中国煤炭地质钻探技术发展五十年.doc

中国煤炭地质钻探技术发展五十年 在迈入新世纪三年之际，我们怀着无比欢欣的心情，迎来了煤炭地质总局成立五十周年喜庆的日子。回首煤炭地质钻探工作五十年漫漫历程不禁感慨许多。 我国煤炭资源储量丰富，对煤炭的开发利用历史悠久，往上可一直追溯到我国西汉时期。到了近代1903年，我国曾有用英国的蒸汽钻机进行过煤矿老窖的钻探施工的记录。1946年9月30日，当时的地质专家谢家荣应用日本利根RL-150型钻机，在安徽淮南煤田布孔进行钻探施工，这应该是较正规的煤田勘探了。但直到中华人民共和国成立之际，煤炭地质勘探工作仍处于“一穷二白“的地步，只有工人四百多名，技术人员十几个，和日伪时期留下的57台破烂不堪的手把给进式钻机，其中27台300m以上的钻机，仅在个别矿区有零星的钻探工作量。 随着新中国经济建设的蓬勃发展，煤炭地质勘探工作也得到了飞速发展，先后在全国29个省区建立了100多个勘探队，年开动钻机近千台。统计至1995年，累计完成钻探工作量74088729m，探明煤炭储量超过10000亿T，钻月效率由解放初的87m提高到400余m，煤芯采取率由35.7提高到90以上，为我国煤炭工业的发展提供了可靠的资源保证。 作为煤炭勘探重要方法--钻探工程，在一代又一代钻探人的不懈努力之下，取得了巨大的变化和发展。现在，除了从事煤炭地质勘探外，已全面进入社会地质、岩土基础工程市场，不断承接各种工程，并获得良好的社会效益和经济效益。 一、钻探工艺、技术不断发展、完善 1．钻探技术发展阶段简介 根据勘探施工岩层情况，在50～70年代间，煤田钻探主要采用的是的普通硬质合金和铁砂、钢粒分层钻进工艺。50年代前期采用的钻进参数可概括为“轻压、慢转、少给水“。钻孔开孔直径大，一般为150mm，终孔直径为91或75mm，其钻探效率与质量均不理想。随后，通过不断的探索改进，钻孔开孔口径缩小，结构简化，其采用的钻进参数可概括为“高压、快转、大水“，硬质合金钻头类型、品种日益增加。其钻探效率与质量稳步提高。这期间受“大跃进、放卫星“的影响，在软地层采用的“高压大水无岩心快速钻进测井解释法“，使无岩心钻进比例一度上升到70～80％，曾创单机日进尺1140m、月进尺10335m的记录，虽然钻探效率有显著提高，但质量直线下降。 为了解决硬岩钻进效率问题，1970年前后，煤炭地质系统开始了金刚石钻进技术的研究及应用，由于天然金刚石价格昂贵，推广应用困难，因此金刚石钻进技术的发展主要立足于人造金刚石，此阶段重点是人造金刚石、金刚石钻头的研究、制造和钻进工艺的研究、应用。 为了进一步提高效率与质量，1980年前后，又先后由河北一队、河北三队、一二九队开始了绳索取心金刚石钻进技术的研究及生产试验。以1985～1995年这个时期为主，在“以绳索取心、金刚石钻进技术为主导，因地制宜地推广多种工艺相结合“的钻探技术发展方针指导下，总局对钻探技术工作给予了极大重视，投入了相当的人力、物力与资金。取得一批水平很高的科研成果，有效的促进了煤田钻探新技术、新工艺的发展，并通过有效的科研成果转化，获得相当可观的技术经济成果和社会效益。也使煤田钻探技术在我国钻探工程界占有一席之地。 历年完成的钻探工作量及有关技术经济指标见表1。 