深孔繩索取心鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及研發(fā)工作思路

孫建華,張永勤,梁健,劉秀美,王漢寶

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000)

1 國(guó)外繩索取心鉆探技術(shù)發(fā)展概況

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)起源于石油鉆井。1947年,美國(guó)長(zhǎng)年 (Longyear)公司成功地將繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)引入到地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域。后經(jīng)不斷改進(jìn)完善,到上世紀(jì)末成功開發(fā)了適合不同地層需要的系列化繩索鉆桿、鉆具。這些產(chǎn)品覆蓋了3000m以淺固體礦產(chǎn)勘探的需要。上世紀(jì)70～90年代,美國(guó)、加拿大和澳大利亞等國(guó)的金剛石巖心鉆探中,繩索取心鉆探工作量占到85～90%。世界繩索取心鉆孔深度紀(jì)錄為5423m(1988年),鉆孔位于南非某金礦,施工采用了鋁合金繩索取心鉆柱。

進(jìn)入21世紀(jì),伴隨數(shù)控精密加工、合金鋼冶煉、熱處理及有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,西方工業(yè)國(guó)家的繩索鉆桿、鉆具制造工藝和優(yōu)化研究工作取得了較大進(jìn)展,一批新技術(shù)成果陸續(xù)出現(xiàn)。如德法合資的瓦盧瑞克-曼內(nèi)斯曼鋼管公司的Drilma×850等高性能、高幾何精度繩索鉆桿管材;寶長(zhǎng)年公司的RQ負(fù)角防脫扣螺紋繩索鉆桿、V-WALL系列高強(qiáng)度薄壁繩索鉆桿和超高胎體長(zhǎng)壽命金剛石繩索取心鉆頭;法國(guó)Technidrill DGA公司的3000m加重摩擦焊繩索鉆桿以及新結(jié)構(gòu)繩索取心鉆具、輔助工具等產(chǎn)品。

同時(shí),寶長(zhǎng)年公司設(shè)在加拿大北灣市的制造工廠在直聯(lián)Q系列繩索鉆桿的制造方面基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,鉆桿制造精度和效率大幅提高,成本顯著降低,產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2 寶長(zhǎng)年公司繩索鉆桿分析

多年來(lái),寶長(zhǎng)年公司的繩索取心技術(shù)和產(chǎn)品一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位,引領(lǐng)了國(guó)外繩索取心產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì),其規(guī)格系列得到較多國(guó)家的認(rèn)可。

寶長(zhǎng)年公司繩索鉆桿以直聯(lián)式為主,這與西方發(fā)達(dá)國(guó)家勞動(dòng)力成本高,專業(yè)分工明確,鉆桿生產(chǎn)自動(dòng)化程度較高有關(guān)。同時(shí),該公司放棄了影響較大的CHD系列的加強(qiáng)型繩索鉆桿的制造和銷售。目前,寶長(zhǎng)年公司繩索鉆桿螺紋型式主要有:

(1)Q(r)螺紋,齒形半角為15°的普通梯形螺紋,螺紋副錐度半角為1°,螺距為每英寸3扣。擰卸方便,價(jià)格較低,使用普遍。

(2)RQ(r)螺紋,負(fù)角防脫扣螺紋,強(qiáng)度大大增加,有效減少了繩索鉆桿螺紋副拉脫概率,鉆進(jìn)深度能力明顯提高。

(3)HD螺紋,不對(duì)稱梯形螺紋,承載面角度變小,旋合面角度增大。主要用于大直徑加強(qiáng)型繩索鉆桿。該型式的繩索鉆桿螺紋開發(fā)應(yīng)用晚于國(guó)內(nèi)。

寶長(zhǎng)年公司還新推出了V-WALL鉆桿,為該公司CQ系列的升級(jí)產(chǎn)品。V-WALL繩索鉆桿的含義為不等壁厚 (內(nèi)加厚)繩索鉆桿,其特點(diǎn)如下:

(1)采用了高精度幾何尺寸及耐腐蝕性好的管材;

(2)端部為內(nèi)部加厚;

(3)桿體內(nèi)徑增大 2mm,重量下降 22%(NQ),鉆機(jī)鉆深能力可增加30%;

(4)鉆桿的柔韌性更好;

