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液动冲击回转钻探技术的研究与应用(之二)

发布时间:2013年12月31日
来源:探矿工程在线

 

液动冲击回转钻探技术的研究与应用(之二)

 

苏长寿, 谢文卫

(中国地质调查局勘探技术研究所,河北 廊坊 065000)

 

8  钻进工艺及使用注意事项(以绳索取心液动锤为例)

8.1  对冲洗液的要求

液动锤是在含有固相及微粒钻削的泥浆环境下高频往复运动,因此采用高质量泥浆、并且用好则显得十分重要。否则会加剧液动锤零件磨损、影响使用寿命,还可能阻卡使液动锤不工作。因此有必要对泥浆提出较为严格的要求:润滑性能好、含砂量低、黏度密度低,黏度一般不大于30s,含砂量不大于0.1%,密度1.1g/cm3;在条件许可时推荐使用泥浆润滑剂将更能提高液动潜孔锤性能并延长使用寿命。泥浆材料推荐具有四低(低粘、低切、低密、低失水)一高(高润滑性)的LBM。同时特别注意冲洗液中不要混入铁丝、棉纱、木屑等杂质。在条件允许时施工现场应配备旋流除砂器、除泥器等固控设备;未能配备净化设备的机台,循环槽的长度≮15m,内宽250∽300mm,高250mm,坡度1/100∽1/80,槽中每隔1.5m∽2m要能够上下交错安设挡板,上挡板高100mm,距槽底50mm,下挡板高100mm,直接放置槽底。我们应该知道,优良的冲洗液会使液动潜孔锤性能充分发挥,寿命大幅度延长。

8.2  钻进参数的选择

1)钻压和转速——绳索取心冲击回转钻进均为金刚石钻进,故所用钻压、转速基本同或略低于普通绳索取心钻进。

2)泵量和泵压——绳冲钻进中的液动锤系靠泥浆泵产生的高压液流驱动,在其工作范围内泵量越大,冲击频率、冲击功也越高,所以在泵及钻孔条件允许的情况下,最好是用较大的泵量,随着钻孔深度的增加,钻孔环状空间产生的压力降增大,为保证液动锤正常工作和设备安全,可适当降低泵量。泵压的适用范围为0.5~4.5MPa。可以在适应孔内其他钻进因素要求的情况下,随着井深的增加,同样的地层钻进所需的冲击功也会增加,在进行深部井段施工中应该在安全前提下尽量使液动锤的泵压保持在推荐工作范围的较高值。

8.3  使用前的准备工作

1)按照使用指南认真调整液动锤的结构参数及弹卡钳与弹卡挡头之间、卡簧座与钻头胎体内台阶之间隙。(特别提示:由于该钻具与常规绳取钻具相比,长度和重量均增加,钻具水平放置测出的距离有误,应该将钻具悬吊起来,使钻具的减振等影响纵向尺寸因素消除,这样测出的尺寸才能保证,否则会造成卡簧座坐到钻头内台阶无法正常使用问题)

2)检查各丝扣联接情况,外管总成的螺纹连接处要涂抹丝扣油,以增加螺纹的密封性能,并方便拧卸。内管总成的螺纹应拧紧,尤其是液动锤外管、卡簧座等处,以防钻进过程中倒扣,拧卸应使用专用自由钳,避免因外管壁薄而将管子压扁或引起变形。

检查锤轴、锤套是否灵活,组装锤轴、锤套及传功环时,其上的密封圈部位处应涂抹黄油,以防装配时被丝扣划伤。定期检查传功环外径、承冲环内径的磨损情况,比设计尺寸间隙(0.05~0.15mm)大0.2~0.3mm时应予以更换。

