深孔巖心鉆探裝備配置應用技術趨勢分析

孫建華,周紅軍,王漢寶,梁元濂

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

深孔巖心鉆探裝備配置應用技術趨勢分析

孫建華,周紅軍,王漢寶,梁元濂

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000)

在國內地勘鉆探施工企業普遍開始對巖心鉆探裝備進行更新和升級的背景下,通過廣泛調研,對深孔巖心鉆探裝備的配置、應用及技術發展趨勢進行了分析,并從使用者的角度對我國深孔全液壓動力頭鉆機等裝備的研發提出了建議。

巖心鉆探;深孔;鉆探裝備;全液壓鉆機;泥漿泵

0 概述

人口的持續增長和經濟規模的不斷擴大,導致礦產開采強度逐年加大,地表礦、淺部礦日益減少,重要資源的可采儲量顯著下降。同時,礦業開發技術的進步,礦產品價格的不斷攀升,使得固體礦產勘探和開采深度越來越大,深孔越來越多。在此背景下,國內地勘鉆探施工企業普遍開始對巖心鉆探裝備進行更新和升級?？茖W合理地配置應用深孔巖心鉆探裝備,對降低鉆探成本、保證鉆孔安全,提高鉆探質量和效率,保持市場競爭力意義重大,因此,深孔巖心鉆探裝備配置應用已成為近期鉆探施工管理部門、施工機臺、設備研發機構、裝備制造企業等共同關注的焦點之一。

1 鉆探設備的合理選型及配套原則簡述

鉆探設備主要指鉆探施工使用的地面專用設備,深孔巖心鉆探設備通常包括鉆機、泥漿泵、鉆塔、附屬設備及動力機等。鉆機是鉆探設備的核心,應根據鉆探目的、工藝方法和施工地形地貌等情況進行選擇。

深孔巖心鉆機的傳動類型主要有 3種:機械式、全液壓式和電驅動式。目前常用的深孔巖心鉆機傳動類型主要是機械式和全液壓式(液壓傳動 +液壓控制)兩種,立軸式鉆機采用機械傳動、液壓控制,屬于機械式巖心鉆機。

配套泥漿泵應根據鉆探方法、鉆機類型、鉆孔結構及鉆探工藝要求配套。其它鉆探設備亦應根據鉆機型式、鉆孔結構、鉆進能力進行配置。

無桅桿或桅架的巖心鉆機應根據不同的鉆孔深度、鉆機型式及鉆孔開孔傾角等參數選擇配套鉆塔。深孔巖心鉆探一般工期長,提下鉆次數多,應采用18～23 m或更大型的鉆塔,斜孔應選用直斜兩用鉆塔。

根據選擇的鉆進方法和鉆機設備 (鉆具),選配附屬設備,包括擰管機(液壓鉗)、泥漿攪拌機、泥漿固控設備、活動工作臺、小型發電照明設備等。

深孔巖心鉆探設備應配有孔底壓力指示表、泵壓表,推薦配備扭矩表、轉速表、沖洗液流量表或鉆孔多參數儀,電力驅動應有電壓表、電流表和功率表。

動力機的功率及型號應依照鉆機、泥漿泵及其它附屬設備等說明書中的要求合理配置。深孔巖心鉆探一般動力儲備系數較大,即俗稱“大馬拉小車”模式。

根據目前電力燃油折合比價和鉆探裝備技術要求,深孔鉆探設備優先采用電驅動。缺電地區可建立發電站集中供電或用發電機組單機供電;供電十分困難的邊遠偏僻地區可使用柴油機驅動;高海拔地區應適當增加柴油機功率。

2 深孔鉆探裝備技術發展綜合評述

2.1 國內巖心鉆機發展概況

新中國成立前,機械化鉆探裝備均購自國外。20世紀 50年代初,為適應全國地質勘探工程需要,先后從蘇聯、瑞典和匈牙利等國家引進一批鉆機,如蘇聯的 К А М、З И Ф、У К С系列巖心鉆機和瑞典的XH-60、B-3型鉆機等。1959年,我國自行研制成功了立軸式巖心鉆機。70～90年代,伴隨小口徑金剛石鉆探技術的推廣普及,高速金剛石立軸式巖心鉆機應運而生,并很快形成系列。同期,研制了全液壓動力頭鉆機,并做出樣機。到 80年代,我國自行研制的鉆機完全取代了外國鉆探設備,中國現代鉆探裝備制造業具備相當規模。2000 m以內的全液壓動力頭鉆機系列已經形成。在用的地表巖心鉆機主要是原地礦系統生產的 XY系列立軸式鉆機,共有 6擋產品,最大鉆進深度為 2000 m。其它巖心鉆機系列還有 TK系列 (原煤炭工業部)、HXY系列(原核工業部)、YL系列(原冶金工業部)。

