深孔鉆探配套鉆機(jī)及其應(yīng)用

張榮，劉濤

(1.連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222000； 2.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

深孔鉆探配套鉆機(jī)及其應(yīng)用

張榮1，劉濤2

(1.連云港黃海機(jī)械股份有限公司，江蘇 連云港 222000； 2.中國(guó)人民解放軍68612部隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

根據(jù)我國(guó)深部找礦要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了幾種新型深孔巖心勘探技術(shù)裝備，主要適用于地質(zhì)、冶金、煤炭、水文、工程等行業(yè)，以金剛石和硬質(zhì)合金鉆進(jìn)為主的鉆探施工，也適用于工程地質(zhì)勘探、地質(zhì)科探特殊孔勘探，淺、中層石油和天然氣開采、礦山坑道通風(fēng)、排水、水文水井鉆進(jìn)以及大口徑基礎(chǔ)樁工程施工等。本文主要介紹了幾種鉆機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)、主要參數(shù)、以及應(yīng)用情況。

深孔；鉆探；立軸式；巖心鉆機(jī)；應(yīng)用

0 引言

隨著淺層礦藏的枯竭，向地球深處勘探資源成為地質(zhì)勘探的趨勢(shì)，鉆探工藝所要求的深度在不斷的加深，鉆探設(shè)備的性能也在相應(yīng)的提高，鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度也在不斷調(diào)整。近年來,我公司自主設(shè)計(jì)并制造的幾種立軸式巖心鉆機(jī)，可滿足2000m以上深層巖心鉆進(jìn)的需要，其孔徑大，結(jié)構(gòu)合理，性能廣泛，可靠性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度高，使用范圍廣，廣泛用于以合金、金剛石為主進(jìn)行巖心鉆探，也可用于工程地質(zhì)勘察、水文水井鉆進(jìn)，淺層石油和天然氣開采、礦山坑道通風(fēng)、排水以及大口徑基礎(chǔ)工程施工,滿足了深孔的鉆探工藝需要。

深孔的鉆探工藝要求對(duì)鉆機(jī)的性能提出了較高的要求。首先，要有較高的提升力，其卷?yè)P(yáng)機(jī)單繩最大提升力在130kN以上；立軸最大提升力在300kN以上；其次，需要大扭矩，立軸低速最大扭矩在9440N·m以上，同時(shí)轉(zhuǎn)速要有多擋變化(一般十級(jí))，對(duì)孔內(nèi)變化的適應(yīng)性更高；最后要使用方便，能夠及時(shí)的對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行各種調(diào)整，以應(yīng)對(duì)孔內(nèi)復(fù)雜的情況。

下面分別介紹我公司深孔用立軸巖心鉆機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和主要應(yīng)用領(lǐng)域。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 HXY-8型巖心鉆機(jī)

HXY-8型鉆機(jī)是為滿足用戶的迫切要求在嚴(yán)格貫徹執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成的一種大孔徑的深孔巖心鉆機(jī)。

主要具有以下特點(diǎn)：

(1)鉆機(jī)具有10級(jí)轉(zhuǎn)速級(jí)別。

(2)設(shè)計(jì)功率大。采用東風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)變速器和離合器，換擋輕巧、容易，噪音低，配件易購(gòu)，維護(hù)方便。

(3)采用腳踩式離合操縱裝置，具有操控輕便，可靠性高等特點(diǎn)。

(4)立軸通徑大，雙油缸給進(jìn)，行程長(zhǎng)。

(5)卡盤夾持力大，鉆機(jī)采用雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，適應(yīng)多種鉆進(jìn)工藝，有利于提高鉆進(jìn)效率。

(6)卷?yè)P(yáng)機(jī)橫置設(shè)計(jì)，方便排繩，提升力大，并配有防振儀表。

(7)具有加壓、減壓鉆進(jìn)和稱重的功能。

HXY-8型巖心鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參見表1。

1.2 HXY-8B型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)以HXY-8型鉆機(jī)為原型，配備大通徑轉(zhuǎn)盤，可實(shí)現(xiàn)深孔大扭矩傳動(dòng)。該轉(zhuǎn)盤還配有與石油鉆卡瓦、鉆鋌相通用的半傳扭套，可直接使用三片式或多片式卡瓦。該機(jī)型大部分零部件與HXY-8機(jī)型通用，壽命長(zhǎng)且配件更換方便，既可以滿足常規(guī)鉆探需要，又可以使用轉(zhuǎn)盤，進(jìn)行大通徑的鉆探。其他技術(shù)特點(diǎn)與HXY-8型鉆機(jī)相同，主要技術(shù)參數(shù)參見表2。

