新型坑道繩索取心鉆具的研制與應(yīng)用

李瑞鑫，王朝壘，楊春

（中礦資源勘探股份有限公司，北京 100089）

由于坑道探礦以前大都使用提鉆方式鉆探取心，勞動(dòng)強(qiáng)度大，取心率低，后來(lái)為提高鉆探效率而采用地表施工經(jīng)常使用的繩索取心鉆探技術(shù)，但是由于坑道鉆探鉆孔傾角多樣，而普通的繩索取心鉆具是為地表鉆探施工適用的大傾角鉆孔而設(shè)計(jì)，在緩角度施工中就出現(xiàn)投放不到位、彈卡機(jī)構(gòu)無(wú)法卡緊，而使內(nèi)管總成被巖心頂出，無(wú)法完成鉆探過(guò)程的情況。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)原有繩索取心鉆具進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，并利用現(xiàn)有項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試用，解決了緩角度孔繩索取心鉆具無(wú)法順利投放到位，易脫卡的問(wèn)題。

1 繩索取心鉆探工藝

繩索取心鉆進(jìn)是采用繩索取心鉆桿和鉆具，在鉆具里面套裝一根取心管，在鉆進(jìn)過(guò)程中，由鉆頭刻取巖心，巖心緩慢進(jìn)入巖心管內(nèi)。當(dāng)回次進(jìn)尺終了，巖心裝滿取心管時(shí)，采用帶繩索的打撈器，通過(guò)繩索絞車從鉆桿中將內(nèi)管總成提出，提取巖心后，又從鉆桿中把內(nèi)管總成投放到孔底，繼續(xù)鉆進(jìn)的一種先進(jìn)巖心鉆探工藝。與普通取心鉆進(jìn)相比，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：

（1）提高了鉆進(jìn)效率：減少提下鉆次數(shù)，增加純鉆時(shí)間，鉆進(jìn)效率可提高25%以上，而且孔越深效果越明顯。

（2）提高巖心采取率：采取巖心或發(fā)生巖心堵塞時(shí)，可以立即打撈。絞車打撈提升平穩(wěn)、速度快，可減少巖心磨蝕和中途脫落，巖心采取率最高可達(dá)100%，且可減少人為貧化或富集現(xiàn)象，地質(zhì)效果好。

（3）降低工程成本：只在檢查外管鉆具、更換鉆頭時(shí)提下鉆，減少了上下鉆和擰卸鉆具、掃孔等工作頻率，減少對(duì)鉆頭的無(wú)用損耗。同時(shí)，鉆頭在孔內(nèi)工作平穩(wěn)，鉆頭有效使用壽命延長(zhǎng)。

（4）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度：打撈巖心時(shí)，不必提鉆，只需一人操作繩索取心絞車。

（5）減少孔內(nèi)事故：繩索取心鉆進(jìn)對(duì)復(fù)雜地層影響和擾動(dòng)較小，有利于鉆孔穩(wěn)定和孔內(nèi)安全。

常規(guī)的繩索取心鉆具包括外管總成和內(nèi)管總成（見圖1），外管總成主要包括從上至下順次連接在一起的彈卡擋頭、彈卡室、外管、擴(kuò)孔器和鉆頭，內(nèi)管總成主要包括從上至下順次連接在一起的矛頭、彈卡定位機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和內(nèi)管（半合管等）。

其工作原理是當(dāng)繩索取心鉆具工作時(shí)，即內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，彈卡定位機(jī)構(gòu)卡接在彈卡室中，且內(nèi)管總成無(wú)法沿外管總成的軸向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸送內(nèi)管總成使其安裝于外管總成時(shí)，即內(nèi)管總成處于投放（泵送）或打撈狀態(tài)時(shí)，彈卡定位機(jī)構(gòu)未與彈卡室卡接，內(nèi)管總成可沿外管總成或鉆桿的軸向相對(duì)其運(yùn)動(dòng)。

2 繩索取心鉆具的新型彈卡定位機(jī)構(gòu)

普通的繩索取心鉆具的彈卡定位機(jī)構(gòu)，如果定位不好，內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)有可能在外管總成中竄動(dòng)導(dǎo)致取心失敗，而導(dǎo)致提鉆，特別是在緩傾角地層中，鉆具內(nèi)管在外管總成中卡不牢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

本次研發(fā)新型繩索取心鉆具的彈卡定位機(jī)構(gòu)的目的是保證順利提下鉆，且內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)保證彈卡定位機(jī)構(gòu)不脫離與彈卡室的卡接。

2.1 結(jié)構(gòu)

新型彈卡定位機(jī)構(gòu)（見圖2）；包括一個(gè)第一鉸鏈（26）、一個(gè)第二鉸鏈（28）、一個(gè)第一卡板（22）和一個(gè)第二卡板（24）。第一鉸鏈（26）、一個(gè)第二鉸鏈（28）、一個(gè)第一卡板（22）和一個(gè)第二卡板（24）之間可彼此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

