深部找矿钻探技术难点 深部找矿钻探面临的主要问题

深部找矿地层的特点决定了深孔钻探存在以下技术难点。

1.钻孔结构复杂

深孔钻探，由于钻遇的地层种类较多，地层相对复杂，因此，一般采取多级孔径设 计，需要采用多级套管，开孔及上部孔径加大。钻孔直径的增大会造成地层侧压力的增 加，对于松散破碎且倾角陡斜的地层，孔壁的稳定性变差，不稳定的岩石就会向孔内滑落 和坍塌。因此，具体应采用何种钻孔结构，必须根据钻孔深度、终孔直径、地层以及钻探 方法和工艺等确定，在可能的情况下，应尽量减少孔径级数，缩小钻孔直径。

2.护壁堵漏难

金属矿床多为构造破碎带控矿，硬、脆、碎、酥、漏是多数矿区地层的特点。进行深 部找矿钻探，几乎所有的钻孔都要穿过断层和破碎带。大裂隙发育的地层常发生贯通性的 孔段全漏失；小裂隙多而密集的地层常遇部分漏失或全漏失；疏松地层大部分发生渗漏或 部分漏失。多数钻孔是漏失、坍塌、掉块并存，多层位坍塌、掉块给护壁带来困难，大量 漏失又使冲洗液护壁难度加大，尤其是深孔、斜孔，施工周期长，地层被钻穿后裸露时间 长，易造成孔壁失稳，护壁堵漏就更加困难。用水泥护壁，保持时间短，对泥质、粘土质 多的地层效果不佳，往往不能适应深孔施工周期长的要求；用多级套管护壁效果较好，但 会使钻孔结构复杂，套管越深回收越困难，从而增加钻探成本，经济性差。

3.钻探效率低

硬岩钻进受地层复杂、裂隙发育、岩石破碎、坍塌、掉块、漏失等不利因素的影响，钻进困难。特别是坚硬破碎、可钻性9～12级的岩石（如硅质岩、变粒岩、赤铁矿等）和 结构致密、弱研磨性的打滑地层（如细粒弱研磨性石英岩、高硅化结构致密的砂岩等），钻进就更加困难，不仅机械钻速低，而且钻头寿命和回次进尺短，提下钻和打捞岩心等辅 助时间都大大增加，使钻孔钻探效率大大降低。

4.防斜纠斜难

受成矿条件和地质构造的影响，多数金属矿区地层岩石硬，并发生褶皱、弯曲，地层 倾角较大，特别是层理及片理发育、各向异性明显、软硬互层的地层，造斜强度大，而深 孔钻探，钻杆刚性小，技术规程参数不易控制，又难以采取复杂的防斜措施，因此，易造 成钻孔弯曲，而一旦发生钻孔弯曲，由于地层硬，造斜难，效率低，加上深孔纠斜信号传 递误差大，给深孔纠斜带来很大难题。从目前研究成果和实钻经验来看，基岩地层钻进，地层因素往往是造成钻孔弯曲的主要原因。对于深孔钻探而言，重要的是掌握并利用矿区 钻孔弯曲规律，因地制宜，从改进钻孔设计、钻探技术方法及工艺入手，采取有效的防 斜、纠斜技术措施加以控制解决。对特别易斜复杂地层，要采用受控定向钻探等特殊钻探 技术才能解决，否则，就难以顺利达到设计目的要求，严重的会导致钻孔报废，造成重大 的经济损失。

5.操作难度大

目前，深孔钻探主要采取金刚石WL钻进。为提高钻杆螺纹强度，将接头镦粗，使钻杆与孔壁之间、内管与外管之间间隙进一步减小，压力损失大，泵压高，开泵、停泵时容 易产生压力波动。当钻遇漏失和涌水地层，压力波动会更大。此外，升降钻具过程中所引 起的抽吸力和挤压力也会产生波动，升降钻具速度快，钻具与孔壁间隙越小，冲洗液黏度 和切力越大，压力波动越大。压力波动会影响孔内压力平衡，严重时会造成孔壁失稳，产 生孔内事故，因此，要求升降钻具要平稳，以减少压力波动。

