装备浅谈
本文简单的回顾了我国地质岩心钻探技术的发展历程，并介绍了我国和国际上的地质岩心钻探装备技术的发展现状。同时还对深孔地质岩心钻探装备技术的特点进行了分析，在此基础上针对我国的地质岩心钻探装备技术的发展工作提出了几点建议。
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引言:
矿产资源勘探生产需求是促进地质钻探装备及技术进步的原动力，相关基础工业技术的发展是促进钻探装备技术进步的保证条件。而在所有钻探技术服务门类当中，地质岩心钻探工作量占了较大部分，对钻探装备技术的发展贡献也最大。在《国务院关于加强地质工作的决定》提出的地质工作主要任务中，\"突出能源矿产勘查\"和\"加强非能源重要矿产勘查\"是两项首要任务，国家给予了大力的支持。而作为唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘探技术方法，一直以来，人们从没有停止过钻探装备技术的研究。随着我国资源战略攻深找盲的不断推进，固体矿产勘探和开采深度逐步加大，对地质岩心钻探设备、机具、技术提出了更高要求，需要我们不断在实践中探索、研究。本文就地质钻探装备技术的发展历程、目前水平、在实际勘探中的应用等多个方面对地质岩心钻探装备技术进行了综合探讨。
1. 地质岩心钻探技术的发展状况
18世纪中叶出现人力驱动的岩心钻机和天然金刚石钻头至今的100多年中，岩心钻机由早期的机械传动手把给进到机械传动液压给进立轴钻机发展到今天的全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。与此同时，孔底动力钻具(潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等)也从发明到发展，至今已具有一定水平。从1862年天然金刚石用于制造金刚石钻头岩心钻探方法问世;1899年发明了铁砂(钢粒)钻进;1916年硬质合金开始用于钻探;1954年世界第一颗人造金刚石制造成功并用于制造金刚石钻头;人类经历了天然金刚石表镶钻头钻
探时代，铁砂、钢粒和硬质合金钻探时代，人造金刚石孕镶钻头钻探时代至今到了人造复合超硬材料钻探时代。20世纪末至21世纪初，地质岩心钻探技术又有了新的发展。
1.1立轴岩心钻机
我国地质岩心钻机早期完全引进国外产品，数量极少，地质钻探施工能力有限。建国后国家为适应钻探工作需要，从苏联、瑞典等国家引进了一批岩心钻机，并专门组织力量进行仿制，逐步自行研制了以地质系统XY系列为主的立轴式地质岩心钻机，其他还有煤炭工业部的TK系列，冶金工业部的YL系列，核工业部的HXY系列为辅助，从XY-1,XY-2,XY-3,XY-4,XY-5直至XY-6,XY-8,XY-9等不同型号，直到现在仍然是我国地质岩心钻探的主力军。
本世纪以前，国内立轴式岩心钻机主要以千米以浅为主，代表机型有XY-2、XY-4、XB1000等机种及雷同或衍生型号如XY-42、XY-44、JU-1000、XU-1000、等。近十数年随着新一轮地质大调查项目及攻深找盲战略的纵深推进，钻探装备制造企业在成熟的XY系列钻机基础上，放大钻机部分零部件，利用汽车工业成熟理念及产品，在较短的时间内推出了XY-6、XY-6 B、XY-8、XY-9等钻深为1500-3000米的深孔立轴式岩心钻机。
1.2多功能钻机
随着复合钻探技术(即金刚石岩心钻探、空气反循环连续取样钻探、空气潜孔锤取样钻探在一个钻孔中使用的钻进工艺)的普遍应用，适用于该复合钻进工艺的多功能钻机得到快速发展。加拿大国际钻探设备公司的CSR系列钻机，主要用于300—1000m孔深进行反循环中心取样(CSR)作业，在美国、加拿大广泛用于金、铀和铁等地质矿产勘查。美国萨姆公司的T系列钻机，用于水井和煤层气井;英格索兰公司的RD系列钻机，用于水文水井钻探;美国长年公司的HD-600型钻机用于油气、地热和矿产勘探。钻深能力从1000m至3000m不等.澳大利亚U.D.R公司的Universal5000型深尺全液压动力头式钻机，当用CHD101绳索取心钻进时为3100m。此类钻机大多整机体积大且笨重，为深孔重型钻机。国内这一领域刚处于起步阶段，因不是本文论述重点，这里不再累述。
1.3全液压动力头式钻机
随着液压技术的发展，瑞典阿特拉斯公司率先将这一技术应用到岩心钻机上，开创了岩心钻机新时代。随着液压驱动及控制技术的逐步完善，液压元件质量的不断提高，及全液压动力头式岩心钻机所独有的特点，在国外地质岩心钻机市场格外受到青睐。目前在发达国家，已几乎看不到立轴式岩心钻机的影子，立轴式岩心钻机已完全被美国宝长年、瑞典阿特拉斯、山特维克等跨国大企业的全液压动力头钻机所取代。
