《中国矿业》地质找矿与调查 | 面向新一轮找矿突破战略行动绿色勘查的钻探技术研发与应用建议

2.1 新一轮找矿突破战略行动的新空间

2011—2020 年实施的找矿突破战略行动，在取得矿产勘查突破的同时，也为后期找矿提供了诸多思考。从找矿空间而言，未来或新一轮找矿突破战略行动的空间有以下四个转变（图4）：一是从浅部转向深部，这类情况主要针对老旧矿山区，其深度向1 500～2 000 m 或更深转变；二是从露头区转到覆盖区，主要是新生代盆地与相邻造山带的盆山结合部位，是已知成矿区带的外延或受后期构造影响较弱的区域，这类区域在地貌景观上大多表现为森林、草原、沼泽、戈壁、荒漠、沙漠（地）、黄土塬、年轻的火山岩等第四系覆盖区，冲积扇、辫状河、曲流河、三角洲和湖相、风、火山等是影响该类覆盖区的主要地质作用；三是从低山区转到中高山，主要为西部高原高山地带和东部的部分地区；四是地形上向深切割地段转变。后三类构成了特殊地质地貌与景观区，其面积占据了我国陆域国土的三分之一左右，是新一轮找矿突破战略行动在空间上拓展的主要区域，需要不同的绿色勘查钻探技术。

图4 新一轮找矿突破战略行动不同勘查空间的绿色钻探技术方法建议

2.2 绿色钻探技术的应用与发展建议

新一轮找矿突破战略行动对包括钻探在内的矿产勘查技术提出了更高的要求，同时也是钻探等勘查技术在未来实现自身突破性发展的关键承载。针对以往钻探施工产生的主要生态环保问题，以及新一轮找矿突破战略行动的拓展空间和钻探自身创新发展的需要，钻探技术的应用与发展建议包括以下四个方面。

2.2.1 降低物理扰动

钻探设备的整体质量和单个模块的最大质量决定了搬迁和机台搭建的方式，由此引出是否需要修建专用的道路和场地，即对施工区域地表物理扰动的大小。一般来说，传统且技术成熟的立轴式钻机不仅具备相应的钻探能力，而且性能稳定可靠，是主流的设备机型。然而，这类设备相较于同等钻进能力的液压式模块化钻机而言，整体质量和单个块体的最大质量偏大。在交通不便的地区搬迁时，往往需要修建专用的道路，破坏了植被与地表基质层。当前，能够解决1 000 m 以浅的模块化钻机技术成熟，且根据实际钻探需要有适应不同深度的细化机型，从降低物理扰动的角度，适于解决交通不便区域1 000 m 以浅的绿色钻探问题，值得直接推广使用。然而，鉴于模块化钻机较一般立轴式钻机价格偏高，因此，在低山丘陵和覆盖区等交通便捷的区域，从经济性等角度而言可以继续使用立轴式钻机，不必“一刀切”只使用模块化的设备。以往矿产勘查的钻探深度集中在1 000 m 以浅，因此，市场上能够解决1 000 m 以深钻孔的模块化设备应用率不高。一些高校和研究院所对于该类设备的理论研究和关键技术有所积累，但受市场实际应用所限，生产企业的量化率低，该类设备解决实际问题的能力和稳定性没有得到一定的实践检验。当1 000 m 以深模块化钻探设备技术与应用未成熟时，综合评估勘查必要性后，应该从不同的角度或立足不同的时间尺度采取不同的措施。从找矿验证的角度或短期内，建议应用其他技术上成熟的立轴式钻机解决问题，例如电传动立轴钻机等；从钻探技术自身发展的角度或中长期来看，应该汇集研究与生产的力量开展技术攻关和实践应用。另外，随着钻探深度的增加，长寿命钻头的使用可以大量减少频繁的提下钻过程，提高钻孔孔壁的稳定性和钻探整体质量，并通过压缩钻探周期，而减少对机台及地下岩层的物理扰动，应予以同步推广使用。

