空气反循环连续取样技术在地质矿产勘查中的实际应用

姚建平，底衡波

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012；2.北京中资环钻探有限公司，北京 100012）

0 引言

本文就空气反循环连续取样技术（Air Reverse Circulation Continuous Sampling Technology，简 称RC）在我国引进吸收并国产化科技攻关的背景依托下，就有色金属矿产地质调查中心（简称：地调中心）在RC钻探从设备配置、工艺技术、合理级配、工器具配套等方面多年来所做的工作，结合在国内外多个地质矿产勘查项目中的实际应用情况，进行了回顾和总结。希望为今后RC 钻探技术的发展提供一些参考，以便于进一步对RC钻探进行推广。

1 国内外RC钻探技术的应用及现状

地质矿产勘查工作就是通过地质测量、物化探、钻探工程等多种勘查技术方法的合理应用，获取可靠的地质矿产信息资料，以探明矿产储量。金刚石机械岩芯钻探是获得实物地质的重要手段，作为地质矿产勘查工作采样技术方法之一，一直占据主导地位，这也是目前规范所要求的传统方法。空气反循环连续取样技术作为新的采样钻探工艺技术，凭借着高效、低耗、经济的优势在国外得到了重视并取得了普遍应用。早在二十一世纪初期，澳大利亚RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80%，美国接近80%，东南亚接近60%，非洲达到30%。澳大利亚RC钻探最大孔深已超过700 m（张永勤，2007）。由此看出，RC钻探在国外尤其是矿业市场比较成熟的国家已经形成一套成熟的钻探工艺技术，得到广泛的推广应用。

RC钻探工艺方法作为国际上先进的技术装备与工艺之一，上世纪80年代，RC钻探被我国地矿部列入“七五”、“八五”科技攻关项目（许刘万等，2009），我国开始对该技术进行研究，由中国地质科学院勘探技术研究所引进、消化吸收，并根据国内的实际情况开发研制出了空气反循环中心取样钻探设备和配套器具，包括钻机、双壁钻杆、贯通式反循环冲击器、旋流取样器、地表辅助设备等，为在国内推广使用该项技术打下了好的基础。在90年代，随着许多国外矿业公司进入中国投资矿业，进行风险勘探，国外先进的RC钻探设备及配套辅助设备全套进入国内施工，带来了更先进的设备和施工工艺（许刘万等，2013）。市场需求的动力也带动了国内RC钻探设备及辅助设备的制造，以勘探技术研究所的研究成果为依托，也加快了国产化的步伐，出现了很多RC钻探设备生产厂商，例如宣化正远钻采机械有限公司、无锡金帆钻凿设备股份有限公司、金科钻孔机械有限公司等。地调中心所属专业钻探单位也是在这个阶段配套了RC钻探设备，逐步摸索并完善了RC钻探工艺，从而拓展了钻探技术服务领域。RC钻探技术在国内已经基本发展成熟，并取得成效，但在近年的国内地质找矿钻探工程中，RC钻探工作量却非常少，几乎可忽略不计。经济高效的RC技术长期不能在矿产勘查领域得到有效应用，勘探成本无法得到明显的改善（冉恒谦等，2011）。

2 空气反循环连续取样技术工艺原理

空气反循环连续取样技术（RC）被称为是钻探技术的一次革命，从取样方式、循环介质、碎岩方式和循环方向等与传统岩芯钻进方法完全不同，钻进过程是以空压机输出的高压空气作为动力和输送介质，经过高压管进入双壁气盒子，通过双壁钻杆的内外管环状间隙到达孔底，驱动潜孔锤工作，以冲击破碎岩石，然后气体携带岩屑通过双壁钻杆的内管中心通道上返，经过双壁气盒子的中心管及排屑鹅颈管和胶管到达地表样品接收装置，岩屑经过旋流器减速分离沉降，按取样顺序及地质取样长度要求将从旋流器收集的地质样品通过缩分器缩分后装入样品袋，作为地质人员现场编录和室内化验分析的依据（图1）。

图1 RC工艺原理示意图

RC钻探优势明显：（1）钻进效率高、成本低，降低了勘探投入；（2）循环介质为空气，解决了缺水地区岩芯钻探施工难题；（3）连续取样钻进，获得的信息更及时；（4）岩样通道单一，没有交叉大大减少岩样的污染，获取的地质信息更准确；（5）解决了某些复杂地层常规金刚石岩芯钻探取芯率低的问题。

