李博，劉曉陽，2，段志強

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國核工業(yè)地質(zhì)局，北京 100013；3. 核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 330200）

鉆探技術(shù)是鈾礦勘查主要技術(shù)手段之一。通過鉆探可有效獲取地層巖心巖屑等實物資料，用以反映地層構(gòu)造、驗證地質(zhì)推斷和圈定目標(biāo)礦體［1］。國際原子能機構(gòu)（IAEA）和經(jīng)合組織核能署（NEA/OECD）定期聯(lián)合發(fā)布的《鈾資源、生產(chǎn)與需求》報告中，均以鉆探工作量作為重要指標(biāo)之一來衡量各國鈾礦勘查工作投入及進展。在我國碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)形勢下，核能發(fā)電的規(guī)模和比重將持續(xù)提高，對鈾資源的需求也日益增長［2］，國內(nèi)鈾礦勘查工作投入勢必進一步加大［3-4］。在助力國內(nèi)鈾資源高效低成本勘查方面，如何有效提高鉆探效率，降低鉆探進尺成本，發(fā)展高效鉆探技術(shù)是關(guān)鍵。

國際上，加拿大、澳大利亞和美國等西方鈾資源大國均具有豐富的固體礦產(chǎn)勘查鉆探技術(shù)積累，在鈾礦等固體礦產(chǎn)勘查鉆探裝備和工藝方面均領(lǐng)先于我國，主要體現(xiàn)在鉆探工藝多樣性，鉆桿鉆具的標(biāo)準(zhǔn)化［5］，設(shè)備的自動化和數(shù)字化［6］，以及信息化技術(shù)的應(yīng)用［7］。

試圖通過研究鈾資源大國的鉆探技術(shù)、鉆探設(shè)備及機具現(xiàn)狀，分析鉆探技術(shù)及設(shè)備發(fā)展趨勢，為我國鈾礦鉆探技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 國外鈾礦勘查鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

全球最主要的5 種鈾礦床類型依次為砂巖型、多金屬鐵氧化物角礫雜巖型、元古代不整合面型、交代巖型和侵入巖型等，常規(guī)鈾資源分布排名前五名的國家分別為澳大利亞、哈薩克斯坦、加拿大、俄羅斯和納米比亞［8］。澳大利亞和美國砂巖型鈾礦勘查鉆孔深度主要在300 m 以淺［9-11］，加拿大Athabasca 地區(qū)不整合面型鈾礦鉆孔深度介于200～1 000 m 之間，近些年大部分勘查鉆孔深度在500 m 以淺［12］；哈薩克斯坦等中亞國家鈾礦以砂巖型鈾礦為主；納米比亞鈾礦以侵入巖型為主，鈾礦鉆探深度在500 m 以淺［13］。鉆孔布置一般比較集中于某一區(qū)塊，小型鉆探裝備即可滿足要求，重點考慮快速高效施工鉆孔。

國外巖心鉆探領(lǐng)域的新工藝和新裝備主要由專業(yè)鉆探裝備機具生產(chǎn)制造廠商來開發(fā)并推廣，鉆探設(shè)備功能與工藝緊密結(jié)合，專業(yè)化程度高。鉆探施工承包商根據(jù)礦業(yè)公司要求和勘查區(qū)的具體情況選擇合適的鉆探工藝與鉆探設(shè)備，注重高效、安全和環(huán)保。

1.1 鈾礦鉆探工藝

澳大利亞、加拿大和美國的鈾礦勘查為商業(yè)性勘查，通常根據(jù)地層情況、地質(zhì)需求和時間成本等因素選擇相對經(jīng)濟有效的鉆探工藝，對巖樣的要求不局限于柱狀巖心，鉆頭切削上返的巖屑、空氣鉆進的巖粉都可以作為樣品來進行分析研究。取心鉆探工藝有繩索取心工藝和常規(guī)提鉆式取心工藝（提鉆式單管取心和提鉆式單動雙管取心），無巖心鉆探工藝有泥漿回轉(zhuǎn)鉆進工藝和空氣反循環(huán)鉆進工藝，部分勘查區(qū)采用較大的無巖心鉆進工作量來提高鉆探施工效率。