定向钻进技术的使用可以通过减少设备搬迁和机台建设等方式，降低钻探施工带来的物理扰动。该项技术通过控制井眼的轨迹和方向，穿过或到达拟定的岩层或区域，并采集岩芯（样）。当在同一个机台上实现不同方向或角度的钻进时，称为“一基多孔”；当在一个钻孔内再施工许多个分支孔，以达到揭露不同岩层、不同层位矿体的目的时，可称为“一孔多支”（图5）。该项技术的应用关键在于定向轨迹的控制、低角度及近水平钻进的能力。当前市场上相关设备的量化生产和应用率不高，但技术已在研究机构形成相对成熟的状态，并更多应用于工程地质勘查等相对浅层的钻进施工。

2.2.2 减少化学污染

钻进循环工艺由钻探目的决定，是讨论减少化学污染的主要依据。当钻探深度在50 m 以浅或更浅，且钻遇岩层以松散的细粒沉积物为主时，可采用螺旋式、冲击式、声频振动式和冲击-回转组合等无循环钻进工艺，这类钻进方式不使用泥浆材料，减少了外来化学物质的污染，其使用场景大多为荒漠、沙地、草原、沼泽等景观下的浅覆盖区，主要目的是服务地球化学勘探取样。市场上，适用上述工艺的设备较多，且价格不高，大多可以直接推广使用，例如最为简单直接和具有一定影响力的是“赣南钻”；声频振动钻进设备中的声频振动头价格较贵，质量较好的仍然以国外进口为主，因此，经济化且可量产和稳定运行的关键技术仍待突破。

国外矿业发达国家在干旱缺水区钻探时，较大比例采用了空气循环钻探技术，尤其是空气反循环钻探技术（RC 钻探）。例如澳大利亚、美国和巴西等国家RC 钻探的比例均大于80%。该类技术在干旱缺水区施工时，不仅摆脱了传统钻探对水的必要需求，而且恰恰利用了缺水的特点，实现钻探目的。钻探施工时把压缩空气作为钻孔冲洗介质或兼作孔底碎岩动力，在一定条件下可以代替清水或泥浆钻探，也被称之为“无水钻探”。除了不使用泥浆等化学材料外，该类钻探技术还因为钻进速度快、样品无污染、价格便宜等优点，被认为是较好的绿色勘查技术。就国外的实际应用而言，该技术特别适合解决干旱区200～300 m 以浅的异常快速查证与取样问题，可以与少量的金刚石岩芯钻探配合使用，弥补后者价格高和效率低的缺点。例如Ivanhoe Mines 公司继BHP公司获取蒙古国奥尤陶勒盖（Oyu Tolgoi）矿产勘查权之后，首先使用了空气反循环钻进验证BHP 公司已施工钻孔揭露的次生富集辉铜矿矿层，但意外钻遇了可工业利用的深部铜金矿化体，随后部署了金刚石岩芯钻探，旨在查明勘查区深成矿化潜力，并获得了突破，拉开了Oyu Tolgoi 斑岩铜金矿大规模勘探的序幕。在我国，该技术特别适合西北干旱区的浅层矿产勘查。尽管我国在20 世纪70 年代就从国外引进了该技术，并开展过空气反循环取样钻探与岩芯钻探的找矿效果对比，但由于缺乏相应标准规范在内的多个环节工作不足，以及地质学家习惯以柱状岩芯而非岩屑进行矿产资源评价的观念，导致市场应用率不高，成为制约后期推广使用的屏障。另外，尽管该类工艺的钻进成本较低，但是用于购置其相应装备的一次性投入较大，在一定程度上降低了其可推广应用性。

金刚石岩芯钻探是矿产勘查中的主要钻探种类，钻探过程中会使用泥浆作为循环介质。在浅部且宜钻进岩层施工时，有时可使用清水作为循环介质，但绝大多数情况下会加入专用材料配置成泥浆，这些材料就构成了外来化学物质。就泥浆材料选配而言，应分别在贯穿该类钻探全流程的钻前、钻中和钻后三个阶段，努力减少外来化学物质造成的污染。在钻前阶段，根据钻探目的和岩层组成、构造破碎程度等，配置环保型的泥浆材料，做到从源头控制污染物；在钻探过程中，需要紧密跟踪泥浆黏度等参数，在易漏失层位做好成膜护壁工作，杜绝或降低泥浆材料横向渗漏至岩层孔隙内，尤其是含水岩层中，并同步保障其携带岩屑的能力等；在钻探完成后，要在第一时间进行破胶和絮凝，为下一步废固液无害化处理流程奠定基础。从泥浆循环和处理的角度，在钻探施工中需实现泥浆不落地的效果，减少或禁止在施工区开挖泥浆池，而使用固控等设备与钻孔构建成泥浆的闭环系统。该类设备一方面在施工中可处理和监控泥浆性能，保障钻探质量，另一方面在施工后对废固液进行有效分离，通过原地的无害化处理后再行排放或运至指定地点进行前期处理。当前，尽管市场上销售的绝大多数泥浆材料标注了绿色环保特点，但又缺乏权威机构和标准认定的报告或证明；在高校和研究院所层面，废固液无害化处理技术已相对成熟，但其市场使用率并不高，在针对不同钻探设备的配置方面还应细化，例如鉴于离芯机、振动筛和泥浆泵等质量较大，在诸如交通不便区的1 000 m 以浅施工中，其自身要与钻探设备一同以模块化实现轻便化。