3)孔口试验:将钻具外管总成下到孔内,在井口固定好,将液动锤内管总成投入到外管总成内,此时内管总成到位并坐落在承冲环上,然后将钻具与钻机主动钻杆连接上紧,将主动钻杆吊起,使钻具处于悬吊状态。将主动钻杆水龙头、稳压罐与水泵用高压胶管依次连接紧密。然后开泵送冲洗液,当泵量为52L/min时,泵压达到0.5MPa,液动锤开始低频小功冲击启动;当泵量换为90L/min时,泵压此时达1.6~2MPa,液动锤频率增大,停待数分钟,液动锤工作正常,无停止冲击现象出现;泵量换至145L/min,此时泵压达到3MPa,液动锤剧烈冲击,冲击功明显增大。同时在各个状态下将钻具来回上提和下放数次,液动锤的启动性能和防空打性能均工作正常。通过井口试验,对液动锤的工作情况有了大体的了解,也对泵压及高压胶管的颤动声有了明显的了解。可依据孔内的试验情况和钻进需要对液动锤的冲击频率、冲击功、泵量、泵压等参数做出合理的调整,以使液动锤达到正常工作和满足钻进需要。

8.4  钻进及内管的下放和打捞时

1)用打捞器将内管总成吊起,待弹卡钳进入钻杆后松开打捞器。考虑到岩心内管与液动锤连接长度大,该钻具在设计时设置了分离机构,可以先将岩心内管用分离提引接头放入外管内,然后与液动锤连在一起再共同放入孔中。

2)内管总成到位后,将钻具下到距孔底0.5m左右的地方,泵入一定泵量,用轻压慢转扫孔到底,此时液动锤应低频小功开始工作,待一切正常后再增压和适当调大泵量,进入正常钻进。如果液动锤不工作,则应将钻具提离孔底,用改变泵量的方法进行调整,直至液动锤工作为止。并逐步调整泵量到标称值,使钻具工作正常,并且用手摸高压胶管能感觉到震动,泵压表指针将指示到2MPa以上。

3)在关泵或某些原因停止钻进时,钻具应提离孔底0.3m左右再停泵。

4)为了防止钻具(特别是内管总成)螺纹松扣,在钻具较长时间提离孔底的情况下,应关闭泵,避免液动锤长时间空打。

5)岩心内管总成所有带螺纹的部分都要拧紧,防止由于液动锤振动将其松开。

6)每次下大钻后,必须冲孔,以便将钻杆内的冲洗液排出,深孔(大于500m)冲孔10分钟以上,尤其要保证传功环处清洁,否则会出现由于阻卡而提不动内管总成。

7)用泥浆开孔下完套管后,使用金刚石钻头正常钻进时,必须将搅拌机及管路、泥浆槽清理干净,再用无固相或低固相优质泥浆钻进。

8)下大钻时,最好将内管总成后下,这样可减少或避免在传功环处存砂和夹阻。

 

9  应用效果

液动潜孔锤技术是一项与生产密切相关的技术,具有配套简单方便,基本上不改变目前现场常规配置设备,同时又能较大幅度提高钻进效率、节约成本的优势,因此,广大使用者通过亲自体验,逐步认识到它的优越性,并及时将发现的问题和建议反馈给我们,使其不断完善。自2007年以来,共有800余台套各类型号的液动锤产品应用于生产,钻进进尺180万米以上,提高时效40%;降低成本15%,每米可节约生产成本80元,直接销售额1500万元以上,使用单位间接效益达1.44亿元,取得了显著的经济效益。

9.1  YZX127液动锤在CCSD1井成功应用

由勘探技术研究所研发(获两项中国国家发明专利ZL99100660.7;ZL 02 1 25436.2)的YZX127液动潜孔锤,在国家重点工程—中国大陆科学钻探CCSD1井施工中,配合属世界首创的具有中国特色的组合钻探工艺:螺杆马达/液动锤/金刚石取心工艺,效果显著。自2001年8月到2005年1月13日CCSD1井施工YZX127液动锤共计下井498回次,累计进尺3485.71m,井深5118.2m,在可钻性8~9级榴辉岩和片麻岩中,平均钻进效率1.13m,最高钻进效率2.46m,较回转提高近一倍。回次满管率达95%以上。岩心采取率为90%以上,取得了良好的效果,显著地改善钻探施工的经济技术指标,同时表明该液动潜孔锤对愈来愈深孔的适应性。这也是截止目前液动潜孔锤取心钻进且取得显著效果的最新世界记录。