1.1.1繩索取心鉆進技術(shù)（Wireline core drilling）［1］

繩索取心鉆進技術(shù)是一種不提鉆取心的技術(shù)。在取心回次終了時，采用專用打撈工具和鋼絲繩把巖心管從鉆桿柱內(nèi)撈取上來，無需提升孔內(nèi)鉆桿柱至地表。只有當(dāng)檢查或更換鉆頭時，才需將全部鉆桿柱從孔內(nèi)提出。該鉆探技術(shù)在中深孔鉆進中優(yōu)勢明顯，可有效降低提下鉆桿的輔助時間，提高整體施工效率。

加拿大Athabasca 盆地和澳大利亞奧林匹克壩地區(qū)鈾礦勘查均以繩索取心鉆進技術(shù)為主。Orano、IsoEnergy、Standard Uranium 和NexGen Energy 等礦業(yè)公司在Athabasca 盆地鈾礦勘查的鉆探方法主要是繩索取心鉆進技術(shù)，鉆孔口徑以N 口徑為主。

1.1.2常規(guī)取心鉆進技術(shù)（Conventional core drilling）

常規(guī)取心鉆進即提鉆式取心鉆進，包括提鉆式單管取心鉆進和提鉆式雙管取心鉆進，即每次取心完畢，需先將全部鉆桿從孔內(nèi)提出后，才可提出取心鉆具，獲取巖心。該技術(shù)主要應(yīng)用于沉積巖中淺孔和中深孔中取心鉆進。

美國、澳大利亞等西方國家在砂巖型鈾礦勘查中一般采用提鉆式單動雙管鉆具進行局部層位取心，內(nèi)管直徑有Φ89 mm 或Φ76.2 mm兩種規(guī)格，長度為3 m，總體取心率大于90%［14-15］。哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦在砂巖型鈾礦鉆探中一般采用提鉆式單管鉆具進行取心。

1.1.3空氣反循環(huán)鉆進技術(shù)（Reverse circulation drilling）

空氣反循環(huán)鉆進技術(shù)，即RC 鉆進技術(shù)，工作原理是壓縮空氣由空壓機輸出，通過高壓管路進入雙通道氣水龍頭、雙壁鉆桿的環(huán)形通道到達(dá)孔底，驅(qū)動孔底鉆具進行碎巖，并將孔底破碎的巖屑及巖心經(jīng)雙壁鉆桿中空通道攜帶至孔口，然后經(jīng)旋流器分離后取得巖（粉）樣。其循環(huán)方式特點可以保證鉆進過程中連續(xù)鉆進取樣?？諝夥囱h(huán)鉆進技術(shù)有降低孔底壓力，提高鉆進效率，及時攜返孔底粉屑等特點。且空氣反循環(huán)鉆進技術(shù)多配合氣動潛孔錘以沖擊回轉(zhuǎn)方式碎巖，其鉆進效率可達(dá)到常規(guī)巖心鉆探的3 倍［16］。

澳大利亞應(yīng)用較多的Aircore drilling，原理與RC 鉆進工藝相似，通過注入壓力空氣，將25.4～32.5 m3·min-1的 空 氣 以2.07～2.41 MPa的壓力通過雙壁鉆桿環(huán)空口向下到達(dá)孔底［17］，帶動鉆屑從內(nèi)管中心通道返回至地表巖屑采集系統(tǒng)。鉆頭一般為三齒復(fù)合片或碳化鎢鉆頭，主要用于淺部松散層鉆進，鉆孔口徑可以從60 到152 mm［18-19］，鉆進能力一般在60 m 以淺。使用較小的液壓動力頭鉆機，鉆機可采用履帶或越野車裝載方式，便于快速移動。Aircore drilling 在澳大利亞砂巖型鈾礦勘查中主要用于淺層勘查，快速查證。

1.1.4泥漿回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)（Mud rotary drilling）

在西方國家砂巖型鈾礦勘查中，泥漿回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)即為常規(guī)的全面鉆進，在鉆進過程中全面破碎巖石，不獲取巖心，而是通過巖屑錄井、物探測井和孔壁取樣等手段獲得地層資料［20］。該技術(shù)采用孔底鉆鋌加壓方式，配套PDC 復(fù)合片鉆頭和牙輪鉆頭，鉆壓和循環(huán)泵量均大于同口徑常規(guī)取心鉆進工藝參數(shù)，可用于不同口徑、不同深度鉆孔鉆進。由于沒有取心技術(shù)要求和進行提下鉆取心輔助時間，該技術(shù)在中深孔鉆進中具有較高鉆進效率和較低成本優(yōu)勢。