3 RC钻探技术工艺的应用历程

上世纪80年代到90年代初，全球矿产勘查市场处于低谷，我国也不例外，矿产勘查投入减少，资源勘探工作量大幅度减少，钻探行业人员流失，队伍缩减，技术上更是停滞不前。有色金属矿产地质调查中心作为当时的有色地勘行业的领头军，面对困境，组建了专业的公司来稳定钻探队伍，主要承担国内施工难度大的项目。90年代后期，随着进入新的经济发展周期，对矿产资源的需求增加，加之国家吸引投资经济政策变化，中国作为新兴资源勘探开放市场之一，吸引了一些外资企业进入到中国进行风险勘探，为满足国外矿业公司的规范和标准，我们积极学习国外先进钻探工艺技术，引进先进的钻探装备，加大科研投入和人才的培养，形成了一支专业的国际化的钻探施工力量。

国际矿业公司在矿产勘查中更倾向于大规模使用RC钻探，而当时国内在空气反循环钻探领域尚属于空白区域，为满足其勘查需求，开始由国外直接引进先进的RC钻探设备及成套辅助设备，同时引入熟练的技术操作人员，为在国内推广应用RC钻探技术提供了机遇，但困难是国内还没有成熟的系列产品。为提升钻探技术水平，拓展业务领域，地调中心积极利用国内当时研究成果，一边学习，一边加快RC钻探国产化的步伐，在生产实践中不断完善，形成了国内一支承担RC钻探的主要力量。任何新技术的消化、吸引都不是一帆风顺的，RC钻探技术也一样，下面分几个阶段介绍下我单位RC钻探的发展历程。

3.1 技术引进阶段

第一阶段是认识熟悉学习RC钻探技术。90年代末国外矿业公司陆续进入国内进行风险勘探，主要方式是和国内勘探单位合作，地调中心所属湖南局和国外矿业公司合作勘探郴州红土型金矿项目，设计就是通过RC钻探取样进行验证，解决的方式是国外矿业公司引进了一台二手的加拿大CSR-1000AV型钻机及配套设备工器具和人员，施工全部由国外矿业公司负责，我方人员跟随学习培训，这也是有色地质系统第一次接触RC钻探工艺技术，通过这个项目对RC设备及工器具、生产工艺有了初步的了解，也初步培养了人员。

但这个项目结束后因没有后续任务就陷入停滞，后期在内蒙古锡盟项目投入使用时，设备严重老化，维修物资都要从国外进口解决，费用高、周期长，加之人员不够熟练，使用效果并不好，没有发挥出其优势。但这个阶段的成果也是明显的：（1）对RC钻探设备应该具备的功能有了初步的了解；（2）亲身经历、学习了RC钻探生产工艺过程；（3）熟悉了RC钻探生产用工器具及配套设备；（4）初步培养了操作人员，为下一步对RC钻探国产化打下了坚实的基础。

3.2 国产化阶段

第二阶段是我们依托中国地质科学院勘探技术研究所对RC钻探技术解决方案，通过引进吸收加快了国产化的进程，我们借这个时机积极投身到RC钻探这个技术服务当中。这个阶段大批国外矿业公司进入中国进行固体矿产资源风险勘探，对钻探施工需求增加，尤其是RC钻探作为他们的优先选择，存在大量的市场缺口。我们依托于市场需求，根据前期与国外矿业公司进行项目合作实施RC钻探技术施工的经验，以及勘探所对RC钻探技术设备、辅助设备、双壁钻杆、潜孔锤等一系列初步国产化解决方案，立足国内初步解决设备及工器具配套问题，初步实现了RC钻探生产。

3.2.1 设备配套

钻机：国产第一代空气反循环钻探RC-300钻机（图2），该钻机是江苏省无锡探矿机械总厂与勘探技术研究所联合研制适合空气反循环钻探工艺的多功能钻机，具体性能见表1。

图2 第一代国产空气反循环钻机RC-300

表1 RC-300钻机主要性能参数

空压机：选配和该钻机施工能力相配套的英格索兰RHP750空压机。

额定气量：21.2 m3/min；

额定气压：20.7×100 kPa。

钻杆：配套苏州厂生产的RC-HQ和RC-NQ型号双壁钻杆。

3.2.2 钻具级配

钻具级配选择了潜孔锤DHD340和DHD3.5R，锤头是Φ90～130 mm。

孔底钻具组合是普通潜孔锤+交叉通道接头+双壁钻杆来实现中心反循环取样技术。当时国内可以选择的潜孔锤产品有限，小口径贯通式潜孔锤还没有成熟的产品，这样的钻具配置通过孔底局部反循环来实现中心取样钻进。