深部找矿在我国是一个新的领域，深孔钻探面临更大的风险和挑战。深孔钻探面临的 问题很多，包括设备的选择配备、钻探方法的选择、钻进技术参数优选、钻杆的性能、钻 头的寿命以及冲洗液的性能等，都需要进一步研究解决。
在进行深孔钻探时，面对生产实际，必须首先面对并解决钻探设备、钻探方法和工艺 等方面存在的问题。
1.深孔钻探设备选择配套问题
我国目前地质岩心钻探所采用的钻机，从技术性能特点来看，主要有立轴钻机和动力 头钻机两大类，这两类钻机的性能存在较明显的差别，那么，在进行深孔钻探时，应选择 哪种类型的钻机？附属设备又该如何配备？究竟怎样选择、配备才更合理，才能实现“优 质、高效、经济”？
2.深孔钻探方法选择问题
目前，可用于固体矿产钻探的技术方法主要有：金刚石WL钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤RC钻探及其复合钻探方法等，各有各自的技术特点和优势。哪种钻探方法更 适合进行深孔钻探？又该如何针对生产实际选择应用？
3.深孔钻探钻孔弯曲控制问题
进行深孔钻探时，钻遇易造斜复杂地层容易引起钻孔弯曲。钻孔越深，往往弯曲越严重，使钻孔不能按设计要求正常钻穿矿体，甚至由于背离矿体方向而根本打不到矿体，造 成钻孔报废，带来严重的经济损失。
4.深孔复杂地层钻探效率低的问题
钻进硬脆碎酥漏复杂地层，钻具已发生堵塞，回次进尺短，钻头寿命短，而且孔壁不稳定，易发生孔内事故，严重影响深孔钻探效率，增加成本。
5.深孔钻探冲洗液性能要求问题
深孔钻探要求冲洗液应具有很好的护壁性、润滑性和流变性，以保护孔壁稳定、减 摩降阻和减小环空压力。目前生产现场常用的低固相和无固相冲洗液还不能很好地满足要 求，尤其是在复杂地层钻进时，还必须采用具备相应性能的冲洗液。