該技術(shù)方法在俄羅斯、哈薩克斯坦和美國等國家砂巖型鈾礦勘查中應(yīng)用較多。主要應(yīng)用于第四系覆蓋層和普查、詳查、勘探階段的無需取心孔段，目的是大幅度提高鉆探效率［21］。

美國在俄懷明州Aladdin 鈾礦、Gas-Hills鈾礦、科羅拉多州Centennial 鈾礦、南達(dá)科他州Dewey-Burdock 鈾礦和新墨西哥州San Juan 鈾礦等砂巖型鈾礦勘查中均采用泥漿回轉(zhuǎn)鉆進工藝［22-26］。鉆孔口徑有6.25 in（158.7 mm）和6.5 in（165.1 mm）兩種規(guī)格，每隔1.5 m 收集一次巖屑用于判斷地層變化和必要的巖性分析［22，24］。因時間和成本因素，僅對于個別鉆孔或目的層段進行少量的提鉆式取心工作［26］。

1.1.5組合鉆探技術(shù)

在實際勘查工作中，為經(jīng)濟有效地達(dá)到勘查目的，通常會在同一片區(qū)或同一孔內(nèi)采用多種鉆探工藝，滿足地質(zhì)技術(shù)人員對不同階段和深度的勘查需求。美國和澳大利亞在砂巖型鈾礦勘查中多采用RC 鉆進、泥漿回轉(zhuǎn)無巖心鉆進和取心鉆進組合鉆進方法，其中采用泥漿回轉(zhuǎn)鉆進的無巖心鉆探量占比較大，輔以少量取心鉆進。2011—2012 年，美國URZ Energy 公司在俄懷明州的Fremont 和Natrona 縣實施的Gas-Hills 砂巖型鈾礦勘查項目中布置勘查鉆孔347 個，鉆探工作量達(dá)30 182.82 m，最大鉆孔深度為158.67 m，最淺鉆孔僅為43.56 m。其中泥漿回轉(zhuǎn)鉆進的無巖心鉆探工作量占比82.19%，空氣反循環(huán)鉆探工作量占比10.22%，取心鉆探工作量占比7.59%［11］。

2009—2010 年，澳 大 利 亞 Callabonna Uranium 公 司 在 Adelaide 北 部 實 施 的Curnamona 砂巖型鈾礦勘查項目中共實施14 口泥漿鉆進鉆孔和27 個空氣反循環(huán)鉆孔，平均鉆孔深度為110 m［26-27］；澳大利亞Paladin Energy公司2012 年 在Carnarvon 盆地Manyingee 砂巖型鈾礦勘查任務(wù)中共施工96 個泥漿鉆進鉆孔，僅部分層段取心，取心工作量為242 m［28］。

哈薩克斯坦某鈾礦勘查鉆探施工中，鉆孔深度介于540～660 m 之間，平均鉆孔深度為566.34 m，僅在設(shè)計礦層段取心，取心段厚度介于25～40 m 之間。

1.2 鈾礦鉆探設(shè)備

1.2.1西方國家鉆探設(shè)備

澳大利亞、加拿大和美國等西方國家的鈾礦勘查鉆機主要為全液壓動力頭式鉆機，該類鉆機采用液壓動力頭式回轉(zhuǎn)機構(gòu)，具有長行程的給進系統(tǒng)、液壓絞車組成的提升系統(tǒng)和可大范圍調(diào)整鉆孔角度的桅桿機構(gòu)［29］。全液壓動力頭式鉆機一般采用輕便型模塊化結(jié)構(gòu)或車載一體化結(jié)構(gòu)，適用于不同地形環(huán)境要求，自動化程度較高，可滿足多種鉆探工藝需求。

