【摘 要】作為地質(zhì)和礦產(chǎn)勘探的主要手段，鉆探工程通過(guò)鉆取巖心為揭示地下地質(zhì)、礦產(chǎn)信息提供了重要保證。究竟什么是鉆探工程？它在探秘地下世界的過(guò)程中又是怎樣發(fā)揮作用的？圍繞上述問(wèn)題，并結(jié)合福建馬坑特大型鐵礦的鉆探實(shí)際，從礦產(chǎn)資源與生產(chǎn)生活息息相關(guān)的角度出發(fā)，針對(duì)鉆探工程在礦產(chǎn)勘探中的地位和作用，對(duì)其建立起整體認(rèn)識(shí)，進(jìn)而對(duì)其基本工作過(guò)程進(jìn)行介紹，并從古代、現(xiàn)代鉆探技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出分析和介紹。隨著鉆探智能化、信息化程度的不斷提高，其在地下探秘尋寶過(guò)程中也將發(fā)揮更重要的作用。

【關(guān)鍵詞】鉆探工程,地下探秘

1.鉆探工程的任務(wù)和作用

人類總是對(duì)未知的事物充滿了好奇，所謂“上天難，入地更難，為了把“天外世界探個(gè)究竟，我們派出了宇宙飛船和航天飛機(jī)，宇航員用肉眼目睹、用儀器記錄了“外面世界的精彩。 同樣，我們對(duì)于無(wú)法“眼見(jiàn)為實(shí)的“地下世界也充滿了好奇，而向地下進(jìn)行鉆探就為我們探索地球內(nèi)部奧秘提供了有力武器。

礦產(chǎn)資源是社會(huì)生產(chǎn)和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著我們對(duì)礦產(chǎn)資源的日漸消耗和日益依賴，找到更多的礦產(chǎn)資源也日益緊迫和重要。我們時(shí)?？梢钥吹剑嗌骄G水間現(xiàn)代化的礦業(yè)企業(yè)進(jìn)行礦石開(kāi)采、優(yōu)選和運(yùn)輸?shù)姆泵跋?，福建馬坑鐵礦就是其中的一個(gè)代表。作為華東地區(qū)最大的鐵礦，如今，大量的鐵礦資源從這里運(yùn)往各地，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)提供重要的原材料，同時(shí)也創(chuàng)造著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而找到這樣一處地下寶藏卻并不容易，它離不開(kāi)廣大地質(zhì)勘探人員的智慧和辛勞，也離不開(kāi)大量的時(shí)間和資金投入。

尋找這些地下寶藏的過(guò)程我們稱之為礦產(chǎn)資源勘探?？碧降氖侄斡卸喾N，主要包括地質(zhì)方法、地球化學(xué)勘探、地球物理勘探、鉆探等。這些方法扮演的角色也有差異，其中地質(zhì)方法主要是根據(jù)野外觀察、踏勘及相關(guān)資料進(jìn)行理論上的分析和判斷,地球化學(xué)勘探主要是對(duì)野外的巖石或土壤樣品進(jìn)行化學(xué)分析，了解其中的微量元素與礦物生成之間的關(guān)系,地球物理勘探則主要是利用專用儀器對(duì)地下情況進(jìn)行聲波、電磁波等物理參數(shù)的探測(cè)和分析。但這三種手段都是間接描述地下情況，缺乏直觀性，這似乎并不能滿足人們的好奇心。于是人們想到一個(gè)辦法，使用特殊的工具在地下鉆一個(gè)孔，將孔內(nèi)的巖石提取到地面來(lái)一看究竟，這種方法我們稱為巖心鉆探。

