用于采矿的方法和系统与流程

1.本发明涉及用于采矿的方法和系统，特别是用于开采窄矿脉矿床的方法和系统。


背景技术：

2.开采窄矿脉矿床具有挑战性。一般认为上盘与下盘之间的窄矿脉厚度在3米以下。在一些矿床中，有黄金等贵重矿石的矿脉，矿脉不仅狭窄，而且急倾斜。因为没有有效的方法开采矿床，所以这些矿床开发被搁置。露天矿方法和地下挖填方法对于开采急倾斜矿脉在经济上都不可行，事实上，这些方法通常会导致净损失。这些方法的环境影响也没有吸引力。
3.话虽如此，就在加拿大纽芬兰省内，估计有340万盎司的黄金资源存在于这些狭窄的急倾斜矿脉中。


技术实现要素：

4.根据本发明的广义方面，提供了一种开采矿石的窄矿脉矿床的方法，该窄矿脉矿床具有上盘和下盘，该方法包括：沿着上盘和上盘之间的大致中心的路径，将导向孔钻凿到窄矿脉矿床中至矿脉内一深度；使用更大直径的钻井组件跟随所述导向孔以将导向孔周围的矿石破碎成钻屑；将钻屑随着液体流向上循环到井口；收集钻屑进行加工以回收其中的矿石。
5.根据本发明的另一广义方面，提供了一种用于开采矿石的窄矿脉矿床的采矿系统，该系统包括：钻机、导向孔钻井组件、开孔器组件，和液体循环子系统，其中所述导向孔钻井组件包括：钻头，其用于在矿石中钻凿导向孔；井下勘测工具，其用于相对于导向孔定位窄矿脉矿床的上盘和下盘；以及定向组件，其用于沿着上盘与下盘之间的路径引导钻头，所述开孔器组件包括：端部，其被配置为跟随导向孔；以及开孔器钻，其被配置为钻凿直径大于导向孔的钻孔以将矿石破碎成钻屑，所述液体循环子系统移动液体通过井，使钻屑从井眼循环到井口。
6.应当理解，根据以下详细描述，本发明的其他方面对本领域技术人员来说将变得显而易见，其中通过示例的方式示出和描述了本发明的各种实施例。如将意识到的，本发明能够用于其他和不同的实施例，并且其设计和实施的若干细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都由本权利要求所涵盖。因此，详细描述和示例在本质上被认为是说明性的而不是限制性的。
附图说明
7.为了更好地理解本发明，附图如下：
8.图1a至1g是示出采矿方法中的步骤并说明可能的采矿系统及其各方面的一系列示意图；
9.图2a和2b是可用于本发明的钻机的透视图；
10.图3a和3b分别是通过可用于本发明的柔性钻柱接头的剖切透视图和沿线i
‑
i的截面图；
11.图4a、4b和4c分别是可用于本发明的上部加压系统和扩孔组件中一个套管实施例的放大安装图、透视部分视图和另一套管实施例的整体安装钻机视图；
12.图5是可用于本发明的开孔钻嘴的透视图；
13.图6a和6b是用于在导向孔钻井作业中处理近地表液体的管壳的放大图。
具体实施方式
14.下面阐述的详细描述和示例旨在作为对本发明的各种实施例的描述并且不旨在代表本发明人设想的仅有的实施例。详细描述包括为了提供对本发明的全面理解的目的的具体细节。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。
15.窄矿脉矿床的上盘和下盘之间的厚度通常小于3米(通常约为1
‑
2米)。窄矿脉可以是急倾斜的，例如相对于水平方向从45到90
°
倾斜，或者最经常从60到85
°
倾斜。它们可以从进入位置，例如地表上或近地表，或者地下位置中(例如矿井中)进入。
16.这种采矿方法包括：从进入位置向下钻凿导向孔进入窄矿脉矿床中，并沿着上盘和上盘之间大致中心的路径到矿脉内的一深度；使用更大直径的钻井组件跟随所述导向孔将矿石破碎成钻屑；用钻井液循环使钻屑循环向上到进入位置；收集钻屑用于加工以回收其中的矿石。
17.从可持续采矿的角度来看，该方法相对于传统方法提供了一个或多个优势，例如：
18.·
提高安全性—可以选择尽可能靠近矿脉上端的进入位置，例如矿脉暴露并从其向下延伸的地方的地表处或接近地表或矿井中。由于所有操作都可以从矿脉上方的既定进入位置进行，因此该方法消除了与塌陷相关的风险。由于可以从地表进入许多感兴趣的矿脉，所以可以完全避免工人暴露至地下采矿。整个采矿作业可以从地表进行，没有理由让工人在地下。
19.·
最小化环境足迹—该方法在采矿过程中具有最小的表面积要求，并且钻孔可以很容易回收。同样，该方法可以包括钻孔回填作为采矿周期的一部分，这可以减少地表尾矿储存要求。
20.·
提高采矿和能源效率—无需爆破，该方法可以在最小稀释的情况下具有高度选择性。由于矿石是作为钻屑回收的，所以基本取消了通常的破碎步骤。大多数设备都可以由电力驱动。总体而言，这意味着生产单位矿石的能耗减少和排放量更少。
