深部找礦鉆探動力頭鉆機與立軸鉆機綜合特性對比研究

王 德

（河北省煤田地質局第二地質隊（河北省干熱巖研究中心），河北 邢臺 054001）

深部找礦鉆探設備，即深孔鉆探設備是實施深部找礦鉆探的前提條件，也是必備條件。設備的性能直接決定著深孔鉆探是否能夠正常實施，以及鉆探工作的先進性和經濟性。深部找礦鉆探設備主要包括深孔鉆機、泥漿泵、鉆塔以及動力機、攪拌機等。本文對新型動力頭鉆機和傳統立軸鉆機進行研究。

1 動力頭鉆機鉆機與立軸鉆機

從鉆探工作的市場來看，頂驅式動力頭鉆機的產量和市場占有率呈明顯增長的趨勢可以說它將主宰地質鉆機制造業的未來；但另一方面又必須看到，在固體礦產鉆探這一重要領域，不僅目前市場占有的主要機型仍為立軸式鉆機，而且從西方一些公司生產的不同類型鉆機來看，國外學者認為立軸式鉆機在該領域內的有效使用至少仍要保持15-20年?？梢哉f，目前在發達國家立軸式巖心鉆機已經被動力頭鉆機所取代，各大鉆機公司各種宣傳媒介上已經看不見立軸式巖心鉆機的蹤影。

縱觀我國近代鉆探技術發展的歷史，鉆探技術的發展方向基本上與西方發達國家是相同的，但這并不意味著我國地質巖心鉆機的發展方向一定與西方國家一樣[1]。我們應該客觀地分析世界上地質巖心鉆機發展的趨勢，探究在西方國家立軸鉆機被動力頭鉆機取代的真正原因，并以此為基礎，根據我國的國情和發展態勢，制定適合我國的地質巖心鉆機發展戰略。

1.1 綜合性能要求分析

深孔鉆探，孔內鉆具長，重量大，摩擦阻力大，要求鉆機升降系統必須要有足夠大的提升能力。為了能夠平穩操作和減少消耗，鉆機升降系統要配備水剎車裝置。隨著孔深的增加，鉆具回轉阻力不斷增大，要求鉆機回轉系統要有足夠大的扭矩。為滿足多種工藝鉆進要求，回轉器通孔直徑要大，并具有較大的變速范圍，以無級變速為佳，以適應不同鉆進工藝、不同轉速鉆進的要求。深孔鉆探，減少提鉆及打撈內管次數至關重要[2]。對鉆機來講，要求具有較大的給進行程，能保證連續、穩定地給進，從而減少因停鉆倒桿引起的巖心堵塞，延長回次進尺和鉆頭壽命，從而有效提高鉆探效率。

1.2 動力頭鉆機

動力頭鉆機是20世紀60年代國外迅速發展起來的一種新型鉆機。近年來，國內陸續研制開發了以XD、YDX系列為代表的巖心鉆探動力頭鉆機，動力頭鉆機采取動力頭回轉、鏈條給進、全液壓控制，結構緊湊，具有下列主要優點：①給進行程長，可平穩連續給進；②無級變速，工作平穩；③易于實現斜孔鉆進；④加接鉆桿方便，鉆具不提離孔底；⑤鉆進工藝適應性好；⑥搬遷、安裝方便；⑦操作控制集中、方便，易于實現遠程遙控及自動化控制。

動力頭鉆機的主要缺點：①提下鉆輔助時間長；②傳動效率較低，功率消耗大；③處理事故能力較差；④液壓系統密封件壽命較短；⑤維修較復雜，費用高；⑥制造成本高。

1.3 立軸鉆機

立軸鉆機是我國地質巖心鉆探目前應用最廣泛的主導型鉆機。經過30多年的不斷研究開發和改進、完善，已形成從100m到2000m甚至3000m的系列化產品，在鉆機、泥漿泵、鉆塔、鉆具（包括鉆桿、取心鉆具、鉆頭）等方面形成配套齊全的鉆探設備、鉆具體系，在我國地質巖心鉆探中已經并且還在發揮著重要作用。該鉆機采取機械傳動、液壓控制、立軸給進，具有以下優點：①傳動效率較高，消耗功率低；②提下鉆輔助時間較短；③處理事故能力較強；④可靠性高，實用性強；⑤維修方便，對操作技能要求較低；⑥制造成本較低。但立軸鉆機也存在明顯的缺點：