針對難進入地區(qū)勘查需求，輕便型模塊化全液壓鉆機應(yīng)用日益廣泛。如加拿大的Hydracore Drills 公司研 制 的HYDRACORE 系 列鉆機，采用模塊化設(shè)計，平均模塊重量不超過544 kg，便于直升機吊裝和快速組裝，可滿足繩索取心和空氣鉆進兩種工藝，繩索取心最大鉆深能力達(dá)到1 300 m（B 口徑）。Atlas Copco 公司研制的Diamec U8 型鉆機，采用便攜式模塊化結(jié)構(gòu)，最大鉆深能力2 000 m（B 口徑），由第3 代計算機控制（APC），具備在設(shè)定參數(shù)下的自動鉆進功能，可實現(xiàn)機臺作業(yè)單人操作，減少機臺鉆工人數(shù)［30］。近年來，由于輕便型模塊化鉆機的發(fā)展，采用飛機運輸、搬遷和吊裝鉆探設(shè)備的技術(shù)方法，除在美國、加拿大和澳大利亞等發(fā)達(dá)國家被廣泛而成熟地應(yīng)用外，在發(fā)展中國家也已逐步推廣應(yīng)用，一些飛行公司專門承擔(dān)這方面的業(yè)務(wù)，可對鉆機設(shè)備進行整體或組裝件運送，直接運至施工點位，避免了山地、林區(qū)等難進入地區(qū)的修路、砍伐等大量鉆前工作［31］。

對于大孔深和多種鉆探工藝需求，采用履帶裝載或卡車裝載的多功能鉆機優(yōu)勢明顯。Boart Longyear 公司研制的LF 系列鉆機，能在同一鉆孔中使用金剛石繩索取心鉆探、空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探、空氣潛孔錘取樣組合鉆進工藝，并配備鉆桿自動夾持?jǐn)Q卸和擺放功能［32］，具有較高的鉆探工作效率和較低的人工勞動強度。

1.2.2獨聯(lián)體國家鉆探設(shè)備

哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和俄羅斯等獨聯(lián)體國家砂巖型鈾礦勘查鉆機仍以機械立軸鉆機為主，鉆探設(shè)備整體機械化程度較高。與歐美國家鉆探設(shè)備相比，設(shè)備在外形尺寸和整體重量上都偏大。

以烏茲別克斯坦為例，鉆探機組所用設(shè)備均為拖車式或自行式（圖1），并配有專用牽引設(shè)備，適合荒漠戈壁和平原地區(qū)的交通狀況，搬遷速度快。ЗИФ—1200МР 鉆機，НБ—32 或АНБ—22 泥漿泵，РТ—1200 電動擰管機，18 m高加重鉆塔集成在拖車式鉆探車上（圖2），車房寬4.5 m，長9 m，安裝在БЕЛАЗ—540 汽車輪的單軸底盤上，便于轉(zhuǎn)向。鉆探車內(nèi)有生活間和加熱設(shè)施等。砂巖型鈾礦鉆探采用鉆鋌孔內(nèi)加壓方式鉆進，立軸鉆機的液壓卡盤拆除，回轉(zhuǎn)器只起到傳扭作用，避免了倒桿操作。

圖1 烏茲別克斯坦鉆探車（據(jù)劉曉陽，2003）Fig.1 Uzbekistan drilling truck（After LIU Xiaoyang，2003）

圖2 烏茲別克斯坦鉆探車內(nèi)部布置（據(jù)劉曉陽，2003）Fig.2 Inside structure of Uzbekistan drilling truck（After LIU Xiaoyang，2003）

移動式發(fā)電機組功率100 kW，用于提供動力；機組其他設(shè)備有大馬力輪胎式牽引車和推土機，用于設(shè)備搬遷和平整現(xiàn)場；并配有容積12 m3的單軸移動式泥漿貯存箱、單軸材料拖車和КРАЗ—265 泥漿運輸車，主要設(shè)備性能參數(shù)見表1。

表1 烏茲別克斯坦鉆探機組設(shè)備參數(shù)Table 1 Uzbekistan drilling unit equipment parameters

另外，鉆探施工中使用半自動塔上無人提引器（圖3），配防脫式蘑菇頭（圖4），可實現(xiàn)塔上無人升降作業(yè)；提引器上部配有減振器，增加了提下鉆具的穩(wěn)定性。

