地质钻探发展新动态

谢德龙,张绍和,方啸虎,苏 钰,林 峰,潘晓毅,陈 超,肖乐银

地质钻探发展新动态

谢德龙1,2,3,张绍和2,3,方啸虎1,苏 钰1,林 峰1,潘晓毅1,陈 超1,肖乐银1

(1.广西超硬材料重点实验室,国家特种矿物材料工程技术研究中心,中国有色桂林矿产地质研究院,广西桂林 541004; 2.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,湖南长沙 410083; 3.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083)

在国家经济发展进入“新常态”的宏观背景下,地质钻探呈现产能过剩态势,业务量不断下滑。对当前地质钻探面临的新形势作了分析,对地质钻探发展的一些新特点进行了阐述,结合行业特点对地质钻探的发展进行了一定的思考,文章认为地质矿产勘查要转向服务于民生的新战场,拓展地质钻探应用新领域,是本行业发展的必然。

地质钻探；金刚石钻头；新动态

金刚石钻头在国内生产制造已逾半个世纪,50多年来,我国金刚石钻头产业从无到有,由弱变强,为矿产资源勘查、地质事业发展起了巨大的推动作用[1-3]。但从2013年开始,国际经济整体表现低迷,制造业面临着较为严重的“寒冬”。受此影响,整个地质勘探行业增长乏力,产业结构性调整较慢。当前,我国经济结构正在进行供给侧改革,产业结构在不断优化升级,国民经济回归理性发展状态,进入提质增效的“新常态”。地质钻探工作者要准确判断当前的矿产和能源供需情况和勘探业务的新形势,抓住“新常态”下钻探工作面临的新挑战、新机遇,稳中求进,促进整个地质钻探行业的健康发展。

1 金刚石地质钻探行业形势

1.1 国有地勘单位正逐步退出市场

减政放权、降低市场准入门槛是本届政府的施政思路。2015年10月,国务院发布了(国发[2015]58号)文件,取消了矿产资源开发利用方案编制、矿产资源勘查实施方案编制、矿产资源储量核实报告编制等9项资质要求。2016年2月,国务院又下发了(国发〔2016〕11号)文件,取消了矿产资源开采报告编制的资质要求。2016年4月,国务院再次发布了“市场准入负面清单”并在上海、天津、广东、福建等地试行。该文件取消了除金矿、铀矿、油气、稀有稀土勘查以外其它矿种勘查的资质要求,这意味着任何具有相应技术能力的个人、公司、单位,都将具备从事地质勘查的合法资格。因此,市场竞争态势将完全不同于今日局面。原来处于资质垄断地位的国有地勘单位逐渐失去了原来的优势,甚至在某些方面落入下风。有专家预测,2018年后地质勘探行业的市场主体将发生重大变化,国有地勘单位的市场主体地位会有明显下降,甚至会历史性的退出市场。

1.2 “供给侧”改革背景下各省市对地质及钻探领域投入相对减少

当前,国家经济发展进入提质增效“新常态”,各省市的科技投入主要集中在信息技术、高性能新材料、新能源等领域。地质钻探行业属于传统领域,近年来在各省市科技投入的比重呈下降趋势。以广西壮族自治区为例,广西的“十三五”规划重点围绕传统优势产业、先进制造业、信息技术等“九张名片”来实施,整个地质行业的投入比重下降。

1.3 施工单位实行“包干制”,更加注重效率与效益

受国家政策和导向机制的影响,越来越多的民营企业进入到地质勘探市场。出于成本控制和运行风险考虑,钻探业务基本以进尺为单位由私人单位进行承包。在这种“包干制”模式下,钻探施工单位更加注重钻进效率与钻进成本。因此,在钻头制造方面大部分生产厂家更注重钻进效率的提升。钻头配方基本以Fe基为主,WC含量普遍偏低;金刚石颗粒也大多采用相对较粗粒度,以增加出刃高度和工作时的“吃入深度”,以最大程度提升钻进效率。

2 地质钻探发展新特点

虽然近几年地质及探矿行业面临形势较为严峻,金刚石地质钻头市场紧缩,但相对而言,地质钻探相关业务方面还是稳中有进的,在钻探技术方面取得了一定的突破。

2.1 地质钻头结构多样化发展

近三年来,金刚石地质钻头结构多样化,新型钻头不断出现,已替代常规普通钻头,在地质钻探中应用越来越广泛。如主副水口钻头、桥式水口钻头、二次焊接式钻头、双水口钻头等。这类钻头具有水口多、冷却好等特点,特别是副水口能深入胎体中间,有利于钻头胎体中间位置处的冷却,从而使钻头唇面各部位水冷均衡,金刚石能最大限度地发挥钻进性能。另外,通过多水口的设计形式,能有效减少钻头与岩石的接触面积,从而提高钻进速度。

