便携式模块化钻机在绿色地质勘查工作中的应用实践

刘 蓓，寇少磊，朱芝同，杨 可*，张 晨，张 雄，牛恩宁

（1.中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100；2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000；3.北京集佳知识产权代理有限公司西安分公司，陕西 西安 710100）

0 引言

随着我国社会经济发展，生态文明建设地位和作用日益凸显。习近平总书记提到“生态环境保护是功在当代、利在千秋的事业”，因此要正确处理好经济发展同生态环境保护的关系，推动绿色发展、循环发展、低碳发展。绿色勘查工作在国内起步较晚，近些年，在国家相关政策大力支持与鼓励下，绿色勘查技术研究和推广工作发展迅速，取得了良好的环保效益和众多成效。

2015-2020 年，国内逐步探索研究绿色勘查工作技术和方法，贵州省西南能矿集团率先探索出了贵州固体矿产绿色勘查技术经验；中国地质调查局探矿工艺研究所探索了高原生态脆弱区绿色勘查钻探技术体系；青海省有色地勘局创造了生态环境脆弱地区的“多彩模式”勘查方法，并开始在全国倡导绿色勘查。同时，国内绿色勘查相关政策和法规也在不断地更新完善，自然资源部、部分省（自治区）以及地勘行业团体针对绿色勘查工作逐步发布了相关要求和标准规范，自然资源部明确提出了调整对生态环境影响大的勘查技术方法，开展绿色勘查项目示范工作，已评选出95 个绿色勘查示范项目，加快了建立新时代绿色勘查管理制度和标准规范体系。2021 年，自然资源部印发《关于促进地质勘查行业高质量发展的指导意见》特别提到推进绿色勘查和绿色矿山建设，国内绿色勘查技术和标准体系现已基本建立起来，现行绿色地质勘查相关标准见表1。

表1 国内现行绿色地质勘查相关标准Table 1 Current standard of green geological exploration in China

2020-2021 年，西安矿产资源调查中心分别在陕西省和青海省开展地质钻探工作。陕西省明确规定在核心保护区、重点保护区实施战略性矿产资源勘查项目，应当依法进行环境影响评价，并提出坚持依法勘查、规范工程施工、绿色达标验收等具体工作要求；青海省规定提出最大限度减少对生态环境的不良影响［1］。施工单位应采取有效的技术和措施，做好安全文明施工、生态环境保护等各项管理工作，自然资源主管部门应认真核实绿色勘查工作实施情况。为贯彻推进和落实好以上相关要求，结合战略性矿产地质勘查工作实际所需，西安矿产资源调查中心配备了一批便携式模块化钻机，并科学组织绿色地质钻探试点和推广应用工作，获得了良好的应用效果和经济效益，顺利完成了地质工作目标，有效服务和支撑了绿色地质勘查工作。

1 钻机简介

1.1 钻机基本参数

表2 EP600 系列钻机性能参数Table 2 Performance parameters of EP600 series drilling rig

1.2 钻进工艺特点

便携式模块化钻机以动力头高转速实现钻头快速切削碎岩为优势，采用“薄壁系列钻杆+薄壁系列绳索取心钻具+无（或低）固相冲洗液”薄壁金刚石绳索取心钻探工艺［3-4］，钻进口径以HTW（96.4 mm）-NTW（75.9 mm）-BTW（60.1 mm）级配为主，钻进采用无固相或低固相冲洗液。该钻进工艺具有以下几点优势：

一是钻杆可作为护壁套管使用，实现不提钻换口径钻进。在钻进不稳定地层时，薄壁系列钻杆可作为套管实现不提钻护壁，即直接作为护壁套管，只需换小一级口径钻具组合即可继续正常钻进。以HTW 口径钻进为例，若钻进过程中发生严重的坍塌、掉块等情况，造成事故（卡钻或埋钻）致使钻具无法回转或起拔，则只需换为NTW 口径钻进即可。需要注意的是必须先打捞出HTW 钻具中内管总成，使用NTW 钻头磨铣掉HTW 钻头内台阶，NTW 钻具通过后方可正常钻进［5］。

二是薄壁系列与标准Q 系列绳索取心钻具相比［6-7］，具有以下优势：（1）薄壁钻头碎岩效率较高，钻速快。钻头底唇与岩石接触面积少，孔底扭矩阻力小，钻头切削岩石的环状面积小，H 口径和B 口径分别减少了19%，N 口径减少了28%（见图1），结合钻机的高转速，岩石切削速度快，可获得较高的钻进速度；（2）薄壁系列钻具取心直径更大，H 口径取心体积提高了23%，N 口径和B 口径分别提高了36%（见图2），能够更好满足地质技术质量要求；（3）孔壁环状间隙较小，钻柱整体具有满、直的特点，可有效控制孔斜，一定程度上可抑制孔壁掉块卡钻，钻孔安全性较高。薄壁系列与标准Q 系列钻杆环状间隙对比见图3。

