中深孔鉆進(jìn)繩索鉆具的研究開發(fā)及應(yīng)用

■胡芳根（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇九隊湖南永州425000）

中深孔鉆進(jìn)繩索鉆具的研究開發(fā)及應(yīng)用

■胡芳根
（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇九隊湖南永州425000）

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)實際上融合了兩種先進(jìn)的鉆探技術(shù)，即金剛石鉆進(jìn)碎巖技術(shù)和不提取外鉆桿由其中心通道獲取巖心的技術(shù)?；趯θ澜绲刭|(zhì)探測的情況來看，淺層地表或較易找到礦產(chǎn)資源已被探測到或已被開采，未來發(fā)展動向無疑將指向更為深層次的資源區(qū)域的探測與開發(fā)。由此而知，中深孔鉆進(jìn)施工將是重頭戲，采取繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)將有效提升生產(chǎn)效率、減少勞動投入，具有十分利好的意義。

繩索取心鉆進(jìn)接頭打撈器

1　繩索取心鉆具研究及應(yīng)用存在的問題

繩索取心鉆進(jìn)中深孔的鉆進(jìn)施工主要面臨以下三個問題：（1）鉆桿與接頭機械強度不高和耐磨性較差的問題；（2）繩索取心鉆桿擰卸難的問題；（3）現(xiàn)在市場上提供的打撈器，工作時有時還不是很可靠。本研究主要就是針對這些內(nèi)容進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)。

2　中深孔鉆進(jìn)繩索鉆具的研究開發(fā)及應(yīng)用

2.1繩索取心鉆桿及接頭的改進(jìn)研究

鉆桿與接頭裝置是整個繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵要素，中深孔鉆進(jìn)采取繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)中鉆桿與接頭裝置無疑是成本效益和生產(chǎn)效率的主導(dǎo)要件，而為什么國外發(fā)達(dá)國家普遍應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，且能夠廣泛適用的重要原因在于國外繩索取心鉆桿產(chǎn)品的可靠性很高。筆者按照中深孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)鉆桿與接頭裝置在鉆孔內(nèi)的受力情況，并結(jié)合中深孔鉆進(jìn)對于各類性能的要求，主要對鉆桿的材質(zhì)參數(shù)、裝置結(jié)構(gòu)、和熱處理加工等多個方面進(jìn)行改進(jìn)并完善，從而可以滿足繩索取心鉆進(jìn)施工對于鉆桿與接頭裝置可靠性的要求，并實現(xiàn)良好的經(jīng)濟成本效益。下面主要針對材質(zhì)和本體尺寸參數(shù)做論述。

（1）在鉆桿及接頭的材質(zhì)方面。在中深孔鉆進(jìn)過程中，由于鉆桿工作條件極為復(fù)雜，鉆桿及接頭應(yīng)采用高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)鋼材制造，材料應(yīng)滿足下列性能：屈服強度高，不易彎曲、變形；沖擊韌性好，不易發(fā)生脆性斷裂；表面硬度高，耐磨性好。國內(nèi)采用45MnMoB和30CrMnSiA生產(chǎn)鉆桿和接頭，鋼級并不低于國外用于繩索取心鉆桿體的鋼級，但我國繩索取心鉆桿和接頭的強度和壽命卻沒有國外高，根本的原因除了加工沒有達(dá)到設(shè)計要求外，主要就是鉆桿及接頭的材質(zhì)沒有真正達(dá)到材料本身應(yīng)該達(dá)到的性能，雜質(zhì)超標(biāo)。針對這種情況，我們采取與國內(nèi)大型特鋼廠家（如江西新余鋼廠、浙江新紀(jì)元鋼管等）協(xié)議生產(chǎn)的方式，嚴(yán)格控制了有害成分的含量，改善了鋼的純凈度，通過Mo、V、Nb和B等元素的加入，有效防止了高溫回脆，提高了鋼的淬透性。鉆桿材料采用45MnMoB，接頭采用30CrMnSiA，較好地滿足了使用要求。對于一些更大深度的孔，接頭采用更高級別的鋼42CrMoA，由浙江新紀(jì)元鋼管公司生產(chǎn)，所用坯料是專供出口的高品質(zhì)石油鉆桿接頭用鋼，鋼中S、P有害元素和As、Sn、Sb、Pb、Bi五害元素含量控制極嚴(yán)，該種鋼大幅度提高了鉆桿螺紋副的疲勞壽命。