图1 多水口钻头Fig.1 Multiple nozzle bit

图2 高胎体钻头Fig.2 Long-matrix bit

2.2 工作层高度不断增加

随着金刚石颗粒品级、胎体金属粉及制作方法的不断提高,金刚石钻头的有效工作层高度也在增加。在上世纪60～70年代,钻头的工作层高度基本为4mm;到80年代工作层高度增加为6mm;在90年代工作层高度以10mm为主。进入新世纪,钻头的工作层高度基本维持在12mm左右。出于钻齿唇面冷却等因素考虑,钻头的工作层高度近几年基本上没有太大变化。而桂林矿产地质研究院开发的适用于深部钻探的新型金刚石钻头,整个胎体高度在22mm左右,工作层高度达到了18mm,属于近期比较有亮点的工具。

2.3 钻杆智能化和轻型化

自上世纪80年代以来,钻井技术发展很快,极大地推动了钻井的实时化、信息化、数字化、可视化、集成化、自动化、智能化,使钻井变得“更聪明”。智能钻杆实质上是一种有缆钻杆[4],电缆之间通过电磁感应实现“软连接”,数据传输速率高达5.76万位/秒,数据传输量大,传输速度快。智能钻杆适用于包括欠平衡钻井、气体钻井在内的任何井况下的数据传输,真正实现“双向通讯”。智能钻杆可实现包括传送、上卸扣、送钻、排放、堆放在内的大部分操作的自动化,能大幅度减少钻井作业人员的工作强度,能明显减少人为失误,显著提高作业效率和工作安全性。

随着钻探深度的增加,钻杆的重量会变成一个重要影响因素,特别是在深孔钻探情况下,有效减少钻杆重量,会显著提高钻进效率,降低钻进成本。钻杆的发展历程也表明,钻杆总是朝着轻量化方向发展的。目前已投入商业化应用的轻型钻杆有铝合金钻杆和钛合金钻杆,但它们的成本太高。近几年来,美国能源部又在资助非金属类轻型钻杆——碳纤维钻杆的研制。

2.4 定向钻进与坑道钻进

定向钻进与坑道钻进已不是什么新鲜技术,上世纪70～80年代,随着我国的改革开放,材料加工、机械、电子等制造技术飞速发展,在这种大的宏观背景下,利用地层自然弯曲规律钻孔和采用人工强制手段改变钻孔轨迹技术应运而生,钻探技术由过去的被动防斜转变为主动地人为控制,这是钻探史上的一次飞跃。最近几年,中深孔定向钻进技术进步较快,勘探精度不断提高,钻探技术中研制了各类繁多的防斜、稳斜设备,取得了一定的成效。定向钻进与坑道钻进的最大特点是省去了大量的地表及无矿岩层钻进,从而节省了资金,提高了效率。

3 关于地质钻探发展的几点思考

当前中国的经济进入了“新常态”,以去产能、去库存为重点的结构性改革稳中求进,在这种大的宏观经济背景下,未来几年地质勘查与钻探工程有可能进一步减少。但是,随着中国经济结构的不断优化调整及中国深化改革红利的不断释放,以及“一带一路”重大战略的实施,地质钻探的应用领域将会有所扩展,甚至有些领域的钻探工作量会出现增长趋势,地质行业面临着新的发展机遇。

3.1 深部找矿仍是需要重点推进的重大工程

早期我国各项事业正在起步阶段,所以以开发矿产资源为主要目的,有“以钻探量换取矿产量”的提法。随着国民经济的发展,对矿产资源的需求量也在不断增加,这个观点是没有改变的!虽然地表的矿产资源随着利用的加大正在枯竭,但同时矿产开采的水平却不断提高,原来我国只能采掘到500～600m,后来发展到800～1000m,现在自动化采掘已经向1200～1500m,甚至向2500m发展,所以就提出了深部找矿的问题。这个问题在美、俄、日,四十年前就已经提出,而我国正式提出却仅十几年,目前我国发展速度比较快,但还是不够的。2015年6月,中国地质调查局深部探测中心成立,深部钻探工作进入新阶段,未来国家将基于战略考虑开发深部矿产资源,钻探工作必然向深部进军,这肯定会为深部钻探各项事业的开发提供一个良好的平台。

