2.1.2.1 地质岩心钻机
目前，国内固体矿产岩心钻机主要有两种，一种是20世纪70年代发展起来的XY系列液压立轴式钻机［图2.2（a），图2.2（b）］；另一种是后期研发的全液压动力头式钻机［图2.2（c）］。立轴式钻机钻探深度一般在2000m以内，少数机型钻深能力接近3000m，配套工艺方法以普通回转提钻取心为主，钻机的钻进参数仪表配置落后。泥浆固控系统仍停留在传统的泥浆池加循环槽使岩粉自然沉淀的落后状况，不能满足孔底动力钻具对冲洗液固相含量的要求。“九五”期间研制成功液压立轴式双卡盘不停车倒杆和交流变频双卡盘地质岩心钻机。
“十五”期间，中国地质科学院勘探技术研究所（以下简称勘探所）研制成功了YDX-3型全液压动力头式地质岩心钻机［用Φ71mm绳索取心钻杆钻深能力为1000m，图2.2（c）］，钻机适用于金刚石绳索取心、冲击回转、定向钻进、反循环连续取心（样）等多种高效钻探工艺方法。进入“十一五”，YDX系列新一代地质岩心钻机研发全面展开，YDX-2型钻机（钻深能力600m），YDX-1型钻机（钻深能力300m）和YDX-4型钻机（钻深能力1500m）相继研制成功。作为“十一五”“863”计划重点项目“2000m地质岩心钻探关键技术与装备”的核心内容，YDX-5型钻机（钻深能力2000m）于2011年研制成功。至“十一五”末2000m以内新一代全液压动力头式地质岩心钻机形成了完整系列（300～2000m）。目前研制成功的其他型号的全液压动力头式地质岩心钻机主要有：连云港黄海机械厂的HYDX-4、HYDX-5、HYDX-6型，钻深能力分别为800m、1200m和1600m；山东省地质探矿机械厂的XD-3、XD-5型，钻深能力分别为800m和1200m；以及其他一些厂家研制的不同型号的全液压动力头式钻机。
进入“十二五”又相继完成了3000m电动直驱顶驱钻机［图2.3（a）］、3500m地质岩心钻机（YDX-6型）［图2.3（b）］、400m轻便钻机、浅层取样钻机和600m反循环钻机等的研发。至此，我国的地质岩心钻机系列延伸到了3500m，在国家科技计划的支持下，4000m地质岩心钻机也在研制过程中。
图2.2 国内普遍使用的立轴式钻机和新研制的动力头式钻机
图2.3 3000m及3500m地质岩心钻机
2.1.2.2 地质岩心钻探工艺技术现状及新进展
我国的金刚石绳索取心钻探技术自20世纪70年代中期开始推广应用，目前使用深度已接近3000m，最大深度达到4006m。绳索取心钻探技术已成为我国固体矿产岩心钻探工作主要技术方法。
我国的液动潜孔锤钻具研制处于国际领先水平。YZX127型液动潜孔锤在2005年完工的中国大陆科学钻探工程科钻一井施工中创下了总进尺4038.88m、平均小时效率1.13m、平均回次长度6.31m的好成绩。在普通钻探生产和小直径钻孔条件下应用范围也在不断扩大。
我国从20世纪60年代开始金刚石钻头的研制，经过几十年的发展，工艺技术取得了飞速发展和进步。钻头的制造和使用水平大幅度提高，金刚石钻头平均寿命由早期的30～35m提高到100多米，钻进时效提高到新水平。随着钻头切削材料技术的进步，钻头对地层适应性进一步增强。
随着地质工作的整体复苏，岩心钻探工作量在逐年增多。以绳索取心、液动冲击回转、定向钻进等先进钻探技术为主要特征的小口径金刚石地质岩心钻探技术又重新显示出活力。20世纪末至21世纪初，地质岩心钻探技术又有了新的发展。具体表现在如下几个方面。
（1）组合钻探技术研究
