隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類探尋礦產(chǎn)資源的腳步向地球深部不斷延伸。而要實現(xiàn)對深部礦體的精細(xì)探測，就要解決一系列重大技術(shù)難題，為優(yōu)質(zhì)、高效地實施鉆探工程提供先進(jìn)的技術(shù)裝備與工藝。
　　中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所帶隊開展的《2000米以內(nèi)全液壓地質(zhì)巖芯鉆探裝備及關(guān)鍵器具》項目，建立起我國2000米以內(nèi)地質(zhì)巖芯鉆探技術(shù)體系，使我國由全液壓巖芯鉆機(jī)、高性能繩索鉆桿進(jìn)口國一躍成為出口國。
　　在1月8日舉行的2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，勘探所所長、《2000米以內(nèi)全液壓地質(zhì)巖芯鉆探裝備及關(guān)鍵器具》項目負(fù)責(zé)人張金昌，代表研究團(tuán)隊領(lǐng)取了國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎的證書。
　　深部找礦鉆探技術(shù)亟待破題
　　近年來，我國礦產(chǎn)資源勘查面臨大量找礦難題。我國大部分金屬礦山500米深度以下地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，新區(qū)、老礦山深部和各類隱伏礦區(qū)的探礦難度增大。成礦預(yù)測、鉆孔選址、復(fù)雜地層與深部連續(xù)取芯亟待破題，急需運用先進(jìn)的、高效地成礦理論和勘查技術(shù)方法指導(dǎo)。
　　鉆探，是目前深部地下信息推斷與解釋的唯一驗證手段，也是最終圈定礦體、計算儲量、評估礦體品位唯一的技術(shù)手段。如何研發(fā)先進(jìn)實用的深孔、超深孔巖芯鉆機(jī)？如何突破大深度軟硬交互、復(fù)雜破碎地層連續(xù)取芯的鉆進(jìn)技術(shù)和工藝？這些，都是實現(xiàn)深部找礦突破亟待解決的重大科技難題。
　　上世紀(jì)八九十年代西方發(fā)達(dá)國家就完成了從立軸式鉆機(jī)到全液壓動力頭鉆機(jī)的更新?lián)Q代，繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)得以普遍應(yīng)用。而我國，在本世紀(jì)初，對新工藝技術(shù)適應(yīng)性差的立軸鉆機(jī)還在普遍使用，新一代全液壓動力頭鉆機(jī)需要花重金進(jìn)口；國產(chǎn)繩索取芯鉆桿由于管材質(zhì)量問題只能滿足1000米以內(nèi)鉆進(jìn)，且鉆桿折斷事故頻發(fā)；鉆探器具也相對落后，硬巖地層鉆進(jìn)效率低；事故處理工具簡單，復(fù)雜孔內(nèi)事故處理能力差，常常導(dǎo)致整個鉆孔報廢。這種落后局面，嚴(yán)重制約了我國深部地質(zhì)勘探工作的發(fā)展。
　　針對我國地質(zhì)巖芯鉆探技術(shù)與裝備的落后狀況，由中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所張金昌教授級高級工程師牽頭，聯(lián)合北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司、無錫鉆探工具廠有限公司、浙江新紀(jì)元管業(yè)科技有限公司、唐山市金石超硬材料有限公司、蘇州市蘇新探礦工具廠5家單位，自1999年開始?xì)v時15年，在國家支撐計劃、“863”計劃、地質(zhì)大調(diào)查專項等科技項目支持下，對全液壓巖芯鉆機(jī)及地質(zhì)巖芯鉆探關(guān)鍵器具進(jìn)行了全面技術(shù)攻關(guān)。