第一鉸鏈（26）具有一個(gè)第一鉸接端（262）和一個(gè)第一連接端（264）（圖中被遮擋未顯示）。第二鉸鏈（28）具有一個(gè)第二鉸接端（282）和一個(gè)第二連接端（284）。第一卡板（22）具有一個(gè)第三鉸接端（222）和一個(gè)第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一個(gè)第四鉸接端（242）和一個(gè)第二卡接端（244）。第一鉸接端（262）和第二鉸接端（264）鉸接于一個(gè)第一鉸接點(diǎn)（27）。第三鉸接端（222）和第四鉸接端（242）可鉸接于一個(gè)第二鉸接點(diǎn)（23）。第一連接端（264）鉸接于第一卡接端（224），第二連接端（284）鉸接于第二卡接端（244）。

圖2 繩索取心鉆具的新型彈卡定位機(jī)構(gòu)一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 繩索取心鉆具的頭部總成一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 內(nèi)管總成處于泵送狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)

2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

當(dāng)內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接于彈卡室，且第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得外管總成與第一卡接端（224）和第二卡接端（244）之間的相互作用力施加于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28），且由于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得相互作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得彈卡定位機(jī)構(gòu)脫離與彈卡室的卡接從而導(dǎo)致內(nèi)管總成在外管總成中竄動(dòng)。

3 繩索取心鉆具的頭部總成

如前文所講，普通繩索取心鉆進(jìn)在大角度垂直孔鉆進(jìn)應(yīng)用廣泛，而緩傾角或坑內(nèi)鉆探時(shí)除了坑道內(nèi)環(huán)境和鉆機(jī)自身?xiàng)l件限制外，內(nèi)管總成自身的重力很難使其投放到位。本次研發(fā)新型繩索取心鉆具的頭部總成的目的是鉆孔與水平面夾角小于45度時(shí)，內(nèi)管總成可以投放到位。

3.1 結(jié)構(gòu)

新型繩索取心鉆具（見圖3）的頭部總成包括一個(gè)矛頭（10）、一個(gè)彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）、一個(gè)閥體（50）和一個(gè)閥座（40）。當(dāng)內(nèi)管總成處于打撈狀態(tài)時(shí)，矛頭（10）可與打撈器的打撈鉤卡接，使得打撈器著力于矛頭（10），從而使得內(nèi)管總成從外管總成中抽出。彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）連接于矛頭（10）。當(dāng)內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）可卡接于外管總成的彈卡室，使得內(nèi)管總成與外管總成相對(duì)定位，避免內(nèi)管總成在外管總成中竄動(dòng)；當(dāng)內(nèi)管總成處于打撈狀態(tài)或泵送狀態(tài)時(shí)，彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）未與彈卡室卡接，使得內(nèi)管總成可相對(duì)于外管總成運(yùn)動(dòng)。彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）設(shè)有一個(gè)第一卡板（22）和一個(gè)第二卡板（24），彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）藉由第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于彈卡室。

彈卡定位機(jī)構(gòu)包括一個(gè)第一鉸鏈（26）、一個(gè)第二鉸鏈（28）、一個(gè)第一卡板（22）和一個(gè)第二卡板（24）。其中，第一鉸鏈（26）具有一個(gè)第一鉸接端（262）和一個(gè)第一連接端（264）（圖中被遮擋未顯示）。第二鉸鏈（28）具有一個(gè)第二鉸接端（282）和一個(gè)第二連接端（284）。第一卡板（22）具有一個(gè)第三鉸接端（222）和一個(gè)第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一個(gè)第四鉸接端（242）和一個(gè)第二卡接端（244）。第一鉸接端（262）和第二鉸接端（264）鉸接于一個(gè)第一鉸接點(diǎn)（27）。第三鉸接端（222）和第四鉸接端（242）可鉸接于一個(gè)第二鉸接點(diǎn)（23）。第一連接端（264）鉸接于第一卡接端（224），第二連接端（284）鉸接于第二卡接端（244）。當(dāng)內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接與彈卡室，且第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得外管總成施加于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）的作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得內(nèi)管總成在外管總成中竄動(dòng)。

閥體（50）設(shè)有一個(gè)連接端（52）和一個(gè)密封端（54）。其中，連接端（52）可連接于彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）。閥座（40）設(shè)有一個(gè)閥孔（42），且閥孔（42）中可通過(guò)泥漿。密封端（54）可密封閥孔（42）。閥孔（42）的孔壁還鋪設(shè)有一個(gè)密封套（44），以增加密封端（54）與閥孔（42）之間的密封。內(nèi)管總成還設(shè)有一個(gè)彈卡座（30），其上設(shè)有一個(gè)供泥漿通過(guò)的流道（32），且流道（32）連通于閥孔（42）。通過(guò)閥孔（42）的泥漿藉由流道（32）流向繩索取心鉆具的鉆頭。彈卡座（30）的周向上套設(shè)有兩個(gè)密封圈（34），以增加內(nèi)管總成與外管總成之間的密封。