從專業(yè)角度講，巖心鉆探就是用鉆機(jī)按一定角度和方向向地下鉆孔，并在孔底保留巖心，而且主要以提出的巖心來(lái)研究、了解地下地質(zhì)和礦產(chǎn)情況的鉆探方法。通過(guò)鉆探可對(duì)所取得的地質(zhì)和礦產(chǎn)資源參數(shù)作出最終可靠的評(píng)價(jià)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，為探明一億噸鐵礦，需要有十萬(wàn)米的鉆探工作量,為探明十萬(wàn)噸銅礦，亦需鉆探數(shù)萬(wàn)米。以福建馬坑鐵礦的勘探為例，該礦區(qū)經(jīng)歷了幾十年探索和幾代地質(zhì)工作者的不懈努力，通過(guò)地球物理探測(cè)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)存在地下磁異常現(xiàn)象，經(jīng)深部鉆探驗(yàn)證，探明鐵礦石儲(chǔ)量4.3億噸。從1956年到1962年3月，1971年4月到1976年6月，先后進(jìn)行的馬坑鐵礦第一、第二階段勘探中，鉆探工作者共完成鉆孔164個(gè)，總鉆探工作量53559.41米,此后的第三階段勘探（1976年3月至1982年2月）共施工鉆孔163個(gè)，共完ImmUa93e2keqH4wm5Y/v5w==成鉆探工作量101337.43米。為了進(jìn)一步探明該地區(qū)礦產(chǎn)資源潛力，2010年開(kāi)始，新一輪的鉆探工作正在進(jìn)行。整個(gè)勘探過(guò)程的鉆探工作任務(wù)巨大，正是這一個(gè)個(gè)的鉆孔將該地區(qū)的地下情況摸的一清二楚，為國(guó)家探明了一座特大型鐵礦床。

十分明顯，鉆探工程是地質(zhì)和礦產(chǎn)資源勘探的重要手段和保證。

2.鉆探工程的基本過(guò)程

a b

c d

圖1 鉆探實(shí)物照片

（a為鉆塔，b為鉆機(jī)，c為鉆頭，d為巖心）

日常生活中我們較為常見(jiàn)的是在墻壁中鉆孔，用手持電動(dòng)鉆，根據(jù)需要加上不同尺寸的鉆頭，操作人員沿鉆頭向墻壁方向用力，墻壁上就會(huì)被鉆成一個(gè)孔，并伴隨產(chǎn)生很多鉆屑。鉆探工程與此類似，使用專門的鉆機(jī)、鉆頭和其它設(shè)備一起向地下鉆孔，只不過(guò)鉆孔的尺寸要相對(duì)大很多，鉆孔的過(guò)程也復(fù)雜很多。而對(duì)于巖心鉆探來(lái)講，與墻壁內(nèi)鉆孔很大的區(qū)別在于，需要把鉆孔內(nèi)的巖石以圓柱形巖心的形式分段取出來(lái)，因此，不能將鉆孔內(nèi)的巖石全部破碎掉，而要將鉆頭設(shè)計(jì)成圓環(huán)形式，環(huán)形剛體截面上的巖石被研磨成粉末狀，中間圓形截面的巖石卻未被研磨，這樣才能達(dá)到鉆出圓柱形巖心的目的（如圖1中的c圖）。