(5)鉆桿內(nèi)徑增大,同時(shí)配置專用的繩索取心內(nèi)管總成,投放打撈速度可提高50%左右。

寶長(zhǎng)年公司制造的繩索鉆桿規(guī)格和主要參數(shù)見表1～4。

表1 寶長(zhǎng)年公司繩索取心鉆桿部分參數(shù)

表2 UPSET RQHP繩索取心鉆桿部分參數(shù)

表3 寶長(zhǎng)年公司繩索取心鉆桿鉆深能力和最低上扣扭矩要求

表4 V-WALL繩索取心鉆桿部分參數(shù)

3 國(guó)內(nèi)繩索取心鉆探技術(shù)發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)金剛石繩索取心技術(shù)的研究試驗(yàn)工作始于上世紀(jì)70年代。1974年,由勘探技術(shù)研究所設(shè)計(jì),無(wú)錫鉆探工具廠等工廠試制的S56繩索取心鉆具,在北京市101地質(zhì)隊(duì)、102地質(zhì)隊(duì)和河南省第九地質(zhì)隊(duì)進(jìn)行了試驗(yàn),取得了明顯的效果。1976年初,S56繩索取心技術(shù)通過(guò)鑒定驗(yàn)收。到80年代中期,我國(guó)繩索取心鉆具初步形成系列,同時(shí)小口徑金剛石高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)、繩索取心打撈絞車等裝備配套基本完成。繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)得到大范圍推廣應(yīng)用,取得了鉆探成本下降,鉆進(jìn)效率提高,鉆探質(zhì)量改善,勞動(dòng)強(qiáng)度降低等突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。截至上世紀(jì)90年代,我國(guó)繩索取心鉆探工作量累計(jì)完成數(shù)千萬(wàn)米,繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)巖心鉆探中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

但是,受當(dāng)時(shí)無(wú)縫鋼管性能、質(zhì)量和鉆桿尺寸系列的限制,國(guó)產(chǎn)常規(guī)繩索鉆桿在孔深超過(guò)1500m時(shí),常常發(fā)生斷鉆桿、脫扣,母螺紋變形成“喇叭口”狀以及沖洗液循環(huán)阻力大、泵壓偏高等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題,我國(guó)技術(shù)人員曾做了大量的試驗(yàn)研究工作,取得了一定的進(jìn)展。2001年,在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的支持下,勘探技術(shù)研究所開展了中深孔復(fù)雜地層繩索取心鉆探技術(shù)的研究工作。在SQ77繩索鉆桿的設(shè)計(jì)中,大膽采用了更適合我國(guó)國(guó)情的鉆桿鐓粗工藝。試制中研究了以往普通鉆桿鐓粗工藝特點(diǎn),使鉆桿鐓粗技術(shù)首次成功應(yīng)用到小直徑繩索鉆桿制造中。目前,鐓粗加強(qiáng)型繩索鉆桿已經(jīng)取代等厚壁加強(qiáng)型繩索鉆桿。地質(zhì)巖心鉆孔施工深度可超過(guò)2500m。

2008年7月,依托國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目《2000m地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備》的支持,勘探技術(shù)研究所與新紀(jì)元鋼管公司合作研制出了綜合性能更佳的XJY 850高鋼級(jí)精密無(wú)縫管材 (42CrMoA)。該管材坯料采用專供出口的高品質(zhì)石油鉆桿接頭用鋼,由江陰興澄特種鋼鐵有限公司煉制。鋼坯采用連鑄連軋工藝生產(chǎn),鋼潔凈度高;同時(shí),鋼中硫、磷有害元素和A s、Sn、Sb、Pb、Bi五害元素的含量控制嚴(yán)格,其中S含量低于0.007%,P含量低于0.013%;鋼中氣體含量也達(dá)到很好的控制水平,氧含量小于12ppm,氫含量小于1.2ppm,氮含量小于60ppm。該鋼種較大幅度的提高了鉆桿螺紋副的疲勞壽命。鋼管采用多次精密冷拔工藝制造,外形尺寸、形位公差精度高于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品。