历年煤田钻探完成工作量及技术经济指标一览表 表1 时期 完 成 工 作 量m 最高开 动钻机台 平均开动钻机台 钻 月 效 率m 小 时 进 尺m 煤 芯 采取率 特 甲级孔率 无芯进 尺比例 平 均孔 深m 三年恢复 304356 263 27.5 265 265 0.45 35.7 一五 4070199 662 480.4 147 147 0.80 76.2 398 二五 9582759 972 641.5 256 256 1.47 65.6 85.7 375 三年调整 3506168 561 425.6 243 243 1.29 86.3 69.4 322 三五 7268940 659 392.2 316 316 1.58 69.7 72.9 428 四五 12280189 733 616.6 344 344 1.56 63.7 65.9 386 五五 16290468 948 751.9 368 368 1.66 76 74.7 445 六五 10807779 844 659.8 303 303 1.42 87 90.8 435 七五 6357537 750 409.7 284 284 1.37 88.2 77.2 401 八五 3620334 618 205.8 298-365 1.45-1.5 88.9-93.6 87-93.6 16.6-20.5 343-463 注八五期间未能合计的数据采用五年间最高、最低两个数据表示。 2．以金刚石钻进为主导，不断提高钻探技术水平 2．1金刚石钻进技术稳步发展 从80年代中后期开始，绳索取心金刚石钻进工艺逐步应用于煤田钻探。通过十几年的不懈努力，绳索取心、金刚石钻进技术在煤田勘探中的应用取得了长足的进步。日趋配套、完善、成熟。金刚石绳索取心钻进工艺的优点是众所周知的，但是如果没有良好的配套工艺设施，其长处也是难以发挥出来。我们紧扣配套、完善、发展、提高这一关键环节，以钻探施工中急需解决的生产、技术难题为目标，以科研项目为突破口，二者有机结合，努力将科研项目成果真正转化为生产力。如在绳索取心金刚石钻进工艺搞得较早的福建煤田地质局，先后立项Ⅱ类钻探科研项目4～5项，如复杂地层冲洗液的研究、适岩钻头的研究、绳钻管螺纹数控车床的研究、绳钻钻杆等离子弧焊的研究等，取得可喜的成果，有效解决了诸如绳钻钻孔护壁、钻杆结垢、钻头适岩性、钻杆润滑、绳钻钻杆的加工和修复利用等急需解决的生产技术难题。从而确保了到1990年8月，福建煤田地质局的岩心钻探全部实现绳钻化，并且一直使用至今。钻月效率从1985年打钢粒时的182m提高到2000年的861m，钻孔深度可达1400m。为我国南方地区的煤田钻探树立了良好的示范样板。其六五至九五期间钻探效率、质量情况见表2。 福建局19812000年钻探效率、质量情况一览表 表2 时期 完 成 工 作 量m 完成钻月数个 钻月效率m/钻月 竣工钻孔数个 特甲级孔率 特级孔率 六五 202647普工 1055.39 192 415 24.8 绳钻合计 254892 766.28 333 422 91.9 71.6 七五 103265绳钻 442.49 233 181 89.5 64.1 八五 102379绳钻 242.18 423 173 91.3 71.7 九五 49248绳钻 81.61 603 68 100 福建煤田地质局绳钻其它经济技术指标小时效率2.15m/h省外达3.22m/h；转速500900r/min；钻头平均寿命5060m/个省外平均寿命120245m/个，最高寿命290.77m；最大提钻间隔135m；绳钻钻杆平均寿命9000m；累计节约钻探费用达2629万元以上。 2．2钻头研究、制造、应用成果累累 钻头的好坏直接关系到钻进效率的高低，因此，钻头必然是我们进行重点研究的对象。煤炭钻探面对的软～中硬岩石约占70％左右，对常用的硬质合金取心钻头改进、研制出铸造锯齿形贴镶、三刮刀、排状合金和装配式等不同类型的钻头40多种。在九十年代前后，针对不同勘探区的不同岩层，多次立项，重点对天然、人造、聚晶、复合片等类型的金刚石钻头进行了研制及推广应用，取得良好效果，基本满足生产需要。