空氣反循環(huán)成套設(shè)備及其在新疆鈾礦中的應(yīng)用

臧臣坤，何磊，李勇，賈中芳，仲思柏

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院，北京　100120； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京　100083；

3. 核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊　830011)

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空氣反循環(huán)成套設(shè)備及其在新疆鈾礦中的應(yīng)用

臧臣坤1，何磊1，李勇2，賈中芳3，仲思柏3

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院，北京100120； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083；

3. 核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊830011)

摘要：空氣反循環(huán)連續(xù)取樣工藝由于其鉆進(jìn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在國外有較廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)由于設(shè)備的配套性及地質(zhì)編錄方面的問題，一直沒有得到很好的推廣。本文介紹了中裝集團(tuán)研發(fā)配套的適用于多種空氣反循環(huán)取樣的全套設(shè)備及其野外試驗(yàn)，驗(yàn)證了整套設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性，也體現(xiàn)了該工藝的高效性、經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞:空氣；反循環(huán)；連續(xù)取樣；成套設(shè)備；野外試驗(yàn)

1工藝概況

反循環(huán)連續(xù)取樣技術(shù)是循環(huán)介質(zhì)由鉆孔孔壁或雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進(jìn)入孔底，并由中心通道返回地面的鉆探工藝，循環(huán)介質(zhì)可以是氣體，也可以是液體?？諝庥捎谄錈o處不在，用之不竭，可被壓縮等特點(diǎn)，目前是反循環(huán)鉆進(jìn)最常用的循環(huán)介質(zhì)。在該循環(huán)過程中，鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑被壓縮空氣由孔底帶到地表，現(xiàn)場(chǎng)需要配備地質(zhì)工程師對(duì)巖樣進(jìn)行大概的定性描述記錄, 收集后送交試驗(yàn)室分析。

空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝包括空氣潛孔錘反循環(huán)、空氣牙輪反循環(huán)、氣舉反循環(huán)等。其中空氣潛孔錘反循環(huán)采用潛孔錘沖擊碎巖，鉆進(jìn)效率最高，但受空壓機(jī)功率限制，鉆進(jìn)深度一般不太深?？諝庋垒喎囱h(huán)是采用牙輪回轉(zhuǎn)碾壓破碎巖石，并通過空氣將巖屑從中心通道帶到地表，這種工藝由于壓縮空氣不需要驅(qū)動(dòng)潛孔錘損耗空氣壓力，所以比空氣潛孔錘反循環(huán)工藝鉆進(jìn)深度要大很多。氣舉反循環(huán)是將壓縮空氣送入到水位以下一定位置與中心通道內(nèi)水柱混合，形成氣水混合區(qū)域，降低該區(qū)域的密度從而使孔壁內(nèi)的水進(jìn)入到鉆桿中心通道并返回地面，該工藝的實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了其在淺孔應(yīng)用效果不理想，適合于中深孔鉆進(jìn)。

空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)工藝具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括鉆進(jìn)效率高、提鉆次數(shù)少、不需要水、巖樣即時(shí)上返、采取率高、經(jīng)濟(jì)性好等，在國外一些國家得到了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，由于受到設(shè)備配套及地質(zhì)編錄等限制，反循環(huán)工藝一直沒有得到較好的發(fā)展。為推動(dòng)國內(nèi)空氣反循取樣工藝的發(fā)展，中國地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司研制了RC鉆探成套裝備，并由核工業(yè)二一六大隊(duì)在新疆白楊河礦區(qū)進(jìn)行了野外生產(chǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證RC鉆探工藝的優(yōu)越性及整套裝備的工藝適應(yīng)性。

根據(jù)工藝特點(diǎn)及孔深要求，設(shè)計(jì)工藝為空氣潛孔錘開孔并鉆進(jìn)至潛孔錘不能正常工作，換反循環(huán)牙輪鉆進(jìn)，當(dāng)空壓機(jī)功率不足以將鉆屑帶上地表時(shí)，改用氣舉反循環(huán)工藝至設(shè)計(jì)深度。