1.4 動力頭鉆機與立軸鉆機主要特性對比

對鉆探施工來講，鉆機的主要特性體現在以下方面：鉆探效率、鉆探質量、施工經濟性、施工安全性等，以下逐一分析對比。

1.4.1 鉆探效率

（1）鉆機給進行程對鉆探效率的影響。動力頭鉆機給進行程長，一般為3m左右，而立軸鉆機一般為0.5-0.6m。鉆進過程中，加接單根鉆桿（一般3m）后，動力頭鉆機可連續平穩給進，一氣呵成，完成3m進尺；而立軸鉆機至少要倒桿3次，且每次倒桿都須停車（鉆機回轉器停止轉動），不僅增加了輔助時間，而且倒桿后重新啟動時，鉆頭在很短的時間內經歷從靜止到高速轉動的變化過程，鉆進技術參數在一段時間內難以達到最優。同時由于立軸鉆機停車、開車是靠離合器控制，啟動不夠平穩。這一停一開，易使巖心產生機械性破壞，發生斷裂、破碎而造成巖心堵塞，影響了鉆探效率和鉆頭壽命。這些現象和問題，在破碎地層會更加突出。因此，動力頭鉆機在機械鉆速、鉆頭壽命、回次進尺和提下鉆間隔等方向都優于立軸鉆機。這些對鉆探效率有著直接影響，而且對深孔鉆探的影響會更加明顯。

（2）加接單根對鉆探效率的影響。動力頭鉆機加接單根時，可直接在機上加接，不需將鉆頭提離孔底和移動鉆機。而普通立軸鉆機在加接單根時，必須先將主動鉆桿提出孔外并移開鉆機后才能加接，既增加了輔助時間，又增加了巖心堵塞的概率。當遇破碎等復雜地層時，還會出現加不上單根和鉆具不能直接下到孔底的現象，此時必須進行掃孔才能下到孔底；若巖心堵塞，則縮短回次進尺，增加打撈巖心次數，這樣會大大增加輔助時間，又降低鉆頭的使用壽命，在深孔鉆進中尤為突出，在一定程度上影響鉆探效率。

（3）提下鉆速度對鉆探效率的影響。提下鉆是鉆探施工過程中一項主要工作，由于受鉆頭壽命的限制，巖石越硬、可鉆性越高，鉆頭壽命越短，提鉆次數越多（不提鉆換鉆頭技術還不成熟，故除外），因此，提下鉆速度對鉆探效率有著重要的影響，而且隨著鉆孔的加深，影響會更加顯著。動力頭鉆機一般不采用鉆塔，受桅塔高度的限制，立根長度一般為6m，提下鉆速度慢；而立軸鉆機采用鉆塔，立根長度長，一般為9m～18m，提下鉆速度遠遠超過動力頭鉆機。所以說動力頭鉆機在提下鉆速度方面明顯不如立軸鉆機，特別在深孔鉆探中對鉆探效率有著更加明顯的影響。

（4）其它輔助工作的影響。動力頭鉆機搬遷、安裝方便，占用地盤小，減少平整地盤和搬遷、安裝時間。動力頭鉆機搬遷、安裝時間一般只需要1-2d，立軸鉆機則需要4-6d。