如湖南煤田地质局研制的电镀金刚石钻头，选用不同配方得到不同的胎体硬度，以高强度金刚石、聚晶或聚晶烧结体为保径材料，运用电镀二次成型工艺，较好的解决了电镀钻头保径能力较弱的技术难题，该系列钻头平均寿命63.88m。四川煤田地质研究所研制的绳索取心聚晶钻头应用于可钻性2～6级的粉砂岩、灰岩及其互层，平均时效2.36m/h，平均寿命165.8m。山东煤田地质局与西安煤科分院钻探所合作研制的复合片无芯钻头，在山东济宁煤炭唐口勘探区应用，平均时效1.56m/h，平均寿命205.20m，钻头最高进尺876m。 3．用其所长，因地制宜发展多种钻进工艺 3．1空气泡沫钻进工艺 在90年代初期，煤田钻探生产便遇到了在干旱缺水地区需要穿过老窿、空巷等严重漏失地层的生产技术难题。如在山西大同的同忻勘探区，施工中要穿过2～3层的采空区，该地区还是个严重干旱缺水地区，这对采用水介质循环的常规钻进工艺来说困难极大，仅技术护壁套管就要下数层。通过开发应用空气泡沫钻进工艺，由于该工艺不存在冲洗介质漏失问题，排粉效果好，有效减少重复破碎，不仅有效解决了在该地区施工中钻孔严重漏失和护壁的技术难题，还大幅度提高了钻探效率。泡沫钻进孔深达601m。 3．2潜孔锤反循环钻进工艺 结合实际生产课题，在河北宣化煤田勘探四队，对在深孔高水柱大背压情况下的反循环中心连续取样（CSR）空气潜孔锤钻进工艺开展了较为深入的研究，先后在3个钻孔进行了生产性试验，孔深分别为342.20m、363.01m和410.33m，达到国内潜孔锤钻进深度先进水平。孔深300m以浅内可有效提高该地区硬岩小时效率，达4.7倍。但在高水柱大背压的情况下，由于受配套设备性能的制约，孔深超过300m以后小时效率提高幅度下降很快，在经济上已不尽合理。此外，还将潜孔锤钻进工艺拓展到大口径水文水井钻进中也取得较好效果。 3．3气动潜孔锤钻进工艺 首先在北京矿务局勘探队，针对京西地区的玄武岩、细粒砾岩等坚硬岩层进行了气动潜孔锤钻进工艺的研究，在8个钻孔进行生产试验，累计进尺905.9m，平均小时效率8.22m，钻月效率398m，较常规工法小时效率提高17倍，钻月效率提高23倍。这一成果表明气动潜孔锤钻进技术是突破硬岩关的有效手段。随后这项技术在河南、江苏、湖南、贵州等省煤田勘探中推广应用。值得一提的是该项技术在河南的应用，河南煤田勘探中常会遇到一层平顶山砂岩，直至90年代初，对付这层砂岩仍需使用钢粒钻进工艺，为了甩掉这种落后的工艺，也曾试用过各种类型的金刚石钻头，但终因平顶山砂岩属于一种极强研磨性的岩石，所用钻头的寿命很少有超过10米的而作罢。在应用气动潜孔锤钻进工艺后，情形霍然改观，不论是时效还是钻效都得到大幅度提高，成本直线下降。该工艺获得领导、技术人员、工人的一致认可，成为该地区浅部地层突破该岩层的首选工艺。 3．4液动冲击回转钻进工艺 对于煤田勘探中较深地层的一些强研磨性坚硬岩石，开发应用了液动冲击回转钻进工艺，以取代钢粒钻进。研制出MTK-91阀式正作用和MSC-75射流式冲击器及其配套钻头和生产工艺。在3个队42个钻孔的试验中，累计进尺6774.52m，与回转钻进比较，其机械钻速提高25以上，材料消耗大幅度下降，孔斜率降低。 3．5受控定向钻进技术 针对南方一些地区煤层赋存构造复杂，常规钻进工艺无法满足地质设计要求，我们开发应用了受控定向钻进技术，所采用的造斜机具主要为螺杆定向和MLZ-89连续造斜器两种。通过该项技术的应用，很好的解决了四川、江西等省在陡直地层找煤勘探的技术难题，中靶率高，特甲级孔率达到80以上，完全满足地质设计要求，取得良好的社会经济效益。 4．改进采煤工具和工艺，保证钻孔质量 取得完整的煤心是煤炭钻探的主要目的。