空气反循环连续取样钻探技术浅析

俱养社，马峰良

(陕西省一三一煤田地质有限公司，陕西 韩城 715400)

0 引言

空气反循环连续取样钻探技术在国外被称作“CSR(center sample recover)”，主要是以双壁钻具组成的反循环系统和全面破碎的碎岩方式，在地表依靠取样装置、分样器等设备收集双壁钻具中心通道上返至地表的岩屑，取代常规取芯钻探中的岩芯进行地质编录、岩矿分析等，是一种优质、高效、低耗的钻探方法。

国外在地质勘探中利用反循环连续取样技术所完成的钻探工作量在20世纪80年代后期就超过了长期占主导地位的金刚石钻探技术。且反循环连续取样钻机及钻具已形成系列化。例如英格索兰公司的TH系列钻机，加拿大DRILL SYSTEMS公司的CSR钻机及钻具[1]。

中国在20世纪80年代后期，为验证该方法的地质效果，专门引进荷兰康纳德公司生产的Mini-200砂钻和加拿大调整者公司生产的CSR-1000AV钻机，在山东及宁夏等地进行地质效果对比试验与钻探生产试验，均取得较好的效果。通过“七五”期间对中心取样钻探技术的攻关研究，对中心取样钻探的设备及钻具进行了国有化的研究，并在多个矿区进行大量试验，积累了丰富经验[2]。

20世纪80年代后期至90年代初期，全球固体矿产钻探处于低迷时期。国内的钻探单位纷纷开始转型，转向基础工程市场。国外的矿产公司为了自身的生存与发展，纷纷拓展中国市场，许多国外公司在中国进行风险勘查和稀有金属的开采。在开发过程中，对国内合作伙伴所采用的钻探技术落后、效率低表示不满，国外公司提出采用空气反循环连续取样钻探技术，有的公司自己从国外进口设备及钻具进行施工。此举推动了中国空气反循环连续取样钻探技术的发展[3]。

一方面，国外公司在中国进行的矿产勘查推崇反循环连续取样技术；另一方面，国内公司到国外承包工程，工程招标首先提出要使用空气反循环连续取样技术，这样在工艺方法的选择上，采用空气反循环连续取样技术成为必选条件，为该技术的推广应用提供了机遇，同时也面临挑战。

1 空气反循环取样技术原理与特点

1.1 方法原理

压缩空气经气盒子或气水龙头进入双壁钻具的环状间隙并下行，到达孔底后经内管中心通道上返，同时将所钻地层样品及岩屑携带至地面进入旋流器，样品在旋流器中与空气分离，再根据地质要求利用分样器进行不同比例缩分[4]，如图1所示。

图1 空气反循环连续取样技术工作原理Fig.1 Working principle of air reverse circulation continuous sampling technology

1.2 空气反循环连续取样技术特点

钻进效率高：采用中空式潜孔锤[5-6]和特殊反循环牙轮钻头，改变了传统取芯钻进的碎岩方式，以冲击破碎代替了切削、磨削破碎；利用高压空气排粉效果好；不用提钻取芯或更换钻头，提高纯钻进时间。2006年，在黑龙江岩金矿使用空气反循环连续取样技术，钻探工作量为10 000 m，设计孔深30～50 m，地层风化严重，利用绳索取芯钻探技术岩芯采取率和钻进效率低，后采用空气反循环连续取样技术，经过对比分析空气反循环连续取样技术是绳索取芯钻进效率的4倍，而且施工成本降低了50%。

解决复杂地层钻探难题：空气反循环连续取样钻进时，压缩空气在双壁钻具的封闭系统循环，当遇到溶洞、大裂隙等复杂地层时，能实现正常循环，而在常规取芯钻探中却无法实现。钻具级差小，有效地解决了松散地层钻孔难题。尤其在砂金勘探领域一直是常规取芯钻探技术无法涉足的地域，所以国内外砂金勘探95%的钻孔均采用“CSR”技术。如：昆明富坤钻探有限公司自2008年以来采用该技术进行砂金勘探，钻探工作量达60 000多米。

钻孔质量好：双壁钻具为满眼钻进，刚性好，很少发生孔斜；完整岩石或破碎地层样品的采取率均能达到100%，且无泥浆、水等外来的污染。

钻进工艺简单：由于空气反循环连续取样钻具的特点和碎岩方式的改变，钻进参数如钻压、转速等控制比较简单。实现了样品的连续上返，钻头寿命长，一个孔钻进过程中仅提钻一次。除特殊情况外，复杂地层钻进也不需采用护孔堵漏措施，钻孔结构简单，通常一径到底。

2 常用钻具配套方案

空气反循环连续取样技术常采用全液压动力头空气反循环取样钻机配套双壁钻杆、气盒子、空气反循环牙轮钻头、刮刀钻头、反循环气动潜孔锤等，实现空气反循环连续取样钻进，偶尔也采用转盘式钻机配套汽水龙头及空气反循环取样钻具实现空气反循环取样钻进，常用钻具配套方案见表1。