9.2  YZX98液动锤水文水井钻探应用

YZX98液动潜孔锤于2006年4月到5月中旬,在昆明工程勘查院威信县麟凤乡小坝村801孔进行生产性使用,此孔为坑口电站用煤竖井井筒检测孔。要进行水文、煤层等多项实验检测内容,要求分级进行水文检测,因此,钻进则需采用钻、扩、封、测多种工序,要求全孔取心,孔斜不大于1°/100m。地层为矛口灰岩、峨眉山玄武岩,可钻性6~8级,局部岩石破碎。采用XY—5钻机;60/55两方主动钻杆;50外丝钻杆;BW320泥浆泵; 120kW柴油发电机组。 17.5m角钢四方塔。112mm/78mm金刚石单管钻头,设计孔深700m(实际终孔702m)。全孔漏水,水位68m。累计液动潜孔锤冲击回转钻进进尺310m,平均时效1.5m,最高时效2m,与回转比较,时效提高50%以上;平均日进尺20m。累计钻进回次120回次,平均回次长度2.58m,满管率80%。回次长度较回转提高15%。

9.3  YZX98液动锤锚固施工钻探

该技术应用到灾害治理锚固跟管钻进施工,与气动潜孔锤比较,在降低噪音和空气污染方面,具有显著的效果;由于是潜孔冲击,与液压顶部冲击对钻具的损伤和能量的衰减都有明显的改善。北京京有恒公司、黑龙江岩土基础工程公司利用YZX98液动潜孔锤配套锚固双管钻进,在作为2008年奥运会重点工程项目——北京饭店二期改扩建工程和沈阳地铁小什字站基础锚固钻探中,钻进近百孔,进尺2000余米,钻进效率达1m/min。充分表明具有以下特点:

1)由于利用钻探常规配套的泥浆泵,设备配套方便,投资小.

2)利用泥浆泵为动力源,对环境污染少,噪声小。护壁效果优良。

3)液动潜孔锤启动灵活,操作方便。工作稳定可靠。无故障时间长(大于70h),易损件现场更换方便。

4)与顶部冲击比较,采用液动潜孔锤潜孔冲击,能量损失少,对钻具(尤其是钻杆和套管螺纹)损伤小。

9.4  新型绳索取心液动锤在福建八队成功应用

SYZX75绳索取心液动锤的应用,得到福建地勘局、地质八队及钻探公司各级领导的高度重视,王昆副局长亲自到钻进现场检查指导。通过在武坪县悦洋银多金属普查项目施工的ZK49-7孔和12排ZK803孔等十余孔使用钻进2200余米,(目前该队累计冲击回转进尺10万米)取得以下效果:

1)钻进效率大幅度提高。在悦洋银多金属普查项目施工的ZK49-7孔可钻性5~6级灰岩中取得8h进尺42m。较同条件绳取回转钻进提高近3倍;在12排ZK803孔可钻性8~9级的片麻岩中,8h班进尺10m以上,较同条件绳取回转钻进提高近2倍。

2)由于时效大幅度提高,动力燃油费用明显下降,由37元/m下降到21元/m。

3)对金刚石钻头胎体寿命没有明显影响。

4)在完整地层回次满管率达90%以上,在破碎地层回次长度提高60%以上。

(2007年12月4日《地质勘查导报》)

 另据福建8队傅丛群队长统计,截止目前已完成钻孔近百个,钻探工作量10万米,得出的结论为:与普通绳取相比钻进效率大幅度提高;坚硬打滑地层钻速显著提高;硬、脆、碎地层采取率增加回次进尺延长。(摘自《探矿工程(岩土钻掘工程)》2011年第9期,作者:傅丛群)

9.5  SYZX75绳冲钻具在破碎易堵地层配套加长岩心管的应用效果

内蒙古赤峰市双山子铜多金属矿普查,此矿区位于一个大的构造带上,岩石为花岗岩、正长岩、杂色复合成分的角砾岩、混合花岗岩组成、软硬变化频繁,节理发育,构造泥多,非常破碎,采取常规绳索取心钻探,岩心采取率低,无固相冲洗液无法将绝大部分岩粉携带出来,造成孔内岩粉过多,颗粒过大,重复破碎严重。有的机台因此提前终孔;也有的机台因此烧钻;还有由于孔内岩粉过多造成钻头磨损过快,使得进尺成本过高。由于节理发育、破碎,钻进中极易发生岩心堵塞,回次进尺在0.2~2m之间,提取岩心频繁,辅助时间过多,台月效率低。在使用了SYZX75绳索取心液动锤钻具,大大提高了进尺速度,降低了材料消耗。取得良好效果。