21.参考图1a至1g，新的开采方法旨在开采搁浅的、狭窄的和可能急倾斜的矿脉，这些矿脉太小或是孤立的，无法使用传统方法经济地开采。这种矿脉v的一个例子如图1a所示。这种矿脉v具有例如通常100
‑
300米的走向长度，并且在其上盘2和下盘4之间厚度t小于3米，例如通常约1
‑
2米。厚度t可以随着矿脉的深度和走向长度而变化。
22.窄矿脉矿床v可以急倾斜，例如相对于水平面以从45到90
°
，或者最经常60到85
°
的角度倾斜。矿脉可以具有沿其深度变化的倾角，例如在上端附近呈角度α1，在更深的深度处变为α2。
23.可以从矿脉上方的进入位置(例如地表s上或近地表s)进入矿脉。虽然地表上的进
入位置是优选的，但这种采矿方法也可以从与矿脉相交的矿井中暴露的矿脉矿床进行。
24.开采法是一种两阶段法，可概括为钻井采矿。
25.在第一阶段(图1b和1c)，如有必要，例如通过移除任何覆盖物ob以进入矿脉的上端来准备现场。此后，使用钻井组件从进入位置向下钻凿导向孔6至上盘2和下盘4之间的矿脉v的深度，其中所述钻井组件包括钻柱12上的导向钻嘴10。定向钻井工具14和方法以及井下勘测工具16和方法可用于将导向孔沿着矿脉深度保持在矿脉内并且绘制矿脉图。可以采用非破坏性勘测方法确定矿脉轨迹和从导向孔到上盘和下盘的距离。因此，导向钻嘴10可以在向下钻凿的同时保持在上盘和下盘之间大致中心，而不会侧向钻过矿床边缘进入上层和下层废石中。同时，可以表征矿脉，例如包括其倾角和厚度。
26.非破坏性勘测可以包括近钻孔成像技术。勘测和成像可以至少定时进行。因此，在钻凿导向孔时，可以不时地进行井下勘测。在一个实施例中，成像和勘测工具(诸如电缆勘测和/或地球物理工具)测量钻孔轨迹以及钻孔附近和钻嘴周围的矿脉的位置和几何形状。然后根据需要改变导向孔轨迹以跟随倾角并保持在矿脉内，例如，大致位于上盘和下盘接触部之间的中心。
27.勘测工具可以装置在钻井组件上，或者它们可以不时地进入导向孔中。在一个实施例中，偶尔停止钻孔，勘测工具16进入以评估矿脉和导向孔的位置。这包括拉起钻柱12和钻嘴10并与勘测工具一起进入，或者仅拉起钻井组件的一部分(例如导向钻嘴10的全部或部分)使得勘测工具16可通过钻柱，如在电缆上，并在导向孔中作业。在一个实施例中，当钻孔6被钻凿以勘测深度时，导向钻嘴的一部分，例如电缆芯或钻嘴塞10a，被移除以在钻柱的远端打开通过钻柱12的通道，钻柱从底孔6a拉起一小段距离，并且至少一部分勘测工具16伸出到导向孔中以测量包括例如矿脉成像的井轨迹和距离(图1c)。此后，可以移除工具16，恢复导向钻嘴并且操纵路线，如果需要的话，以保持沿着矿床倾角以及在上盘和下盘之间的中间。通过这种方式，导向孔在矿脉内钻到总深度。
28.当导向孔钻到所需的总深度时，可以将导向孔钻井组件和钻柱从孔中拉出。该孔可以保持裸着，所述孔是无套管的。
29.在第二阶段，如图1d所示，使用开孔钻井(可能伴随扩孔)以通过跟随导向孔来开采矿脉。该方法包括沿导向孔6并以导向孔6为中心移动开孔组件18。开孔组件包括钻柱20，钻柱20带有开孔钻嘴22，所述开孔钻嘴具有前端24，该前端被配置为跟随导向孔。因为导向孔6已经钻进矿脉v内并且可能大致在上盘2和下盘4之间中心，所以开孔钻嘴钻出以导向孔为中心的直径为d的扩大钻孔26。根据在导向孔钻井过程中获得的有关矿脉厚度的勘测信息，可以将开孔延伸到矿脉的极限，从而将矿脉开采到大约其全部厚度，而不会钻出太多的废石w。开孔钻嘴钻井直径可根据之前在钻凿导向孔时绘制的勘测/成像信息选择。第二阶段采矿继续进行的同时，允许开孔钻柱弯曲以跟随导向孔的轨迹。该第二阶段可包括一次或多次钻入，并且可选地进行扩孔以沿选定长度将孔打开至更大的直径。钻孔的直径可以是1
‑
3米，这可以通过选择具有1
‑
3米直径的钻井组件在有限次(例如一次)钻入中完成。
30.矿石被回收为钻屑，这些钻屑随着循环液向上流动到井口而循环。钻屑可以来自导向孔，用液体向上循环(箭头f)。但是，由于孔的相对尺寸，矿石钻屑将大部分来自开孔。循环可以是正向或反向的。正向是沿着钻柱向下并沿钻柱和钻孔壁之间的环空向上，而反向循环是沿着环空向下和沿着钻柱向上。在开孔时，可以采用反向循环钻井方法而反向循
环(箭头r)。循环液的液压支撑钻孔壁，因此不需要套管或额外的孔支撑件或衬管。但是，如果发现矿脉中出现严重的不稳定性，可以在开孔前通过安装缆绳和螺栓的方式对上盘进行预支撑。钻孔不需要脱水，因为即使在存在地质水的情况下也可以进行液体循环和钻屑提升。
