0 引言

几内亚位于非洲西海岸，矿产资源丰富，已探明的铝土矿储量居世界第一，近年来已成为铝土矿勘探、开发的热点地区之一（宋崇宇等，2021；张海坤等，2021）。国外地质勘探项目一般都具有时间紧、任务重的特点，勘探时间越长，当地的政治、经济等风险因素对项目后续的开发工作影响越大。受几内亚当地自然环境制约，大规模的野外勘探作业活动只能在时长为半年的旱季内进行，完成大面积勘探区块的快速勘查评价工作，采用适宜、高效的钻进工艺技术是确保项目按期完成所必备的技术手段之一。

为加快几内亚某矿区上千平方千米范围内的铝土矿钻探项目施工进度，通过前期的实验研究，决定全面采用螺旋钻进工艺技术进行钻探施工。螺旋钻进工艺技术是一种无冲洗液循环的干作业钻进方法，无需配制冲洗液和循环输送设备，避免了矿区旱季取水、运输等难题。在不到 6 个月的时间内就超额完成了全部钻探任务，钻探效率明显高于其他钻探工艺技术，加快了整个矿区的勘探开发进度。

螺旋钻进技术通常应用于工程勘查、基础施工、煤层探采等领域（姚爱国等，2000），国内还没有将其全面应用于铝土矿钻探项目的先例。本文通过对该钻探项目技术经济指标的分析评价，解决地层、钻进参数、钻头结构之间相互合理匹配的问题，减少孔内事故和钻机故障，为螺旋钻进工艺技术在今后同类矿区应用中予以进一步的优化改进提供借鉴。

1 矿区概况

矿区位于几内亚中部的富塔贾隆高原西部边缘与该国沿海平原之间的丘陵地带，分为南、北两部分，两者最近点相距约40 km（图1）。南矿区主要位于几内亚博凯和博法两省交界处（西经14°14′28″～13°55′00″，北纬 10°23′21″～10°40′00″），面积约 724 km²；北矿区大部分区域位于泰利梅莱省境内 （西经 13°34′45″～13°00′00″，北纬 10°50′00″～11° 15′00″），面积约 1545 km²。在热带草原气候环境影响下，中生代高原玄武岩盖层已经被风化成固结的铁铝富集层（简称铁帽层）和半固结的铁铝红土层，属于风化残积型铝土矿床（郭玉溪，2012）。铁帽层遍布于矿区地表上，与地形地貌形态一致，厚度一般为 1～7 m。南矿区地形以宽缓的铁帽平台为主，北矿区则为铁帽平台以及较为宽缓的沟谷和带状残丘。

矿区内地层分为风化残积层（即赋矿岩系）和基岩两部分。风化残积层为铁帽层和沟谷中的冲积物，厚度一般不超过 30 m（张成学等，2009；朱学忠等，2015）。地层自上而下分别为：上部为铁铝富集层，由铁帽层和铁铝红土层构成，是铝土矿的赋矿层位；中部为成矿母岩风化淋滤层，由铁质黏土、黏土、粉砂质黏土等构成；下部则为成矿母岩，为辉绿岩、粒玄岩、玄武质凝灰岩等（图2）。赋矿岩系中除铁帽层为中等硬度，可钻性为5级左右，其他层位硬度较低，可钻性为3级左右（鄢泰宁等，2001）。

2 钻探工作概述

由于几内亚内陆地区每年只有雨季和旱季两个季节，并且降雨集中在雨季，年均降雨量可达 3000 mm 以上。雨季降雨时低空雷电频发，旱季则日照强烈、干旱无雨（商务部国际贸易经济合作研究院等，2018^①）。因此，根据该勘探项目总体安排，钻探项目须在当年 12月旱季开始后展开，次年 5月底旱季结束前完成。钻探施工按照先南矿区后北矿区顺序进行，每天工作时间为早上八点至下午六点。本钻探项目共完成钻孔 2169 个，总进尺 29925.65 m，其中南矿区完成490个钻孔，累计进尺 6296.53 m，北矿区完成钻孔 1679 个，累计进尺23629.12 m。全部钻孔为Ⅰ级孔，钻孔质量均为优秀。