2008年吉林核工业探矿队采用勘探技术研究所研发生产的SYZX75绳索取心液动锤,经过短期的摸索试验,取得经验,在正式钻进中取得如下效果:

钻进设备及参数:连云港YHQ-5型钻机,衡阳BW-250型泥浆泵,转速447r/min,即6挡,水量是60L/min,孔底压力15kN左右,金刚石钻头外径为φ78mm。

在该矿区ZK2615孔使用SYZX75绳索取心液动锤,岩心管长是3m,完成进尺967.92m。该孔岩石破碎,还有构造泥。使用了液动锤,每个回次都取出了3m的岩心,岩心采取率100%,有一个回次,3m岩心管两边各1m岩石,中间1m是构造泥。这种效果得到地质人员的高度评价。在ZK3412孔位使用了液动锤,岩心管加长到4m,完成进尺812m,不管是破碎还是构造泥,每个回次都是提出4m长的岩心,采取率100%。在ZK2613孔中又把岩心管加长到5m,进行钻进试验,结果非常成功:不管是破碎、节理发育、构造泥夹层,每个回次岩心都是满管5m,取心率100%,完成进尺826m。在ZK0850孔位中继续使用液动锤和5m长岩心内管。3个完整孔的钻探施工证明,使用SYZX75绳索取心液动锤取得了以下效果:

1)提高了钻进速度,岩心采取率100%,降低了材料消耗。例如,一套岩心内外管就完成3个孔,即进尺2605.92m,岩心内管没有一根损坏。

2)提高了钻头的寿命。在ZK1615孔,孔深860~967.92m中,金刚石钻头的胎体硬度为HRC38~42,单个钻头进尺160m;在ZK0850孔,孔深在50~230m中,金刚石钻头的胎体硬度为HRC15~20,单个钻头进尺180m,寿命最短为单个钻头进尺是74m(金刚石钻头胎体硬度HRC10~15)。

3)减少了辅助时间,时间效率最低55%,最高75%。例如把内管下到钻杆内,可以对上主动钻杆,用冲洗液往下冲,使内管的下沉速度加快,到位后液动锤工作,就有冲锤振动声传到孔上,同时水压也上升0.8MPa以上.这样就可以开始钻进,

4)使用绳索取心液动锤岩心采取率高,孔内岩粉少,孔内故障就少。

 (摘自《探矿工程(岩土钻掘工程)》2009年第2期,作者:刘景华)

9.6  绳索取心液动锤钻深超过1600m减斜效果好

山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队2008年在兖州颜店铁矿勘查中,钻遇地层以白云岩,云斑灰岩为主,岩石破碎,裂隙溶洞发育,属严重漏失地层。1000~2000m为绿泥绢云千枚岩。岩心轴夹角大,局部见有石英脉,属易造斜地层,多段岩石破碎;采用常规绳索取心钻进,出现时效低、回次短、钻头寿命低、孔斜强度大等问题,经采用SYZX75绳索取心液动锤在zk001孔,从1121m开始钻进至1648m,取得良好的效果。时效提高30%,回次进尺增加18%,钻头寿命增长15%~80%,孔斜强度由6.03°/百米降到1.75°/百米,成本降低10%~30%,台月效率提高40%。通过连续钻进527m,表明该绳取液动锤具有设备配套简单,使用操作方便,性能稳定,经济效果显著。

(摘自山东地质三队试验报告,陈师逊)

9.7  山东乳山2000m示范孔应用效果

由勘探技术研究所牵头负责联合北京探矿工程研究所、探矿工艺研究所、中国地质大学(武汉)、吉林大学、中装公司共同完成的山东省乳山金青顶矿区zk43-1孔,是将“十一.五”863重点项目集成完成的高效优质示范孔。其中75;96mm大深度绳索取心液动锤做为重要子课题,在高背压条件下稳定工作,提高了钻探效率,降低了钻孔弯曲强度,成为保证该孔顺利实施的条件之一。