2.2.3 控制噪音与尾气排放

燃油设备运转会产生噪音与尾气，而电力驱动则会降低噪音且不产生尾气。对于手持式浅层钻探设备，可配置电池解决驱动力的问题，同步保护了钻探施工人员免受噪音侵扰和尾气呼入。尽管当前市场上绝大多数的浅钻设备燃烧柴油、汽油，但已有以锂电池提供电力的小型钻机在使用，可以采用冲击和回转钻进等不同工艺实现浅部松散层和硬岩的钻进与取芯（样）。然而，浅层钻探设备在矿产勘查中的应用范围是有限的，对于绝大多数钻探设备，应促进“油改电”技术的推广，从而解决电力可达条件下的噪音与尾气污染问题，实现低噪音与低碳排，例如针对立轴式钻机的钻进能力优势和大比例的市场实际占有率，可将其改进为电传动立轴式钻机。

2.2.4 加强技术研发

相较于国外而言，国内钻探技术装备在整体稳定性和自动化、智能化、智慧化程度等方面还有一定的差距。一些关键理论与技术尽管已被攻克，但在稳定运行能力、量化生产和推广应用等方面还需要进一步发展。例如矿产勘查中使用的钻探设备，大多数未配置钻探参数等信息收集模块，无法为随后的信息传输与处理、自动化与智能化、智慧化操控等提供数据。这类技术应该属于短期内无法普及，基础理论研究和关键技术攻关仍需中长期持续开展的类别，是钻探依托新一轮找矿突破战略行动等国家级计划而实现自身完善和进步的技术。

另外，国外矿业发达国家和国内以往的绿色勘查经验表明，重视钻后的复垦、复绿工作，能够直接且显著提高绿色勘查效果，尤其是植被的恢复可以短期内呈现出来，但这可能与钻探技术自身关系不太密切，而是体现了绿色发展理念下对政策法规和勘查方法的执行，应继续予以重视，并根据勘查区的地形地貌、生态与气候特征等，采取相应的复垦、复绿措施。

钻探是众多勘查技术中的一类，其主要目的是取芯（样）和成孔。在盆地内的沉积岩层中，往往还会利用钻孔开展地球物理测井等其他技术类的勘查，用以收集孔壁上所揭示的岩层与构造信息，服务于诸如油气、煤和砂岩型铀矿等与沉积型矿产有关的能源资源勘查。相较于组成盆地盖层的沉积岩，处于盆地基底的岩层和分布于造山带内的岩浆岩、变质岩区，较少通过地球物理测井技术了解岩石属性和构造信息，但近年来已有一些研究人员进行尝试。例如将视电阻率、极化率、磁化率、纵波速度、超声成像、自然伽马、密度、井斜、井径、井温、泥浆电阻率、井中三分量磁测等10 余种方法，应用于庐枞盆地砖桥科学钻探孔，用于识别一套火山岩、火山碎屑岩岩层和孔壁裂隙，以及南岭地区多金属矿勘查中，并认为对于深部矿产资源勘查作用显著，其中，超声波成像技术对孔壁裂隙的识别与测量引起了较多的重视，因为这项技术能够提供孔壁上所揭示的构造产状等信息。