21世紀以來,開展了新一輪全液壓動力頭鉆機研制攻關。2003年,在國家科技攻關項目和地質大調查項目的聯合支持下,我所率先在國內推出具有實用水平的 YDX-3型 (1000 m)全液壓動力頭鉆機(圖 1),在國內市場上受到了廣泛的關注和歡迎,并出口到澳大利亞、俄羅斯和伊朗等國家。此后,我所先后研制了 YDX-4型 (1500 m)、YDX-5型(2000 m)全液壓動力頭巖心鉆機。此外,山東省地質探礦機械廠、連云港黃海機械股份有限公司、張家口中地裝備探礦工程機械有限公司、北京天和眾邦勘探技術有限公司等十幾個廠家也紛紛推出了多種型號的全液壓動力頭鉆機產品,如山東省地質探礦機械廠的 XD-5型(1200 m)、XD-6型 (2000 m),連云港黃海機械股份有限公司的 HYDX-6型(2000 m)、HCR-8型(3000 m)(圖 2),張家口中地裝備探礦工程機械有限公司的 HCDF-6型 (2200 m),北京天和眾邦勘探技術有限公司的 YDX-3000型(3000 m)等。

圖1 YDX-3型全液壓動力頭鉆機

圖2 HCR-8型全液壓動力頭鉆機

目前,許多單位仍在研制具有更大鉆深能力的全液壓動力頭鉆機。與此同時,一些設備制造企業在成熟的 6擋 XY系列鉆機基礎上,放大鉆機部件,提升鉆進能力,推出了N規格口徑鉆深超過 2000 m的立軸式巖心鉆機,如 XY-8B、XY-9型(圖 3)立軸式巖心鉆機等。

圖3 XY-9型立軸式巖心鉆機

目前國內部分深孔巖心鉆機的主要型號、技術 參數見表 1、表 2。

表1 國內部分立軸式深孔巖心鉆機的主要技術參數

表2 國內部分全液壓動力頭式深孔巖心鉆機的主要技術參數

2.2 國外深孔巖心鉆機發展簡述

20世紀 20年代,國外出現了螺旋給進的巖心鉆機。30～40年代,液壓式立軸鉆機逐步在地質巖心鉆探得到應用。同期,手把式鉆機和轉盤巖心鉆機亦有應用。但這些鉆機在安全性、技術性能和鉆進工藝適應性方面與立軸式巖心鉆機有較大差距, 20世紀末逐漸被淘汰。因此,在全液壓動力頭鉆機問世之前,深孔地質巖心鉆探一直是液壓式立軸鉆機占據主導地位。

自 20世紀 60～70年代起,隨著液壓技術的發展和液壓元件質量的提高,出現了液壓驅動和控制的頂驅式動力頭鉆機。瑞典阿特拉斯公司率先推出了泰美克系列鉆機,宣告巖心鉆機新時代的開始。全液壓動力頭鉆機以其所具有的一些獨特優點,自問世以來很快得到國外地質鉆機市場的青睞,明顯地撼動了液壓立軸式鉆機的“王者寶座”。目前,發達國家立軸式巖心鉆機已經被寶長年、阿特拉斯等少數跨國企業研制的全液壓動力頭鉆機所取代,幾乎看不見立軸式巖心鉆機的蹤影。許多第三世界國家由于在資金、技術方面依賴和受制于西方國家,亦大量接受使用了全液壓動力頭巖心鉆機。

目前國外深孔巖心鉆機的主要型號、技術參數見表3。

2.3 國內深孔泥漿泵發展概況

泥漿泵是深部地質鉆探的主要配套設備。泥漿泵通過泥漿循環系統輸送鉆探沖洗液,實現潤滑鉆柱、冷卻鉆頭、排除鉆屑、護壁堵漏以及傳遞孔底監測信號等功能,確保鉆探施工安全、高效。