3.2.3 实施效果

项目实施情况，作为初步的国内配套设备和解决方案，我们按市场对RC钻探的需求，积极投入试验使用，并根据试验情况并逐步完善，先后在内蒙赤峰翁牛特旗张家沟铅锌矿、黑龙江多宝山、内蒙古太平矿业、贵州烂泥沟金矿都取得了较好的生产效果，其中在贵州烂泥沟金矿项目施工最深孔深达到300 m，钻孔倾角60°，日进尺平均可达150 m/天。初步为国产化RC钻探配套设备物资及工器具取得了经验，为进一步提升能力打下了坚实的基础。

该设备作为国内RC钻探国产化的试验设备，对RC钻探工艺的探索和改进打下了坚实的基础，虽然取得了一定成果，但是与国外RC钻探相比，无论是从设备性能、双壁钻杆加工及连接方式还是在小口径贯通式潜孔锤工艺等方面仍存在不少差距，这就带动了国内同行及相关制造商共同改造提升，从全方位提升RC钻探技术水平。

3.3 技术成熟阶段

第三阶段是经过多年RC钻探生产试验，总结各方面工作经验的基础上，随着国内对RC钻探技术认识的加深，对国外RC钻机、辅助设备、工器具、双壁钻杆、生产工艺、合理级配等方面的认识，对国内全方位提升RC钻探技术水平起到了重要的作用，市场需求的增加带动了国内对钻机、双壁钻杆、小口径贯通式潜孔锤等方面的投入，成熟度也在逐步增加，我们为适应市场的需求，也在全方位提升RC钻探装备与配套，已经全部实现国产化解决。针对生产中设备、钻具级配、生产工艺等方面出现的问题，全面进行生产升级。

3.3.1 设备配套

钻机：钻机选配了宣化正远钻采机械公司的FSL500以及升级版的FSL500A多功能钻机（图3，表2），钻机综合能力得到了全方位提升，从移动能力、提升力、回转扭矩、钻进行程等都大幅度改善。该钻机也是针对反循环中心取样钻探的特性，从施工钻孔倾角、气盒子、辅助提升等方面进行了适应性完善，成为完全的反循环中心取样钻探装备。

图3 空气反循环钻机FSL500A

表2 FSL500A钻机主要性能参数

空压机：考虑到设备能力、潜孔锤工作指标参数要求、双壁钻杆循环通道的密封条件、孔深最大化的需求，选择了相匹配阿特拉斯的XRVS976型号的移动式螺杆空压机，主要指标参数：工作压力25×100 kPa，工作气量27.7 m³/min。

钻杆：采用宣化现代采掘机械有限公司生产的Φ108 mm双壁钻杆，Φ50 mm内管。该双壁钻杆密封性好，密封压力可满足RC钻探需求。

3.3.2 钻具级配

根据我们前期生产中出现的问题的全面总结，双壁钻杆、潜孔锤、锤头的配套对RC钻探影响非常大，因为级配不合理非常容易造成孔内事故，从而造成极大的浪费，要系统从钻具级配和施工工艺上达到合理。结合当时国内能提供的潜孔锤技术，以性能稳定最成熟的小口径贯通式潜孔锤产品为基础，分别确定了Φ108 mm双壁钻杆，Φ50 mm内管，以及宣化苏普曼钻潜机械公司的SPMF345（350、355）贯通式反循环潜孔锤，配套主打锤头Φ115 mm（133、140）。该款潜孔锤能量消耗低、冲击功大、能量传递效率高；排岩粉能力强、钻进效率高；结构简单、便于维护保养、易损件更换更加方便。

通过多个项目的具体实施运用，验证了该钻具级配的合理性，既避免了钻杆外壁与孔壁之间环状间隙过大，造成气体外泄损失空气动力，同时降低卡钻、埋钻的事故发生率，也能最大限度的利用高冲击功的潜孔锤，提升施工效率。

3.3.3 实施效果

随着国产化设备的不断升级，双壁钻杆、小口径贯通式潜孔锤等配套设备的完善，RC钻探的施工技术也在不断提升。通过配备正吹、反吹接头，可以切换流体上返通道，从而可以清扫管路、解除堵塞，极大的降低了空反事故率。另外针对部分出水量较大的地层，通过适量添加发泡剂（十二烷基硫酸钠），适时转为泡沫钻，从而达到排水，烘干井壁的作用。在处理卡钻、掉块等井故时，同样可以利用泡沫的润滑、减阻特性，结合正反吹接头进行解卡、排渣作业。