该技术实现了一套器具满足不同地质环境及不同取样目的的需要，为地质调查快速取样、干旱缺水复杂地层石油地震物探施工提供了可靠的技术手段。特别是在我国新一轮油气勘探中，该技术方法不仅解决复杂地层油气地震物探爆破孔难以成孔的技术难题，而且使施工效率提高5～8倍。为加速我国新一轮油气勘探及发现一批新的油气矿藏异常发挥了重大作用，引起了石油物探界关注。该技术方法直接产值超过10亿元人民币。
（2）西部地区复杂地层中深孔岩心钻探工艺研究
该成果为加速我国西部复杂地层及中东部深部地质矿产资源的勘探评价提供了非常实用的技术手段。该项成果开发的深孔绳索取心钻杆、钻具及施工技术创造了国产器具在固体矿产资源调查钻孔取样深度超过1900m的孔深记录。
（3）资源评价定向钻探施工技术
该技术可以实现一个主孔内完成多个分支孔而穿过矿体的目的，从而节省大量的钻探工作量，对未来特殊施工环境钻探取样施工提供了经济适用的技术手段。该技术已产生了较大的经济效益和社会效益。
（4）地质填图及化探快速取样钻探设备及施工技术
该技术为我国大比例尺地质填图、化探及海洋地质调查快速取样提供了一种高效的装备及技术手段。在我国地质大调查地质填图、化探取样、海洋地质及环境地质调查施工中取得非常好的应用效果，具有较好应用前景。
（5）液动潜孔锤结构有较大改进，性能有很大提高，“三合一”钻具初步研制成功
“十五”期间研制成功的YZX127液动潜孔锤，采用了全新结构，大幅度提高了液动锤的能量利用率和稳定性，其技术成果获得2项国家发明专利。在中国大陆科学钻探工程科钻一井施工中创造了单井连续使用液动锤进尺3485.69m和使用井深5118.2m两项世界纪录。自主研制的液动潜孔锤+螺杆马达+绳索取心“三合一”钻具在科钻一井主孔5000多米孔深成功钻进一个回次并取出3.5m长的完整岩心，证明该套钻具的研究获得初步成功。
（6）对VDS垂钻系统及保真取样钻具进行了有益探索
多用途微机自动定向钻进系统与工艺的研究以自动控制纠偏为主线，探索利用成熟的传感器、液压和机械等技术组成机、电、液一体化的闭环控制垂钻系统，基本解决了由于空间狭小和工作环境恶劣引发的各项技术难题，探索出一套可用于闭环控制系统的主要硬件设计的工作思路。为今后开展高技术自动垂直钻井或自动定向钻进系统研究积累了经验并为进一步研究打下了基础。开发试制出了可获得原始状态水合物样品的取心钻具结构和钻具样机及其他辅助装置，并进行了室内测试，取得了较理想的效果，为进一步开发实用可靠的水合物保真取样钻具奠定了基础。
（7）定向钻探技术及对接井钻井技术有新发展
设计了适应于定向钻进的组合钻具，改进了中低转速螺杆钻具，使之可适应牙轮钻头、金刚石钻头及复合片钻头；编制了定向钻进与水平钻进设计与控制软件；改变了原水溶性矿产的采矿方式，大大提高了采矿效率和矿产资源利用率。完成了2对近3000m深井对接井，开创了我国对接井技术的新纪元，实现采卤对接井的重大技术突破。
2.1.2.3 钻探技术在资源勘探中的应用
钻探技术在我国资源勘探中曾作出过重要贡献而且还将发挥重要作用。新中国成立以来，在已发现的171个矿种和已探明储量的150余个矿种的勘探过程中均不同程度地动用了钻探技术。钻探技术为保证我国经济发展所需要的矿产资源和能源供应作出了重要贡献。
1903～1949年，全国钻探工作量总和仅约17万m，而且几乎全部是由外国公司利用自带的钻探设备完成的。新中国成立后，完成的钻探工作量逐年上升。仅以地质系统为例，1949～2002年累计完成钻探工作量10600万m。“十五”以后，随着国家对地质工作的重视，钻探工作量又进入了一个强劲的增长期。“十一五”以来，历年岩心钻探工作量也屡创新高，2006年865.01万m；2007年1165万m；2008年1555万m；2009年1720.5万m；2010年1800万m；2011年2400万m；2012年3419.19万m。同时，勘探深度也在不断加深。进入21世纪施工完成的1000m以深的钻孔越来越多。据不完全统计，超1000m钻孔已达数百口，超2000m钻孔达数十口。