南岭是我国目前最重要的有色金属矿业基地之一。该地区矿业发达但危机矿山也多，研究程度高但多数矿床的勘查工作在20年前就完成，成矿条件好、已发现矿产地点多面广但找矿难度也大。由此，在南岭开展深部找矿势在必行而且已经是时候了。南岭地区开展深部找矿需要研究成矿物质来源、矿床分类、成矿区带划分及其在一定深度(如3000m)的变化情况，需要明确地表的战略性选区与点上的攻深找盲、探边摸底同样重要，需要加快中深钻(1000～3000m深度)钻探及相关测量技术的研究，需要通过对“物质不灭”、“能量守恒”和“时空无限但有序”三原则的把握来评价矿产资源的潜力。
一、南岭地区深部找矿的现实问题
矿产资源是社会和经济发展必不可少的物质基础，是国家安全和工业竞争力的重要保障，特别是我国进入工业化快速发展阶段，对矿产资源的需求成倍增加，保证矿产资源的可持续供应已经成为国家长期的、重要的战略任务。
大型矿山基地不仅在我国矿产资源供应中占有重要地位，也对所在地区的经济、社会稳定有着重要的影响。我国现存的大型金属矿山多是20世纪50～70年代建设的。随着国家经济的快速增长，矿产资源的消耗过快，使得老矿山面临十分严峻的资源形势。一方面由于矿产地质勘查投入不足，可采储量和矿石品位急剧下降，保有资源储量日趋枯竭;另一方面在老矿山及其周围地区一般都经过长期的勘查生产和地质研究，易于发现的地表矿及浅部矿找矿难度大，迫切需要通过成矿预测开展深部找矿工作。能否增加矿山的资源储量，延长矿山的生产年限，已经不仅是一项地质工作，而且成为一项影响到保证矿山企业经济发展、社会安定和国民经济可持续发展的政治任务。为此，国家投入巨资进行资源危机矿山的深部和外围矿产资源勘查工作，这对于解决危机矿山资源接替问题，对于保障资源的可持续供应和资源产业的可持续发展，对促进国民经济发展与国家安全与稳定，对全面建设小康社会和实现现代化建设等都具有十分重要的意义。
在西部大开发的热潮中，无论是国家还是民间，都把地质找矿与矿业开发的热情投到了青藏高原和新疆等西部地区。西部地区固然是我国矿产资源的后备基地，但近年来危机矿山接替项目及其他项目所取得的显著成果，充分说明，中、东部地区仍然是我国矿产资源现实的矿产资源基地。辽宁的红透山铜矿、安徽的铜陵铜多金属矿、广西的大厂锡多金属矿(铜坑锡矿与拉么铜锌矿之间的700～800m深度发现96号矿体)、海南的石碌铁铜矿(ZK1101深705.12m，见铁矿3层，总厚度167m并夹3m厚铜矿体)，都取得了深部找矿的突破;湖南南部芙蓉锡矿、江西南部八仙脑钨矿、广西中部昆仑关钼矿及南纬23°以南崇左一带大型铝土矿(具有上亿t的可能性)的发现，都充分说明，我国东部地区的矿产资源并没有“找完”，不但是老矿山并没有彻底“硐老山空”，地表发现新的大型超大型矿床的可能性也并不是“一无所有”。因此，对南岭这样的工作程度比较高、矿业相对发达、地质资料积累丰富、技术力量雄厚的地区，非常有必要开展新一轮的区域找矿战略选区研究，并同时开展以深部评价理论与技术方法为重点的综合性研究工作。
南岭地区是我国有色、稀有金属最富集的地区，尤其以钨、锡、锑、铅锌、铋、铀等资源最为丰富。矿床具有规模大、分布广、共伴生组分多、矿床类型复杂多样等特点。我国的主要大型-超大型钨、锡多金属矿床即位于该地区，如大厂锡矿、柿竹园钨锡多金属矿、骑田岭钨锡矿、大吉山钨矿、西华山钨矿等。全区保有钨矿储量占全国的83%，锡占全国的63%，铅占全国的30%，锌占全国的22%(王登红等，2007b)。钨、锡、锑是我国的优势矿种，在国际上占有举足轻重的地位。由于多年的大力开发，加之近10多年来地质找矿工作的萎缩，已呈现出后备资源严重不足的局面。但是，南岭地区成矿条件优越，具有多层成矿的特点，著名的“五层楼”模式即出于此，深部找矿潜力巨大。最近，在赣南的淘锡坑、湘南的芙蓉矿区实现深部找矿的重大突破充分说明南岭地区的深部仍存在巨大找矿潜力。此外，南岭地区的铅锌、铜、铀、金、银等资源远景可观，最近在凡口铅锌矿深部和外围、闵中裂谷带的峰岩、丁家山、后沟等一批大、中型铅锌矿的发现，显现出该地区将成为我国未来铅、锌、铜等资源的重要接替基地。
南岭不少矿区单个矿体、矿脉或矿层的延深就可达1000m以上，如云南的会泽、广西大厂的100号矿体，说明1000m深度的钻孔还是远远不够的。南岭地区主要矿床的勘探工作基本上在20世纪80年代以前就完成，当时的勘探深度一般在500m左右(比如，作为赣南钨矿的代表之一，岿美山最深的钻孔也只有550m)，即使是湖南黄沙坪这样的典型隐伏矿区，也没有千米钻。因此，研究深部找矿的理论、方法和技术，已经势在必行。
二、南岭地区深部找矿的理论问题
涉及深部找矿的成矿理论问题很多，虽然也无外乎矿床类型、成矿区带、矿化分带、成矿时代、成矿物质来源、控矿构造、含矿层位等老生常谈的基本问题，但考虑到深部找矿的需要，对于成矿理论的研究也需要创新。
1.成矿物质来源问题
比如说，以往在利用硫、铅、碳、氧、锶、钕及惰性气体同位素资料方面，往往只是强调成矿物质是幔源、壳源还是地下水、地表水来源即可“到此为止”。但是，现代成矿学的研究已经说明，即使是对同一个矿物而言，如方铅矿，硫和铅的来源完全可以是不同“源区”，硫同位素可能说明硫来自于盆地，铅可能来自于花岗岩。这样，以往看似矛盾的同位素资料，对于地质找矿恰恰是具有启发性的，即:在花岗岩岩体与盆地的接触带，可能是矿体定位的有利部位。
2.矿床分类问题
传统的矿床分类是根据内生、外生、变质和叠生成矿作用的区别，将矿床分为岩浆矿床、伟晶岩矿床、矽卡岩矿床、热液矿床、火山成因矿床、风化矿床、沉积矿床和有机可燃矿床等。但是，许多矿床不是单一成矿作用形成的，有的矿床属于“内生外成”(如热泉型金矿、喷气矿床)，有的属于“外生内成”(如洋壳俯冲重熔形成的矿床、油气矿藏)，有的属于“此生彼成”(如铬铁矿生于洋中脊而定位于缝合带)，等等，情况比较复杂。因此，王登红等(2005)试图在考虑成矿过程的情况下将成矿物质的来源与成矿作用结合起来，提出了将矿床划分为“内生内成、内生外成、外生外成、外生内成”4大类的新方案(图1-9)，既强调成矿作用本身，也强调成矿物质来源和成矿元素的聚集过程。这一划分对深部找矿具有重要的现实意义。比如，南岭的石英脉型黑钨矿在以往的分类中属于热液型矿床，在新分类中则归属于“内生内成”的大类，从而开拓了深部找矿的新思路，即石英脉型的黑钨矿最深可以形成于什么样的深度。对于这一理论问题的研究，将为深部找矿提供科学依据。