31.当钻屑到达地表时，它们随后与循环液分离，并从钻屑中回收矿石。
32.一旦孔26被完全开采，钻井组件18被拉出钻孔。此后，例如可以用回填物填充钻孔(图1e)。回填物可以包括废料尾矿和任选的载体或粘合剂，例如水泥。因此，该方法可包括填充孔或将尾矿和粘合剂泵入孔中。这提供了环境效益，因为尾矿不需要储存在地表并且地质被稳定。此外，当回填物由粘合剂加固时，允许直接在已填充的钻孔旁边进行钻井采矿作业。
33.通过沿着矿脉的走向长度移动并开采更多钻孔来继续矿脉的开采，包括在多个位置钻凿导向孔6a，然后进行开孔26a。在一种方法中，允许有时间在开采相邻钻孔之前让回填物28固化，从而新孔可以直接开采到完成的孔26中的固化的回填物，并且可能与其部分重叠，以确保最大量的矿石回收。一种允许继续开采同时回填物在第一钻孔固化的方法，包括开采和填充第一钻孔26(称为主钻孔)，然后开采并填充与第一钻孔间隔开的其他主钻孔6a、26a(图1f)，从而打开的钻孔26a(从而矿脉的未钻进部分保留在孔26、26a之间，并且钻孔26a不连通)与第一钻孔26不接触或重叠。可以计划从另外的导向孔6b、6c来开采矿脉的剩余部分。例如，在时间允许孔26、26a中的回填物固化之后，可以在第一主钻孔旁边钻凿并打开次钻孔6b，以开采两个主钻孔26、26a之间的矿脉的未钻进部分。图1g示出了首次回填的两个主钻孔26、26a，以及它们之间的已钻进并准备打开的位于其间的次导向孔6b。进一步提出的或被钻凿的导向孔6c、6d将开采矿脉的剩余部分。在最先的主导向孔之间的次导向孔开始进行之前，可以为多个主导向孔安排开孔。或者，采矿计划可以交替主导向孔和次导向孔。导向孔钻凿可以独立于开孔，或者可以在沿着矿脉移动到下一个位置之前完成整个导向孔和开孔。由于导向孔可以精确定位，因此可以通过开孔至矿脉厚度、控制已开采孔之间的任何重叠或钻出进入废石以及回填已完成的孔来有效地开采矿脉。
34.该方法可能需要在第一阶段之前进行现场准备。例如，可以清理地表以暴露矿脉，或者钻井操作可以向下钻透地表材料以进入矿脉。
35.这种方法可以选择性地基本上只在矿脉内开孔，并最大限度地减少或至少提供对钻出多少废石的控制。因此，为矿石回收而处理的钻屑几乎没有来自上盘和下盘的废石或来自相邻开采的回填孔的回填物的污染。这有利于为矿石回收而处理的钻屑。
36.钻凿的每个扩大钻孔可以大致上跨越矿脉的厚度，例如1
‑
3米，并且可以沿着矿脉钻到相当大的深度，例如250米或更多，在倾斜矿脉中，该深度可以是大约200米深。对于在比重为2.8吨/立方米、直径为2米、长度为250米的含矿石矿脉中钻凿的孔，因此该孔可生产大约2200吨矿石。
37.用于开采窄矿脉矿床的开采系统可以包括：钻机、导向孔钻井组件、开孔器组件，和循环子系统，其中所述导向孔钻井组件包括：钻头，其用于在矿石中钻凿导向孔；井下工具，其用于相对于钻头定位窄矿脉矿床的上盘和下盘；以及定向组件，其用于沿着上盘与下盘之间的路径引导钻头，所述开孔器组件包括：端部，其被配置为跟随导向孔；和开孔器钻，其被配置为钻凿直径大于导向孔的钻孔，以将矿石破碎成钻屑，所述循环子系统将钻屑从
钻孔循环到井口进行收集和处理以回收矿石。
38.当然，钻机引导钻井液、操控钻柱和钻具、施加钻压(weight on bit，wob)并在钻柱中施加扭矩或至少反作用扭矩。在该系统中，希望一台钻机可以处理所有钻进，既可以钻凿导向孔又可以钻凿扩大钻孔。希望一台钻机既可以处理近地表作业，也可以处理进入到整个深度的作业，所有这些都是开采通过矿脉的整个钻孔所必需的。因此，例如，钻机应该能够处理用于导向孔和第二阶段大直径孔的钻井设备。这意味着，例如，操控直径范围从用于导向孔的10厘米到用于开孔操作的3米的钻嘴。考虑到典型金矿的母岩强度约为70
‑
200兆帕，并且该过程包括孔径大方差，钻机必须能够施加10到450kn wob。钻机还可以配置为倾斜钻进，以便钻入斜矿床。钻机可能还需要在运行时伴随着正向和反向循环，其中岩屑从钻柱内部向上流动到地面。
39.考虑到该方法可能需要将多个间隔开的钻孔钻入到矿脉中以及一些矿脉矿床的偏远位置，钻机应该相对移动。钻机可以是可移动的，例如，通过起重机、附接的滑轨，或诸如拖车或附接的拖拉机运输工具的运输底架。