深部巖心鉆探,一般開孔直徑大,鉆孔結構多級,鉆具配套多樣。同時,繩索取心鉆探單回次鉆進時間長,沖洗液循環壓力損失大,其特殊的鉆探工藝對泥漿泵提出了更加苛刻的技術要求。首先,深孔巖心鉆探用泥漿泵應可無級或多級變速,流量調節范圍大,泥漿壓力高;第二,泥漿泵易損件壽命長,并可以快速更換,確?？變劝踩?第三,流量、壓力控制準確,可實時數字顯示。

我所承擔的山東省乳山金青頂礦區鉆探示范工程采用了Y WB-360/300/250型泥漿泵 (圖4),通過 2212.8 m深鉆孔的生產試驗,效果良好。該泵是“十一五”國家“863”計劃項目研制開發的最新產品,可成為深部巖心鉆探主要的配套產品,其技術參數見表4。

表 3 國外公司研制的部分深孔全液壓巖心鉆機技術參數

圖4 Y WB-360/300/250型泥漿泵

表4 Y WB-360/300/250型泥漿泵的主要技術參數

國內外其它地質巖心鉆探配套泥漿泵情況見表5、6。

3 先進鉆探設備、器具的應用及技術發展方向分析

3.1 深孔巖心鉆機應用趨勢分析

表5 國外全液壓巖心鉆機配套泥漿泵

表6 國內全液壓巖心鉆機配套泥漿泵

目前,國內深孔巖心鉆機的發展與國外稍有不同。國外全液壓動力頭巖心鉆機已經占據主流,國內雖然全液壓鉆機應用逐漸多起來,但立軸式巖心鉆機仍占據絕對多數。深部巖心鉆機的未來發展方向,目前看有 2種路徑:一是研制開發全液壓動力頭式巖心鉆機;二是放大現有立軸式 (包括部分轉盤式)巖心鉆機鉆進能力,推出大深度立軸式巖心鉆機。哪種路徑最終占據主流,用戶最終選擇哪種深孔巖心鉆探裝備,未來數年應該可見端倪。

目前,有必要對 2種類型的鉆機進行全面總結,通過對比評價,提出建議,供深孔鉆探施工部門參考。

評價的基本要素應包括鉆探效率、鉆探質量、成本、安全性、鉆機工藝適應性及孔內事故處理等方面。

全液壓動力頭鉆機可實現大行程鉆進、回轉速度可無級調節,鉆進工況穩定,規程參數控制穩定、精度高,班長操作較為人性化,理論和實踐都證明,其鉆探效率明顯優于立軸式巖心鉆機。如,山東省地質探礦機械廠研制的 XD-3型鉆機 2006年在山東寺莊礦區進行試驗,鉆進的地層主要為鉀化花崗巖,可鉆性 7～9級。主要采用 “75 mm金剛石繩索取心鉆具,鉆至 668.49 m終孔。臺月效率 770 m,平均時效 2.45 m,分別比同礦區其他型號鉆機提高28.5%和 22.5%。另外,新疆地質六隊 2006年在黃山銅鎳礦區施工了 19個鉆孔,設計最深鉆孔1400 m、最淺 600 m、平均孔深 905 m,總進尺 17162 m。施工中采用了 3種鉆機,即從國外進口的 LF-90型全液壓動力頭鉆機和國產的 YDX-3型全液壓動力頭鉆機以及 XY-44、XY-5型立軸式鉆機。鉆進施工技術經濟指標表明,全液壓動力頭鉆機的機械鉆速、臺月效率和孔內事故時間等指標優于立軸式鉆機。

全液壓動力頭鉆機一般配合采用繩索取心鉆進工藝,中深孔一般不用鉆塔,可明顯節省設備遷移安裝時間,在難進入地區尤為突出,一般動力頭鉆機搬遷只需要 1～2天時間。立軸式鉆機搬遷一次則需要3～6天。