3.2 近海—深海矿产资源钻探

我国海滨砂矿资源主要有钛铁矿、锆英石、独居石、金红石、磷钇矿、铌钽铁矿、玻璃砂矿等共十几种,此外还发现了钻石和砷铂矿颗粒。海滨砂矿主要可分为9～10个成矿带,如海南岛东部海滨带、粤西南海滨带、雷州半岛东部海滨带、粤闽海滨带、山东半岛海滨带、辽东半岛海滨带、广西海滨带和台湾北部及西部海滨带、东海钓鱼岛周边区域等都是国家统一规划区域。特别是广东海滨砂矿资源非常丰富,其储量在全国居首位。从长远来看,海洋钻探将是全球性的问题,而像海底能源及相当多的有色金属等的深海勘探也将是必然要发展的。

另外,在国家公布的“十三五”规划纲要中,明确提出“发展深海探测、大洋钻探、海底资源开发利用、海上作业保障等装备和系统。推动深海空间站、大型浮式结构物开发和工程化”。此外,从2016年5月1日起,我国正式实施了《中华人民共和国深海海底区域资源勘探开发法》,这是我国海洋强国战略的重要标志。开展近海—深海矿产资源钻探,将会为钻探技术开辟新的战场。

3.3 电力工程钻探

我国的电力工业近年发展是相当快的,无论是火力发电还是水力发电,乃至核电。2016年,全国净增发电装机容量1.2亿千瓦,全国全口径发电装机容量16.5亿千瓦,同比增长8.2%,其中非化石能源6.0亿千瓦,占总发电装机容量的比重较上年提高1.7个百分点。无论那种发电,都离不开钻探:火力发电主要是用煤炭,需要钻探探明;水力发电的选坝地址要钻探,在建设水坝时边幕要进行防渗处理,更需要大量钻探;核电的发电所需的核能源需钻探探明。所以说:工业化离不开电力,所有的电力开发又离不开钻探。在当前大力发展环保经济和绿色经济的增长模式下,加大电力工程钻探力度,对于促进经济发展和保护环境,都具有积极的意义。

3.4 地热钻探

地热是一种非常重要的能源,这点正被人们越来越充分地认识到,特别是当前减排减碳的国际大环境下更显出其重要性。这种能源是非污染、取之不尽、用之不竭的,又是亷价的优质能源,是今后重要的发展方向,所以开发利用它是非常重要的。我们在开发它之前首先要探明储量,这需要钻探,然后又研究如何充分利用它,也需要钻探。早在2014年,国家能源局就强调要加大地热能源的开发利用,突出强调“至2020年,地热能源开发利用量要达到5000万吨标准煤当量,要基本形成齐全的地热开发技术及完善的产业体系”。地热能清洁环保、稳定安全,具有独特的优势,是未来能源结构调整的重点。我国的地热资源约占全球地热资源的六分之一,储量巨大。因此,地热钻井及钻探工程将会大有可为。

3.5 月球遥控取岩心钻探与极地厚层冰层钻探

人类对资源的需求从来就是不断增加的,所以在钻探任务中又提出了“上天、入地、下海、探极”的新问题。未来国家间的资源竞争将更加激烈,对太空资源的争夺会愈演愈烈,一些先进国家已经开展了地外天体采样工作。我国目前也开展了类似的工作,用于月球钻探取样的钻具、采样机构等正在研究中,但我国迫切需要加强这方面的研究工作,以完成2020年前后实现月球样品取样返回任务。

极地冰层下面蕴藏着巨大的矿产资源,美国、俄罗斯、英国以及我国等国家都在加强对极地的科考工作。2016年1月5日,中国第32次南极科学考察队在昆仑站的冰芯房钻取出一支长3.55m的深冰芯,这是国际上第一个在Dome A地区开展的深冰芯钻探项目(Dome A地区是目前已知地球上温度最低、年降雪积累率最小的地方),这不仅刷新了我国深冰芯钻探记录,同时使我国钻探人员积累了冰芯钻探经验。

3.6 地质灾害防治、钻孔救生与民生工程钻探

我国是地质灾害多发国家,据统计,仅2016年1～4月份,全国就发生地质灾害711起,造成63人死亡、7人失踪、40余人受伤,直接经济损失15327.9万元。钻探技术是防治地质灾害的有效手段,在边坡支护施工、地基改良等方面发挥着重要作用。同样是2016年1～4月,全国共成功预报地质灾害35起,避免人员伤亡733人,避免直接经济损失860万元,加强钻探技术在地质灾害防治领域的应用,拓展地质钻探新范围,对于实现地质钻探转型升级,对于解决当前的产能过剩,显得尤为重要。