图1 不同系列钻头切削面积对比Fig.1 Cutting area comparison between different series drill bits

图2 不同系列岩心直径对比Fig.2 Comparison of different series core diameter

图3 不同系列钻杆与孔壁环状间隙对比Fig.3 Comparison between different series drill rod and hole wall annular gap

需要注意的问题，便携式模块化钻机的钻进参数选择确定，要结合工作区地质条件、地形地貌及钻孔技术要求等因素，才能获得较高的工程质量与较好的经济效益。

1.3 钻机优势

模块轻量化设计，80%以上结构件采用高强度铝合金材料，机身轻便易于搬运［8］；机台占地破坏面积少；液压系统高度集成，全液压驱动，无级调速，液压管路快速插接接头，安拆快速［9］；顶驱式动力头，油缸推进，无需倒杆，钻机操作性好；动力输出稳定，噪声小，机械故障率较低，维护保养简单；作业省时省力，机台作业每班组仅需2～3 人即可开展工作，工人劳动强度低，现场作业安全风险小（见图4）。

图4 钻机作业现场Fig.4 Drill working site

2 工区概况

2.1 地形地貌

工作区主要在陕西和青海两地（见图5）。陕西秦岭工作区分布在陕西商洛丹凤、汉中宁强和安康旬阳地区，区内都有公路相通，交通较为便利，属中低山区，地表第四系覆盖层厚为0～6 m 不等，地形切割强烈，山势陡峭，植被覆盖茂密，以高大落叶阔叶植被为主，沟谷溪流常年有水，季节性雨水丰沛，国家级野生保护动植物丰富。青海工作区在鱼卡地区，地处柴达木盆地北缘，属青海省海西州大柴旦行政委员会管辖，海拔在3000～4000 m 之间。工区内少量区域有失修的道路可通行，大部分区域车辆无法通行，交通极其不便。地表水系极少，植被稀疏，山势陡峻，多为秃山荒漠且沙漠化较严重，属典型的高原荒漠型景观。

图5 便携式模块化钻机在工作区的应用Fig.5 Application of portable modular drill in working area

2.2 地层岩性

陕西秦岭工作区地层岩性主要为片岩、片麻岩、角闪岩、花岗岩、千枚岩、硅质千枚岩、砂岩、石英砂岩、石英闪长岩、板岩、碳质板岩、石灰岩、白云岩等，地层较完整、风化程度较弱；青海鱼卡工作区揭露的地层岩性主要为云母石英片岩、二云母片岩、榴辉岩、糜棱岩、大理岩等，地层裂隙发育，浅层风化程度较强。工作区地层情况见图6。

图6 工作区地层主要岩性Fig.6 Main lithology in the working area

3 应用情况

3.1 因地制宜，保障任务，提升成效，降低环境影响

（1）因地制宜应用便携式模块化钻机，有力保证了钻探任务顺利完成。

农作物的各种农艺性状通常为数量性状，而且相互影响，相互关联。根据红花主要农艺性状间的关系，对产量影响最大的分枝总数与茎粗、株高、单株有效果球数[9]密切相关，在栽培上，应以提高单株有效果球数为主攻方向，而把单株无效果球数、一级分枝数控制在适当的水平上[10]。种子百粒重和第1级分枝数可以作为丰产栽培的主攻性状[11]。通过调整播种期和种植密度对茎粗进行调节，适时早播的红花茎粗较粗，种植密度越稀茎粗越粗。

结合工区地质地形条件、物资保障环境、钻孔质量要求和费用成本等因素，科学合理选用便携式模块化钻机，可达到事半功倍的效果。2020-2021年，采用便携式模块化钻机分别在陕西商洛丹凤、汉中宁强、安康旬阳和青海鱼卡4 个工作区试点开展工作，共完成岩心钻孔30 个，累计完成工作量8799.64 m，详见表3。分析表3 数据，单孔设计深度大部分在200～400 m，平均台月效率为652.37 m。钻进7 级及以下的岩层，最高台月效率达到了1008.68 m（灰岩地层），最低台月效率为323.25 m（千枚岩、长石石英砂岩地层），平均台月效率为697.19 m；钻进8 级及以上的岩层，台月效率仅为211.39～293.12 m（花岗岩、石英片岩、榴辉岩地层）。可以看出，秦岭工作区内岩石级别普遍较低，为中等硬度以下，结合地形地貌情况，选用便携式模块化钻机开展钻探工作较为科学合理［10］。同时，在岩石级别较高的花岗岩地层（ZK5801）、榴辉岩和石英片岩地层（ZK803、ZK3602）开展钻探工作，该钻机的施工效率则非常低，表现出不适用于硬岩及以上的地层。总的来看，便携式模块化钻机较适于岩石级别为中硬以下的地层，此次钻机试点应用取得了良好的预期效果。