表1 HXY-8型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 HXY-8B型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 HXY-9型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)為滿足更深層鉆探需要，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維，通過機(jī)、液、氣的組合使用，擴(kuò)寬了產(chǎn)品的實(shí)用性，提高了產(chǎn)品的可靠性。鉆機(jī)既適合以合金、金剛石巖心鉆進(jìn)，也可用于工程地質(zhì)勘察、水文水井鉆進(jìn)、基礎(chǔ)樁工程施工，可拆性強(qiáng)。全機(jī)可分解成多個(gè)整體部件，便于運(yùn)輸和搬遷，適用于多種復(fù)雜環(huán)境下工作。

圖1 HXY-9型巖心鉆機(jī)

主要具有以下特點(diǎn)：

(1)鉆機(jī)具有較多的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)和合理的轉(zhuǎn)速范圍，在鉆進(jìn)時(shí)選擇速度更合理，更符合鉆探工藝的要求。

(2)設(shè)計(jì)功率大，采用法士特車用離合器及變速箱，扭矩大，操縱輕巧，維護(hù)方便。

(3)立軸低速扭矩大，立軸通徑大，雙油缸給進(jìn)，卡盤采用大碟簧卡緊、液壓松開、三卡瓦自動(dòng)定心式卡盤，夾持力大，雙液壓卡盤。

(4)采用雙聯(lián)齒輪油泵組合供油，適應(yīng)多種鉆進(jìn)工藝，有利于提高鉆進(jìn)效率。

(5)卷?yè)P(yáng)機(jī)橫置設(shè)計(jì)，方便排繩，提升力大，并配有防振儀表。卷?yè)P(yáng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)采用杠桿氣動(dòng)制動(dòng)與杠桿手動(dòng)剎車相結(jié)合，提升靠快速氣動(dòng)制動(dòng)，剎車靠杠桿手動(dòng)制動(dòng)。

(6)具有加壓、減壓鉆進(jìn)和稱重的功能。

(7)卷?yè)P(yáng)機(jī)裝有水剎車裝置，水剎車上設(shè)有排水閥，控制水量流出的大小，可使水剎車產(chǎn)生不同的制動(dòng)力矩，控制卷?yè)P(yáng)機(jī)的急速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)鉆具下降的速度，使下鉆平穩(wěn)安全，防止事故的發(fā)生，并延長(zhǎng)剎車帶的壽命。

(8)壓梁采用一級(jí)軸承油循環(huán)潤(rùn)滑，具有潤(rùn)滑效果好、增加軸承壽命、散熱快等優(yōu)點(diǎn)。

(9)采用腳踩式離合操縱裝置，具有操控輕便，可靠性高等特點(diǎn)。

HXY-9型巖心鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)參見表3。

1.4 HXY-9B型巖心鉆機(jī)

該鉆機(jī)以HXY-9型鉆機(jī)為原型，在深孔或大口徑鉆進(jìn)時(shí)，為獲得更大的扭矩設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)盤部分，在轉(zhuǎn)盤上部的孔口增加一個(gè)補(bǔ)心。另外，還帶一組喇叭口補(bǔ)心，以備石油鉆桿時(shí)用，立軸下部(去掉下卡盤)通過萬向節(jié)與轉(zhuǎn)盤聯(lián)接。

該機(jī)型大部分零部件與HXY-9機(jī)型通用，壽命長(zhǎng)且配件更換方便，既可以用于常規(guī)鉆探需要，又可以使用轉(zhuǎn)盤，滿足大通徑的鉆探需求。

其他技術(shù)特點(diǎn)均與HXY-9型鉆機(jī)相同，主要技術(shù)參數(shù)參見表4。

表3 HXY-9型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表4 HXY-9B型鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 施工案例

以上幾種鉆機(jī)在深孔鉆探施工中因其方便靈活的操控性和可靠的性能得到了用戶的認(rèn)可。多種型號(hào)的鉆機(jī)分別被用于國(guó)內(nèi)深孔鉆探施工工地，包括山東萊州科學(xué)鉆探、四川汶川地震帶斷裂帶科學(xué)鉆探、甘肅金昌金川科學(xué)鉆探等，在使用過程中用戶也提出了一些可行的建議，如一些關(guān)鍵的零部件的使用壽命還有進(jìn)一步提高的空間，為我公司進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能指明的方向。