與此同時(shí),勘探技術(shù)研究所還與無(wú)錫鉆探工具廠合作進(jìn)行了深孔高強(qiáng)度鉆桿螺紋優(yōu)化分析、高壓水密拉伸試驗(yàn)、鉆桿破壞性試驗(yàn)、表面磨損對(duì)比試驗(yàn)、螺紋副不同幾何尺寸 (齒高、圓角等)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)等工作,取得了寶貴的技術(shù)數(shù)據(jù)。研究設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度雙密封不對(duì)稱梯形扣繩索鉆桿,完成了高強(qiáng)度繩索鉆桿材料熱處理優(yōu)化試驗(yàn),確定了鉆桿量產(chǎn)制造工藝流程和技術(shù)參數(shù)。研制的新型高強(qiáng)度H、N規(guī)格繩索鉆桿在乳山金青頂?shù)V區(qū)與進(jìn)口鉆桿混合使用,H規(guī)格繩索鉆桿創(chuàng)造國(guó)內(nèi)同規(guī)格繩索鉆桿應(yīng)用孔深記錄 (1461.90m),N規(guī)格繩索鉆桿應(yīng)用孔深達(dá)到2212.80m。試驗(yàn)證明,研制的繩索鉆桿強(qiáng)度高、耐磨性好、卸扣扭矩低、密封性明顯改善,價(jià)格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的50%左右。

此后 (2009年),無(wú)錫鉆探工具廠經(jīng)過(guò)不斷探索,在國(guó)內(nèi)率先突破了繩索鉆桿負(fù)角梯形扣加工和仿形梳刀制造技術(shù)。研制的負(fù)角梯形扣繩索鉆桿在安徽霍邱進(jìn)行了試驗(yàn),終孔深度達(dá)到2706.68m(N級(jí)口徑),創(chuàng)目前國(guó)內(nèi)小口徑金剛石 (繩索取心)鉆探深度紀(jì)錄。

4 國(guó)內(nèi)繩索取心鉆探技術(shù)研究應(yīng)用思路

目前,繩索取心鉆進(jìn)已經(jīng)成為地質(zhì)巖心鉆探的主流技術(shù)方法。除部分煤田和沉積巖復(fù)雜地層外,繩索取心鉆探技術(shù)已經(jīng)在深孔固體礦產(chǎn)資源勘查施工中得到普及。國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)、鉆探用戶及生產(chǎn)企業(yè)一直在積極關(guān)注深孔、特深孔繩索取心鉆探技術(shù)的優(yōu)化和完善工作,開發(fā)新產(chǎn)品,研究深孔鉆探工藝。為此,針對(duì)目前深孔、特深孔繩索取心鉆探技術(shù)研究工作,提出以下工作思路或建議:

(1)繩索鉆桿的優(yōu)化研究應(yīng)成為長(zhǎng)期和重要的技術(shù)工作方向

繩索鉆桿承受著地面鉆機(jī)傳遞的回轉(zhuǎn)扭矩和自身重量產(chǎn)生的拉力,同時(shí)是輸送高壓沖洗介質(zhì)、撈取巖礦心和投放內(nèi)管總成的通道,具有薄壁和基本內(nèi)平的特點(diǎn)。在地質(zhì)鉆探設(shè)備和器具中,回轉(zhuǎn)的繩索鉆桿的受力情況和工作條件最為復(fù)雜和惡劣。繩索鉆桿的優(yōu)化研究應(yīng)作為最重要的技術(shù)工作長(zhǎng)期堅(jiān)持下去。應(yīng)選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)合金管材,優(yōu)化設(shè)計(jì)螺紋類型,重視鉆桿和接頭螺紋副的加工、熱處理和表面處理工藝。

(2)應(yīng)使繩索鉆桿鉆具的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化工作適當(dāng)銜接,相互聯(lián)動(dòng)

目前,國(guó)內(nèi)繩索鉆桿螺紋型式不一,不具互換性。同時(shí),不同廠家的產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用后肉眼和卡尺測(cè)量無(wú)法區(qū)別,甚至是不擰到最后一扣不能確定是否是一套圖紙加工的,給鉆探施工帶來(lái)極大隱患,施工單位意見極大。國(guó)內(nèi)繩索鉆桿主要生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)聯(lián)合統(tǒng)一制定不對(duì)稱梯形、負(fù)角梯形螺紋加強(qiáng)型繩索鉆桿產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),并盡快面向行業(yè)發(fā)布實(shí)施。