随着勘探范围的扩大，煤层松散、破碎、膨胀，瓦斯量大的情况增多，煤炭系统先后研制了SMQ、DMD、DQX等多种类型的取煤器，它们单动性能好，内管为半合管自锁，可以合理调整钻井液在钻头部份的分流高度、流量、流向，卡簧或爪卡簧卡心。在采心操作工艺方面突破了过去的传统--轻压慢转小水量，而是采取尽快使煤心钻入容纳管的方法，减少磨损和冲蚀，提高煤心采取率和完整度。 5．提高钻井液性能，保障安全生产 煤系地层为沉积地层，水敏性强，孔壁稳定性差是煤田钻探施工遇到的突出问题。要保证钻孔的安全快速钻进，就必须采用优质泥浆来保证孔壁的稳定。为此，煤炭系统先后研制和推广了多种性能优良的泥浆处理剂和泥浆，较好的解决了钻孔护壁问题。如早期的煤碱剂泥浆、钙处理泥浆、后来的双聚泥浆、人工钠土、田菁粉、ST-1防塌剂等。根据不同地层、不同工艺的要求，推广应用低固相、无固相钻井液。采用191、高吸水树脂、水泥等材料进行护壁堵漏。通过建立三级泥浆管理体系及制度，极大的提高了泥浆管理水平，有效的降低了孔故率，保证了安全生产。 6．计算机、微电子技术研究应用初获硕果 随着现代计算机技术的飞速发展，煤炭钻探也开始了对计算机技术的研究应用。目前，除了已普及到通常的办公、文档管理上外，由山东煤田地质局申请立项研究的煤炭部Ⅰ类科研项目钻井参数监测系统的研制与应用，经过课题组同志们三年不懈的努力和辛勤钻研，于1998年11月通过部级鉴定。该项目的完成标志着煤田钻探技术工作在计算机、微电子技术方面的深入应用有了重大突破。与国内外同类钻参仪相比，该系统具有小型化程度高，监测功能多（钻压、钻速、泵量等10个钻进参数），观察、操作方便简捷，可靠性强等特点，系统总体技术性能居国内领先水平，部分主要性能达到国际先进水平。该项目的研究应用成功，为提高煤田钻探技术水平，变以往定性的、凭经验人工操作的打钻模式，为现在定量监测、人机结合、优化设计、科学打钻的模式提供了现代化的技术手段。 二、钻探装备不断更新 建国初期，我国煤炭地质钻探只有极少量的陈旧的日制“利根“、美制“沙利文““长年“等型号的手把给进式钻机。为了解决当时对钻探设备的急需，从前苏联引进大量成套的KA-2M-300型、KAM-500和Б-3型（千米）手把式钻机。与此同时，开始了仿制国外钻机的工作。50年代以后，又陆续引进了一些结构、性能较为先进的液压给进立轴式钻机，如1957年引进瑞典克芮留斯公司的HX-60型液压钻机，1974年引进瑞典鲍格曼鲍尔公司的托拉姆220型全液压钻机；1958年引进前苏联ЗИФ-650型液压立轴钻机；1979年引进日本利根公司的TXL-1E型钻机；1983年在东滩煤矿补偿贸易中，从法国福拉科公司的KH-28型车装全液压水文钻机；1984年从美国英格索兰公司引进RO-300型车装钻机等。这些钻机的引进无疑为我们自己的钻机研制及钻探工艺的开发，提供了很好的借鉴作用，如KH-28型、RO-300型钻机在当时就具有正循环、反循环、空气泡沫钻进、气举反循环钻进、潜孔锤钻进、绳索取心钻进等多种钻进工艺性能。 根据煤田勘探事业发展的需要，煤炭系统陆续建立了若干钻探设备专业制造厂，各省煤田地质局也都先后建立了自己的机械修造厂。通过对国外钻探设备的消化和吸收，开始独立自主的设计和生产钻探设备。从60年代中期开始，我国自行设计、制造的钻探设备已开始取代进口设备，旧式手把钻机逐步被淘汰。随着钻探方法和钻进工艺的不断发展，煤田钻探设备也在不断的更新换代，先后研制出TXU-700型、THJ-1500型、TK系列等液压立轴式岩心钻机和JTS系列水文水井钻机。TK系列岩心钻机具有扭矩大、变速范围广、液压给进、自动夹持等特点，深尺钻机装有水刹车，使升降钻具作业可靠省力，基本满足煤炭钻探进行绳索取心、金刚石钻进、冲击回转钻进等工艺的需要。