（2）实施“一基多孔”以及小倾角钻孔钻进技术，大力提升绿色地质钻探工作成效。

安康旬阳工作区地形切割强烈，山高坡陡，地表基岩裸露，钻孔孔位选址和道路修筑非常困难。考虑施工作业安全管理风险，通过反复沟通和论证，钻孔定于山体较为稳定和便于修筑机台的有利位置，采用便携式模块化钻机实施“一基两孔”即ZK001和ZK002（见表3），成功解决了以上施工诸多困难。一是有效降低了设备安拆运输与道路修筑等辅助时间，加快了钻探工程总体进度，降低了费用成本；二是可极大减少因机台和道路修筑而破坏地表植被，既满足了地质任务，又能最大限度降低地表破坏，体现了绿色勘查工作思想［11］。同时，与传统立轴钻机相比，便携式模块化钻机施工的钻孔倾角设计范围更宽，可满足小倾角浅孔钻探施工技术要求，例如商洛丹凤工作区ZKC01、ZKC21 以及安康旬阳工作区ZK1501、ZK7-1 均为小倾角钻孔（参见表3），钻进作业存在一定的难度，采用该钻机均顺利高效完成了钻孔施工任务。

表3 各工作区便携式模块化钻机施工效率情况Table 3 Working efficiency of portable modular drill in different working area

（3）钻探工程临时占地面积得到控制，有效降低了环境影响程度，获得了良好的效益。

钻探工程占地始终坚持“尽量不占用耕地和永久基本农田，严格控制林草地的占用规模，充分利用荒地和植被稀疏区域”的原则，钻探场地和物资运输临时便道用地得到了有效控制。钻孔孔位选址要综合考虑地质目标要求、工程布设可行性、安全风险以及经济成本等因素，钻探场地要因地制宜合理利用有限空间实行分区布设，科学规划钻探装备物资的运输进出场的路线方案，宜采用环境扰动小的修筑、开挖方式，以最大程度上减少临时占用地和地表开挖破坏规模。通过便携式模块化钻机的应用和统计分析，该钻机临时占地规模与传统立轴式钻机相比，钻探场地占用或修筑面积可减少80%～85%，临时便道占用或修筑面积可减少60%～65%。同时，坚持临时运输便道可利用现有便道的尽量不修筑，极大减少了人工活动对自然环境的影响程度。模块化钻机与传统立轴式钻机作业经济成本相比，经测算单机台综合费用成本可节省12.18～18.91 万元/年，人员、临时用地（青苗）补偿、绿色环保材料及复垦复绿等综合费用成本降低了约40%［12］，获得了良好的社会和经济效益。

3.2 创新技术方法，提高钻探工程质量和效率

（1）初步探索出“便携式模块化钻机+高效碎岩钻头+环保冲洗液”的绿色勘查钻探技术方法。

结合模块化钻机高转速的优势，通过在硬-坚硬花岗岩地层开展N 口径钻头试验，优选不同参数的金刚石钻头，并通过处理优化钻头结构形式，对碎岩效率进行了研究探索，发现齿轮钻头（5 号钻头）在相同钻进参数情况下，减少钻头与岩石的接触面积，钻进效率平均提高了1.8 倍（5 号钻头处理），钻头试验效果见表4。通过优化钻头底唇结构有效提高了钻进效率，缩短了施工工期和对周围环境的扰动周期［13］，节约了施工成本，减少了废物的产（排）出量。同时，在冲洗液使用方面，优选无毒、无害、可自然降解的环保型冲洗液材料，控制污染来源；比较复杂不稳定地层采用低固相冲洗液，以确保钻孔安全和质量；较稳定完整地层采用高润滑性冲洗液材料或使用钻杆润滑脂［14-20］，以降低钻孔壁摩阻力，减少钻机功率损耗，保证动力头高转速。

表4 金刚石钻头试验Table 4 Diamond bit tests

（2）结合钻机优势，探索研究信息化技术服务，提升绿色钻探工作质量。

研究开发钻探施工数字化与动态监测信息系统［21-25］，主要包括3 部分内容：一是实现原始班报表的数字化记录、自动计算存储、查询和传输；二是实现钻进参数实时采集、存储、报警与远程传输监控；三是实现钻探工程“全生命周期”管理信息化。目前，已完成“地质岩心钻探班报表数字化录入系统”应用程序开发，移动设备（安卓系统）即可安装使用［26］。该应用程序可实现无纸化现场办公，能有效提高现场报表记录效率，降低人工计算错误率，自动生成电子版文档，便于钻探原始数据统计分析、存储与共享，极大地提高了数据的分析利用效率。