　　科研團(tuán)隊先后研制了系列全液壓巖芯鉆機(jī)、高強(qiáng)度鉆探管材和繩索取芯鉆桿、高效液動錘、新型事故處理工具等關(guān)鍵技術(shù)裝備，突破了嚴(yán)重制約我國地質(zhì)勘探工作發(fā)展的技術(shù)瓶頸，建立起我國2000米以內(nèi)地質(zhì)巖芯鉆探技術(shù)體系，近3年獲得直接經(jīng)濟(jì)效益16.69億元，完成鉆探工程量超1000萬米，創(chuàng)間接經(jīng)濟(jì)效益超50億元，使我國鉆探技術(shù)向前跨越了一大步。
　　自主研發(fā)實現(xiàn)五方面技術(shù)創(chuàng)新
　　項目研制的全液壓巖芯鉆機(jī)已形成YDX、CSD兩個系列，共20余個型號，擁有多項技術(shù)專利，鉆進(jìn)深度300-2000米，具有長行程給進(jìn)、機(jī)械化程度高、無塔升降鉆具、安全性好、運移方便等優(yōu)點，通過無級調(diào)速、無級調(diào)節(jié)扭矩、配以不同的功能模塊，可適應(yīng)當(dāng)前以金剛石繩索取芯鉆進(jìn)為主體的多種高效鉆進(jìn)工藝。因鉆探效率高、人工操作勞動強(qiáng)度低、適宜實現(xiàn)多種鉆探工藝等優(yōu)點，使得全液壓動力頭驅(qū)動式巖芯鉆機(jī)頗受鉆探市場的青睞。
　　針對深部鉆探過程中頻發(fā)的鉆桿折斷事故，成功開發(fā)了2000米以上大深度高強(qiáng)度繩索取芯鉆桿用管材——XJY850冷拔管材，機(jī)械性能比我國長期使用的45MnMoB(DZ60)地質(zhì)管提高了44%以上，生產(chǎn)成本卻僅為進(jìn)口同鋼級產(chǎn)品價格的50%。
　　在此基礎(chǔ)上，成功研制的大深度小直徑薄壁繩索取芯鉆桿，完成了高強(qiáng)度繩索取芯鉆桿螺紋副和桿體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善了鉆桿熱處理工藝、鉆桿量產(chǎn)制造工藝，使得鉆桿強(qiáng)度高，耐磨性、密封性明顯改善，價格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的40%左右，大大降低了鉆探施工成本。除此之外，該鉆桿管材的幾何尺寸、機(jī)械性能均達(dá)到國際先進(jìn)水平，使我國鉆桿在連接方式上與國際接軌，改變了我國繩索取芯鉆桿品種單一、鋼級偏低的現(xiàn)狀。
　　項目研制的高效系列液動潛孔錘，目前已成為國內(nèi)市場全面規(guī)模化應(yīng)用的液動錘產(chǎn)品，配套容易、維護(hù)方便、工作壽命長、穩(wěn)定性高、工藝適應(yīng)性好。經(jīng)180余萬米的鉆探實踐證明，與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比：時效可提高30%～360%、回次進(jìn)尺可提高18%～200%、取芯率可提高10%、鉆頭壽命可提高30%～80%、生產(chǎn)成本降低15%以上，并可明顯改善鉆孔彎曲狀況，從而在國內(nèi)外率先實現(xiàn)了該技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化，多次創(chuàng)造了液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的世界紀(jì)錄，最深應(yīng)用深度超過4000米。
　　此外，項目組還研制了系列地質(zhì)巖芯鉆探事故處理工具，利用打撈、震擊、切割、套取、磨銑等方法，處理卡鉆、埋鉆、燒鉆、斷鉆、跑鉆等各種復(fù)雜孔內(nèi)事故，改變了目前處理孔內(nèi)事故處理工具簡單，處理方法單一，處理效果差的局面，大幅度提高了對各類復(fù)雜孔內(nèi)事故的處理能力。
　　項目組還組織行業(yè)內(nèi)的鉆具研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)，系統(tǒng)研究了國內(nèi)外地質(zhì)巖芯鉆探鉆具的最新研究成果和應(yīng)用現(xiàn)狀，制定1項國家標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)巖芯鉆探鉆具》和2項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)巖芯鉆探金剛石鉆頭》、《地質(zhì)巖芯鉆探金剛石擴(kuò)孔器》，填補(bǔ)了我國沒有地質(zhì)巖芯鉆探鉆具國家標(biāo)準(zhǔn)有效實施的空白。