传统的地球物理测井需要通过专业的软件、解译知识和经验，识别岩性与构造，但仍存在多解性和非直观性。在沉积盆地内，因为岩性相对简单且岩相的横向延展性较好，并具备了早期的金刚石岩芯钻探类标准孔，因此，在进行岩性与构造解译时准确度较高。然而，在岩性与构造均相对复杂多变的造山带内，用于提高地球物理测井解译效果的基础积累较为薄弱，相关数据的解译难度较大，亟需探索一种适用于造山带内且简单和直接的孔内探测技术。另外，造山带内的地质矿产勘查钻孔面临更为复杂的钻探过程，常出现诸如泥浆漏失、孔壁塌陷、套管脱落等钻探事故。为更好地排查钻探事故，需要采用更为直观有效的方法对孔内的钻探情况进行充分的掌握，以便通过提高钻探质量而实现绿色勘查。近年来，在工程勘查和水文地质调查中逐步采用的数字式全景孔内成像技术，不仅对孔壁具备全景光学观察的能力，而且能够对孔内构造进行测量、计算和统计，实现了孔内岩性与构造等地质信息的原位再现和解析，包括对找矿中具有关键作用的岩脉或其他面状构造倾向信息的收集与恢复等。

孔内成像技术可以应用于无循环、空气反循环和金刚石岩芯钻探等不同技术工艺所形成的钻孔中，但是空气反循环钻探（RC 钻探）技术和孔内成像技术的结合，不仅可以发挥RC 钻探有效、快速、绿色、经济的优势，而且能够弥补RC 钻探因只能提供岩石粉末或岩屑而难以确认岩性和无法反应构造信息的缺点，从而进一步提高勘查的整体质量和绿色化程度。2023 年，研究团队在大兴安岭中南段浅覆盖区铜锌矿勘查中，使用空气反循环钻进技术，调查下二叠统大石寨组与晚中生代花岗岩的边界，并采集地球化学样品。根据区域及邻近岩石出露区调查结果，该地区的大石寨组以中酸性火山岩及火山碎屑岩为主，颜色主体为灰色至深灰色；晚中生代花岗岩侵位于大石寨组及以老的岩层中，颜色以灰白色、浅肉红色为主，界线清晰但不规则。以一个孔深为201 m 的钻孔为例，从空气反循环钻探设备入场到完成孔内成像试验，共用时17 h。其中，用于钻探的综合时间为15 h，平均钻进速度为13.5 m/h，峰值时钻进速度约为20.0 m/h；孔内成像试验测井总计用时2 h，除去30 min 用来回收设备外，平均测井速度为2.2 m/min。孔内成像的光学照片非常清晰地揭示了不同颜色的岩层，其中，灰色部分与大石寨组岩性组合一致，灰白色、浅肉红色部分即为晚中生代侵入岩（图6）。成像设备拍摄的环孔壁立体照片，辅助形成虚拟岩芯图，两个图件相辅相成，清晰展示孔壁特征。尽管这种依靠岩石颜色来判断岩性可能存在偏差，但是当一个有限范围内的找矿勘查工作已经达到了可以实施钻探查证的程度时，勘探地质学家几乎完全可以通过岩石颜色来识别岩性，甚至可以识别一些矿物。大兴安岭中南段处于古亚洲洋与滨太平洋两大构造域，记录了晚古生代近东西向构造被晚中生代近北东向构造所叠加改造的过程，而与晚中生代热液有关的成矿作用和控矿作用，以及后期破矿构造等，其走向主要为北东向，次之为北西向。孔内成像技术所拍摄的孔壁照片，清楚地指示了石英脉与裂隙的发育特征，由成像设备测量所得脉体与裂隙产状，呈现出以北东向为主和北西向次之的特征（图7 和图8），揭示其与区域大地构造背景和成矿地质作用一致。为更加清晰地展现孔壁上裂隙构造，可以孔壁平展图为基础，形成不同角度下观测的虚拟岩芯（图8）。上述情况表明，采用空气反循环钻探工艺在一天的时间内即可完成一个孔深为200 m 的钻探工作，采集到地球化学分析样品和孔壁所示的岩性、构造信息等，并以不带来化学元素污染和显著提高钻探效率等方式来实现绿色勘查。

图6 孔内成像设备对空气反循环钻孔孔壁岩性的识别效果

图7 孔内成像设备对空气反循环钻孔孔壁石英脉体的识别与测量效果

图8 孔内成像设备对空气反循环钻孔孔壁裂隙构造的识别与测量效果