特深孔金剛石巖心鉆探用管材、鉆桿、鉆具應(yīng)有更嚴(yán)格的技術(shù)要求,規(guī)格尺寸亦與常規(guī)產(chǎn)品有所不同,應(yīng)重視特深孔鉆具標(biāo)準(zhǔn)的研究制定。目前,多個(gè)部門和單位已經(jīng)開展了特深孔鉆桿、鉆具的研究開發(fā)工作。鉆探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作應(yīng)主動(dòng)與科研項(xiàng)目銜接,開展國(guó)內(nèi)外調(diào)研和前期基礎(chǔ)性研究,為產(chǎn)品開發(fā)提供咨詢服務(wù)。同時(shí),應(yīng)創(chuàng)新科研工作機(jī)制,使特深孔鉆具開發(fā)與鉆探標(biāo)準(zhǔn)化工作聯(lián)動(dòng)起來(lái)。

可喜的是,由勘探技術(shù)研究所主持的《金剛石巖心鉆探鉆具》標(biāo)準(zhǔn)制定工作已經(jīng)于2010年5月率先啟動(dòng)。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì) GB/T16950-1997和 GB/T16951-1997標(biāo)準(zhǔn)的修訂,是繩索取心和金剛石鉆探技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的“基礎(chǔ)性”標(biāo)準(zhǔn)之一。在新鉆具標(biāo)準(zhǔn)制修訂中,無(wú)錫鉆探工具廠等單位以社會(huì)責(zé)任和用戶利益為重,從大局出發(fā),主動(dòng)公開技術(shù)數(shù)據(jù),為制定高水平、統(tǒng)一互換的鉆桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做出了積極努力。其他專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)亦表示鼎力支持繩索鉆桿制定統(tǒng)一的可互換的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

(3)開發(fā)高性能繩索鉆桿用管材,重視材料的測(cè)試比對(duì)研究

在成功開發(fā)2000m以上大深度鉆孔用高強(qiáng)度繩索鉆桿用管材XJY850的基礎(chǔ)上,對(duì)鉆桿管材的化學(xué)成分、制造工藝、熱處理方式、鉆桿加工和鉆探施工要求等方面進(jìn)行全面分析和總結(jié),嘗試開發(fā)XJY950冷拔合金無(wú)縫鋼管。應(yīng)進(jìn)一步提高繩索取心管材材料的綜合機(jī)械性能,從強(qiáng)調(diào)“高強(qiáng)度”為主,向“高強(qiáng)度、高性能”方向發(fā)展。

應(yīng)有序淘汰成分組配不合理、有害元素較高、熱加工性能較差的部分地質(zhì)管材,逐步向與高性能石油鉆井管材 (材質(zhì))靠攏。同時(shí),改進(jìn)提高管材的淬透性,增強(qiáng)管材彈性 (韌性)、抗疲勞性、抗磨蝕性和抗沖擊性能,改善金相組織結(jié)構(gòu),使研發(fā)的新型管材基本達(dá)到3500～4500m特深孔繩索取心鉆探施工要求。目前,勘探技術(shù)研究所與有關(guān)單位合作,對(duì)新舊鋼種的冷拔無(wú)縫鋼管最佳熱處理?xiàng)l件下的常溫沖擊韌性、低溫沖擊韌性、空氣中高頻應(yīng)力疲勞特性及疲勞壽命進(jìn)行了測(cè)試比對(duì),取得了大量有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4)開展深孔、特深孔繩索取心鉆探工藝研究,發(fā)現(xiàn)和解決新問(wèn)題

全面客觀分析繩索取心鉆探技術(shù)利弊,確定合理的應(yīng)用條件,選擇適合的鉆探工藝參數(shù),是提高深孔鉆探工藝水平,確保鉆探施工安全和效率的重要工作。應(yīng)在開發(fā)新型鉆探裝備、研制高性能繩索鉆桿鉆具的同時(shí),加強(qiáng)深孔繩索取心鉆探工藝技術(shù)的應(yīng)用研究。

近幾年來(lái),繩索鉆桿鉆具性能和質(zhì)量不斷提高,深孔和特深孔中繩索鉆桿折斷、喇叭口及脫扣等問(wèn)題逐漸減少,問(wèn)題初步得到解決。但在某些礦區(qū),繩索鉆桿螺紋副粘扣、咬扣,卸扣扭矩過(guò)大、擰卸困難,鉆桿桿體不耐磨等問(wèn)題顯得較為突出。另外,深孔尤其是特深孔繩索取心鉆孔防斜控制技術(shù)要求亦越來(lái)越迫切。

因此,應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和現(xiàn)場(chǎng)使用等多方面入手,逐步減輕和解決出現(xiàn)的新問(wèn)題。技術(shù)途徑包括螺紋參數(shù)細(xì)節(jié)優(yōu)化、合理公差控制、螺紋表面硬化、仿形刀具的推廣以及新型絲扣油研制、研究鉆桿預(yù)扭矩和過(guò)載扭矩控制方法等。