巖心鉆探的鉆孔深度通常從幾百米至幾千米不等（見(jiàn)表1），假設(shè)一口巖心鉆探孔的孔深為1000米，以目前亞洲第一，世界第三高塔——上海東方明珠電視塔為例，其高467.9米，千米左右的孔深就有將近三個(gè)東方明珠塔加在一起那么高。如此深度，鉆機(jī)提供的回轉(zhuǎn)動(dòng)力需要通過(guò)特制鋼管（我們稱之為鉆桿）連接并傳遞動(dòng)力給孔底的鉆頭。隨著鉆進(jìn)深度的增加，鉆頭不斷向地下延伸，需要將一定長(zhǎng)度的單根鉆桿接上去組成不斷伸長(zhǎng)的鉆桿柱?？椎椎你@頭由于與巖石不停的摩擦，會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，如果不及時(shí)使鉆頭降溫鉆頭會(huì)燒壞，甚至與巖石粘結(jié)在一起，而無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，因此，需要用流動(dòng)的液體流過(guò)鉆頭將摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，這種液體稱為沖洗液。沖洗液從地表灌入孔底，并從孔底回到地面的過(guò)程稱為沖洗液循環(huán)，我們常把沖洗液稱為鉆探的“血液，不僅是因?yàn)樗裱阂粯釉诓煌５难h(huán)，更是因?yàn)樗阢@進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮著不可或缺的作用。當(dāng)孔底裝巖心的巖心管填滿、鉆頭磨損達(dá)到使用壽命需要更換、更換孔底其它專用鉆具等情況下，需要將孔內(nèi)的鉆桿、鉆具全部提升至地面，取出巖心或者更換完鉆頭、鉆具后又將鉆桿柱及鉆具下入孔內(nèi)，這個(gè)過(guò)程稱為起下鉆。

表1 地質(zhì)巖心鉆探鉆孔深度分級(jí)

鉆孔分級(jí) 淺孔 中深孔 深孔 特深孔

深度范圍（米） ﹤300 300～1000 1000～3000 ﹥3000

地表的鉆探設(shè)備（鉆機(jī)及水泵等）與孔底聯(lián)系起來(lái)的渠道有兩條：其一為鉆桿柱、鉆具及鉆頭，用以進(jìn)行鉆進(jìn)巖石,其二為沖洗液，通過(guò)鉆桿柱中心孔道，流經(jīng)孔底，由井筒環(huán)狀間隙返回地面，如圖2所示。由這兩條渠道連續(xù)完成鉆進(jìn)工序。鉆塔和升降機(jī)是完成鉆桿柱或其它工具升降的必須設(shè)備。動(dòng)力機(jī)是驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械的動(dòng)力源，是任何工作機(jī)械不可少的，其余部分則屬于輔助工具和附屬條件。

圖2 鉆探基本組成和過(guò)程示意圖

1-鉆機(jī)，2-環(huán)狀間隙，3-孔壁，4-鉆頭，5-沖洗液流動(dòng)方向，

6-鉆桿柱，7-沖洗液循環(huán)槽，8-高壓軟管

為了使鉆進(jìn)工作能夠連續(xù)不斷地進(jìn)行，必須進(jìn)行破碎巖石、清除巖屑、維護(hù)孔壁三項(xiàng)必需的工作環(huán)節(jié)。破碎巖石主要由鉆頭完成，巖石破碎后會(huì)產(chǎn)生大量巖石碎屑和粉末，需要及時(shí)從孔底清除，否則會(huì)使鉆頭在孔底反復(fù)研磨殘留的巖屑而無(wú)法進(jìn)一步向下推進(jìn)。巖石被破碎和鉆取后，就形成了圓柱形的鉆孔，在一些巖石不穩(wěn)定的地層，鉆孔孔壁周圍的巖石由于失去支撐容易發(fā)生坍塌，坍塌下來(lái)的破碎巖石會(huì)將鉆桿抱住，從而使鉆桿無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng),另一種情況是，地層巖石中裂隙很多，沖洗液經(jīng)過(guò)時(shí)很快從裂隙中流走而無(wú)法順利到達(dá)孔底。這些情況下，需要想辦法來(lái)維護(hù)孔壁的穩(wěn)定和防止沖洗液的漏失。如在孔內(nèi)下入比鉆頭、鉆桿柱等尺寸更大的鋼管，稱之為套管，使鉆桿柱與孔壁隔離，從而免受不穩(wěn)定巖石坍塌的影響，也可以阻斷沖洗液流失的渠道。但套管的成本較高，整個(gè)鉆孔都下入套管會(huì)極大地提高成本，因此在深度較深的孔段處理不穩(wěn)定地層，更多的是將水泥漿灌入，使固結(jié)的水泥作為保證正常鉆進(jìn)和鉆孔安全的人工孔壁。