图1-9 新的矿床分类及其在成矿动力学背景示意图

3.成矿区带问题
成矿区带与构造单元的划分常常不一致，有时候因此而争论不休。实际上，成矿区带与构造单元的不一致不仅仅是一个“个人主观能动性”的不一致问题，因为在很多情况下，成矿区带和构造单元在本质上就是不一致的。因为构造单元体现的是构造作用尤其是大地构造活动的结果，而成矿区带体现的是成矿作用的结果，也就是成矿元素或矿物质富集的结果。比如，对于风化作用形成的矿产资源而言，它的富集除了受制于成矿物质的初始富集程度之外，更多地受到岩石圈表层水圈、大气圈和生物圈特征的制约，而后者在同一时间尺度上对于构造单元的形成还起不到决定性的作用。因此，诸如我国华南风化壳型的锰矿，可以从云南、广西、湖南、广东一直到福建均有分布，在构造上跨越了特提斯-喜马拉雅构造成矿域和环太平洋构造成矿域。内生矿床同样如此，一条深大断裂带可能是区分两大构造单元的最好的界线，但是，断裂带本身往往又是导矿构造、甚至是容矿构造，此时，由深大断裂带制约的成矿区带就应该是跨构造单元的，或者是独立的。这在两大板块缝合带或者陆壳破裂带表现得尤为明显，前者如青藏高原上的铬铁矿成矿带，后者如郯庐断裂带(陈毓川等，2007)。
对于深部找矿而言，在地下成矿区带尚无法划分的情况下，可以“借用”地表的区带，但必须明白地表的成矿区带不等于地下的成矿区带。尤其是东部不同类型盆地分布区，盆地的基底埋藏有多深、性质有没有转变、控制的成矿作用有没有变化，花岗岩岩基的底下有可能出现沉积岩而不是变质岩，盆地的底下有没有深达地幔的构造，都是需要仔细研究的重要科学问题。
三、南岭地区深部找矿的思路与方向问题
近20年来由于西部大开发的需要，国家在新疆和青藏高原都设立有持续的科技攻关项目和973等重大项目，西部地区发现一处新矿产地所产生的“新闻效应”远远高于东部地区，因而南岭地区地质矿产方面工作程度虽然相对高，但近年来几乎成了“被遗忘的角落”。实际上，南岭地区在矿产资源方面的“投入产出比”远不亚于西部，至少环保、生态方面的压力不那么大。有鉴于此，本文认为东部(至少南岭)地区地质找矿应该把握两个方向:面上战略性选区和点上的技术攻关。
面上的战略性选区:深部找矿不只是危机矿山的“攻深找盲”，在部署新区工作时就应该考虑到矿体的埋藏深度和“第二富集带”乃至于“第三富集带”的问题。广东在勘查长坑金矿时，并没有意识到深部还会伴生有一个独立的超大型银矿(王登红等，1998)。由此而漏掉的矿床肯定不在少数。因此，建议今后需要在以往工作的基础上，系统建立1∶20万尺度地质矿产数据库，补充近年来1∶5万地质矿产工作及其他方面的新成果，根据近年来和今后15年内国内外矿业发展的宏观趋势，重新建立南岭地区典型矿床成矿模式，厘定矿床成矿系列，划分Ⅳ～Ⅴ级成矿区带，圈定不同层次矿集区(成熟的、发展的、潜在的)，构筑各层次和各具体矿集区各具特色的找矿模型，提出一批远景区，为国家部署矿产普查工作和资源基地规划提供科学依据。
点上的技术攻关:重点是危机矿山的“探边摸底”，但也应该包括新点和老点两个方面。新点是优选出以往未知的地区，对其矿产资源潜力进行评价，而且是一竿子捅到底。评价的思路是从地表的地质-地球化学-地球物理到1000m深度钻探-井中物探-井中化探。老点包括两层含义，①已知矿产地但以往勘查深度不够。大部分“危机矿山”可归属于此列。工作思路是在典型矿床研究的基础上加大勘查深度，重点矿床的探测深度可向3000m的目标进军，并围绕3000m深度钻探技术的创新带动一系列深部找矿技术的革新;②已知矿产地，但矿种可能发生变化。南岭地区矿产资源以多金属共生、伴生为特色，垂直分带和水平分带都极具特色，以此，已知矿“点”的外围和深部很可能发生矿种和矿床类型的变化，找矿勘查技术也需要相应变化。比如，赣南粤北的石英脉型黑钨矿与铀矿之间在空间上和成因上的联系就需要加强研究，查明二者之间的关系，以便于综合评价或者互为找矿依据。
四、南岭地区深部找矿的技术方法问题