1.4.2 鉆探質量

動力頭鉆機給進行程長，操作簡單、輕便，運轉平穩，一個回次鉆進中可實現長行程平穩給進，減少巖心堵塞，延長回次進尺。而立軸鉆進在一個回次中至少要倒桿4-5次。每次倒桿需停車、開車，加之啟動不穩，會造成巖心斷裂，易發生巖心堵塞，不僅減少了回次進尺，而且會造成巖心破損，影響巖心采取率，尤其在破碎地層會更加明顯。因此，動力頭鉆機的巖心采取率較高，巖心質量較好，施工質量一般優于立軸鉆機。

1.4.3 施工安全性

與立軸鉆機相比動力頭鉆機設備安裝簡便，無高空作業，可有效避免設備安裝過程中的機械和安全事故；工作過程中，動力頭鉆機啟動柔和，運轉平穩，可有效地減少孔內和機械事故；動力頭鉆機能長行程連續作業，不用倒桿，可有效減少巖心堵塞、卡鉆等孔內事故，這在破碎地層中，尤為明顯；另外工作中無須塔上作業，避免了塔上作業的風險。

1.4.4 其它

與立軸鉆機相比，動力頭鉆機的轉速范圍寬，能夠進行無級調速，且動力頭通孔直徑大，桅塔角度調節方便等，能夠較好地滿足多種鉆進工藝的要求，如既能滿足金剛石鉆進高轉速要求，也能滿足液動錘沖擊回轉低轉速要求，還能滿足連續取心、以及不同傾角鉆孔安裝調節的要求。此外，動力頭鉆機還有利于實現遠程監測和控制。

2 深孔鉆探技術經濟分析

從以上定性分析對比看，這兩種鉆機在鉆探效率方面各有所長。直觀地看，動力頭鉆機的優勢因素更多，除提下鉆速度較慢外，其它均優于立軸鉆機，因此，一般來說在提高鉆探效率方面具有更大的優勢。但是，提下鉆作業是鉆探施工的主要環節之一，對鉆探施工效率的影響很大，特別是深孔鉆進，鉆遇堅硬、破碎等可鉆性高的地層，提下鉆的影響就更加突出。那么到底哪一種鉆機更適合用于深孔鉆進？在不同地層條件下又該如何選擇？要回答這個問題，不僅要考慮鉆探效率，而且要考慮鉆探施工的經濟效益，因為不同性能的鉆機，投入不同、效率不同，但投入的結果最終要考慮經濟效益，因此，這既不是一個純技術問題，也不是一個純經濟問題，而是一個技術經濟問題。

影響鉆探效率的因素主要有鉆探設備、鉆探方法、地層條件以及技術、管理水平等等。通過對這些影響因素的深入分析就會發現，這些因素對鉆探效率的影響具體體現在各項鉆探技術指標上，主要有機械鉆速、提下鉆速度、提下鉆間隔、打撈巖心間隔等。對于金屬礦產金剛石鉆探而言，上述指標都有其一般變化范圍和平均值。

動力頭鉆機與立軸鉆機對比分析對于動力頭鉆機和立軸鉆機來講，其機械鉆速、提鉆間隔、打撈巖心間隔等都有所不同，而且這些指標又受巖石可鉆性的顯著影響。

（1）動力頭鉆機在機械鉆速、回次進尺、鉆頭壽命和提鉆間隔等方面都優于立軸鉆速。不管深孔、淺孔、地層可鉆性高低，除提下鉆時間比立軸鉆機多外，其它各工序所需時間均比立軸鉆機要少。

（2）不論地層可鉆性高低，施工較淺鉆孔時，動力頭鉆機的鉆探施工效率要高于立軸鉆機，且優勢明顯。但隨著鉆孔的不斷加深，動力頭鉆機的優勢逐漸減小。這是由于鉆孔變深后，提下鉆時間增長幅度加大，所占比例增大，動力頭鉆機提下鉆速度慢的弱點進一步顯現。