2反循環(huán)取樣關(guān)鍵設(shè)備的研制及特點(diǎn)

整套設(shè)備包括反循環(huán)連續(xù)取樣鉆機(jī)、鉆桿、縮分裝置、空壓機(jī)、潛孔錘、錘頭、牙輪鉆頭等。

2.1鉆機(jī)

根據(jù)工藝特點(diǎn)，選用中裝集團(tuán)研制的RC-5型空氣反循環(huán)鉆機(jī)(圖1)，該鉆機(jī)為全液壓驅(qū)動(dòng)，履帶裝載。動(dòng)力頭下方裝有氣體分配器，壓縮空氣經(jīng)氣體分配器進(jìn)入雙壁鉆桿環(huán)空。鉆機(jī)配有泡沫泵，可實(shí)現(xiàn)空氣泡沫鉆進(jìn)，有利于復(fù)雜地層的空氣鉆進(jìn)。柴油機(jī)功率132kW，最大提升力250kN。通過齒輪泵的合流可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭4擋轉(zhuǎn)速和提升油缸2擋提升、給進(jìn)速度，調(diào)速范圍廣，扭矩大，可滿足潛孔錘低速大扭矩要求，也可滿足牙輪鉆進(jìn)需要的較高轉(zhuǎn)速及大扭矩。

該鉆機(jī)的參數(shù)見下表(表1)。

圖1　RC-5型空氣反循環(huán)鉆機(jī)

表1　RC-5型空氣反循環(huán)鉆機(jī)參數(shù)

2.2鉆桿

參考國內(nèi)外相關(guān)雙壁鉆桿，并考慮氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)中需要單壁鉆桿，中裝集團(tuán)研發(fā)了一款外管Φ102mm雙壁鉆桿。該鉆桿由內(nèi)管總成、外管總成、卡圈、密封組成(圖2)，內(nèi)管一端卡在外管內(nèi)凸臺(tái)上，另外一端通過卡圈固定。取掉卡圈后，可將內(nèi)管從外管中抽出，外管可單獨(dú)當(dāng)單壁鉆桿使用，便于內(nèi)、外管互換與保養(yǎng)。同時(shí)，空氣反循環(huán)對(duì)鉆桿內(nèi)管密封性要求很高，如果鉆桿密封性不好，反循環(huán)會(huì)建立不好或完全建立不起來，嚴(yán)重影響施工效率。針對(duì)以上問題，并參考國外鉆桿密封，新研發(fā)的鉆桿采用全新密封，其結(jié)構(gòu)為五個(gè)密封圈并排固結(jié)在一起，外圈平坦與密封圈槽底徑嚴(yán)密配合，內(nèi)圈為5個(gè)突起，結(jié)構(gòu)緊湊，密封長度長，密封效果好，打壓密封性能達(dá)到10MPa，滿足不同工況對(duì)鉆桿的需求，使用靈活方便。

圖2　Φ102雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

2.3縮分裝置

巖樣的收集是反循環(huán)取樣的關(guān)鍵。目前國內(nèi)常用的巖樣收集裝置就是一個(gè)簡單旋流筒，僅可實(shí)現(xiàn)氣體和固液分離，工人需要將所有巖樣采集后人工縮減，勞動(dòng)強(qiáng)度大。中裝集團(tuán)在參考國外縮分裝置的基礎(chǔ)上，研制了一款集多種功能于一身的先進(jìn)縮分裝置(圖3)，該裝置有旋流筒、積渣桶、縮分筒、閘閥等，中間由閘閥連接。最上端為旋流筒，氣體和固液經(jīng)過旋流筒減速，實(shí)現(xiàn)氣體與固液分離，氣體由旋流筒上部出口排出，固液進(jìn)入中間積渣桶；積渣桶通過上下閘閥的配合使用，可實(shí)現(xiàn)固定長度巖樣的儲(chǔ)存，并可在規(guī)定長度結(jié)束后取樣；最下方為縮分桶，裝有馬達(dá)和縮分籃，通過縮分籃的配置及回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)巖樣按不同比例縮分并固液分離，得到滿足地質(zhì)要求的巖樣。整套取樣縮分裝置固定在拖車上，使用方便快捷，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并得到滿足施工要求的脫水巖樣，技術(shù)先進(jìn)。