40.在一个实施例中，桩顶钻机可能是有用的。桩顶钻机在套管的顶部上作业，通常用于例如打桩等施工。一种桩顶钻机包括：底板，其安装在套管的顶部上；工作台和夹具，其位于底板上并在套管内；以及上方结构，其在底板的上方，所述上方结构包括：拱形桅杆，其具有侧结构和上部分；具有动力旋转的顶部驱动，其被支撑在桅杆的上部分中；以及各侧结构中的加压油缸。吸入管与所述顶部驱动连通。这种钻机相对较小，能够运输到偏远地区。虽然它通常用于大直径钻孔，但该实施例中的钻机被配置为用于操控设备以从同一转动工作台钻凿尺寸范围为15厘米至3米的孔。此外，这种钻机可以配置为使用正(前向)或反循环钻进。该钻机可以使用液态和气态钻井液。
41.然而，桩顶钻机可能需要一些调整以最有效地用于这种采矿方法作业。例如，由于采矿有时需要尽早钻入基岩，因此可能难以放置安装有钻机的套管。因此，该系统和方法可以被配置为在地表执行额外的钻井步骤以便实现套管放置。特别是，典型的桩顶钻机需要大约16米的套管长度以产生足够的压头来提升钻屑。在该实施例中，基岩可能非常接近地表，因此很难或不可能达到16米的深度。因此，该系统使用较短或可变长度的套管，可能与加压循环相结合，以允许桩顶驱动以在没有16米套管的情况下作业。在正常钻井作业之前，还可能有必要进行调整以将开孔钻柱完全置于钻机底板的下方。此外，钻机工作台和/或顶部驱动可能需要调整以处理不同尺寸的管子，例如一个钻柱中的钻管和更大空间管。替代地或此外，钻机可受益于钻机到地表锚固系统以增强旋转扭矩和推力能力。
42.图2a和2b显示了配置用于钻入窄矿脉的两个桩顶钻机。虽然两个钻机由于其紧凑的尺寸都是可移动的，但图2a的钻机更容易移动。
43.图2a的移动钻机包括桩顶钻机结构110，所述桩顶钻机结构安装在运输底架112上，例如在轨道式，也称为卡特彼勒式或履带式底架上。所述运输底架保证了钻井现场之间的钻机移动性和钻井作业的操作灵活性。所述运输底架能够在不平坦和松散的路面上行驶。在该实施例中，套管114被支撑在底架上。所述桩顶钻机通过套管连接装置固定至套管的上端。移动平台还可包括锚固系统115用于将钻机固定到地面。所述锚固系统可以有特定尺寸以在钻井作业期间支撑反作用力。在一个实施例中，钻机通过牢固地锚定到基岩中的灌浆钢筋而锚定到地面。所述锚固系统被配置为抵抗钻井反作用力，同时避免干扰钻井操
作。
44.钻机可以包括用于存储设备的基础平台，例如在底架上的设置。
45.虽然未示出，但移动钻机可以被配置用于倾斜作业，其中例如在底架中，比如通过使用液压倾斜系统，套管114和钻机的上方结构118，实际上钻井轴线(限定在顶部驱动118a和底板夹具118b之间)是倾斜的。例如，底架可以包括使套管114和上方结构118倾斜的致动器。在一个实施例中，存在例如基于液压致动的底架系统，其驱动套管和上方结构相对于行进方向向前或向后倾斜，所述行进方向平行于轨道的长轴。这些功能允许钻机倾斜以钻凿与地表矿脉倾角相匹配的孔。
46.钻机还可配置有底板116和用于底板的调平系统，例如也通过液压致动器。因此，即使底架、上方结构和/或套管倾斜，也允许底板保持水平，例如基本水平。这有利于底板上的工人作业。
47.钻机还可以配置有用于钻机甲板的高度调节组件，包括高度可调节的，例如伸缩式支腿117、伸缩式套管114和驱动高度调节运动的系统。这允许钻机甲板和套管的高度变化。钻井作业从钻机甲板向下通过套管，然后进入要进行开采的地表(例如矿脉)。最初套管114设置在地表上。特别是，类似于图2b的系统，套管的下法兰安装在地面上，带有o环形密封于其间以密封接口并在套管内提供液体密封。下法兰可被配置为漂浮在套管上，以便可调节用于要定向的套管的角度，以与倾角基本匹配，而法兰下表面平行于地面定向。
48.例如，当钻机甲板116需要更高时，例如在钻井的早期阶段，套管中的伸缩构件114a允许套管长度更长，然后套管可以通过将一段套管可伸缩地轴向折叠进第二大直径套管段而缩短。在初始开孔阶段，当孔更浅时，套管可能需要更高，以便在孔底提供所需的钻孔压力。随着孔深度增加，可以降低伸缩套管和钻机以降低钻机的高度。伸缩构件可包括两个套管段之间的伸缩接口和压力保持滑动密封。带有法兰的套管可以在底部上，垂直位移组件(如液压系统)可以在伸缩接口处，以允许在(安装过程中)降低套管和钻机的高度时调整套管法兰。
49.在该采矿作业中，套管可抵靠矿脉的表面密封，或延伸一小段距离到矿脉中，以允许套管与孔之间的液体密封。这允许使用裸眼无衬里的钻孔来使孔扩展。