圖3 塔上無人提引器（據(jù)劉曉陽，2003）Fig.3 Unmanned lifter（After LIU Xiaoyang，2003）

圖4 防脫式蘑菇頭（據(jù)劉曉陽，2003）Fig.4 Anti-slip hoisting plug（After LIU Xiaoyang，2003）

1.3 鈾礦鉆探機具

澳大利亞、加拿大和美國等西方國家鈾礦鉆探機具規(guī)格主要以美國金剛石巖心鉆機制造商協(xié)會制定的DCDMA（Diamond Core Drilling Manufactures Association）標(biāo)準(zhǔn)為主，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了金剛石巖心鉆探系列口徑、鉆桿、套管、巖心管、鉆頭和擴孔器等工具，重點是對其尺寸規(guī)格的統(tǒng)一，便于各國各公司產(chǎn)品的通用互換性［33］。繩索取心鉆具則以美國寶長年（Boart Longyear）公司的Q 系列鉆具應(yīng)用最為廣泛，其繩索鉆桿Q 規(guī)格絲扣，V-Wall 內(nèi)加厚型繩索取心鉆桿、繩索取心鉆具及金剛石鉆頭最具有代表性［34-36］。其他如Atlas·Copco 公司采用的英制系列鉆具、日本利根公司和瑞典SANDVIK 公司分別采用的公制系列鉆具也均與Q 系列鉆具相似［37］。常規(guī)取心鉆孔規(guī)格也以DCDMA 規(guī)定的鉆孔口徑為準(zhǔn)，其鉆具及鉆頭具有較強的通用性。

2 發(fā)展趨勢

一直以來，對高效鉆探的需求驅(qū)動著鉆探裝備生產(chǎn)商和施工公司對鉆探技術(shù)及裝備持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新、應(yīng)用綜合高效的鉆探工藝和裝備；在注重鉆探的高效率之余，健康安全環(huán)保（HSE）的理念也促使鉆探裝備生產(chǎn)商和施工公司進一步開發(fā)、應(yīng)用更輕、更緊湊、更環(huán)保、具有較高自動化功能的設(shè)備機具［16］。因此，鈾礦勘查鉆探技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在鉆探工藝多樣化、鉆探設(shè)備的輕便化、自動化和操控集成化和鉆探機具的高效輕型化三方面。

2.1 鉆探工藝多樣化

繩索取心工藝、常規(guī)取心工藝、RC 鉆進工藝和無巖心泥漿回轉(zhuǎn)鉆進工藝都有其適用的地層和技術(shù)優(yōu)勢，而單一一種鉆探工藝無法同時滿足地質(zhì)勘查、高效率、低成本等多方面的需求。國外鈾礦勘查中，地質(zhì)技術(shù)人員常常在同一區(qū)塊或同一鉆孔中設(shè)計采用兩種及以上的鉆探工藝，形成多工藝組合的鉆探技術(shù)，以滿足地質(zhì)人員對不同深度地質(zhì)體中巖心和巖屑的研究需求，達(dá)到經(jīng)濟高效的勘查目的。因此，利用多種鉆探工藝技術(shù)的優(yōu)勢，發(fā)展鉆探工藝的綜合多樣化依然是鈾礦鉆探工藝主要發(fā)展方向。

在環(huán)境鉆探取樣中應(yīng)用的聲波鉆進技術(shù)（Sonic drilling）可以應(yīng)用到砂巖型鈾礦淺層巖心鉆探中。該技術(shù)原理是利用聲波動力頭內(nèi)部一對偏心機構(gòu)產(chǎn)生頻率為0～150 Hz 高頻共振能量，共振能量以不同的聲波頻率沿鉆柱向下傳遞到鉆頭面上，同時旋轉(zhuǎn)鉆柱，使沖擊能量均勻地分布在鉆頭底面，并輔以動力頭加壓。鉆孔直徑介于76～305 mm 之間，鉆進深度多在100 m 以淺，個別大型聲波鉆機鉆進能力接近200 m。該技術(shù)在深厚覆蓋層、淺部松散層中具有獨特優(yōu)勢［38］。相比RC 鉆進技術(shù)，聲波鉆進技術(shù)在保證效率的同時，可獲得較完整的柱狀巖心；相比常規(guī)取心鉆進技術(shù)，聲波鉆進技術(shù)可在無泥漿循環(huán)的情況下，高效率獲取較大直徑的、連續(xù)的松散巖層巖心。澳大利亞Honeymoon 砂巖型鈾礦在以無巖心泥漿回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)為主要鉆探方法的情況下，實施了1 080 m 的聲波鉆探工作量，獲取的巖心用于測試驗證孔的鈾礦品位［39］。