2.4空壓機(jī)、潛孔錘及其他配件

為增加潛孔錘反循環(huán)工作深度，選用美國壽力公司生產(chǎn)的1070HXX型空壓機(jī)，該空壓機(jī)最大壓力3.4MPa，最大風(fēng)量30m3/min，為國內(nèi)壓力最大的空壓機(jī)之一。

潛孔錘及錘頭選用蘇普曼生產(chǎn)的345、355潛孔錘及127、122、108、105四種錘頭，在錘頭的磨損后，可更換小一級(jí)錘頭繼續(xù)鉆進(jìn)，確保鉆孔能順利進(jìn)行。

牙輪鉆頭采用石油三牙輪反循環(huán)鉆頭，但石油鉆頭直徑較大，為滿足小口徑巖心鉆探及鉆孔設(shè)計(jì)需求，特定制外徑110 mm反循環(huán)三牙輪鉆頭。

圖3　縮分裝置

3試驗(yàn)場(chǎng)地及地質(zhì)條件

本次試驗(yàn)場(chǎng)地位于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)和布克賽爾縣白楊河礦區(qū)，地層主要以花崗斑巖、石英斑巖、凝灰?guī)r為主，巖石硬、脆、碎，巖石可鉆性9~11級(jí)。礦區(qū)屬山前丘陵地帶，裂隙發(fā)育，地下水豐富，水位埋深30~50m。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4反循環(huán)連續(xù)取樣全套設(shè)備及工藝的試驗(yàn)結(jié)果

反循環(huán)連續(xù)取樣全套設(shè)備從2014年9月至2015年5月進(jìn)行了3個(gè)試驗(yàn)孔。第一個(gè)孔設(shè)計(jì)孔深360m，實(shí)際深度248m，主要試驗(yàn)空氣潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取樣工藝。第二個(gè)孔設(shè)計(jì)孔深240m，實(shí)際深度209m，由于遇黏泥地層，孔內(nèi)縮徑嚴(yán)重，發(fā)生埋鉆事故，無法處理，結(jié)束鉆孔施工，只試驗(yàn)了空氣潛孔錘反循環(huán)工藝。第三個(gè)孔設(shè)計(jì)孔深260m，實(shí)際深度233m，其中空氣潛孔錘反循環(huán)工藝鉆進(jìn)225m，牙輪反循環(huán)工藝鉆進(jìn)8m，氣舉反循環(huán)工藝鉆進(jìn)0m，由于穿過礦層，鉆孔試驗(yàn)結(jié)束。

4.1設(shè)備運(yùn)行狀況

(1)鉆機(jī)：在試驗(yàn)過程中，鉆機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足各類反循環(huán)鉆進(jìn)工藝對(duì)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的要求。鉆機(jī)提升力大，多次處理卡鉆事故；在三個(gè)試驗(yàn)孔的施工中，僅出現(xiàn)了幾次提升合流失效的小故障。設(shè)備總體運(yùn)行安全可靠。

(2)鉆桿：全新設(shè)計(jì)的雙壁鉆桿密封性好，沒有出現(xiàn)因?yàn)殂@桿密封不嚴(yán)導(dǎo)致的反循環(huán)建立不好或建立不起來的情況。由于孔壁不穩(wěn)定，出現(xiàn)垮孔，測(cè)井工具無法裸眼下放，后將鉆桿內(nèi)管取出，通過外管中心測(cè)井，體現(xiàn)了內(nèi)外管分體式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