50.图2b示出了固定并安装在底座120上的桩顶钻机110。当安装在一个位置时，考虑到可移动底架的成本，拆卸、移动(如使用起重机)和沿矿脉在新位置上重新安装钻机的成本可能是可接受的替代方案。所述底座由混凝土制成，可提供坚固、水平的基底，钻机的套管114’可安装在所述底座上。将所述底座设置在矿脉v的进入位置上方，例如直接在暴露的矿脉上方的岩石的被清理区域。如果需要，在一次作业中，底座可以沿着矿脉的长度延伸大于安装钻机所需的空间，以便有空间向下移动钻机并钻下一个钻孔，而不必建造另一个底座。可以在套管和底座之间采用法兰连接件122。可以在法兰和底座之间使用垫圈123以提高地上套管中的钻井液保留。用于将套管法兰固定在底座上的螺栓的尺寸应在钻井作业期间支撑轴向和扭转应力。在一个实施例中，使用通过法兰并穿透混凝土板和下面的基岩b的灌浆螺栓/钢筋将带有法兰的管锚固至基岩。
51.套管可以安装在与矿脉初始倾角相对应的斜面上，以便钻井轴线大致跟随矿脉。因此，套管的法兰122可以配置为成角度的，而不是相对于套管长轴正交。该法兰有助于以一定的倾斜度固定套管，特别是法兰相对于套管长轴的角度决定了套管将从底座向上延伸
的角度，从而决定了钻井轴线相对于矿脉的角度。钻机底板116可以在水平、地平线方向上固定，而底板上方的钻机上方结构118，例如管道操作设备和顶部驱动，可以在倾面上并与套管的长轴轴向对齐。
52.除了套管之外，钻机还可包括支柱124以支撑钻机底板。所述支柱通过螺栓连接或焊接而刚性连接到套管114’和上方结构118，从而在钻井操作期间作用以适应设备重量、旋转扭矩和由于钻机上拉力引起的推力。
53.导向孔钻井组件在该方法的第一阶段起作用，以创建通过矿脉的具有导向孔尺寸的钻孔。导向孔跟随矿脉的倾角并且沿着矿脉内的轨迹钻进，例如，大致在上盘和下盘之间的中心。导向孔钻井组件包括：
54.用于在矿石中钻凿导向孔的钻头10—钻头可以是任何钻嘴，以及连接件，其被配置用于推进钻井组件通过矿体，例如金矿床。在一个实施例中，钻头可以被配置为通过旋转和冲击的组合而钻进。钻头还被配置为处理感兴趣的钻井液，例如在一个示例中的空气、泥浆或组合。在一个实施例中，例如，采用液压涡轮式或气动旋转冲击钻头。导向孔钻头可被配置为钻凿10至45厘米或更可能22至38厘米的孔。钻头10可以向上通过钻柱而可移除，而钻柱保持在井下，或者它可以包括可移除岩心筒或钻嘴塞10a，以允许从钻柱的远端打开进入钻孔的通路。
55.用于相对于钻头定位窄矿脉矿床的上盘和下盘的井下勘测工具16是非破坏性勘测工具，例如井下成像工具。勘测工具被配置用于近钻孔成像，并且可以包括，例如，地球物理工具，该地球物理工具结合在钻头上或通过钻柱或电缆传送并采用诸如探地雷达、高频声学、超声波、x射线、磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)等技术。
56.在一个实施例中，在导向孔钻井阶段期间使用近钻孔成像工具。在钻凿导向孔时的不同深度间隔，使用成像工具进行勘测。如果成像工具没有结合到导向孔钻井组件中，勘测可以包括使用井下成像和勘测工具通过电缆和/或通过在钻柱端部的附接件进入钻孔中。
57.一种可能的井下成像和勘测工具有两个主要组件：i)第一组件是地球物理成像系统，它提供近井眼区域的高分辨率图像，以识别钻孔与上盘和下盘矿脉接触点的距离，有关沿矿脉走向的横向方向的矿脉连续性的信息，以及有关钻嘴的钻头的连续性的信息；ii)第二组件是导向信息系统，其包括加速度计、磁力计和寻北陀螺仪的组合，提供关于钻孔轨迹的倾角和方位角以及成像工具的工具面角的信息。
58.井下成像和勘测工具信息用于确定钻孔轨迹是否偏离矿脉内的路径(例如大约在上盘和下盘矿脉接触的中间的位置)、是否轨迹偏离矿脉的倾角、是否矿脉改变厚度或方向，或者这些情形的某种组合。如果钻孔偏离所需轨迹，则使用井下导向工具通过近井眼信息来规划轨迹调整。
59.用于勘测工具的地球物理成像系统可以是探地雷达。然而，使用高分辨率声学、超声波、xrf或磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)的其他实施例也是可能的。
60.导向孔钻井组件还包括定向组件14，用于沿着上盘和下盘之间的路径引导钻头。定向组件被配置为操控钻柱，使得它可以在矿脉内钻凿导向孔路径，例如大致在上盘和下盘之间的中心。定向组件可包括楔子、造斜器、弯曲接头、自动起球器或其他定向工具。可以注意确保定向组件与所使用的钻柱、钻头和液体一起工作。
61.导向孔钻井组件钻柱还可包括钻铤、稳定器、扶正器、测井仪等。