SYZX96绳索取心液动锤在山东乳山的2200米示范孔进行生产试验,试验从2009年10月31日开始孔深761米,到2010年1月1日结束孔深1461.3米,累计进尺700.3米,与绳索取心钻进相比,时效提到142%;SYZX75绳索取心液动锤于2010年1月7日开始,试验开始孔深1464.8米,结束孔深2211.4米,累计进尺746.6米,与绳索取心钻进相比,时效提到145%。

9.8  福建煤田121队使用效果

该队用在甘肃省肃北县德勒诺尔铁矿区坚硬、破碎地层中使用SYZX75型绳索取心液动锤,大幅度提高了回次长度和钻进效率,回次长度由绳钻的1m左右提高到3m以上,时效由1.6-1.81m提高到2.27-2.48m;有效克服了破碎地层的岩心堵塞,提高了破碎地层岩心采取率,由70%左右提高到90%左右;有助于斜孔施工中的孔斜度控制。

(摘自《探矿工程(岩土钻掘工程)》2012年第1期,作者:罗冠平)

9.9  YZX98液动锤在WFSD-2孔成功使用

汶川地震断裂带科学钻探工程2号孔(WFSD-2)是在龙门山断裂带旁侧实施的5口科学群钻中的一口科学钻探孔,其主要实施目的是连续获取500m以深孔段岩心,供地学研究地震断裂发震机理,并在完钻后下入探测仪器,建立长期观测站。

2011年10月21日开始五开取心钻进,钻孔口径Φ122mm,前期采用Φ95mm螺杆马达+转盘复合回转驱动电镀金刚石钻头,因地层极其破碎,钻进中频繁出现破碎堵心而提钻,严重影响钻进效率。进入长段致密炭质粉砂岩、泥页岩后,地层渐趋于致密、坚硬,受制于Φ122mm口径取心钻具钻压限制,机械钻速逐渐降低。地层破碎和岩心堵塞一直是汶川科钻施工中难以解决的技术难题。为保证科学家更准确的判断、研究地震机理,还要求破碎、松散地层的岩心保持良好原状性。岩心堵塞不仅导致回次进尺短,还会导致岩心磨蚀和相互挤压变形。

多年的液动锤冲击回转钻探实践证明,液动锤的持续震击不仅能提高机械钻速,也为岩心在内管内持续上行提供强大的动载。为了验证液动锤在汶川科钻的可行性,同时也为验证半合管钻具使用液动锤的可行性,2012年1月4日,钻井工程部决定于孔深2136.67m(总第610回次)首次使用了勘探所的YZX98液动锤,采用螺杆马达+液动锤+转盘复合钻进,效果显著,该回次钻速即达0.99m/h,较使用液动锤之前提高60%,且实现满管提钻。

2283.56m完钻,配套液动锤累计钻进28回次,进尺119.50m。平均机械钻效达到0.77m/小时,在更坚硬、致密的地层条件下,较之前提高35%;平均回次进尺达4.27m,满管率90%,较使用之前的3.27m提高30%;该阶段使用的一台YZX98液动锤共计入井155小时,无检修连续使用时间长达141小时。与2005年在中国大陆科学钻探工程应用效果相比有了明显的提高,进一步验证了我所在液动锤技术领域研究水平的不断进步和提高。

9.10  河南有色二队应用绳冲技术在利比里亚邦山铁矿详查中的效果

岩石可钻性及施工概况:邦山铁矿位于西非利比里亚共和国邦州西南地区。该矿区岩体主要为二云石英片岩,可钻性8—9级;矿体主要为磁铁石英岩,可钻性10—11级。

共投入XY—42T型塔机一体钻机6台套,6个月施工期完成钻孔71个,其中普通绳取完成钻孔8个,绳索取心液动锤完成钻孔63个,钻探总进尺超过20000米。钻孔质量均达到非煤固体矿产钻孔一级孔标准。

绳取液动锤使用不同钻头均提高了钻进效率,时效由0.5-1.5m提高到1.0-3.5m。

在坚硬、脆性、“打滑”地层钻进效率大幅度提高,在磁铁石英岩中时效由0.8m左右提高到3m以上,在二云石英岩中由1.5m左右提高到4m左右。

顶角偏差,直孔由0.8—1.0降低至0.5—0.8°/100m,斜孔由1.5—2.0降低至1.0—1.5°/100m。

岩心采取率和钻头寿命明显提高,绳索取心液动锤可有效地减少岩心堵卡,又因为回次进尺和钻进效率的提高,使岩心采取率在一定程度上有所提高,本工程绳冲岩心采取率达到95%以上,高于普索的89%。钻头平均寿命达到60—80米,高于普索钻头平均寿命30—50米。