2.2 鉆探設(shè)備的輕便化、自動化和操控集成化

西方國家的全液壓動力頭式鉆機具有長行程的給進系統(tǒng)，哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦所用的機械立軸鉆機在拆除液壓卡盤后也具有長行程給進的特點。相比傳統(tǒng)立軸鉆機50～80 cm 的倒桿行程，大于1.5 m 的長行程給進可以提供持續(xù)穩(wěn)定的鉆進壓力和機械鉆速，避免了因倒桿而頻繁啟停鉆機的操作及由此引起的巖心堵卡，特別適用于取心鉆進和無巖心鉆進工藝需求。同時動力頭長行程給進和提升的功能設(shè)計為快速加減鉆桿提供了操作空間，利用動力頭和孔口自動夾持裝置實現(xiàn)鉆桿柱的自動擰卸。因此，全液壓動力頭式鉆機依然是澳大利亞、加拿大和美國等西方國家鈾礦勘查巖心鉆探設(shè)備的主要發(fā)展類型；而面對生產(chǎn)效率和健康安全環(huán)保要求，巖心鉆探設(shè)備將進一步向輕便化、自動化和操控集成化發(fā)展［16，40］。

2.2.1輕便化

為提高鉆機的搬遷運移效率，便于山地、林區(qū)等難進入地區(qū)的鉆探施工，地質(zhì)巖心鉆機進一步向輕型化發(fā)展，主要表現(xiàn)為鉆機結(jié)構(gòu)模塊化和材料的輕量化。

加拿大Hydracore drills 公司的HC 系列鉆機和Multi-Power 公司MP 系列便攜全液壓鉆機均采用模塊化設(shè)計，鉆機整體由7～9 個模塊組成，單個模塊最大重量控制在1 605 磅（728 kg）以內(nèi)，平均模塊重量不超過1 200 磅（544 kg），組裝拆卸方便，可采用直升機吊裝的方式用于偏遠(yuǎn)地區(qū)施工，減少了修路、砍伐林木等鉆前工作。

加拿大FORDIA 公司研制的Eider 1 100U 型鉆機N 口徑鉆深能力可達(dá)到1 100 m，其主機部分85%的結(jié)構(gòu)是由7079 高強度航空鋁型材加工制造而成，鉆機的主機部分質(zhì)量僅為1 905 kg，在同能力鉆機中，整體重量大幅減輕。其他輕量化材料，如鋁合金、鎂合金和高分子材料等也多用于模塊鉆機桅桿、底座和支架等方面。

2.2.2自動化和操控集成化

Boart Longyear 公 司LFTM350e 和LFTM160頂驅(qū)式巖心鉆機采用了可調(diào)整角度動力頭、液壓背鉗和液控旋轉(zhuǎn)夾持器等，同時配備了FREEDOM?自動化鉆桿機械手（圖5），司鉆可遙控進行鉆桿擺放、加減鉆桿與安全擰卸扣等操作，以自動化的方式避免了手工操作所帶來的人員傷害風(fēng)險［41-42］。

圖5 FREEDOM?鉆桿機械手［42］Fig.5 FREEDOMTM Loader［42］

司鉆集成操控系統(tǒng)可實現(xiàn)安全鉆進參數(shù)的設(shè)置，保證科學(xué)合理鉆進，減少人為錯誤，提高施工安全性。Boart Longyear 公司推出的DCi（Drill Control Interface）鉆進控制系統(tǒng)（圖6），可允許一個司鉆同時控制鉆機和鉆桿處理程序。DCi 集成了CAN 總線技術(shù)和PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆機運行、鉆桿處理程序和控制系統(tǒng)之間的通信，實現(xiàn)了大部分鉆探作業(yè)的全程監(jiān)控和半自動化操作，允許在無人值守的情況下按設(shè)定參數(shù)進行自動鉆進。同時可實時顯示、記錄和存儲鉆進過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可用于后期分析鉆探生產(chǎn)情況和調(diào)試維護設(shè)備性能。

圖6 DCi 鉆進控制系統(tǒng)［43］Fig.6 DCi drilling control system［43］

2013 年，Boart Longyear 公司在澳大利亞奧林匹克壩礦床使用帶有DCi 的LM?75 鉆機，配套BQTK尺寸的金剛石巖心鉆頭，共鉆進5 726.3 m。與前6 個月鉆探數(shù)據(jù)相比，鉆進成本平均降低了2.9 美元/m，月生產(chǎn)效率提高了13.5%［43］。

2.3 鉆探機具的高效輕型化

在以金剛石繩索取心技術(shù)為代表的鉆探機具方面，逐步向高效化和輕型化發(fā)展，主要技術(shù)革新表現(xiàn)為內(nèi)管鉆具結(jié)構(gòu)、薄壁繩索取心鉆具和高效長壽命金剛石鉆頭三方面。