至80年代，煤炭地质系统的岩心钻机、水文水井钻机、工程勘察钻机、泥浆泵、钻塔等设备已形成系列，钻探设备基本实现国产化，并开始有少量出口。 在50～60年代，钻机配套的泥浆泵基本延用由前苏联引进，后经自己仿制的双缸双作用的100/30、200/40、TBW-250/40等型号。70年代开始使用自己研制的NBH-250/60、NBH350/80型号的三缸单作用定量泵。从80年代开始，逐步更新为性能先进的有变量装置的NBB-200/40、NBB-250/60型号的三缸单作用往复泵，该系列水泵具有良好的工作特性和较高的安全系数，有效减少了故障时间和现场维修工作量。河北煤田地质局研制的JSN、SJB等型号除砂器，提高了钻井液净化工作的机械化程度，有效保证了钻井液的设计性能指标。 野外钻机搬迁工作基本上都配备了吊车、液压随车吊等设备，有效节省了搬迁时间。由宁夏煤田地质局研制成的M型高度可调钻塔深孔作业平台，钻塔、钻机、泥浆泵全部安装在一个可起落的作业平台上，可整体运输。钻塔为3层可伸缩式两脚门型，平台和钻塔起落由液压控制。通过了4个钻孔、2451m的生产试验。由安徽煤田地质局与中国矿大合作研制的ZT-A型两脚轻便钻塔，具有重量轻，操作安全，分段组合，地面安装拆卸，整体起落等特点，经过6200多米的使用，最深钻孔1034.49m，使用效果良好。 钻场基本上实现了升降钻具工序的机械化，普遍使用了拧管机、塔上无人提引器、摆管器等，有效减轻了工人劳动强度。各工区配备了无线电通讯设备，可和勘探大队、省局直接联网通讯。 三、发挥比较优势，进军“大地质、大市场“成绩斐然 至80年代末期，煤炭地质系统钻探队伍全面进入钻探延伸业---社会地质、岩土钻掘工程领域，在“大地质、大市场“中求生存，求发展。至今，岩土钻掘工程施工已成为煤炭地质单位的支柱产业。其施工机械也由当初的老千米型改造钻机为主，迅速发展到如今的以大型专用桩机为龙头，大中小专用机械设备基本齐备，并引进了国外先进的地下连续墙、锚杆、旋挖等施工设备，多种施工工艺、手段俱全，能够满足各类工程项目施工要求的局面。施工项目从楼房基础到道路桥梁，从工程地质到环境地质灾害治理等。已承接、完成了如工程地质勘查、井筒冻结、帷幕注浆、深水井、盐井、地热井、浅层石油、煤层气、边坡锚固、钻孔灌注、旋喷、挤密基础桩等的工程施工。 以广州中煤江南基础工程公司的“长江重要堤防加固工程江永坝标段防渗墙工程“、江苏长江机械化基础工程公司的“南京地铁玄武湖隧道防护桩工程“、中煤地质总公司的“南京地铁鼓楼车站连续墙防护工程“、安徽两淮地质基础工程公司的“上海联合广场基础桩工程“、湖南基础工程公司“广东珠海淇澳大桥大口径嵌岩桩工程“等一批品牌项目为代表，充分展示了煤炭地质系统在岩土钻掘基础工程施工方面的水平与技术优势。 大口径硬岩钻进与卵砾石钻进是钻孔桩施工中公认的两大难题。湖南煤田地质局通过科研攻关，研究、总结出一套行之有效的施工工艺、钻头加工维护工艺，在大口径桥梁桩施工市场中打出了效率，树立了形象，赢得了信誉，占领了市场，获得了效益。产值逐年上升，1993年为1531万元，至1999年为5163万元，七年间累计创造产值29129万元（22559万元、77.4）。 河南煤田地质局为了适应陕北石油开发市场的激烈竞争，以现有设备为基础积极进行完善、配套、改造，并深入开展丛式井钻井技术的研究与开发，形成独具煤田特色的丛式井施工工艺。丛式井施工钻机从1997年的1台发展到2002年的11台。钻月效率从1997年的900米提高到2001年的2800米。钻井施工产值1997年60多万元，1999年570万元，2000年1440万元，2001年2660万元。