全液压动力头钻机引领着地质岩心钻探设备发展方向，自动化钻机达到实用化程度。例如阿特拉斯·科普柯公司的全液压岩心钻机已经形成完整系列。CS系列全液压钻机，P4、P6、U6、CS10、CS14、CS3001、CS4001钻深能力从浅至深，具有长行程给进、无级调速、自动拧卸钻杆、钻压监测等自动化程度高、配套器具齐全、生产效率高等优点。其中浅孔钻机分解性强、分解后的部件比较轻，适合难进人地区使用。轻便型钻机可用直升机吊运，拆开后的部件不超过25kg，若干部件用轻合金制作，总体重量轻。其设计为模块化、全液压、轻便、多功能，代表了最新的发展潮流。其它代表产品还有宝长年LF70、LF90、LF230，山特维克DE740、DE840、DE880等型号。#p#分页标题#e#
我国全液压动力头钻机的发展却较为缓慢，液压元器件质量的不过关在我国全液压动力头钻机的发展初期是一致命因素，长期制约了国内在这一领域的进步。近年来，随着国家装备制造业的长足发展及地质大调查项目的深入开展，国内一些钻探装备制造企业看到这一契机，借鉴参考了基层地勘施工单位前期引进的国外全液压动力头钻机，进口关键液压零部件，利用国内发展较成熟的液压元器件及技术生产出新型实用的全液压动力头钻机，并很快应用于实际地质岩心钻探施工，由此引发的国内全液压动力头钻机研制高潮及大规模应用在共和国的历史上是绝无仅有的。很短的时间内国内地质岩心钻探市场便涌现了诸如北京天和众邦勘探技术有限公司的YDX-3、YDX-4、CSD1800、CSD3000，山东省地质探矿机械厂的XD-3、XD-4、XD-5、XD-6,连云港黄海机械股份有限公司HYDX-4、HYDX-5、HYDX-6、HCR-8,张家口中地装备探矿工程机械有限公司的HCDU-5、HCDU-6、HCDF-6等十多厂家多种型号全液压动力头钻机。
2.深孔岩心钻探施工特点及施工装备现状
2.1深孔岩心钻探施工特点
(1)深孔岩心钻探与浅孔不同，施工周期长，孔壁稳定性差。在裸眼钻进中，开孔的一段时间内，裸露地层在泥浆护壁的作用下孔壁是相对稳定的，随着钻进的延续，孔壁裸露时间长，长时间的泥浆失水使孔壁岩层吸水膨胀，孔壁失稳;并且，深孔岩心钻探，取心和起下钻具时间剧增，因受长时间升降钻具引起的抽吸和压力激动作用，导致孔壁稳定性更差，极易发生塌孔、掉块，甚至出现埋钻和卡钻等孔内事故。
(2)随着钻孔的延深，钻具重量、升降钻具次数和时间的增加，都加剧了孔壁拉槽现象的发生。同时，孔内不可预见性增加，复杂地层钻进的风险几率大幅提高，如出现地层破碎、孔内漏水、坍塌等，迫使进行复杂地层的护壁堵漏，甚至采取多次扩孔、下入多级孔内套管。
(3)无岩心钻进工作量增加。深部找矿勘探的目的层多在深部，一般设计为全取心孔段，上部第四系复盖层和非含矿地层因地质情况已经基本查明多为无心钻进，所以，对于深部勘探钻孔将大量增加无心钻进工作量。
2.2深孔地质岩心钻探装备现状
(1)我国地质岩心钻探装备目前处在大力发展的黄金期。地质岩心钻机生产厂家众多，品种繁多，型号不一。各个厂家不遗余力推陈出现，市场上形成百舸争流的局面。总体上主要以立轴式岩心钻机与全液压动力头钻机并存，立轴式岩心钻机大存量，经济适用，在相当一定时期仍然是我国地质岩心钻探的主力军。全液压动力头钻机引领着地质岩心钻探设备发展方向，在国内方兴未艾，势头正盛，
(2)深孔岩心钻探对钻具提出更高要求。深孔岩心钻探不仅对驱动钻具的钻探设备提出施工能力的更高要求，更深层次体现在钻具上，例如目前国内普遍采用的75系列绳索取心钻具，有新、老地标，冶标普通标准，这是原地质部、冶金部制定的部颁标准，施工能力800米以浅，几十年前的老标准已远远不能满足当今两千米甚至更深孔深的要求，一方面国家在这一领域无标准可循，而另一方面钻具生产厂家都想在这一领域分一杯羹，纷纷自我制定各自的厂标，生产整体加厚的、两端敦粗的、整体调质的、自联式的深孔钻杆钻具，钻杆接手连接锥度有1：22的，有1：28的，有1：30的，牙高有0.75mm,1mm,1.25mm等不同规格样式，公说公有理，婆说婆有理，深孔钻具这一\"战国时代\"短期内解决了国内急需的深孔岩心钻探\"利器\"，但其弊端显而易见，亟待解决。
与深孔钻杆配套的取心钻具应用情况和钻杆面临同样的问题：与跨国公司在全世界范围内广泛采用的B、N、H、PQ系列不能相提并论，与中国的矿业大国极不相符，无论是结构特性、地层适应性、岩心采取率、还是加工精度、基础材料质量、通用性能都差距巨大。