2.1 钻进工艺选择与钻具参数

由于矿区赋矿岩系地层可钻性不超过 5 级，根据有关地质岩心钻探规程（中华人民共和国国土资源部，2010），可采用硬质合金钻进工艺。对于硬度和结构强度较低的岩层，如果采用双管硬质合金泥浆循环钻进工艺，除铁帽层外，其他层位岩心容易被冲蚀掉，岩心同样存在被泥浆混染的问题（潘广灿和张金来，2011；谭春亮等，2018），另外矿区旱季还面临取水以及运输困难的问题。因此，双管硬质合金泥浆循环钻进工艺不适合该钻探项目。对于单管硬质合金钻头低速干钻法，提钻时岩心容易脱落，导致孔内岩心残留难以控制。频繁打捞残留岩心，不仅难以保证岩心质量，还会增大劳动强度，降低钻探施工效率，影响项目施工进度。螺旋钻进工艺技术则避免了以上 2 种钻进工艺的技术弊端，可以更好地适应矿区地质环境条件，不仅钻进速度快，岩心质量也能够保证。因此，本钻探项目采用螺旋钻进工艺技术进行施工。

所选用的螺旋钻杆结构参数为：翼片外径为 Φ145 mm、芯轴外径为 Φ70 mm，螺距为 100 mm，螺旋钻杆单根长度为 1 m，钻杆之间采用承插式销钉连接。双翼硬质合金刮刀钻头最大处直径为 150 mm，钻头顶角为135°。

2.2 机械设备配置

钻探设备型号选择主要根据所选用的钻进工艺、地层岩性、钻孔深度、钻孔直径、施工环境、安全生产等因素综合考虑（杨惠民，1988；顾文卿，2006）。由于工期紧，钻孔数量多，施工环境与条件相对较差，要求设备性能稳定、质量可靠、移动便捷、维修方便。因此，选择车载式 DPP100-3A和 G-3型钻机为本项目钻探设备。

3 钻探项目技术经济指标的选取与统计

钻探项目技术经济指标是按照原地质矿产部 1997年7月颁发的《地质勘查统计主要指标解释》中的规定予以选取和统计的（表1和表2）。对于“时间利用”指标，主要选取：“纯钻进时间利用率”、“孔内事故时间损失率”、“设备事故时间损失率”。其中，以“平均纯钻进速度”代替原解释中的“纯钻进小时效率”，将其定义为累计完成进尺与累计纯钻进时间之比，含义与原“纯钻进小时效率”基本相同，但更为清晰准确。

注：为方便对比分析，将DPP100-3A型钻机中未参与南矿区施工的钻机7^#、8^#、9^#、12^# 列为一组。

此外，针对螺旋钻进工艺技术的特点，为更好地衡量螺旋钻进工艺技术流程以及机台人员对技术流程的熟练掌握情况，引入“每米进尺辅助时间” （每米进尺辅助时间定义为累计辅助时间与累计完成进尺之比）。由于钻机搬迁频繁，为考察钻孔施工顺序安排的合理性，将不计入台月时间中的钻机搬迁时间单独列出，以“平均单孔搬迁时间”（平均单孔搬迁时间定义为累计搬迁时间与累计完成钻孔数量之比）作为一项评价指标。

“施工能力及效率”指标则以“台月效率”和“钻月效率”这两个指标为主。

以上这些指标能够满足该钻探项目进行技术经济评价的需要。

4 钻探技术经济指标的分析评价

4.1 技术经济指标分析评价说明

（1）由于 1^# 钻机在南矿区进行螺旋钻进工艺技术验证和控制性钻孔施工，钻进不是正常连续进行的，因此1^# 钻机在南矿区的指标数据属特殊数据，不参与对比分析（孙建华，1994）。

（2）在钻探技术经济指标进行评价分析时，分别按矿区、钻机类型分别予以划分和对比。每种指标按照划分不同，分别计算各个指标的平均值。为了将这些不同量纲的经济技术指标能够更直观地全部展现到对比图中，将所对比的两个同名称指标数据，按照相互之间所占的百分比进行处理（即归一化）（吴喜之，2006）。处理公式为：