(5)重視繩索鉆桿測(cè)試條件建設(shè),改進(jìn)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集方法

應(yīng)重視鉆桿測(cè)試條件建設(shè),試驗(yàn)室室內(nèi)測(cè)試和野外試驗(yàn)工作相結(jié)合,開展繩索鉆桿抗扭、疲勞、腐蝕、磨損等試驗(yàn)及磨損后性能測(cè)試試驗(yàn)工作,收集重要的技術(shù)數(shù)據(jù),如桿體及螺紋副磨損形態(tài)、磨損速率,孔深、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速等鉆進(jìn)參數(shù)及鉆孔彎曲度對(duì)鉆桿磨損的影響,沖洗液性能對(duì)鉆桿磨損、內(nèi)壁結(jié)垢的影響程度,鉆桿桿體鉆機(jī)夾持適應(yīng)性,鉆桿螺紋副機(jī)械擰卸適應(yīng)性,冬季低溫施工鉆桿特性變化,不同材質(zhì)繩索鉆桿性能對(duì)比、使用壽命等。

(6)研究和儲(chǔ)備新型薄壁繩索鉆桿和鋁合金繩索鉆桿設(shè)計(jì)和制造技術(shù)

目前,國(guó)內(nèi)還不具備新型薄壁繩索鉆桿和鋁合金繩索鉆桿制造條件,應(yīng)用環(huán)境亦不成熟。在可能的情況下,應(yīng)積極跟蹤和儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù),一旦研發(fā)條件具備和應(yīng)用環(huán)境成熟,可迅速投入資源,加快技術(shù)開發(fā)步伐。新型薄壁繩索鉆桿研制重點(diǎn)為耐腐蝕、高強(qiáng)度和冷加工性好的無(wú)縫鋼管研制、桿體端部?jī)?nèi)孔冷縮徑技術(shù)等。鋁合金繩索鉆桿研究重點(diǎn)為鋁合金桿體耐磨損處理工藝、鋼接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組配工藝等。

(7)提高深孔繩索取心鉆具可靠性,開發(fā)派生產(chǎn)品和孔底組合動(dòng)力鉆具

應(yīng)設(shè)計(jì)合理的到位報(bào)信、堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)和打撈投放裝置,提高深孔、特深孔鉆進(jìn)或特殊鉆探施工用繩索取心鉆具可靠性。同時(shí),為降低鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)扭矩,減輕繩索鉆桿高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨損加劇和疲勞壽命下降等問(wèn)題,應(yīng)研究和開發(fā)繩索取心復(fù)合鉆具或孔底動(dòng)力繩索取心鉆具,如液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)繩索取心鉆具、孔底馬達(dá)驅(qū)動(dòng)繩索取心鉆具、納維鉆(Navi-D rill)驅(qū)動(dòng)繩索取心鉆具、渦輪鉆驅(qū)動(dòng)繩索取心鉆具、渦輪鉆驅(qū)動(dòng)反循環(huán)繩索取心鉆具及螺桿鉆不提鉆換鉆頭繩索取心鉆具等。

借助繩索鉆桿、打撈器和輔助工具,可以較便利地實(shí)現(xiàn)不提鉆換鉆頭工藝?？稍诖笾睆嚼K索取心鉆進(jìn)和套管鉆進(jìn)中,研究應(yīng)用不提鉆換鉆頭鉆具。

(8)加強(qiáng)深孔繩索取心鉆探工藝技術(shù)培訓(xùn)

繩索取心鉆探技術(shù)已經(jīng)成為常規(guī)、成熟和主流的鉆探技術(shù)方法,但因技術(shù)、資金和其他因素,很多鉆探施工單位并未充分其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。因此,加強(qiáng)深孔繩索取心鉆探工藝技術(shù)培訓(xùn)仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè) [M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[2] 孫建華,張永勤等.復(fù)雜地層中深孔繩索取心鉆探技術(shù)研究 [J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2006(5).

[3] 湯鳳林.巖心鉆探學(xué) [M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2009.

[4] 王達(dá).深孔巖心鉆探的技術(shù)關(guān)鍵 [J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009(1).

[5] 朱恒銀,劉躍進(jìn).FYD-2200型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的研制及應(yīng)用 [J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009(1).