圖2 HXY-8B型鉆機(jī)在四川汶川地震帶斷裂帶科學(xué)鉆探施工工地

2.1 山東萊州科學(xué)鉆探施工工地

山東黃金地勘公司為了研究三山島金礦集區(qū)深部地質(zhì)及成礦規(guī)律，開展了“膠西北金礦集區(qū)超深深部綜合地質(zhì)研究與資源預(yù)測(cè)”重大科研項(xiàng)目。為了配合該科研項(xiàng)目的實(shí)施，在山東萊州西嶺金礦區(qū)設(shè)計(jì)了三個(gè)巖金勘探科學(xué)鉆孔，其中ZK96-5孔設(shè)計(jì)孔深4000m，設(shè)計(jì)鉆孔傾角90°，終孔口徑75mm，是設(shè)計(jì)孔深最大的鉆孔，堪稱“中國(guó)巖金勘查第一深鉆。工程于2010年9月18日開鉆，歷時(shí)985天，于2013年5月29日順利終孔，終孔孔深為4006.17m，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)固體礦產(chǎn)勘查小口徑巖心深部鉆探先河。

圖3 HXY-9B型鉆機(jī)在山東萊州科學(xué)鉆探施工工地

該超深孔鉆進(jìn)選用了鉆進(jìn)能力為4200m的HXY-9B型。由于是我國(guó)的第一臺(tái)設(shè)計(jì)能力超過4000m的立軸式巖心鉆機(jī)，鉆進(jìn)過程中與山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院合作，針對(duì)鉆機(jī)在鉆探生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，對(duì)鉆機(jī)的一些部件進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，使其能適應(yīng)小口徑深孔鉆進(jìn)工藝。

2.2 甘肅金昌金川科學(xué)鉆探施工工地

金川科學(xué)鉆探所屬的SinoProbe“大陸科學(xué)鉆探選址與科學(xué)鉆探實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，要解決的關(guān)鍵問題之一就是對(duì)重要礦產(chǎn)資源集聚區(qū)的成礦背景、成礦條件和成礦前景進(jìn)行研究。從這個(gè)方面來看，金川無疑是最佳鉆探地點(diǎn)之一。

作為中國(guó)三大多金屬共生礦之一，金川銅鎳礦集區(qū)以鎳礦為主，其硫化鎳儲(chǔ)量居世界第三位，并伴生有銅、鉑、鈷等18種有色和稀有金屬。金川的鎳、鈷、鉑產(chǎn)量居全國(guó)第一，是中國(guó)鉑金屬的主要產(chǎn)地。

此外，金川銅鎳硫化物礦集區(qū)具有特殊的大地構(gòu)造位置和地質(zhì)背景，這使其成為了地球科學(xué)深部鉆探試驗(yàn)最佳的天然場(chǎng)所。同時(shí)，該地地質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)集中，巖石類型種類繁多，也是科學(xué)深部鉆探技術(shù)與鉆具試驗(yàn)的最佳場(chǎng)所。

從鉆探項(xiàng)目正式啟動(dòng)前的2009年，大量工作就逐步展開，各合作機(jī)構(gòu)各司其職。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院負(fù)責(zé)開展地球物理工作，長(zhǎng)安大學(xué)承擔(dān)地質(zhì)研究工作，而金川集團(tuán)公司則負(fù)責(zé)淺部鉆探。

在進(jìn)行了大量研究之后，2011年4月，金川銅鎳礦集區(qū)科學(xué)鉆探選址現(xiàn)場(chǎng)論證會(huì)在金川召開，確定將在二礦區(qū)8行上盤開孔，鉆孔深度范圍控制在2000～2500m。

金川鉆探項(xiàng)目由山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)施工，選用HXY-9型鉆機(jī)，2014年8月，項(xiàng)目順利竣工并通過專家組的評(píng)審驗(yàn)收。鉆探終孔孔深2185.56m，終孔頂角8°，巖心采取率為96.29%。

在1910m左右深處，研究人員發(fā)現(xiàn)了熱液型黃銅礦、紫硫鎳礦和磁黃鐵礦。

金川鉆探項(xiàng)目的順利實(shí)施，對(duì)探查金川銅鎳硫化物礦床的成礦深度及其深部和外圍的資源潛力，并通過科學(xué)深鉆研究建立具有我國(guó)理論知識(shí)體系和創(chuàng)新性的鎂鐵——超鎂鐵巖漿銅鎳礦床的成礦機(jī)制、成礦過程以及成礦模式，具有重要的意義。

圖4 HXY-9型鉆機(jī)在甘肅金昌金川科學(xué)鉆探施工工地

《地質(zhì)裝備》征稿啟事

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2014-07-28

張榮(1988- )，男(漢族)，湖北荊州人，2010年畢業(yè)于雞西大學(xué)(現(xiàn)黑龍江工業(yè)學(xué)院)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，連云港黃海機(jī)械股份有限公司工程師，從事立軸式巖心鉆機(jī)、全液壓式巖心鉆機(jī)等地勘設(shè)備的研發(fā)工作，江蘇省連云港市海州開發(fā)區(qū)新建東路1號(hào)，Tel：0518-85383040，13815664723，E-mail：zhangyun12369874@163.com。

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1009-282X(2015)05-0015-04