地调中心先后在贵州锦丰金矿（鲁裕民和杨明，2017）、新疆乌什磷钒矿区（李锋，2013）、紫金矿业的部分矿山、刚果金、刚果布莫三角承担了多个市场项目，均取得了良好的效果，国内外共计完成工作量近100000 m，取得了良好的施工效益。

4 讨论与建议

总的来说，国内的RC钻探在地质矿产勘查中仍未形成规模性的应用，在整体矿产勘探工作中的占比极低，主要项目也基本集中在国外。但随着国内勘查规范逐步与国际接轨，RC开始逐渐被国内市场所接受。通过国内同行多年共同不懈的努力，现在国产化RC钻机及配套设备不断地升级与改进，RC钻探技术已经有了长足的进步，中心所属单位作为参与者也做出了的努力。不过整体而言，我国在空反钻机自动化程度、双壁钻杆标准化、贯通式潜孔锤性能、取样缩分设备等方面与国外相比，存在不小差距。笔者结合中心近年来对国产化设备的使用经验，以及国内外多个空反项目的实践，对RC钻探技术如何在国内推广应用提出来如下建议。

（1）从地勘行业内要提高对反循环连续取样RC钻探技术适用性的认识。RC钻探技术工艺本身具有低成本、地质信息量直观准确、样品污染小等优点，国外对这一技术的广泛应用已经说明RC钻探技术是获取准确岩样的一种可靠且经济的方法，实践证明了这一方法的有效性，完全满足矿产勘探对样品的技术及质量要求（陆生林等，2017）。国内无论是在普查、详查和勘探阶段，RC钻探可与地质岩芯钻探相结合，满足勘查要求，而不是仅局限于应用在加密钻孔和生产探矿中。

（2）完善国内相应勘查规范，以及具体实施细则和质量控制标准。早在2002年发布的《砂矿（金属矿产）地质勘查规范》（DZ/T 0208－2002）和《铜、铅、锌、银、镍、钼矿地质勘查规范》（DZ/T 0214－2002）中都对空气反循环钻探工艺进行了认可，并且在2010年发布实施的《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227－2010)对空气反循环取样钻探进行了阐述，对该工艺技术特点和适用条件，设备选择与配套、钻具组合及钻进工艺等进行了较为详细的规定和描述（黄晟辉等，2019）。虽然在一些规范中已对RC钻探工艺进行了认可，但是仍然没有在地勘工作中普及推广，其中一个很重要的原因在于相关规范对于RC取样缩分过程，采取率的界定，质量控制过程没有给出具体标准，导致即使勘查规范允许使用RC技术，但地质人员却无方法可依。其中一个原因可能是地质人员无法对岩心的岩石矿体的结构构造产状无法准确分辨确定。

（3）国内通过引进吸收国产化已经有了很大的进步，近年来新研的RC钻机不断涌现，中地装研究院研制的XD-12R型钻机具备自动化作业、多工艺钻进、数字化操控、自动化加杆等多项先进功能，代表目前国内该类钻机的先进水平（周政等，2020）。但在诸多配套设备的研制和制造工艺方面仍存在较大进步空间，例如国产大型移动式空压机与阿特拉斯、寿力等相比仍有较大差距，双壁钻杆加工、连接方式及密封性能有待提高，样品取样缩分系统尚不规范。国内还需要系统性的加强RC钻探全产业链的完善，加强RC钻机、辅助设备、双壁钻杆、贯通式潜孔锤及钻进工艺技术等的研究，丰富设备类型及产品，完善工艺参数，形成能够适应不同口径、施工深度、地层条件的系列产品。

（4）培养高素质高水平的钻探技术人员。目前RC钻探的操作人员主要由水井钻探操作人员和少部分传统岩芯钻探操作人员转换而来，由于国内RC市场规模的问题，多数都处在兼职状态，从而导致钻探操作人员整体水平参差不一，专业性较差，从而严重制约着RC钻探在国内进一步的推广应用。

注 释

中华人民共和国国土资源部.2003.砂矿(金属矿产)地质勘查规范:DZ/T 0208－2002[S].北京:地质出版社.

中华人民共和国国土资源部.2003.铜、铅、锌、银、镍、钼矿地质勘查规范:DZ/T 0214－2002[S].北京:地质出版社.

中华人民共和国国土资源部.2010.地质岩心钻探规程:DZ/T 0227－2010[S].北京:中国标准出版社.