地质岩心钻探钻具中的\"金刚钻\"金刚石钻头，是钻探施工中消耗最大的，也是地质钻探中至关重要的\"利器\"，尤其在深孔钻孔施工中，如何减少提钻次数，提高单个金刚石钻头寿命，减少孔内扰动和减少辅助时间，是研制、生产金刚石钻头的努力方向，但由于市场竞争惨烈，竞相压价，生产厂家受成本所限，钻头的钻进效率和使用寿命大打折扣，甚至不如以前水平。
2.3争论
随着近十数年新一轮地质大调查项目的开展及攻深找盲战略的纵深推进，钻探施工单位面对繁重的地质钻探施工任务、业主对施工进度的苛求以及自身对降低钻探施工成本、提高钻孔质量与钻探效率，对岩心钻探装备的更新、升级及合理配置比以往任何时候都更加迫切。
基层钻探施工单位首先想到的是引进国外岩心钻探施工装备，但昂贵的整机造价及不菲的后期使用费用使基层地勘单位左右为难，较高的成本投入与收益不成比例，钻探施工单位极度困惑。
国内岩心钻探装备制造企业敏锐地看到了这一巨大商机，一方面借鉴参考、仿研制液压动力头式岩心钻机，另一方面加快推出传统的立轴式岩心钻机的后续深孔机型。
随着多路并举而来的钻探装备的广泛实际应用，特别是在施工较深、复杂地层情况下的钻孔过程中，在以下主要方面存在较大争论：
(1) 驱动方式方面
在动力头钻机问世之前，驱动方式的争论集中在立轴式岩心钻机和转盘式石油钻机之间，目前，转盘式石油钻机逐步被顶驱式石油钻机所取代。立轴式岩心钻机在国外已完全被全液压动力头钻机所取代。国内全液压动力头钻机的发展极其缓慢，只是近几年加快了脚步，但与国外水平仍差距巨大，其施工可靠性、适应性、经济性仍是重要制约因素。#p#分页标题#e#
(2) 钻塔高度方面
对于深孔钻探，起下钻时间尤其显得格外突出，也是影响施工效率的重要因素，国内岩心钻机的钻塔高度都不是很高，尤其是全液压动力头钻机，大多是桅杆式，浅孔施工的便捷是一大优点，而这一问题在深孔钻探施工过程中已凸显其弊端，基层钻探施工单位和某些设备制造商已对此做了有益尝试。
(3)机台全成本经济核算方面
全液压动力头钻机与传统立轴式岩心钻机相比，购置成本较高，后期使用、维护成本也较高，要求人员素质高，能源消耗大，全液压动力头钻机不适合解体搬迁，施工场地受限，桅杆式全液压动力头钻机不能使用滑轮组，提升能力受到极大制约，但全液压动力头钻机可实现大行程钻进、大角度钻进、无级调速、钻进参数自动控制，机动灵活，劳动强度低。从国内岩心钻探施工实际情况来看，受多方因素制约，全液压动力头钻机全成本核算要高于立轴式岩心钻机。
根据上述深部岩心钻探施工的条件和特点，对施工钻机提出了更高的要求和新的设计理念：(1)改进全液压动力头钻机的动力分配，降低能源消耗。(2)强化提升能力，提高深孔施工时升降钻具的能力与速度，特别是煤系地层施工，由于其地层特点多采用普通取心钻进工艺，施工时对钻机提升能力的要求尤为重要。(3)钻探设备各种钻进参数仪表自动化设置。(4)新设备要有良好的操作性能，要有更好的经济性能，安全可靠，易维修等。(5)将全成本核算融入全液压动力头钻机的研制、生产、施工应用。
3.对地质岩心钻探工作的建议
加强行业管理，科学制定设计、制造、施工等标准、规范，统筹引导设计、制造、施工单位，推动新技术、装备的应用。
岩心钻探装备制造厂家众多，标准众多、混乱、滞后，各成一派，互不通用，严重影响生产、制造、大规模应用等诸多方面，亟待规范。
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，更缺乏深孔钻探技术经验。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。为保证今后地质钻探中高效、安全地运用现代先进的钻探装备和技术，需加强培训工作，建立先进地质装备推广应用机制是十分必要的。
结语：
作为迄今为止唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘查技术，钻探技术的作用和重要性不言而喻。而国内地质岩心钻机主要是立轴式岩心钻机，其配套工艺方法以普通回转提钻取心为主，新一代全液压动力头式钻机研制、应用工作已经全面启动并取得了初步的成功。但我们不能松懈，必须重视地质岩心钻探装备技术方面的进展，为加强地质工作，实现地质勘查现代化，应用当代最先进的钻探装备，同时基层地勘单位、研发设计、制造单位通力合作，学习和借鉴研究开发适用于我国国情的先进地质钻探装备。