表1 空气反循环连续取样钻具方案

3 空气反循环取样应用范围分类

目前，我国空气反循环连续取样技术的应用范围不断扩大，主要应用如砂金勘探、矿山爆破孔、化探取样孔、物探爆破孔、浅层矿体勘查、深部找矿钻井的浅井段[7-10]。

砂金勘探：砂金矿地层一般由泥质层、砂矿层或矿层、基岩层组成，采用普通的取芯技术取芯困难，且该类地层中夹杂巨砾层或巨砾不易穿过，采用常规的钻进方法均达不到地质设计要求，采用空气反循环连续取样技术能够顺利成孔，且采取率能达到100%。

矿山爆破孔的施工：矿山爆破孔一般深度不大，成孔后将炸药投入到孔内即可施工。矿山爆破孔数量多，要求施工速度快。山西朔州露天煤矿、内蒙古准格尔煤矿均采用反循环连续取样技术施工矿山爆破孔。

浅层矿体勘查：一些浅层矿体的勘查可采用反循环连续取样技术，钻进效率高，取样质量好，可实现快速开采。

深部找矿钻孔的浅孔段：随着我国找矿工作转向深部，地质勘探钻孔逐渐加深至上千米。为加快钻孔速度，在地质勘探钻孔的浅井段使用空气反循环连续取样技术，提高钻进效率，下部可采用别的工艺进行组合钻进技术来达到地质钻探目的。

4 空气反循环取样技术实际应用

空气反循环连续取样钻探技术有了很大的发展，在国外已得到普遍应用。随着我国地质矿山勘探工作任务的加大，传统的绳索取芯技术还存在一些问题[11]。近年来反循环连续取样钻探装备及工艺技术已在我国矿产勘探中开始拓展应用，解决地质钻探技术难题。

昆明富坤钻探有限公司自2007年就开始采用反循环气动潜孔锤钻探技术，实现砂金勘探施工，如图2所示。几年来的应用实践证明，空气反循环连续取样钻探取样率可达到100%，完全能满足砂金勘探取样要求。施工效率比常规取样效率提高10倍以上，成本大幅度降低，并减轻了劳动强度。目前该公司已经完成取样钻探施工量2.8万余米，取得了非常显著的经济效益和社会效益。

图2 云南砂金勘探反循环连续取样钻进施工现场Fig.2 Construction site of reverse circulation continuous sampling drilling for placer gold exploration in Yunnan

另外，河南省三道庄钼钨矿区详勘工作钻探工作中，所遇地层结构复杂、地层裂隙发育、孔壁易坍塌、漏失严重，难以满足矿区高生产进度要求。为解决矿区地质勘探中所遇的技术难题，只好采用反循环气动潜孔锤连续取样技术得以解决。

山西省朔州市煤矿勘探引进的阿特拉斯科普柯公司 TH60钻机，如图3所示，配套澳大利亚空气反循环连续取样牙轮钻头技术，进行煤矿勘探工作，也充分体现了此种钻探技术的重大作用[12]。

图3 山西露天煤矿勘探引进阿特斯科普柯TH60钻机Fig.3 Atlas Copco TH60 drilling rig introduced during open pit coal mine exploration in Shanxi

北京中资环钻探有限公司，采用空气反循环连续取样技术在内蒙古、新疆等地取得显著效果，如图4所示。当孔内没水的情况下，使用空气反循环潜孔锤钻进，当孔内有水背压较大的情况下使用反循环连续取样牙轮钻头，目前施工钻孔总进尺5 000 m以上[13]。

图4 中资环新疆反循环取样施工现场 Fig.4 Construction site of reverse circulation sampling in Xinjiang

为试验气动潜孔锤反循环跟管钻进技术，勘探技术研究所采用自制的FD-300反循环取样钻机在北京石景山地区共进行了2个钻孔的试验。一次性穿越30 m厚的卵砾石地层，取样率为100%，达到了预期目的，如图5所示。并得到了同行专家和从事这方面监理的认可。

2014年10月，采用勘探技术研究所地调项目研制的FD-600型空气反循环钻机在新疆哈密卡拉塔格(国家级)整装勘查区红石矿区进行了野外生产应用试验[14]，配合北京中资环钻探有限公司取样钻探任务，采用空气反循环连续取样实施4个钻孔，见表2，累计进尺量为830 m，最深钻孔深度为232 m，终孔孔径φ110 mm以上。

图5 北京石景山反循环取样施工现场Fig.5 Construction site of reverse circulation sampling in Shijingshan，Beijing

表2 新疆红石矿区空气反循环取样钻孔数据

2015年4月，勘探技术研究所对FD-600行空气循环取样钻机在前期试验基础上，对钻机、钻具出现问题完成改进，同年5月在黑龙江省多宝山铜矿完成北京恒金源钻探技术有限公司承担的钻探取样任务，共实施10个钻孔，数据见表3，累计进尺量为800 m，最深钻孔深度108 m，终孔孔径φ133 mm。

表3 黑龙江多宝山铜矿空气反循环取样钻孔数据

5 结语

空气反循环连续取芯钻探技术近年来得到快速发展，该项技术未来必会受到广泛应用，这也就迫切要求广大地质工作者积极研发这一领域的新设备、新工艺及配套设施，使得设备性能更可靠、更实用，工艺方法更广泛地适应于不同的地质环境，除应用于矿产勘探取样外，还能应用于水井、地热井、煤矿瓦斯排放井、煤层气井、油气田井、太阳能井、地源热泵井、回灌井及各种大口径工程施工。