2.3.1內(nèi)管鉆具結(jié)構(gòu)

Boart Longyear 公司在傳統(tǒng)彈卡式內(nèi)管總成組件中采用Link Latch 機構(gòu)，即通過鉸鏈?zhǔn)礁軛U將彈卡收縮，消除了彈卡與外管卡住無法收回的問題［44］。設(shè)計了球卡式結(jié)構(gòu)內(nèi)管總成（圖7），鋼球在總成內(nèi)部限位錐體作用下回收或伸出。與鋼球配合的錐體位置和彈卡室內(nèi)壁均為弧面，不存在卡死點。且內(nèi)管投放過程中，鋼球在限位錐體作用下伸出并與鉆桿內(nèi)壁接觸，起到對中扶正作用，避免內(nèi)管總成與鉆桿內(nèi)壁擦碰，有利于內(nèi)管快速下放和打撈。與彈卡式總成組件相比，球卡式總成組件縮短了內(nèi)管總成組件長度，避免了傳統(tǒng)彈卡組件卡死或遲滯內(nèi)管提下速度的情況，使用可靠程度高［45］。

圖7 球卡結(jié)構(gòu)快速下降式內(nèi)管總成［34］Fig.7 Quick Descent?Roller Latch?head assembly［34］

設(shè)計了快速泵入式（Quick Pump-in?）內(nèi)管總成機構(gòu)，通過投放內(nèi)管過程中球卡的位置來控制中心通道閥門，鉆具懸掛環(huán)上部采用與鉆桿內(nèi)壁配合的V 型密封圈，合理封堵內(nèi)管鉆具與鉆桿內(nèi)壁之間的環(huán)空間隙，主要用于水平孔和仰孔繩索取心鉆進，通過沖洗液壓力將內(nèi)管總成快速輸送至孔底，減少輔助時間，提高取心鉆進效率［46-47］。

設(shè)計了快速下降式（Quick Descent?）內(nèi)管總成機構(gòu)，包括帶軸向溝槽的錐形桿、中空式心軸和集成式球閥，優(yōu)化了內(nèi)管至內(nèi)管總成間的流道，極大地降低了內(nèi)管投放時的流體阻力，內(nèi)管下降速度提高30%以上，有效縮短了投放及打撈的輔助時間，綜合提高鉆進效率［48］。

安百拓公司的DiscovOre 繩索取心鉆具總成和Arrow 3S 自鎖式打撈器采用了與傳統(tǒng)繩索取心鉆具相反的打撈連接方式。

DiscovOre 繩索取心鉆具總成取消了撈矛頭結(jié)構(gòu)（圖8），而是采用回收套筒的形式，用于連接打撈器的彈卡裝置；重新設(shè)計了新的掛鉤式彈卡結(jié)構(gòu)，取消了連接彈卡的回縮彈簧，采用杠桿原理利用銷軸位置來驅(qū)動彈卡，可以對彈卡施加更大力量來縮回彈卡，降低因彈卡無法回收而提鉆的概率。相比傳統(tǒng)彈卡裝置，獨立樞軸使彈卡運動軌跡變?yōu)楦教沟幕【€，回收過程與彈卡室限位形成的干涉角更小，減少了彈卡回收所需的力；同時彈卡室沒有驅(qū)動撥頭，而是在彈卡室內(nèi)壁上設(shè)有鍵槽，用于和專用限位卡頭接觸，保證內(nèi)管鉆具總成隨外管一起轉(zhuǎn)動，減少了彈卡與彈卡室的磨損，增加了使用壽命和可靠性［49］。Arrow 3S 自鎖式打撈器采用彈卡機構(gòu)，用于連接鉆具總成的套筒（圖9），其橫截面積比傳統(tǒng)打撈器截面積減少5%～18%，有效提高了打撈器下放速度，提高取心效率；打撈器連接鉆具總成后，具有自動鎖定機構(gòu)，提高施工安全度［50］。