當(dāng)鉆孔穿過(guò)含礦的巖石并進(jìn)入下部無(wú)礦巖石后停止鉆進(jìn)，把鉆具提升上來(lái)并擰卸后，測(cè)量鉆孔彎曲度、溫度，檢查鉆孔深度，然后對(duì)鉆孔注水泥進(jìn)行封孔，從而完成一個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)工作。

3.鉆探工程的發(fā)展

我國(guó)的鉆探有著悠久的歷史，早在新石器時(shí)代晚期，我們的祖先就通過(guò)掘鑿的方法打出了深達(dá)十多米的大口徑水井,到了東周時(shí)期鉆探技術(shù)水平明顯提高，特別是大約2250年前，蜀太守李冰創(chuàng)造性地運(yùn)用開(kāi)鑿大口徑水井的方法，組織人們?cè)谒拇p流東南的華陽(yáng)鎮(zhèn)鑿成了我國(guó)第一口鹽井——廣都鹽井，早期鑿井技術(shù)從此誕生,到了宋代人們利用竹篾繩索沖擊式鉆探方法打出了卓筒井，人類在經(jīng)歷數(shù)千年掘鑿大口徑時(shí)期對(duì)鉆探技術(shù)的探索，直到此時(shí)，才使人類在地表直接從事勘探和開(kāi)采地下資源成為可能，才有了真正意義上的機(jī)械鉆探技術(shù)，是鉆探技術(shù)發(fā)展的里程碑。明代鉆探技術(shù)飛速發(fā)展，鉆探技術(shù)逐步規(guī)范。時(shí)至清代，鉆探技術(shù)日臻完善，鉆進(jìn)深度突飛猛進(jìn)，1835年采用“沖擊式鑿井法鉆出世界上首個(gè)超千米井——燊海井，井深1001.42米，此井為天然氣和黑鹵生產(chǎn)井，是中國(guó)古代鉆進(jìn)工藝成熟的標(biāo)志，該井直至1989年才停產(chǎn)，持續(xù)生產(chǎn)達(dá)154年，實(shí)為世界罕見(jiàn)。

新中國(guó)成立后，正規(guī)化的鉆探工作逐步建立起來(lái)，通過(guò)科技人員進(jìn)行鉆探科學(xué)技術(shù)的研究，鉆探設(shè)備和鉆進(jìn)工藝得到了快速發(fā)展。進(jìn)入新時(shí)期，國(guó)家經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求旺盛，加之整體科技和財(cái)力水平顯著提升，使得鉆探設(shè)備和鉆進(jìn)工藝得到了不斷更新和推廣應(yīng)用。從福建馬坑鐵礦幾十年的勘探過(guò)程來(lái)看，鉆探方法也不斷更新，從鋼粒鉆進(jìn)到硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，再到金剛石鉆進(jìn)，以及金剛石繩索取心液動(dòng)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和推廣，鉆探工程質(zhì)量不斷提高，為該礦區(qū)礦產(chǎn)資源的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供了可靠保證。

由于地下地層情況千變?nèi)f化，實(shí)際的鉆探工程要比想象的復(fù)雜的多。只有不斷提高技術(shù)和裝備水平，才能解決不斷出現(xiàn)的鉆探難題，才能提高效率、提升質(zhì)量。鉆探從過(guò)去“摸著打、現(xiàn)在“算著打，并向“看著打的方向不斷發(fā)展。所謂的“看著打就是要將各種測(cè)量?jī)x器及成像儀器隨鉆具一起下入孔底，邊鉆進(jìn)邊將所測(cè)數(shù)據(jù)及圖像信息傳到地面，地面的鉆探作業(yè)人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)和圖像，同步了解孔底鉆進(jìn)情況，并通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)整鉆進(jìn)的參數(shù)、鉆孔軌跡，這種鉆進(jìn)過(guò)程我們可以稱之為“智能鉆進(jìn)。