3.3 环境保护与治理措施

为加强作业场地防护，减少环境污染，实行了生产作业全流程的控制。严格冲洗液材料消耗和使用管理，探索冲洗液循环系统和净化处理措施，采用可移动式沉淀箱体，避免地表开挖破坏，废弃冲洗液经过沉淀或絮凝实现固液分离，避免冲洗液外排污染环境；临时蓄水探索采用柔性（帆布）可折叠轻便式储水池，减少了地表植被破坏；机台内铺设防渗材料有效防止了油脂和废液污染地表土体；废油脂类材料集中收集处理，施工作业结束后可用于钻探设备零部件润滑清洗和管材的存储保养，废油脂得到了充分利用［27］。减少浪费和环境污染，基本实现了经济和环保双赢。

钻探工程结束后开展环境恢复治理工作。钻探场地及时清理现场废料、废液及垃圾等，并进行地形地貌恢复治理。复垦复绿遵循自然规律因地制宜，宜林则林，宜草则草，宜耕则耕、宜荒则荒［28］。复垦复绿还要做好维护管理工作。秦岭工作区植被覆盖区复绿面积达到了95%以上，农田复耕率达到了100%（见图7）；青海鱼卡工作区用地属于工业性质用地，为基岩裸露区［29］，高原荒漠型景观，根据地方自然资源主管部门要求实施了现场垃圾清理和地形地貌恢复工作。

图7 临时用地恢复治理效果Fig.7 Temporary land recovery result

3.4 绿色勘查管理工作探索

一是加强绿色勘查管理体系建设，为绿色勘查工作提供制度保障。完善本单位绿色地质勘查作业管理办法，制定绿色勘查工作总目标和方案，项目结合所在工作区地方政策要求，编制勘查项目环境影响报告、临时用地复垦方案以及具体的绿色勘查实施方案等。施工作业制定现场管理实施细则，约束了从业人员的工作行为。二是探索高质高效的组织管理模式。实行项目-机台-班组的三级管理，把机台绿色勘查年度目标完成情况纳入年终考评，不同层级的相关人员考核与所属机台考评情况关联，促使管理人员和从业人员认识到绿色勘查工作的重要性，确保绿色地质勘查工作有效实施。三是提升勘查技术，培育和宣传绿色勘查理念。重视钻探技术水平提升工作，坚持“理论+实践”和“请进来+走出去”的基本思路，对从业人员进行技术实操训练，与局内、外行业单位加强交流学习，依托相关单位提升业务能力。针对野外工区特点，加强从业人员的绿色地质勘查培训，向地方群众、学校和政府宣传绿色地质勘查工作理念［30-31］，把地质勘查工作与驻地需求相结合，以获得地方政府与群众的理解与支持。

4 成果与建议

4.1 取得的成果

（1）因地制宜应用便携式模块化钻机，配套科学的钻探技术方法，如“一基多孔”以及小倾角钻孔钻进技术，提升了钻探工程质量和效率，有效控制了环境影响程度，获得了较好的社会和经济效益，提升了绿色地质勘查工作成效。

（2）结合便携式模块化钻机研究创新，初步探索出了“便携式模块化钻机+高效碎岩薄壁钻头+环保冲洗液”的绿色勘查钻探技术方法，钻探工程信息化工作也取得了初步进展，钻探班报表录入系统的应用可实现钻探原始数据快速流动和存储共享，提高数据分析利用效率。

（3）初步探索出了绿色勘查管理工作方法，绿色地质勘查工作关键点在组织管理和保障措施，管理得当，制度保障有力，可确保绿色勘查工作有效落地。

4.2 下一步工作建议

（1）继续探索提升便携式模块化钻机配套技术和工艺。发挥便携式模块化钻机特点，深入研究小倾角（或水平）钻进技术，试点应用该钻机实现“以钻代槽”技术，服务地质勘查工作。

（2）完善制度，持续加强钻探工程精细化管理。完善绿色勘查相关工作制度，明确从业人员的责权利之间的关系，激发工作人员积极性。钻探工程实施活动中人是关键，注重从业人员的综合教育，提升业务素养，加强技术经验积累，培养良好的环保和经济成本意识，细化钻探工程现场责任分工，以实现施工组织管理往精准化方向转变。

（3）继续深入推进钻探信息化建设。试点应用钻探班报表数字化录入系统，根据使用中发现的问题不断优化，以达到可提供强大的功能和友好的操作环境，提升使用客户满意度；结合便携式模块化钻机的优势，攻关钻探数据采集及远程监控系统，以实现钻进参数实时监测和采集（包括钻压、转速、钻速、扭矩、泵压/泵量、称重、钻机发动机功耗、钻机运行温度、电压及时间统计、设备保养时间提醒等），让数据流动和利用起来，通过后台管理分析研究，给钻探现场提供决策依据，为绿色地质勘查工作锦上添花。