式（1）、（2）中，n₁、n₂分别表示两个相互对比的同名称指标X₁、X₂之间各自所占的百分比。

4.2 不同钻进方法之间的技术经济指标对比分析

对于中等硬度以下岩层，在其他相同条件下，螺旋钻进方法的施工效率比其他常规钻进方法高。以 558 号矿区（Ⅰ期）与本研究南矿区钻探施工为例，两个矿区同类钻机的平均钻探技术经济指标见表3。

558号矿区（Ⅰ期）与本钻探南矿区部分边界相邻，地质条件基本相同（张成学等，2009）。558号矿区（Ⅰ期）采用的是硬质合金筒状钻具干钻取心方法，钻具直径为 Φ110 mm。在铁帽层中钻进时，为控制硬质合金钻头发热，需要降低钻具的转速和钻压，通常转速为 50～80 r/min，钻压为 8～15 kN，每个回次的钻进深度通常控制在 20～30 cm。而对于其他含矿岩层，受含水量影响，岩心呈塑性—软塑状态，在这些地层中回次钻进深度可更大些。回次钻进结束时，钻具在孔底需一定时间的回转干烧，以确保岩心不会脱落。这种取心方法，会给操作人员带来一定的难度，常因判断失误或操作不当致使岩心脱落。此外，干烧后从钻具内取出岩心也比较费时费力。综合以上因素导致558号矿区（Ⅰ期）每米进尺辅助时间较大，影响钻机的纯钻进时间利用率，因此，整体钻进效率较低。

南矿区采用的是螺旋钻进工艺技术，在铁帽层钻进时钻压通常为 20～30 kN，转速为 50～80 r/ min，其他较软岩层中钻进时钻压为 2～8 kN，转速为 50～80 r/min。该钻进工艺避免了硬质合金筒状钻具干钻取心方法的弊端，钻进速度快，取心简单快捷，岩心长度和重量均可以得到有效保证（王兴民等，2016）。在螺旋钻具回转钻进中，岩心顺着螺旋叶片不断向上运动，孔底岩心残留很少，不存在打捞岩心问题。但是，由于刮刀钻头为孔底全断面破碎岩层，在铁帽层中钻进时需要较高的钻进压力，螺旋钻杆因而承受较大的扭矩，螺旋钻杆相互连接的插销杆，它的端头止退销钉易于剪切损坏，导致插销杆在钻进振动中脱出，提钻时螺旋钻杆因失去连接而遗留在孔内，造成孔内事故。对于其他硬度较小地层，受含水量的影响，岩心呈塑性—软塑状态，过高钻压会使岩心充满两层螺旋叶片之间，不仅增大岩心螺旋上升的阻力，而且在提钻时容易形成“活塞抽吸”效应，造成孔壁失稳，严重时导致“粘附卡钻”，产生孔内事故（代万庆和赵汉伟， 2022），反而不利于钻进速度和钻探效率的提高。此外，过高钻压也会对钻机造成损害，致使钻机发生故障的机会增大。

从558号（Ⅰ期）与南矿区钻探技术经济指标对比中（图3），可以更直观地看出两种钻进工艺技术的明显差异。除孔内事故时间损失率和设备事故损失率外，螺旋钻进工艺的其他经济指标均优于筒状钻具干烧取心方法。螺旋钻进工艺的平均纯钻进速度是筒状钻具干烧取心方法的1.45倍，每米进尺辅助时间缩短将近10.5倍，从而使得纯钻进时间利用率超出74%之多。反映到台月效率上，螺旋钻进工艺是筒状钻具干烧取心方法的2.53倍，钻月效率为 1.83 倍。如果能对螺旋钻进工艺技术进行改进，减小钻进压力，从而降低孔内事故时间损失率和设备事故时间损失率，可以进一步发挥出螺旋钻进工艺的技术潜力。