我国的矿产资源经过数百年的探寻和开发，地表及浅部矿产资源多已被发现和利用。因此，国土资源部关于促进深部找矿工作的指导意见所明确的深部找矿工作战略目标是“开展主要成矿区带地下500～2000m的深部资源潜力评价，重要固体工业矿体勘查深度推进到1500m”。现以全国危机矿山找矿成果和河北省地勘局第四地质大队承德地区M24异常验证矿区ZK2402钻孔为例说明钻探技术在深部矿产资源勘探中的应用。
（1）全国危机矿山找矿成果
国土资源部于2004年选择了9家矿山开展危机矿山找矿试点。在大冶铁矿深部找到760余万吨铁矿，该矿区共钻孔22个，总进尺13980m，10个孔见矿，其中在尖林山矿段ZK15-7孔792.55～819.2m孔段见到326.65m厚的铁矿体，铁的品位为22.73%～51.5%，铁矿资源量达767万t。同时，通过取心钻探在1500m深处找到了与上部同一成因的铁矿，更新了成矿理论。其余8个危机矿山找矿项目也都取得了进展。辽宁省阜新矿业集团八道壕煤矿施工的9个钻孔有4个孔见到可采煤层，展示了该地区良好的找矿前景。国有大型企业云南老厂锡矿现保有储量仅可维持4年，目前初步估算已获铜金属储量84000t，锡金属储量1033t。此外，辽宁红透山铜锌矿、云南省大姚之苴铜矿、云南省鹤庆锰矿、湖南省瑶岗仙钨矿、四川省金河磷矿等6家危机矿山均不同程度地在找矿上获得了新进展。在启动了第一批9个危机矿山试点项目后，2006年又启动了40个危机矿山接替资源找矿项目。
截至2008年底，全国危机矿山接替资源找矿专项实施5年来，在216个矿山开展了深部找矿，共施工钻探158万m，坑探26万m，累计探明新增资源储量：煤46亿t、铁7亿t、锰739万t、铜196万t、铅锌485万t、钨40万t、金426t、银5696t、磷矿7341万t，其中新增资源量达到大型以上的有34个，中型以上的有62个，可延长矿山服务年限5～30年，稳定职工就业60余万人。上述成果的取得，钻探技术发挥了不可替代的重要作用。同时危机矿山找矿专项的实施也在一定程度上促进了钻探技术的进步，金刚石绳索取心钻探技术钻进深度过去多在1000m以内，现提升到2000m以深。5年中完成的158万m危机矿山找矿钻探工作量中，深度超过1000m的钻孔173个，占总钻探工作量的14.46%，1500m以上的钻孔13个，其中在山东莱州市三山岛金矿施工的2060.5m的钻孔创造了我国固体矿产勘探金刚石绳索取心钻孔最深纪录。
（2）承德地区M24异常验证矿区ZK2402孔
承德某矿区位于黑山基性杂岩体西北部边缘，杂岩体由斜长岩和苏长岩组成。主矿层分布在800～1900m之间，矿区为M24地磁组合异常。河北省地勘局第四地质大队在该矿区已完成的M24异常验证矿区ZK2402钻孔于2007年4月15日开钻，2007年7月18日终孔，终孔孔深1905.92m。采用XY-6型立轴式液压钻机，BW-320型泥浆泵，23m加重直管钻塔，150kW发电机组；国产普通材质的Φ89mm和Φ71mm绳索取心钻杆。
ZK2402孔的经济技术指标为时效2.59m/h、台月效率601m、回次长度2.53m、全孔取心率98%、直孔、终孔处孔斜13°、金刚石钻头平均使用寿命90m、提钻间隔平均为50～60m。