    作者:河南有色地质局第二地质队 陈显

 

10  深部地质钻探技术应用可行性分析

10.1  深孔岩心钻探面临的问题

孔深超过2000m;

施工周期长,钻遇复杂地层的可能性多,高岩层应力使孔壁稳定性差,同时也使岩石的塑性增加,冲击碎岩的效果较低;

复杂地层的取心率和孔斜如何保证及减轻;

起下钻次数多,时间长,钻柱负荷大;

坚硬和强研磨性的结晶类岩石,导致钻进速度低,加剧器具磨损。

10.2  液动锤技术应用到深孔的可行性

液动潜孔锤的使用孔深已达5000m ,绳索取心液动锤使用孔深已达3800m;

坚硬、致密“打滑”的脆性地层使用液动锤可大幅度提高钻进效率;

使用液动锤可有效提高回次长度(过于破碎无胶结松散颗粒或泥类地层,振动可能会导致岩心消耗);

液动锤钻进可提高钻头寿命,延长起下钻的周期,减少起下钻次数,减少对孔壁的扰动几率;

改善孔内钻具受力和磨损状态(小规程,高质量);

从上述分析可以看出,新型液动锤比较适合深孔岩心钻探。但仍然有下列工作要做。

10.3  深孔对液动锤的要求

液动锤的整体强度要高;

液动锤可靠性应高和工作寿命要长;

配用的密封件应有更好的耐温性能;

要进一步降低背压对液动锤工作性能的影响;

工作泵量范围宽,且可适应多种泥浆环境;

继续探索冲击回转取心钻进时的岩心保护技术。

 

11  该技术及产品应用动向及发展方向

1)随着应用面的不断扩大,认可此技术的单位越来越多;

2)到国外施工的队伍已经将此产品作为一项常规配套的设备(河南有色2、3地质队;北京中资环、北京庄勝、明金天胜等公司);

3)各省局将其列入政府采购计划,将其作为岩心钻探现场常规配备钻具。

随着技术的进步及生产实际的需求,液动潜孔锤技术将会向适应高温、高背压、孔内情况更复杂的深孔发展。其中要求有更长的连续工作寿命,冲击功有更大的提高,以满足大口径深孔全面钻进要求;同时也会同其它复杂地层钻进技术结合,为生产现场提供高效、简便、实用的产品。

 

12  结束语

液动潜孔锤钻进技术是一种经济、高效、实用的钻探技术,适应领域广泛。中国的液动潜孔锤技术,从研究的深度和应用广度处于世界领先水平。我们愿以高质量的产品和优良的服务满足用户的需要,促进该技术的进步发展。

同时我们认为,要应用好此技术,必须做到以下几点:

1)高度重视泥浆质量,认真做好净化工作;

2)熟练掌握操作技能,谨记勤做维护保养,不断提高使用技术;

3)领导关注抓组织,现场重视抓落实。

 

专家简介:苏长寿(1954-),男(汉族),陕西人,中国地质科学院勘探技术研究所勘探新技术二室主任、教授级高级工程师,河北省科技奖励评审专家库专家,探矿工程专业,从事钻具、钻头以及工艺技术方面的研究开发与管理工作,河北省廊坊市金光道77号,13803227586,suchsh@heinfo.net。

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随钻前视技术 钻井优化新思路
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近观俄罗斯北极冻土油气开采
英国开建首座深层地热发电站 钻孔深达2.8英里
世界首例隧道拆除后站台扩建工程
美国近期陆地油气钻井业逐步回升的态势分析
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专利技术 | 从''水''到''冰''——地源热泵技术再升级!
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《野外:一览地质山水 保护自然生态》科普图书出版
《新时代地质工作者核心价值观读本》发布
《揭秘可燃冰——可燃冰知识100问》出版
《温家宝地质笔记》出版发行
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深部岩心钻探技术与管理
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地热资源开发与问题研究
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