62.虽然钻机可用于第一阶段和第二阶段钻井，但在第一阶段，钻凿导向孔期间，系统可能需要跨接器112a以连接桩顶钻机中的美国石油协会(american petroleum institute，api)钻管。跨接器是桩顶钻机的顶部驱动与api标准钻柱之间的接口。它允许钻井液的正向循环。跨接器的下端是api引脚连接。跨接器可以包括顶部驱动的液体注入点之间的连接。特别是，如果使用旋转冲击钻具钻凿导向孔，则使用带或不带泡沫的压缩空气，并且该压缩空气沿钻柱向下和沿环空向上正向循环。建议的跨接器允许从导向孔钻井的正向压缩空气循环切换到开孔钻井的气举辅助反向循环。
63.在已经钻凿一定长度的导向孔后，开孔器组件在该方法的第二阶段起作用，以沿着导向孔扩大孔径。因此，这会在矿脉内回收更多的矿石。开孔器可以通过一次或多次以将孔扩大到大致矿脉的厚度。该过程可以包括扩孔，以便可以使用开孔器开采矿脉的较厚区域。参考图1d、5a和5b，一种有用的开孔器组件包括：
64.a.下部导向端24，其被配置为跟随导向孔—开孔器组件旨在跟随导向孔。因此，开孔在矿脉内开采出约等于和超出导向孔半径的扩大半径。导向端被配置为找到并保持开孔器以导向孔为中心并跟随导向孔。导向端24可以是例如刺针，或者称为头锥(bullnose)，其是细长的延伸部，尺寸适配于导向孔并被沿着导向孔推动。导向端24可具有刚好小于导向孔的外径并且可包括支承表面以在该导向端24沿导向孔移动时增加它的耐磨性。导向端24可以被配置为旋转，因为这可以有助于穿透。虽然它通常不是必需的，但如果导向端旋转，它的下端可能有一个钻嘴。
65.b.开孔器钻22直接或间接连接到导向端24的上端。开孔器钻被配置为在矿床内并沿着矿床钻凿钻孔。开孔器钻包括切削面28，切削面28包括切削具28a和稳定器表面29。钻孔具有比导向孔大的直径，并且所述钻用于将导向孔周围的矿石破碎成钻屑。当导向端24沿着导向孔被推动时，切削面28接合并切入导向孔周围的岩石中。每个开孔器钻22的尺寸至少大于导向孔的直径。至少一个开孔器钻(如果有多于一个，则是最后一个)的直径被选择为在矿脉内开采最终直径。开孔过程的目的是在整个矿脉的厚度上钻出基本上所有的矿石，而无需显著钻入矿脉的任一侧废石中。因此，最终的开孔器钻可以例如具有这样的最大直径：例如与从上盘到下盘的矿脉的厚度 /
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10％大约相同，其至多3米并且通常大约为1
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2米。如果要在多次运行中扩大孔的直径，则可能会有多个开孔器钻一个接一个地使用。然而，在一个实施例中，通过单个开孔器钻将孔开到选定的全直径。
66.为了确保尽可能多地开采矿脉，开孔器钻可以包括扩孔器机构30，该扩孔器机构30允许至少一些切削具28a扩展到更大的直径，同时钻嘴保持在井下。因此，如果矿脉的厚度沿深度更大，例如，如在导向孔钻井过程中通过勘测和成像确定的，则开孔器钻可以沿该特定的深度扩展到更大的直径。这允许对孔进行扩孔并沿孔的特定长度开采更大的直径。例如，扩孔可以使孔直径比开孔器钻的正常直径增加多达30％。因此，虽然为了穿透率和避免钻出废石而优选钻凿最小直径的孔，其中矿脉沿特定长度具有更大的厚度，但可以沿该特定长度在更靠近上盘和下盘的接触处开采该孔眼。如果需要，可以在扩孔过程之后将开孔器钻退回到原始开孔直径。这允许在一次开孔操作中从矿脉中回收尽可能多的矿石。
67.钻井参数影响钻屑粒度分布，这影响矿石加工和分离工艺和设备中的矿石磨碎和粉碎要求。例如，在传统矿石加工中，在将矿石破碎成适合矿石提取的碎片大小时消耗了大
量的能源。本文中，可以选择诸如钻嘴尺寸的钻井参数来在开采矿石时将其破碎，例如在钻凿导向孔和更大直径的孔时，将矿石破碎成更适合矿石提取的尺寸。因此，可选择钻嘴尺寸以将矿脉破碎成平均切割尺寸小于5厘米直径或可能小于1厘米或小于5毫米。这种尺寸的钻屑可以容易地通过液体循环去除，并且容易在地表进行处理。
68.在一个实施例中，开孔器钻可以是反循环型钻嘴，包括液体入口32，其邻近例如在切割面上的切削具28a。
69.c.开孔器组件还包括钻柱33。钻柱连接到开孔器钻22的上端22’处，并且钻柱朝向地表和远离地表轴向移动也使开孔器钻嘴和导向端24移动。同样，钻柱的旋转运动也使包括开孔器钻嘴22和导向端24的开孔器组件旋转，从而钻出与钻嘴切削具28a接触的矿石。