遇到的技术问题有XY-6B型钻机的提升力，立轴扭矩基本满足2000m以内深孔的使用要求，但卡盘的夹紧力和立轴（回转器）固定支架部位强度均显不足。钻机缺少必要的钻进参数检测仪表，导致2000m深孔钻进过程中，技术参数只能凭现场操作经验调节控制。该矿区的勘探实践证明，目前急需钻深能力2000m以上的钻探设备和器具。
ZK2402钻孔取心钻探证明主矿层比原来预计的要厚，预测铁矿石远景资源量3亿t。
2.1.2.4 钻探技术在国家重大科学工程和地质灾害监测预警及治理中的应用
2005年3月8日，连续钻进1353天终孔深度5158m的中国大陆科学钻探主孔工程竣工。2005年12月17日“中国大陆科学钻探工程新型钻井技术体系的研究与应用”科技成果通过了国土资源部的鉴定。该项目创造性地将“组合式钻探技术”、“灵活的双孔方案”和“超前孔小直径取心钻进方法”有机地结合起来，形成了独具中国特色的科学钻井技术体系。该新型钻井技术体系主要由井底动力驱动的冲击回转取心钻探技术、硬岩大直径长井段扩孔钻进技术、强致斜地层井斜控制技术、性能优良的LBM-SD泥浆体系、小间隙固井及活动套管应用技术、孔内事故预防处理技术、钻探数据采集处理技术等组成。高效碎岩钻进技术、液动潜孔锤冲击回转钻进技术、取心技术和泥浆技术，为中国大陆科学钻探工程提供了强有力的技术支撑作用。取得了突破性成效，创造了国内领先、世界先进水平，为中国大陆科学钻探工程项目的完成作出了重要贡献。同时，中国大陆科学钻探工程科钻一井的成功实施及其所取得的科技成果对我国地质岩心钻探技术水平的提高也起到了极大的推动作用。
环境科学钻探技术研究成果应用于国家重大公益性项目——柴达木盆地资源环境科学钻探、罗布泊环境科学钻探、云南鹤庆环境钻探和松辽盆地科学钻探工程，所取出的样品完整、采取率高、不扰动。鹤庆环境钻探岩心采取率97%，罗布泊环境钻探岩心采取率达90%以上，充分显示了取心新技术在环境钻探中不可替代的护心、取心功能，是目前从事环境钻探工作的主要技术。对所取出的样品分析研究后，正确推理出地球上某一时期地球环境的发展演变规律，为国家宏观经济决策提供了理论依据。
“崩滑体监测新技术与系列仪器开发”、“地质灾害监测数据自动化、网络化采集系统研究”、“地质灾害监测预报的关键技术发展工程方法研究”、“崩滑体监测应用示范”、“高陡边坡地质安全监测预警技术示范”以及“典型时空突发性地灾时空预警（含水量测试仪）”等技术和仪器设备研究成果，提高了我国地质灾害监测预警技术水平。研制的“滑坡光纤推力监测系统”和“QXY-5型钻孔倾斜仪”等仪器实现了自动化监测，并已在三峡库区多个县市及其他地区的滑坡深部位移监测中得到大量应用，“含水量测试仪”也在全国范围内得到了很好的推广应用，为确保当地群众的生命财产安全和指导城市建设规划起到了积极作用。
通过研究探索替代金属锚索的新型非金属锚索，解决金属锚索质量大、运输困难，以及耐腐蚀等问题；通过研究新型高强预应力混凝土结构抗滑桩，提高抗滑桩的承载能力；研究成功的“滑坡勘查技术潜孔锤取心钻进技术”在滑坡勘查取心钻进中大幅度提高了钻进速度，确保了滑坡带取样质量。“江河堤坝防渗加固快速高压旋喷技术研究开发”成果成功用于1998年洪水过后病险水库的防渗加固，提高了施工效率。
2.1.2.5 结论
钻探技术仍然是唯一能从地下取出实物岩矿样品的勘查技术方法。随着现代钻探技术的发展，岩心钻机已发展到全液压动力头钻机以及自动化、智能化地质岩心钻机。孔底动力钻具（潜孔锤、螺杆钻、涡轮钻、孔底电钻等）也从发明到发展，至今已具有一定水平。钻探技术发展到人造金刚石及人造复合超硬材料钻探时代。
钻探技术在我国资源勘探、国家重大科学工程、地质灾害监测预警及治理中做出过重要贡献而且还将发挥更重要的作用。