丛式井的产值比例由2000年的10上升到2001年54，单机直井施工井队每年产值达到150万元已是极限，而丛式井施工井队年完成1.4万米工程量，年产值可达到420万元，甚至更高。近三年间完成井组42组，成井148口，取得了良好的经济社会效益。 安徽煤田地质局两淮地质基础工程公司第一工程处的地鼠工程公司自1996年立项研究、开发、应用非开挖钻进技术以来，至今已为热力、电力、通讯、煤气、自来水等部门施工完成非开挖地下管线铺设工程数百项，完成铺管长度30多Km，获得良好经济效益，成为该单位的经济支柱产业。 在开发地热、深层水资源、煤层气方面也取得了可喜的成绩。2000m左右的中深层大口径水井成井技术已成为我们拓展社会地质市场的强有力的武器。 四、展望未来，面临挑战，面临机遇 跨入21世纪，在党的十六大“全面建设小康社会，开创中国社会主义特色新局面“精神的指引下，随着经济、政治体制改革的不断深化，我国的社会主义事业将在各个方面获得快速、持续的新发展。无疑，煤炭地质事业已面临着巨大的挑战，面临着机遇。煤炭地质事业只有跟上历史、社会的改革、发展步伐，才不会被淘汰掉。尽快发展、壮大煤炭地质经济是我们面临的第一要务。 今后的地质勘探队伍将会是少而精，但其科技含量只会更高、更新，更讲求经济效益。矿种勘探的界限将会模糊，依据钻孔口径、深度及所需勘探能力，地质勘探市场将会重新划分。 作为煤炭钻探技术工作，一是要把主导技术--绳索取心、金刚石钻进技术继续完善、提高。要把多种钻进工艺的设施不断配套、优化，发挥其优势。二是要把主导钻进技术与多种钻进工艺有机的整合到一起（可以是一台钻机或一个工区2～3台钻机），以获得更好的技术经济效益；三是积极运用现有的微机、微电子技术，岩心钻机均应配备钻井参数监测系统，并研究开发岩心钻探专家智能系统来更科学的指导钻探生产。应充分利用现有的微机、网络技术，提高工作效率，同时加强各单位之间的沟通与交流，使信息资源共享；四是注重技术人才的培养与使用问题，这是一个带根本性的问题。加强科研工作力度，解决生产技术难题，做好技术储备。同时，要认真做好科研成果到生产力的转化工作，以获得切实的技术经济效益；五是在岩土基础工程施工方面，首先搞好集约化经营，以切实解决各种施工难题，提高经济效益为切入点，努力提高施工技术、设备及员工的水平；六是积极投身社会主义市场经济中，要发挥煤炭地质单位的比较优势，在钻探延伸业-社会地质、岩土钻掘基础工程施工领域开拓自已的立足之地，创出自己的品牌，走出自己的发展之路，。 希望与困难同在，机遇与风险共存，山重水复之后，柳暗花明之时，让我们面对现实，面向未来，抓住机遇，迎接挑战，为煤炭地质事业与经济的发展而奋斗。 钻探勘查技术 技术方法 金刚石、绳索取心钻进技术；空气泡沫钻进技术；潜孔锤钻进技术；反循环钻进技术；受控定向钻进 技术；大口径水文水井、地热井成井技术；石油丛式井钻进技术。 装 备 T685WS多功能车装钻机；RG-20石油钻机；TSJ-1000、TSJ-2000水井钻机；GZ-2000、GZ-3000水井 钻机；SPT-600H车装水井钻机；XY-5、XY-44岩心钻机；TK-3、TK-4岩心钻机；XL-2000岩心钻机； GD-30浅孔钻机；DPP-100车装岩心钻机；XP-100取样钻机；HMP-125山地钻机。 勘查能力 固体矿床勘探孔径75～168mm，孔深0～2000m； 地热、水井勘探孔径168～600mm，孔深0～3500m; 石油勘探孔径168～445mm，孔深0～2500m； 煤层气勘探孔径168～445mm，孔深0～1500m； 应用领域 煤炭等各种固体矿床的勘探施工； 水资源、地热资源、水井的勘探、施工、成井； 煤层气资源勘探施工； 浅层油气井勘探施工； 水上勘探施工技术。