（3）動力頭鉆機究竟適宜多大深度鉆孔不能一概而論，僅就施工效率而言也要看地層可鉆性條件。正常條件下，中等可鉆性地層，施工深度1500m左右的鉆孔時，動力頭鉆機的施工效率要高于立軸鉆機，超過這個深度，動力頭鉆機將逐漸失去這一優勢；施工可鉆性較低的地層，直到3000m深孔，動力頭鉆機的施工效率還具有一定優勢；而施工可鉆性較高的地層時，1200m左右深孔動力頭鉆機的優勢就消失，施工效率逐漸低于立軸鉆機。這是由于隨著鉆孔的加深，提下鉆行程增量雙倍增加，提下鉆總行程大大加長，提下鉆的速度成為制約施工效率的重要因素。當鉆進可鉆性較低的地層，鉆頭壽命長，提下鉆次數少，使得提下鉆速度差距被弱化，在一定深度鉆孔范圍內沒有顯現出來。但是鉆進可鉆性中等以上的地層，鉆頭壽命大幅度縮短，提下鉆次數大量增加，當鉆孔超過一定深度，動力頭鉆機立根短、提下鉆速度慢的弱點就逐漸顯現，并轉化為劣勢。

3 深部找礦鉆探技術方法分析研究

從鉆探技術的工作原理及鉆探效率分析，該項鉆探技術符合我國正在實施的節約型經濟及節能降耗的戰略方針。

當然，該項技術目前應用深度受空壓機和雙壁鉆桿額定壓力的制約，應用深度還有限，還不能滿足深孔鉆探要求，但是在深孔鉆探的上部孔段可采用水泵泡沫增壓鉆探方法.泡沫鉆進技術是現代鉆探技術條件下產生的新技術，是解決低壓漏失和水敏性地層以及缺水干旱、沙漠地帶以及寒冷甚至永凍層進行鉆探施工難題的有效方法。

水泵泡沫增壓鉆探方法是利用水泵泡沫增壓裝置代替價格昂貴的高壓空壓機進行泡沫鉆探的一種經濟、實用的先進鉆探方法。通過水泵泡沫增壓裝置，利用水泵的高壓能力將低壓空氣和泡沫液二次增壓至水泵的額定壓力，并混合產生泡沫，從而實現深孔泡沫鉆探。

泡沫作為一種特殊的沖洗介質，比重小，用水量少，排粉能力強。水泵泡沫增壓鉆探技術，證明具有以下幾個方面的突出優點：

（1）巖心采取率高，地質效果好。泡沫與其它沖洗介質相比，對巖（礦）心的沖刷作用小，使巖（礦）心的延展性好。

（2）鉆進效率高，鉆頭壽命長。由于泡沫的密度較低，孔內的沖洗介質的靜液柱壓力也較低，減少了在孔底形成巖粉墊，有利于提高鉆進效率。同時由于泡沫是有結構的流體，其攜粉能力強，孔內干凈，避免了孔底巖屑的重復破碎，提高了鉆頭的壽命。

（3）在復雜地層鉆進能保持孔壁穩定。在低壓漏失地層鉆進，由于泡沫的密度較低，可有效避免漏失；在水敏性地層鉆進，泡沫能在孔壁上形成一層泡沫膜，避免了孔壁產生溶脹、坍塌、剝落、掉塊；在永凍地層鉆進，由于泡沫的導熱性和熱容量小，可防止永凍地層融化而造成孔內事故。

（4）可降低鉆探施工成本。在交通不便且缺水、干旱地區及高山供水困難地區施工，可大量節省供水費用。

（5）可節省大量投資。采用水泵泡沫增壓裝置代替了價格昂貴的空壓機，在原水泵的基礎上就可使用，投資少，見效快，經濟、適用。雖然水泵泡沫增壓鉆探技術具有很多優點，但還存在著泡沫難以循環使用而污染環境，鉆進工藝過程較復雜，鉆進技術理論不成熟，泡沫劑成本較高等一些實際問題，需要進一步研究解決。