使用全液壓動力頭鉆機,班長或鉆機操作者不用操作鉆機卷揚機剎把,而是液壓手柄,勞動強度大大降低。如配套使用擰管機(液壓鉗),鉆場工人的勞動強度亦可減輕。同時,全液壓動力頭鉆機集成度高,每班編制一般可以減少 1～2人。

動力頭鉆機實現長行程給進,同時鉆機回轉速度調節范圍大,啟動平緩,可有效減少孔內鉆柱共振,回次鉆進過程中工作平穩。立軸式鉆機每個行程進尺一般只有 0.5～0.8 m,一個回次中要倒桿 4～5次,易造成巖心斷裂,增加巖心堵塞、磨耗概率,巖心采取質量有所降低。在破碎等復雜地層,影響尤為明顯。一般情況下,動力頭鉆機的巖心采取率和巖心質量優于立軸式鉆機。

全液壓動力頭鉆機最大起拔力一般比同樣鉆進深度能力的立軸式鉆機小,動力頭和主卷揚機同步性亦差。因此有人認為,動力頭鉆機處理孔內事故的能力比立軸式鉆機弱。但是,全液壓動力頭鉆機的鉆進平緩穩定,鉆柱事故率比立軸式鉆機低。而深部巖心鉆探孔內事故主要為鉆柱事故,比例高達75%～90%。同時現場工人反應,使用全液壓動力頭鉆機時,處理孔內事故較為方便。

國外地質巖心鉆探經驗介紹,動力頭鉆機可減少設備安裝導致的機械事故,同時提下鉆具實現塔上無人操作,減少了高空作業的風險,施工安全性高。由此,殼牌公司在吉林省油頁巖勘探項目中標書明確要求使用全液壓動力頭鉆機,以確保工人安全。其他進入國內的外國投資礦業風險勘探項目亦多是如此。但是,針對此項內容,調查了國內部分省地勘局鉆探安全管理部門,沒有數據證實,現階段立軸式鉆機的人身安全性比全液壓動力頭鉆機差。

與立軸式鉆機相比,全液壓動力頭鉆機轉速范圍寬,可無級調速,同時深孔巖心鉆機動力頭通孔直徑一般較大,能更好地滿足不同鉆進工藝方法的需要,如金剛石取心鉆進、跟管鉆進、反循環連續取心(取樣)鉆進、定向鉆進等。

全液壓動力頭鉆機一般為模塊化一體結構,多為履帶自行,鉆進場地占用小。

全液壓動力頭鉆機如使用桅桿、桅架,可方便地施工大斜度地面鉆孔,立軸式鉆機往往需要改進鉆塔結構。

全液壓動力頭鉆機為自動化鉆進、智能化鉆進提供了良好的平臺,鉆進參數監測和控制更加便利。

與立軸式巖心鉆機相比,全液壓動力頭鉆機也有不足:制造成本較高,使用、維護要求較嚴;鉆探施工中的能源消耗明顯偏高;因無鉆塔,提鉆立根長度短,不適合常規提鉆金剛石鉆進;因無塔衣維護,機臺工人特別是鉆機操作者受風雨、氣溫、陽光照射等干擾較多;全液壓鉆機一般為模塊化設計,現場一般不宜解體搬遷,在比高較大、車輛通行困難的山區運移不便。

筆者調研發現,我國巖心鉆探施工應用全液壓動力頭鉆機尚不普遍,鉆探操作規程優化和完善亦有待深化。如機臺管理水平較低,或地層相對復雜,導致鉆頭使用壽命低,回次進尺短,全液壓動力頭鉆機的優勢就可能得不到正常發揮,鉆探經濟技術指標有可能與立軸式鉆機相近,甚至在目前的人力資源和能源成本比價條件下,全成本核算的鉆探成本要高于立軸式鉆機。隨著我國制造裝備業現代化水平提高、液壓元件質量提高、成本下降以及人力成本的變化,全液壓動力頭鉆機的對比優勢會進一步加強。無論從國外情況看,還是從長遠發展看,全液壓動力頭鉆機將是我國深孔地質巖心鉆機的發展趨勢。

當然,我國幅員遼闊,地質景觀差別很大,同時勘查礦種多樣,特別是巖心鉆探工程勘查門檻很低,健康安全環保意識淡薄,政府監管“真空”可能長期存在。因此,深部巖心鉆探的裝備可能不會像西方國家那樣單調一致,立軸式鉆機與全液壓動力頭鉆機共存的局面可能長期保持。