地质钻探技术在矿山救援中具有独有的优势,传统的救援方式往往采用的是巷道掘进方式,救援速度慢,效率不高[5]。若在发生矿难时快速从地面钻孔至事故处,通过孔径为被困人员提供水源、食物等给养,将大大提高被困人员的生存概率。2016年1月29日22时48分,在山东平邑“12.25”石膏矿坍塌事故发生36天后,被困井下的4名矿工,通过大直径救援钻孔成功获救。这是我国大口径钻孔救援成功的首例、也是世界上的第三例,创造了矿山事故救援的范例,在矿山救援史上具有里程碑意义。地质钻探在此领域还具有极大的研究和提升空间。

虽然从2013年开始地质钻探业务产能过剩,快速回落,但是,在岩心钻探以外的其它一些领域,特别是民生领域,如地下水污染取样调查、环境保护调查、农业地质调查等,钻探工作量还是出现了增长态势。随着中国“一带一路”及“走出去”战略的实施,大量的地下水开发工程、公路铁路等基础工程的建设项目将会大力推进,这将给地质钻探事业的发展带来新的发展机会。

4 结 论

(1)地质钻探是解决矿产资源最基础、最本质的重要手段,是“吹糖见米”的工作,只有地质钻探才能最准确地说明地下的实质情况,金刚石地质钻头是实现地质钻探的关键工具,虽然应用领域较窄,但不会退出市场;

(2)要正视目前经济下滑、行业不景气等现实问题,厚积薄发,等待地质及钻探行业的春天;

(3)重视地质钻探及金刚石钻头行业发展规律,结合行业特点及发展趋势开发相应产品;

(4)在宏观国家经济发展背景下,地质工作的重点正在进行战略性转移,地质矿产勘查要转向服务于民生的新战场,拓展钻头应用领域,加快钻头类产品在环境保护、地质灾害治理、矿山生态恢复、非常规能源勘查(如地热钻探、电力工程钻探等领域)的应用,谋求新的发展机遇。

[1] D.L.Xie,L.Wan,D.D.Song,et al.Low-temperature sintering of FeCuCo based pre-alloyed powder for diamond bits[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater,2016,31 (5):805-810.

[2] 潘晓毅,秦建新,谢德龙,等.金刚石钻头井底流CFD模拟研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2016,36(4):34-38.

[3] J.Xu,A H.Sheikh,C.Xu.Interfacial failure modelling of diamond bits made of particulate composites[J].Composite Structures,2016,155(1):145-149.

[4] 杨金华.国外钻井技术研发新动向[J].技术装备,2009,2:28-31.

[5] 王达,李艺,周红军,等.我国地质钻探现状和发展前景分析[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2016,43(4):1-9.

New Development Trend of Geological Drilling

XIE De-long1,2,3,ZHANG Shao-he2,3,FANG Xiao-hu1,SU Yu1,LIN Feng1, PAN Xiao-yi1,CHEN Chao1,XIAO Le-yin1
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Chinese National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co,Ltd,Guilin,Guangxi,China 541004; 2.Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Non-ferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education,Central South University,Changsha,Hunan,China 410083; 3.School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha,Hunan,China 410083)

Under the macro-background of the"new normal"economic development,the geological drilling industry shows a situation of overcapacity and the business volume continues to decline.Through the analysis of the new situation and briefing of the new features of the development of the current geological drilling industry and reflection of the influence of the industrial characteristics on the development of geological drilling,it is believed that geological and mineral exploration should turn to the new battlefield to serve the society.To expand the new application fields of geological drilling is an inevitable trend of this industry.

geological drilling;diamond drill bits;new trend

TQ164;TG454

A

1673-1433(2017)04-0051-04

2017-03-13

桂林市科学研究与技术开发计划项目(20150105-1);广西区直科技型企业成果转化资金(2013-1-20)

谢德龙(1984-),男,博士,从事超硬材料及制品方面的研究。E-mail:xiedelonghn@foxmail.com

张绍和(1967-),男,教授,博士生导师,E-mail:zhangshaohe@163.com

谢德龙,张绍和,方啸虎,等.地质钻探发展新动态[J].超硬材料工程,2017,29(4):51-54.