4 深部找礦鉆探沖洗液性能研究

深部找礦鉆探對沖洗液性能的要求：

深部找礦鉆探，即第二找礦深度空間（2500m甚至3000m）的鉆探施工來講，按照一般地溫梯度計算，溫度不超過90℃，因此，溫度對沖洗液性能沒有實質性的影響，可不予考慮。沖洗液的性能應根據不同地層類型和鉆孔實際情況，因地制宜，進行有針對性的選擇?？傮w而言，深孔鉆探對沖洗液性能的要求更高、更嚴。深孔鉆探與沖洗液相關的突出問題：

（1）孔壁穩定難度大。深部找礦鉆探所鉆遇的地層類型多，往往會遇到不同類型的復雜地層。一是力學不穩定地層。這類地層一般受地質成因或經過多次復雜的地質構造運動，產生多向擠壓作用，斷層、節理和破碎帶發育，結構松散。如果沖洗液護壁性能不強，鉆進過程中會出現坍塌、掉塊和擴徑等問題。二是遇水不穩定地層（即水敏性地層）。這類地層遇水產生水解、水化作用，表現為遇水膨脹、分散、剝落等，主要為泥頁巖地層，此外，金屬礦產鉆探中，還有存在于接觸帶、蝕變帶的含粘土礦物和綠泥石、綠簾石等。若沖洗液性能不當，將會出現縮徑、剝落和坍塌等現象，造成埋鉆、卡鉆、斷鉆桿等一系列復雜孔內事故。

（2）回轉阻力大。深孔鉆探，隨孔深的增加，孔內鉆桿增長，鉆桿與孔壁的接觸面積增大，若沖洗液潤滑性能不良，鉆桿與孔壁摩擦阻力就會明顯增大，不僅鉆機負荷增加，鉆桿磨損加快，動力和材料消耗增大，而且轉速難以提高，不能很好地滿足金剛石鉆進高轉速的要求，影響鉆進效率，還容易造成斷鉆桿等孔內事故。

（3）鉆桿內壁結垢及環空壓力大。泥漿在鉆桿內平均流速一般為0.2m/s～0.5m/s，呈層流流動，為內壁結垢提供了有利條件。若泥漿固相含量高，流變性能差，在高速旋轉的鉆桿內壁上，由于強大的離心力作用而引起結垢，導致內管打撈困難；另外，鉆桿與孔壁環狀間隙很小，通常為1mm～3mm，會引起環空壓力增高，壓裂地層造成漏失，造成孔壁不穩定。

（4）沖洗液漏失。由于深部找礦鉆探多在構造破碎帶附近進行，并要鉆穿多種類型的地層，漏失時有發生，這是深孔鉆探經常遇到的問題，且情況復雜多變。對于一般滲透性漏失，堵漏比較容易；對于漏失嚴重的地層，堵漏則非常困難。

（5）粘附卡鉆。深孔鉆探，由于鉆桿與接頭基本齊平，鉆桿與孔壁之間間隙很小，易與孔壁接觸且面積大。若沖洗液處理不當，不能有效抑制水敏性地層吸水膨脹；或沖洗液濾失量大，泥皮質量差，潤滑性能差，可能會造成粘附卡鉆事故。而在淺孔鉆探中發生的幾率則很低。

5 結論

①深孔鉆探技術方法，應具有高度的可靠性和高效性、經濟性。②該鉆探方法是目前深孔鉆探最可靠、適用的高效鉆探方法。在目前深部找礦空間范圍內，將繼續發揮重要作用。③液動錘鉆探方法使鉆探方法的優勢得到進一步發揮，可有效提高機械鉆速、回次進尺和鉆頭壽命并減輕孔斜，成為目前深孔取心鉆探效率最高的鉆探方法，雖然增加了部分配套費用，對沖洗液的要求也提高，但是仍然是值得進一步完善并大力推廣的高效深孔鉆探方法。④在特殊環境和地層條件下，結合實際組合應用定向鉆探、氣動錘和水泵泡沫增壓等特種鉆探技術，可發揮其獨特的技術優勢，有效解決鉆探施工難題，取得良好的找礦效果和經濟效益。