　　占領(lǐng)全國全液壓鉆機(jī)七成市場份額
　　YDX、CSD兩個系列的全液壓巖芯鉆機(jī)一問世，便迅速在全國的地礦、煤炭、核工業(yè)、冶金、有色、武警黃金、化工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，占領(lǐng)了我國全液壓地質(zhì)鉆機(jī)70%的市場份額。
　　2009年8月1日~2010年4月11日，在全國危機(jī)礦山找礦項目支持下，勘探所聯(lián)合山東正元地質(zhì)勘查院煙臺分院采用項目研制的全套設(shè)備——YDX-5型全液壓巖芯鉆機(jī)、由XJY-850高鋼級精密冷拔無縫合金管材制成的NQ高強(qiáng)度加強(qiáng)型繩索取芯鉆桿、NQ繩索取芯液動潛孔錘等設(shè)備與器具，在山東省乳山市下初鎮(zhèn)金青頂金礦區(qū)，完成了一個頂角80°、終孔口徑φ77毫米、終孔孔深2212.8米的生產(chǎn)勘探孔，為山東金洲礦業(yè)集團(tuán)下一步的深部找礦提供了地質(zhì)資料。
　　2010年8月~2012年底，貴州省地礦局102地質(zhì)大隊采用CSD1800X型全液壓巖米鉆機(jī)在遵義錳礦整裝勘查項目中開展鉆探施工，完成最大深度為1691.33米、終孔口徑φ75毫米的鉆孔，單機(jī)總進(jìn)尺為12804.66米，實現(xiàn)產(chǎn)值896萬元。
　　值得一提的是，該系列鉆機(jī)不僅徹底打破了國外全液壓鉆機(jī)在國內(nèi)的市場壟斷地位，打造了我國鉆機(jī)的民族品牌，而且出口到6大洲20多個國家，提升了我國鉆機(jī)的國際市場地位和知名度。
　　由XJY850高鋼級精密冷拔地質(zhì)鋼管制造的鉆桿產(chǎn)品，在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地層和大深度鉆孔，不僅替代了國外鉆桿，而且還制造成Q系列鉆桿銷往東南亞、西亞以及澳洲和南美洲地區(qū)。
　　項目研制的系列液動潛孔錘，目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)地質(zhì)鉆探、水文水井鉆探、基礎(chǔ)施工以及國家重點科學(xué)鉆探工程等領(lǐng)域，覆蓋地質(zhì)、煤炭、建筑、核工業(yè)、石油、冶金、有色等各勘查領(lǐng)域。其產(chǎn)品納入省級地勘局政府采購中，部分產(chǎn)品隨我國施工隊伍在國外鉆探工程中使用，成為我國近年來鉆探技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)熱點，2011年被科技部等四部委授予國家重點新產(chǎn)品稱號。
　　針對深部地質(zhì)巖芯鉆探現(xiàn)實要求和未來發(fā)展需要，項目組今后將重點研發(fā)超過3000米的特深孔用地質(zhì)鉆探裝備，加強(qiáng)鉆探智能化專家系統(tǒng)和軟件開發(fā)，研制自動化、智能化和安全、節(jié)能的鉆探技術(shù)裝備。同時，通過優(yōu)化環(huán)空水力通道、完善鉆柱合理口徑系列，攻克合金鋼管材服役極限、提高鉆柱強(qiáng)度和密封性能等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)適于特深孔應(yīng)用的小直徑繩索取芯鉆桿，進(jìn)一步推進(jìn)鉆桿自動化制造技術(shù)。此外，還將研究高地溫、高地應(yīng)力環(huán)境下的孔底動力碎巖技術(shù)，開發(fā)大沖擊能量的液動錘產(chǎn)品，擴(kuò)大技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。