(3)縮分裝置：全新設(shè)計(jì)的縮分裝置試驗(yàn)效果不太理想，主要表現(xiàn)為：一是上返的巖粉漂浮在縮分桶內(nèi)，不能按設(shè)定的通道進(jìn)入到收集管內(nèi)，縮分效果較差。二是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)坡度較小，巖樣回轉(zhuǎn)脫水的過程中，由于離心力大而坡度太小，濕的巖樣進(jìn)入取樣通道困難，也造成縮分裝置應(yīng)用效果不理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)、優(yōu)化。

4.2工藝試驗(yàn)情況及存在的問題

(1)空氣潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取樣：共進(jìn)行了3個(gè)孔，合計(jì)682m的工藝試驗(yàn)，3個(gè)試驗(yàn)孔各平均時(shí)效為8.64、4.48、5.92m/h，鉆進(jìn)效率較繩索取心工藝提高很多，但輔助時(shí)間也較長，單位油耗較大；總體經(jīng)濟(jì)性能較好。試驗(yàn)中也存在鉆孔孔斜大、巖心采取不均勻、巖心采取率計(jì)算困難等問題。

(2)牙輪反循環(huán)鉆進(jìn)工藝：該工藝進(jìn)行了8m試驗(yàn)，用時(shí)1.68h，平均時(shí)效5.92m/h，效率高。但由于地層遇水膨脹，堵塞鉆頭，結(jié)束該試驗(yàn)，需要進(jìn)一步試驗(yàn)。

(3)氣舉反循環(huán)連續(xù)取樣工藝：共進(jìn)行2次氣舉反循環(huán)工藝的試驗(yàn)，分別將汽水龍頭放置在水位以下1/3及1/2處，反循環(huán)均無法較好建立。提鉆檢查，發(fā)現(xiàn)鉆具氣道被堵死，初步估計(jì)鉆進(jìn)工藝參數(shù)不合適及孔深不夠造成反循環(huán)建立困難。由于該段已鉆穿目的層，試驗(yàn)暫停，測(cè)井后終孔。

5結(jié)語

(1)通過對(duì)成套裝備的試驗(yàn)，證明鉆機(jī)、鉆桿及相關(guān)接頭的結(jié)構(gòu)性能及技術(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足反循環(huán)取樣的工藝要求?？s分裝置，功能先進(jìn)，但無法較理想地實(shí)現(xiàn)縮分及干濕分離，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。

(2)空氣潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取樣工藝效率最高，但受到空壓機(jī)壓力的影響，鉆進(jìn)深度有限。而國內(nèi)勘探孔的深度很少小于200m，這就需要結(jié)合牙輪反循環(huán)和氣舉反循環(huán)連續(xù)取樣工藝，避免空壓機(jī)能力不足造成的影響，延伸鉆孔深度，提升施工效率。

(3)巖樣可快速返回地面，同時(shí)巖樣不接觸孔壁，巖樣無污染，可快速判斷地層狀況。

(4)反循環(huán)連續(xù)取樣工藝也存在在一定的問題，主要表現(xiàn)為潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生孔斜，而且不易糾正；孔內(nèi)如有水，巖粉收集不均勻；巖心采取率計(jì)算目前沒有相應(yīng)規(guī)范，巖心采取是否合格無標(biāo)準(zhǔn)等。

(5)空氣反循環(huán)連續(xù)取樣工藝具有眾多優(yōu)點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)效遠(yuǎn)高于繩索取心工藝，具有很好的應(yīng)用前景；

同時(shí)該工藝也有具有一些問題，需要施工方和設(shè)備方共同努力，推進(jìn)該工藝的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]伍曉龍，等. 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)的研究及應(yīng)用[J]. 全國探礦工程技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集. 2015.

作者簡介：臧臣坤(1984-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)科學(xué)院，工程師，主要從事地質(zhì)裝備的研發(fā)工作，北京市西城區(qū)德外黃寺大街24號(hào)院，Tel：010-64843952，E-mail：zangchenkun@cgeg.com.cn。

收稿日期：2015-12-04

中圖分類號(hào):P634.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)01-0011-04