3.2 國產全液壓動力頭鉆機技術改進建議

如前所述,全液壓動力頭鉆機具有明顯的技術優勢,隨著鉆探施工企業經濟實力的壯大和國內經濟技術條件的變化,在深孔巖心鉆探施工中的應用將逐漸增加,甚至逐步普及。

在順應這一發展趨勢過程中,應不斷研究優化、改進深孔全液壓動力頭鉆機,筆者通過一線調研走訪,主要從鉆探設備使用者角度,提出以下技術改進建議。

(1)應綜合考慮鉆機基本功能、操作控制、維護保養、遷移運輸等方面的要求,優化全液壓動力頭鉆機結構布局。應盡量增大孔口操作空間,方便液壓吊鉗、擰管機的使用以及孔口其他操作工序。鉆機操作面板的位置應以人性化和安全為第一考量,液壓控制手柄應適當集中,但布局不宜過密。操作者應能坐下來操作,部分控制可以用腳 (踏板)實施?？刂泼姘逭彰?手柄形狀、顏色,警示標牌等都應從人機工學角度細致考慮。

(2)改進全液壓動力頭鉆機的動力分配,大幅降低能源消耗。主卷揚機應具備自由落體功能,鉆柱下降時配合水剎車裝置,可大大降低動力機負荷。如主卷揚機提升能與動力頭油缸保持同步,對深孔段減壓鉆進控制、強力起拔鉆具、處理孔內復雜情況更為有利。動力頭鉆機繩索取心絞車應獨立配置小型動力機并像常規繩索取心絞車一樣有自由落體功能,打撈繩索取心內管總成時,主動力機應當關閉,僅使用小型動力機。繩索取心打撈矛下入孔底時,小型動力機亦可停止工作。

(3)桅桿式全液壓動力頭鉆機主卷揚機不能使用滑輪組,一般僅使用單繩提升。因此,動力頭鉆機的主鋼絲繩使用壽命不高,應考慮改進。提鉆時,在主卷揚鋼絲繩突然斷裂的情況下,孔口液壓夾持器不能像立軸式鉆機配用的木馬夾持器一樣迅速動作。如有必要,可以增加緊急制動 (鉆柱下降、跑鉆)裝置。

(4)改進安全防護設計,如防止墜落、夾傷、燙傷等。增加緊急停車(鉆柱回轉)裝置。

(5)一般全液壓鉆機的動力頭質量較大,動力頭浮動機構不夠靈活,采用動力頭擰卸繩索取心鉆桿時,鉆桿螺紋傷毀情況屢屢發生。為此,有必要改進鉆機動力頭浮動方式,以確保不傷毀鉆桿螺紋。同時,動力頭卡瓦夾持鉆桿必須可靠,不損傷鉆桿桿體。

(6)全液壓鉆機油路布線多,如發生泄漏時未能及時發現,液壓油可能很快消耗,污染施工環境,經濟損失較大。目前的油位油溫顯示計不便觀察,可增加報警裝置。

(7)鉆深能力超過一定深度的鉆機最大輸出扭矩很大,往往超過B、N規格的繩索取心鉆桿承受能力。因此全液壓巖心鉆機應設計有扭矩控制 (限制)裝置。國外最新研制的全液壓巖心鉆機 (如瑞典的 SANDV IK公司的DE150型鉆機)已經開發設計了可限制扭矩的動力頭裝置。

(8)為減少現場作業人員,降低鉆探工人勞動強度,特深孔全液壓巖心鉆機應逐步配置機械化、自動化的移擺和擰卸鉆桿裝置。如寶長年公司研制的4200型地表巖心鉆機,隨機配置了自動化程度很高的繩索取心鉆桿移擺和擰卸裝置。

(9)應研制深孔應用的鉆進參數監控一體化鉆機,開發全液壓自動化鉆機。

3.3 深孔巖心鉆探泥漿泵技術發展趨勢

前已述及,深部巖心鉆探,開孔直徑大,鉆孔結構多級。同時,繩索取心鉆探單回次鉆進時間長,沖洗液循環壓力損失大,其特殊的鉆探工藝對泥漿泵提出了更加苛刻的技術要求。因此,未來的深孔泥漿泵有可能從全液壓動力頭鉆機中分離出來,采用單獨配置動力的模式。特深孔 (孔深超過 3000 m)使用的泥漿泵將逐漸發展為液壓驅動,程序控制,集中操縱,計量數顯,履帶自移,電液一體的高技術機電產品。