4.3 南、北矿区两类钻机的技术经济指标对比分析

南矿区钻孔大都分布在铁帽平台上，两种钻机所钻进的地层相同，DPP100-3A型钻机设备事故时间损失率高于 G3型钻机。主要原因是在平台铁帽层钻进时，G3型钻机档位多，转速可调节范围大，可以降低高钻压钻进带来的不利影响，并且G3型钻机自重大，采用高钻压钻进时可以保持相对稳定。而 DPP100-3A型钻机转速可调节档位少，没有转速低于 80 r/min 以下的档位，高钻压强力钻进时会致使机械磨损显著增加，发生机械故障的可能性增大。对于其他技术经济指标，两者相差不大（图4）。

由于DPP100-3A型钻机重量相对较轻，行进时整机重心也低于 G3 型钻机，掉头转向更为灵活方便，为保证施工安全，在北矿区钻探施工时， DPP100-3A型钻机以边坡上分布的钻孔为主，G3型钻机施工范围主要为铁帽平台上的钻孔。由于地表存在有覆盖层，旱季施工时，边坡上钻孔的铁帽地层含水量高于平台上的铁帽地层，硬度降低，钻进所需的压力相对较低。因此，在南矿区施工时 DPP100-3A 型钻机的机械设备故障损失时间率高于 G3 型钻机 24%，但是到了北矿区施工后，由于所钻进地层含水量的改变，钻压降低，DPP100-3A 型钻机的机械设备故障损失时间率比 G3型钻机反而降低了57.3%（图5）。

在南矿区，DPP100-3A型钻机的平均台月效率和钻月效率分别高于 G3 型钻机 5.2% 和 7.5%；在北矿区，DPP100-3A型钻机的平均台月效率和钻月效率与 G3 型钻机的差别扩大到 13.3% 和 19.4%。再次显示出，如果能够降低在铁帽地层中钻头的钻进压力，不仅可以降低钻机设备的事故时间损失率，还可以改善其他钻探技术经济指标。

此外，从 DPP100-3A 型钻机南、北矿区技术经济指标对比中也可以发现，在铁帽层中采用高钻压钻进，致使设备故障率和孔内事故率增高，也会间接影响到钻机的其他技术经济指标（图6）。如果能够降低钻进压力，则可以显著改善技术经济指标。因此，采用强度更高、耐磨性更好的圆锥形复合片材料代替普通硬质合金片作为切削刃，减小钻头切削刃与孔底的接触面积，从而降低钻头的钻进压力。其次优化钻头结构形式与参数，改变原刮刀钻头翼片的直立形式，增大其倾角，减小钻进阻力。

同时，从两个矿区技术经济指标的对比中也可以看出，对于几内亚风化残积型铝土矿，这两类钻机都能够很好地满足钻探施工要求。这类车载钻机转场搬迁速度较快，平均单孔搬迁时间较短。如果能对钻孔施工顺序合理安排，对钻机的施工范围科学划分，则可以降低平均单孔搬迁时间。例如，在北矿区，根据地形地貌以及钻孔数量与分布对各个钻机进行分区划片施工，这种分区划片滚动式向前的施工组织管理方式可以减少钻机长途转场搬迁次数。北矿区平均单孔搬迁时间为 0.97 h，比南矿区的 1.37 h有较大幅度下降。同时，钻孔场地修筑与钻孔施工流水节拍趋于合理，未出现过钻机因场地修筑平整不及时而停待的情况。这说明北矿区的项目施工组织管理更加科学合理。

5 结语

（1）螺旋钻进是一种高效且无冲洗液循环的钻进工艺技术，适用于中等硬度以下岩层的钻进施工。通过对该钻探项目各项钻探技术经济指标的对比与分析，可以充分显示出其技术特点和优势。

（2）在几内亚风化残积型铝土矿床中施工时，地层、钻进参数、钻头结构之间的合理匹配对钻机的各项技术经济经济指标影响较大。应优先改进刮刀钻头的结构和切削具材料，在铁帽层钻进时，应以不超过单个切削具的最大可承受安全压力为前提，不能盲目采用高钻压强力钻进。在其他地层中钻进时，应采用常规钻进压力，并适当提高钻头转速。

注释

① 商务部国际贸易经济合作研究院，中国驻几内亚大使馆经济商务处，商务部对外投资和经济合作司 .2022. 商务部对外投资合作国别（地区）指南——几内亚[R].

参考文献