70.钻柱采用管接头34，所述管接头能够将扭矩传递至开孔器钻嘴并输送钻井液和/或回收钻屑。在一个实施例中，钻柱包括大直径钻管(例如15至45厘米或更可能22至38厘米)，该大直径钻管通过将钻管的法兰端螺栓连接在一起而被连接。螺栓法兰连接使钻柱和钻嘴能够根据需要在两个方向上旋转以防止钻柱卡住，以清除堆积的钻屑等。螺栓法兰连接(可能在接口处带有o形环)还提供了良好的密封，防止在回收循环过程中钻井液和钻屑泄漏。
71.已发现上述钻柱在系统中运行良好。但是，如果使用这些大直径、法兰对法兰连接的管使钻柱过硬而无法适当弯曲以跟随导向孔沿着矿脉时的不同方向，钻柱可以被调整以增加其灵活性。例如，它可以重新配置为具有一定程度的灵活性，例如高达5度的弯曲度。在一个实施例中，如图3a和3b所示，采用柔性钻柱接头，其包括带有钢衬管42的弹性体环40，所述弹性体环夹在至少一些(例如每第二或第三)钻柱接头34的法兰端44a、44b之间。弹性体环40位于第一管的法兰44a和第二管的法兰44b之间，使得两个法兰间隔开并且不接触。钢衬管是一个圆柱体，其内径与所连接的管的内径(inner diameter，id)大致相同。钢衬管紧靠在管端部之间，以通过钻柱传递压缩力并限制轴向载荷以防止弹性体环挤压到内径中。
72.然后使用刚性弹性垫圈46(例如贝氏垫圈)围绕螺栓48使法兰通过螺栓连接在一起。这种柔性连接使接头能够弯曲而不会破坏螺栓或损害法兰之间的密封。通过这种柔性连接，钻机仍然可以在钻柱组件之间传递高旋转扭矩，但钻柱可以弯曲，因此大直径开孔器可以容易地跟随定向导向孔，并且钻柱可以沿着变化的轨迹弯曲。
73.在一个实施例中，钻柱被配置用于采用液体反向循环的操作，并且例如，可以具有多个导管用于空气的向下循环以改善输送的钻屑的向上循环。钻管可具有多个壁，例如被配置为双壁或具有用于这种空气注入的外部导管。还参考图3a和3b，钻柱可以包括一个或多个外部导管50，其沿着主钻管延伸以沿着钻柱向下输送压缩空气。每个导管向下延伸到通过钻嘴的端口。该端口在位于开孔器钻嘴上的注入点处进行排放。排放口在钻嘴的靠近钻嘴循环入口的表面上，用于将钻屑通过入口32输送到管柱内径id。每个导管50可以固定在法兰44a、44b处。在一个实施例中，每个导管由多个管段50a、50b形成，每个管段安装在钻管的上法兰和下法兰之间，管段的上端终止并密封在上法兰中且管段的下端终止并密封在下法兰中。接头处对齐的管段之间的连通是通过法兰和通过环形圈40的孔。因此，虽然管段形成沿着多个管的连续导管，但是与在钻管柱连接处提供的自由度一样，沿着导管也保持自由度。
74.导管向下输送压缩空气以允许在开孔器钻井作业期间增加井底压力。这种类型的钻管(带有用于注入压缩空气的导管)可在没有足够的井底压力来支持钻屑输送时，伴随着反向循环的开孔器钻井作业期间，例如在开孔钻嘴靠近地表时使用。压缩空气在钻嘴处与孔中的水混合并促进提升。该孔可以用水填充和重新填充，以代替随岩屑提升出来的水。
75.钻柱还可包括稳定器和其他钻具。每2至4个管接头可安装稳定器。稳定器的直径可以与开孔器钻嘴的直径相同。循环子系统使钻井液循环通过井，例如，以将钻屑从钻孔提升到井口用于收集和处理以回收矿石。
76.所选钻井液的类型可取决于钻井类型。例如，钻井液可以是水基的、泡沫的或气态的。有可能一种类型的液体用于导向孔钻井，而另一种类型的液体用于开孔。在一个实施例中，压缩空气用于导向孔钻井，可能在更深的深度使用泡沫压缩空气。对于开孔，水可以任选地与空气提升辅助一起使用，如上文关于导管50所描述的。
77.循环系统可包括泵、导管、阀和用于改变钻机处的钻井液循环方向(反向或正向)的装置。该装置允许钻井液循环方向改变，并可以使用水、压缩空气和泡沫等多种液体类型进行作业。该装置可包括可产生具有选定特性的泡沫的阀组和混合器。在一实施例中，当从导向孔钻井重新配置为开孔钻井时，循环方向被切换。
78.来自导向孔钻井和开孔的钻屑都是有价值的，因为它们含有矿石。因此，在两个阶段都存在收集岩屑的岩屑收集系统。因此，该系统包括可用于正向和反向循环的收集路径。根据循环方向，可能有从钻柱或从环空的返回物。因此，含有钻屑的返回物可通过顶部驱动118a输送并通过排放管线118c排出或通过用于环形连通的套管中的端口60排出。
79.如上所述，跨越钻井甲板116和地表之间的距离的套管114中容纳了用于导向孔和扩大孔钻井的钻井操作和设备。套管114因此具有足够大的内径以允许开孔组件通过其中并且因此直径可以是至少1米和可以是大约3米。通过套管进行操作有一些注意事项。