3.4 深孔巖心鉆探輔助設備技術發展趨勢

鉆參儀是現代深孔鉆探工程不可或缺的先進配套技術。為確保深孔巖心鉆探施工安全,深孔巖心鉆探設備儀表配置日漸完善,如孔底壓力指示表、轉速表、扭矩表、泥漿泵壓力表及沖洗液流量表等。乳山金青頂礦區 ZK43-1鉆孔試驗示范機臺還配置了具有工況識別、事故報警、參數存儲和無線遠傳功能的高精度鉆探參數監測系統——CUG-2全液壓鉆機鉆探參數監測系統。該系統由中國地質大學(武漢)研制,主要包括鉆探參數采集、數據通訊、現場數據處理、GPRS數據遠傳、 INTERNET數據共享等部分,采用多參數分組集成模塊化設計。鉆機和泥漿系統兩個模塊分別采集數據,然后匯總到鉆參儀內處理和顯示,并可將現場信號通過無線傳輸方式發到后方指揮管理部門。這套系統目前亦在汶川地震斷裂帶科學鉆探工程項目中得到了應用。

同時,為了降低勞動強度,提高鉆探施工效率,在深孔巖心鉆探工程中配置液壓鉆桿鉗、泥漿攪拌機、泥漿固控設備等輔助設備的施工機臺日漸增多。如北京探礦工程研究所研制的 TGLW350-692T型泥漿固控離心機在深孔繩索取心鉆探中應用,取得良好效果。中國地質裝備總公司研制的 SQ114/6型繩索取心鉆桿動力鉗,擰卸時不傷鉆桿螺紋副,省時省力效率高,特別適合與大能力深孔鉆機配套使用。

對于 2000 m以深鉆孔,一些施工單位采用了塔機分離結構的全液壓鉆機,同時根據鉆孔深度、開孔傾角等情況獨立選擇配置四角鉆塔或 A形桅架。中國地質裝備總公司研制的 FYD-2200型全液壓鉆機為塔機分離結構,鉆機主機采用分體模塊化設計,具有結構設計布局合理,動力頭運行平穩,機械化、智能化程度高,適用性廣,整機配套價格低廉等特點。該鉆機在安徽霍邱進行了實鉆試驗(2009年5月 20日開鉆,2010年 6月 28日終孔),終孔孔深達到 2706.68 m(N級口徑),創國內小口徑金剛石(繩索取心)鉆探深度紀錄。

4 結語

科學合理地配置應用深孔巖心鉆探裝備,對于降低鉆探成本、保證鉆孔安全,提高鉆探質量和效率,保持市場競爭力意義重大。建議野外生產部門、鉆探設備研發和制造單位加強合作,開發工藝適應性好、搬遷便利、維護方便、安全高效、低碳環保的深孔巖心鉆探裝備。

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Analysis on Configuration and Application of Technology Trends of Deep Hole Coring Drilling Equipment

SUN Jian2hua,ZHOU Hong2jun,WANG Han2bao,LIANG Yuan2lian(The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Lang2 fang Hebei 065000,China)

On the background of core drilling equipment updating and upgrading in geo2drilling construction enterprises in China and by the extensive investigation,the analysiswasmade on the configuration&application of deep hole coring drill2 ing equipment and the technology development trend;the recommendationswere put forward for research and development of deep hole all2hydraulic driving head drill from the view of users.

core drilling;deep hole;drilling equipment;all2hydraulic operated drill;mud pump

P634.3

A

1672-7428(2011)05-0001-07

2011-02-17;

2011-04-19

全國危機礦山接替資源找礦專項“深孔鉆探工程技術總結”(1212010916023)

孫建華(1962-),男(漢族),山東禹城人,中國地質科學院勘探技術研究所教授級高級工程師,探礦工程專業,從事探礦工程技術研究工作,河北省廊坊市金光道 77號,sunjianhua@cniet.com。