智能鉆進(jìn)和傳統(tǒng)鉆進(jìn)最大的不同是使用“連續(xù)油管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由單根鉆桿連接組成的鉆桿柱。傳統(tǒng)的鉆桿柱一般不能彎曲，而連續(xù)油管雖同為鋼管，但其強(qiáng)度和韌性都很高，有很好的繞性，幾千米長(zhǎng)的連續(xù)油管可以繞成一卷。如此一來(lái)，在鉆進(jìn)的起下鉆過(guò)程中無(wú)需拆裝鉆桿單根或立根，大大節(jié)省時(shí)間和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,鉆孔軌跡的彎曲程度也不必再受鉆桿抗彎強(qiáng)度的限制,此外，由于連續(xù)油管特殊的連續(xù)性，可以在其中集成電纜，有了電纜就可以直接向孔底供電，實(shí)現(xiàn)孔底動(dòng)力由液動(dòng)變?yōu)楦鼮榉€(wěn)定可靠的電動(dòng)，同時(shí)還可以方便孔底監(jiān)測(cè)儀器和控制儀器的使用及數(shù)據(jù)的傳輸。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，孔底電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行作業(yè)，高性能沖洗液通過(guò)連續(xù)油管送入孔底進(jìn)行循環(huán)。安置在孔底鉆頭上的鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)、獲取地層信息，并實(shí)時(shí)傳給地面控制中心。技術(shù)人員可以及時(shí)的掌握孔內(nèi)的鉆進(jìn)情況和地層情況，如果需要改變鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆孔軌跡等，則可以及時(shí)通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。此外，還可以利用互聯(lián)網(wǎng)的便捷性，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中“疑難雜癥的全球會(huì)診，就是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題甚至視頻信息反饋給全球各地的相關(guān)專家，讓他們幫助解決這些難題。

當(dāng)然，這樣的智能化鉆進(jìn)要想推廣使用，尤其是實(shí)現(xiàn)采取巖心鉆進(jìn)，還有很多技術(shù)問(wèn)題需要研究和攻克，但鉆探工程向著更加自動(dòng)化、信息化方向發(fā)展的趨勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。

鉆探是探明地下情況、尋找礦產(chǎn)資源的重要手段，關(guān)乎國(guó)家資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備和經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，因此責(zé)任重大、使命光榮。同時(shí)，鉆探又是一門復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，它涉及到地質(zhì)、礦產(chǎn)勘查、巖石力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)與加工、自動(dòng)化控制、工程管理等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，因此對(duì)技術(shù)和人才的依賴極大。鉆探事業(yè)的持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)做常新離不開(kāi)科技的進(jìn)步和新技術(shù)的支撐，更離不開(kāi)一代又一代鉆探人的艱苦奮斗和獻(xiàn)智獻(xiàn)身。當(dāng)前，我國(guó)的地質(zhì)鉆探事業(yè)還有很多技術(shù)難題亟待解決，鉆探技術(shù)水平也有待進(jìn)一步提高，這就呼喚更多的有志青年才俊加入到鉆探隊(duì)伍中來(lái)，將更多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于鉆探工作中，推動(dòng)鉆探技術(shù)和效益不斷提高，為國(guó)家尋找出更多的地下寶藏。

圖3 智能鉆進(jìn)系統(tǒng)示意圖

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作者簡(jiǎn)介：

吳燦輝，1982年生，男，福建漳州人，工學(xué)學(xué)士，工作于福建省第八地質(zhì)大隊(duì)（國(guó)土資源部“馬坑鐵礦——福建龍巖野外基地），工程師，主要從事地質(zhì)巖心鉆探方面的科研和管理工作。

基金項(xiàng)目：

文章受到“國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題——福建馬坑鐵礦鉆探技術(shù)應(yīng)用示范與科研基地建設(shè)（201011002-2）的資助