深部找矿，无疑离不开钻探。目前，在我国，一方面5000m深度全孔取心的科学超深钻取得空前成功;另一方面，用于固态矿产勘探的钻孔深度仍然普遍在500m以浅的水平。因此，必须加大1000～3000m深度(不妨称之为中深钻)取心钻探技术的研究力度，同时开展配套的综合测量及评价技术的研究，包括各种类型的地球物理、地球化学测量技术和解译技术，以保证在尽量少打深孔(考虑到成本问题)的前提下，获得最多的信息。当然，在目前，或者在中深钻之前，需要在地表开展系统的研究，以保证孔位定得科学、经济而有效。因此，在技术方法方面的创新需要突出两点，即:从传统化探找“晕”到现代化探找“源”，从传统物探直接找矿到现代物探找含矿地质体。物探寻找的含矿地质体包括矿体本身，也包括含矿的地层、含矿的构造、含矿的岩体(如含铀岩体)，这对于综合评价“低品位、大吨位”类型的矿床(包括斑岩型铜金矿、卡林型金矿、湘西式的密西西比河谷型铅锌矿)具有非同寻常的现实意义。也就是说，所有的低缓异常乃至于地球化学的负异常都需要重新研究、评价。
五、南岭地区深部资源潜力评价与预测的原则问题
关于矿产资源潜力评价与预测的原则性问题，国内外均有不少的论述和探讨(赵鹏大等，1983;王世称等，2000;陈毓川等，2007)。此处提出，要科学的评价矿产资源的“有无”与“好坏”并预测可开发利用矿体的空间定位，需要把握“物质不灭”、“能量守恒”和“时空无限但有序”3个基本原则。
所谓“物质不灭”，不仅仅是个哲学术语，也是现代矿床学研究新进展的体现。在一定时空范围内，物质只能从一种状态到另外一种状态转变或者从某个部位向另外一个部位转移，而不可能“空穴来风”地从无到有，也不可能无缘无故地“蒸发”掉。因此，利用同位素地球化学、微量元素地球化学、稀土元素地球化学等示踪技术探索成矿物质的来源，找到其“源头”远比仅仅发现“原生晕”或“次生晕”意义重大。
所谓“能量守恒”，是指成矿物质在地球不同层圈中的分布、迁移、富集与贫化，是需要“能量”和“动力”的，包括热液的搬运、热量的传导、构造的驱动等等。
所谓的“时空无限但有序”，是指成矿作用虽然极其复杂、人类认识自然的能力又是非常有限的，但成矿规律本身是客观的，不以人的意志而转移的，因此，总会有办法去认识成矿作用发生的过程，从而找到成矿物质最终富集定位的空间。
成矿物质从初始状态演化到最终状态(目前所见)的整个过程，即是“成矿动力学”的本质，始态可理解为“矿源”，终态即是“矿体”或矿田、含矿地质体等，而过程即是成矿作用发生、发展的全部历史，这一历史(时间)又是离不开特定的空间的。因此，所谓的成矿动力学也就可以理解为:研究成矿物质“不灭”、研究成矿过程中“能量守恒”关系、研究矿体定位所需要的时间尺度和空间格局的配置关系的科学。
中东部地区深部找矿更需要强调上述“三原则”。这是因为地质矿产工作程度较高的地区(如长江中下游、南岭、胶东)，一方面不可能像地表化探扫面那样开展深部的“扫面”，地球物理异常又因为多解性和深度问题而有局限性，因此，仅仅满足于找到“异常”或者查明矿体的形态、产状已经远远不够了;另一方面也正因为大量矿山的开采和密集的钻孔资料，有可能根据丰富的勘查与采矿资料，通过“立体填图”的办法，既找到“矿源”又找到矿物质迁移、定位的轨迹，从而预测深部矿体。
关于矿产资源潜力评价的原则性问题目前仍然处于探索阶段，不仅需要从理论上加以总结和研究，更需要在实际中不断修正，使“原则”变成可操作性的“细则”。尤其是要在大比例尺成矿预测中贯彻“三原则”，解决目前危机矿山的资源潜力问题。可以预想，在实际工作中将不可避免地遇到下列问题:①不同矿种的“三原则”如何体现?②不同地区的“三原则”如何体现?③不同时代的“三原则”如何体现?等等。对这些问题的深入研究，将使矿产资源的评价与预测工作进一步向更加科学化和理性化的趋势发展。

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