80.如上所述，在某些情况下，例如在接近地表钻井时(即当底部钻具组合刚刚开始钻凿或接近地表时)，可能没有足够的套管高度和头部容积来提供足够的钻井压力。在这样的实施例中，可以增加钻嘴上方的孔压力以提供更合适的液体静压力。
81.例如，在钻凿导向孔时，钻柱的直径比套管114的直径小很多倍。因此，当钻凿导向孔时，可采用用于较小直径钻管12的钻屑收集装置和适配器，其被配置为在较大直径套管内稳定较小直径钻柱并允许钻井液和钻屑在导向孔钻井操作期间流出。如图6a和6b所示，该装置包括管壳61，其直径大于钻柱12的外径，但远小于套管114。管壳提供不透液体的导管，钻柱12可以通过该导管运行和操作。管壳沿着套管114的长度延伸以跨越钻机甲板和夹具118b与地表(例如导向孔将在其中被钻凿的暴露的矿脉v)之间。管壳61在其内壁61’和钻柱之间形成环形空间，以容纳液体循环。因此，在通常与导向孔钻井组件一起使用的正向循环过程中，钻井液和钻屑可以流出环空并防止钻屑沿导向孔下降。此外，该装置包括i)填料函62，其将孔与大气压力隔离；ii)扶正器64，其在管壳上，用于稳定和固定套管114内的装置；iii)端口61a，钻井液和钻屑可通过该端口离开管壳；和iv)弹性密封件63，其安装在管壳61的底端和地面之间。弹性密封件63避免了管壳61和地表之间的钻井液泄漏。在导向孔钻井操作中，包括管壳61的装置通过扶正器64大致同轴地固定在套管114内，并且回流管线在端口61a处被连接。钻管柱12可以通过填料函62进入并在管壳61内工作。可以从管壳61到矿脉v开始正常的导向孔钻井操作。在密封件63下方，导向孔被钻成开孔。正向液体循环可
通过管壳61离开孔并通过端口61a排出。管壳61和套管114之间的空间保持打开但不与管壳61的内部液体连通。当完成导向孔，包括管壳61和扶正器64的装置从套管114上拆下。这使得套管打开以使用开孔器组件18进行钻井活动。
82.上面已经指出，当在近地表钻井时，可以采取措施来确保足够的静压头。这在开孔期间尤其要注意。如上所述，在一些实施例中，套管114和钻机可以被升高以在钻嘴面上方实现大约16米的套管柱高度。参考图4a
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4c，可以通过向开孔器钻嘴18上方的环空加压来实现上部环空中足够的钻井液压力p1，可能具有正向循环。为了对环空加压，可以使用在开孔钻柱33和套管114的内表面之间形成环形密封的装置，从而可以增加其下方的压力。上部加压装置安装在钻柱33上并定位在套管114中。该装置包括具有环形密封件72的法兰70，它们一起形成旋转密封组件，该旋转密封组件跨越套管和钻管之间的环形区域。法兰可与钻柱一起旋转，同时通过将密封件72推靠在套管壁上来保持压力密封。例如，图4c示出了当导向端24进入导向孔6时，钻嘴22准备好挖掘扩大的钻孔通过底座120并钻入基岩或矿脉中。虽然如所示的套管长度不足以为钻井操作提供足够的静压头，但法兰70和密封件72下方的压力可以增加到该压力p1。法兰70上方的套管对大气开放。
83.随着钻井的进行，法兰70在套管114中向下移动。诸如端口60的端口保持套管与(钻柱33和套管114之间的)环形区域之间的液体连通，并且该端口是这样的端口：通过所述端口环空压力被保持。因此，旋转密封组件必须保持在该端口上方。因此，最终钻柱33和法兰被从孔中拉出，并且更多的管接头被增加至法兰70和钻嘴22之间的钻柱。当开孔器到达液柱足以支持钻井作业的深度时，可将旋转法兰组件从孔中拉出，并且可以在不对上环空加压的情况下进行开孔。开孔是在没有套管衬管的情况下开采的，密封件123防止泄漏。在此时，如果循环是正向的，则循环可以反向以通过钻柱33内径返回。
84.在开孔期间，钻屑被收集在井口并被处理以回收矿石。无论钻屑是来自导向孔钻井还是开孔，回流的都是钻屑和所用液体的混合物。钻屑可通过被动沉降或主动相分离来与液体分离。沉降可以在沉降室或罐或池塘中进行。主动处理可以通过旋风分离器或筛网(例如振动筛)进行。分离速率或碎屑尺寸可以指导选择。
85.钻屑一旦被分离，就会被处理以回收矿石。因为矿脉通过经钻井过程的采矿而被破碎，因此可以最小化并且可能消除破碎和研磨的要求。
86.前面的描述和示例是为了使技术人员能够更好地理解本发明。本发明不受说明书和实施例的限制，而是基于所附权利要求给出广义解释。