圖8 DiscovOre 鉆具總成［50］Fig.8 DiscovOre head assembly［50］

圖9 Arrow 3S 打撈器［50］Fig.9 Arrow 3S overshot assembly［50］

2.3.2薄壁繩索取心鉆具

薄壁繩索取心鉆具為Boart Longyear 公司研制的一種繩索取心工具系統(tǒng)，包括薄壁巖心管、薄壁鉆頭和薄壁鉆桿。以普通的NQ 繩索取心鉆具為例，鉆孔直徑（鉆頭外徑）Φ75.7 mm，巖心直徑（鉆頭內(nèi)徑）Φ47.63 mm，而同規(guī)格的NQTK 薄壁繩索取心鉆具在鉆孔直徑不變的情況下，可獲得Φ50.67 mm 的巖心直徑，鉆頭壁厚減少1.5 mm。相比常規(guī)繩索取心鉆具，薄壁繩索取心鉆具質(zhì)量更輕，鉆頭所需鉆壓低，可配合輕型鉆機以高轉(zhuǎn)速、低扭矩提高硬巖地層中鉆進效果和取心質(zhì)量［51］。

2.3.3高效長壽命金剛石鉆頭

隨著鈾礦勘查深度加深，減少換鉆頭的次數(shù)，降低提下鉆次數(shù)可以有效縮短提下鉆具的輔助時間，提高鉆探作業(yè)效率，因此，高效長壽命的繩索取心金剛石鉆頭技術(shù)也是鉆探技術(shù)發(fā)展的方向。安百拓提出“一孔一鉆頭”理念，研制了JET26 型高胎體金剛石鉆頭，該類型鉆頭胎體高度為26 mm，采用高強度大體積胎塊，以保證長時間內(nèi)的胎體強度，胎體內(nèi)、外有半高水口設(shè)計，增加冷卻面積；胎塊端部水口處進行倒角設(shè)計，減少回轉(zhuǎn)扭矩和水力損失。配套的長壽命耐磨擴孔器，保徑采用較大的熱穩(wěn)定聚晶金剛石（TSP）條進行加固，配合天然金剛石粒，并在高磨損區(qū)增加金剛石含量，以更好地控制磨損；保徑區(qū)域設(shè)有磨損指示槽，用以表示擴孔器磨損程度［52］。

3 結(jié)論

1）國外鈾礦勘查鉆探中偏向于多工藝綜合應(yīng)用，同一區(qū)塊或同一鉆孔中設(shè)計常采用兩種及以上的鉆探工藝，形成多工藝組合鉆探技術(shù)，以滿足地質(zhì)人員對不同深度地質(zhì)體巖心和巖屑的研究需求，并達(dá)到經(jīng)濟高效的勘查目的。

2）西方鈾資源大國勘查鉆探設(shè)備以全液壓動力頭鉆機為主，鉆機采用履帶自行或輪胎自行裝載形式。中亞地區(qū)哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦鈾礦勘查鉆探設(shè)備以機械立軸鉆機為主，利用卷揚機進行長行程人工操作送鉆，鉆機采用輪式拖車裝載形式。兩類鉆機均具有長行程給進的特點。

3）為提高鉆機的搬遷運移效率，便于山地、林區(qū)等難進入地區(qū)的鉆探施工，全液壓動力頭鉆機進一步向輕型化發(fā)展，主要表現(xiàn)為鉆機結(jié)構(gòu)模塊化和材料的輕量化。同時，鉆機的操作逐步向自動化、數(shù)字化和操控集成化方向發(fā)展。

4）鉆探機具標(biāo)準(zhǔn)化程度高，配套系統(tǒng)化，通用互換性強；繩索取心鉆具主要在內(nèi)管鉆具結(jié)構(gòu)、薄壁繩索鉆桿和長壽命金剛石鉆頭等三方面向高效化和輕型化發(fā)展。

5）參考國外鈾礦勘查鉆探技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在國內(nèi)鈾礦地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備更新方面，建議結(jié)合新一輪鈾礦勘查能力建設(shè)項目，找差距提需求，引進、訂制或研制適合國內(nèi)鈾礦勘查的先進鉆探設(shè)備。本著“安全、高效、綠色”的原則，在現(xiàn)有鉆探設(shè)備技術(shù)水平上，力求有較大層次的提升。

6）建議國內(nèi)鈾礦鉆探工藝技術(shù)著眼于如何提高鉆探質(zhì)量和效率、降低鉆探成本、提高生產(chǎn)安全水平，逐步推行多工藝組合鉆進技術(shù)，加強松散巖層深部取心技術(shù)、繩索取心液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)、高效長壽金剛石鉆頭技術(shù)、鉆孔防斜控斜技術(shù)和泥漿凈化處理技術(shù)的研究與應(yīng)用。大力推進鉆桿鉆具標(biāo)準(zhǔn)化工作。