3.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與普通繩索取心鉆具的內(nèi)管總成相比，該鉆具對(duì)閥體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使鉆孔與水平面夾角小于 45 度時(shí)，內(nèi)管總成可以投放到位。

a.內(nèi)管總成處于泵送狀態(tài)時(shí)（圖中的點(diǎn)劃線表示泥漿的流向），第一卡板（22）第二卡板（24）帶動(dòng)密封端（54）朝向矛頭（10）的方向運(yùn)動(dòng)，且密封端（54）進(jìn)入閥孔（42）中，使得密封端（54）密封閥孔（42）。泵送的泥漿在總成中的流動(dòng)通道堵死，泥漿的泵送壓力可推動(dòng)內(nèi)管總成投放到位（見圖4）。

b.內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)圖中的點(diǎn)劃線表示泥漿的流向，第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于彈卡室，彈卡定位機(jī)構(gòu)藉由連接端（52）推動(dòng)密封端（54），使得密封端（54）穿過(guò)閥孔（42），處于閥孔（42）遠(yuǎn)離彈卡定位機(jī)構(gòu)的一端，且密封端（54）與密封閥孔（42）之間存在間隙。泥漿可由內(nèi)管總成和外管總成的間隙進(jìn)入，而后通過(guò)閥孔流向繩索取心鉆具的鉆頭（見圖5）。

表1 各項(xiàng)情況統(tǒng)計(jì)

圖5 內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)

c.內(nèi)管總成處于打撈狀態(tài)時(shí)（圖中的點(diǎn)劃線表示泥漿的流向），矛頭上提，第一卡板（22）和第二卡板（24）收攏，第一卡板（22）和第二卡板（24）脫離與彈卡室的卡接。內(nèi)管總成可相對(duì)于外管總成運(yùn)動(dòng)。彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）帶動(dòng)密封端（54）運(yùn)動(dòng)，使其停留在閥孔（42）靠近彈卡定位機(jī)構(gòu)（20）的一端，且密封端（54）與閥孔（42）之間留有泥漿通行的間隙（見圖6）。

圖6 內(nèi)管總成處于打撈狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

生產(chǎn)試驗(yàn)于2017年11月至12月，利用現(xiàn)有的贊比亞，剛果金等多個(gè)礦區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行不同請(qǐng)教鉆孔的施工，施工合計(jì)工作量750.5米，取得了良好效果。現(xiàn)列舉具有代表性的試驗(yàn)，介紹如下。

4.1 地層情況

贊比亞某礦區(qū)，地層主要由基底和加坦加（Katanga）系構(gòu)成?；诪楸R福布（Lufubu）系片巖、石英巖、片麻巖，變質(zhì)花崗巖和穆瓦（Muva）系石英云母片巖。區(qū)內(nèi)揭露的加坦加系地層主要包括下羅恩（LowerRoan）組和上羅恩（Upper Roan）組沉積變質(zhì)巖。

4.2 主要設(shè)備及鉆具

鉆機(jī)：阿特拉斯·科普柯Diamec U6型坑道鉆機(jī)，該鉆機(jī)是自動(dòng)化和集成度較高的全液壓坑道鉆機(jī)。

成品按照國(guó)際Q系列鉆具制作標(biāo)準(zhǔn)，并采用同系列的水壓打撈器和水接頭（加壓器），阿特拉斯直連扣鉆桿，進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)效果

鉆孔DMCK-1102，設(shè)計(jì)傾角25°，設(shè)計(jì)孔深209米。試驗(yàn)回次數(shù)60回次，有效進(jìn)尺83.7米，泵送、打撈成功率100%，鉆進(jìn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)自動(dòng)脫卡現(xiàn)象。鉆孔DMCK-1215，設(shè)計(jì)傾角-10°，設(shè)計(jì)孔深117米。試驗(yàn)回次數(shù)60回次，有效進(jìn)尺85.9米，泵送成功率98.3%、有1次因鉆頭部分殘余巖心，致使泵送未成功，進(jìn)而造成內(nèi)管總成被頂出；打撈成功率100%。DMCK-1233，設(shè)計(jì)傾角5°，設(shè)計(jì)孔深83米。試驗(yàn)回次數(shù)56回次，有效進(jìn)尺82.1米，泵送、打撈成功率100%，鉆進(jìn)平穩(wěn)，未出現(xiàn)自動(dòng)脫卡現(xiàn)象。試驗(yàn)期間更換彈卡片2次，試驗(yàn)結(jié)束剩余部分狀態(tài)良好，更換鉆具及打撈器橡膠活塞各2次。各項(xiàng)情況統(tǒng)計(jì)見表1。

5 結(jié)論

（1）本次研發(fā)新型繩索取心鉆具的頭部總成設(shè)計(jì)合理，性能可靠，在施工鉆桿軸線與水平面夾角小于 45度的鉆孔時(shí)，內(nèi)管總成可以投放到位，其彈卡定位機(jī)構(gòu)可以保證順利提下鉆，且內(nèi)管總成處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)保證彈卡定位機(jī)構(gòu)不脫離與彈卡室的卡接，提高取心率和鉆具投放打撈成功率，可以滿足坑道內(nèi)多角度繩索取心鉆進(jìn)要求。

（2）與國(guó)際同類型產(chǎn)品相比降低成本約30%。

（3）可與各類坑道鉆機(jī)配套使用。

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