（2）在鉆桿及接頭的本體尺寸參數(shù)方面。我們對鉆桿及接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的鉆桿及接頭技術(shù)參數(shù)如下：材質(zhì)：鉆桿體采用45MnMoB，接頭選用30CrMnSiA；鉆桿尺寸：鉆桿體Φ71×5.5,兩端鐓粗外加厚到Φ74mm,內(nèi)加厚到Φ58mm；接頭尺寸：外徑Φ74mm，內(nèi)徑Φ58mm；螺紋深度：1mm,長度：50mm；這里，我們選擇中頻感應(yīng)電阻爐加熱的方式，對鉆桿體兩端加熱，再利用液壓鐓管機對鉆桿體兩端進(jìn)行鐓粗加厚，使其外徑增大，內(nèi)徑減小。普通鉆桿及接頭的技術(shù)參數(shù)如下：材質(zhì)：鉆桿體采用45MnMoB，接頭選用30CrMnSiA；鉆桿尺寸：鉆桿體Φ71×5,兩端不鐓粗；接頭尺寸：外徑Φ73mm，內(nèi)徑Φ60.3mm；螺紋深度：0.75mm,長度：42mm；下面對鉆桿體和接頭受力后容易發(fā)生斷裂的部位進(jìn)行分析和強度校核，據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗，接頭的斷裂位置在公螺紋根部第二扣，這里是切削螺紋的退刀點，螺紋從這里開始由正常深度變?yōu)榉钦Ｉ疃?，這里的螺紋根部環(huán)形截面尺寸為Φ66.3mm～Φ58mm，鉆桿接頭的材料為30CrMnSiA，材料的抗拉強度δb=1100Mpa。鉆桿體公螺紋第二扣根部環(huán)形截面尺寸為Φ66.3mm～Φ60mm，材料為45MnMoB，抗拉強度δb=980MPa。鉆桿公接頭第二扣處能力計算：

斷面最大抗拉能力：

斷面最大抗扭能力：

鉆桿體公螺紋第二扣處能力計算：

斷面最大抗扭能力：

下面對比下普通鉆桿及接頭的抗拉和抗扭能力。

普通鉆桿接頭螺紋根部截面尺寸為Φ66mm～Φ61mm，鉆桿接頭的材料為30CrMnSiA，材料的抗拉強度δb=1100Mpa。鉆桿體公螺紋第二扣根部截面尺寸為Φ66mm～Φ60.3mm，材料為45Mn-MoB，抗拉強度δb=980MPa。

鉆桿公接頭第二扣處能力計算：

斷面最大抗拉能力：

斷面最大抗扭能力：

鉆桿體公螺紋第二扣處能力計算：

斷面最大抗扭能力：

從上可以看出，參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后的鉆桿和鉆桿接頭與普通鉆桿及接頭相比，最大抗拉能力和最大抗扭能力分別有了大幅度提高，因此，可以明顯提高中深孔施工的可靠性。

2.2對鉆桿擰卸難問題的解決

普通繩索取心鉆進(jìn)工藝中對于接頭的要求一般不附帶切口，鉆桿與接頭裝置全身呈光整平順狀，尤其要做好相應(yīng)的耐磨性加強處理。由于鉆桿與接頭裝置表面的強度很大，鉆進(jìn)過程中常常出現(xiàn)一些如打滑或咬不緊的情況。在中深孔鉆進(jìn)施工中，下鉆時間較長，且生產(chǎn)強度非常大。因此，我們通過屢次試驗，根據(jù)普通鉆桿與接頭裝置以銑切口的方式在繩索取心鉆進(jìn)接頭與鉆桿方面下深功夫，擴大接頭的外徑，并在接頭位置銑兩個切口，擰卸過程中通過與切口相對應(yīng)的大扳叉予以擰卸，由此便可以解決以上問題。

2.3對打撈器改進(jìn)的研究

繩索取心鉆進(jìn)施工中，打撈器主要顯現(xiàn)打撈和輸送內(nèi)管總成的作用。一般的打撈器通過孔口進(jìn)行投放，并利用自重達(dá)到內(nèi)管總成上端緊緊套牢矛頭，然后利用鋼絲繩索絞車將巖體與內(nèi)管總成提取出鉆柱以此實現(xiàn)不提鉆的目的。然而，因現(xiàn)場地理環(huán)境較為復(fù)雜，且工作環(huán)境不佳，鉆孔內(nèi)無水或少水，內(nèi)管總成不可以通過孔口直接進(jìn)行投放作業(yè)，這樣一來，內(nèi)管總成的速度過快極容易造成外觀總成受損的情況，更有甚者，直接穿越座環(huán)并損毀鉆頭。為此，筆者認(rèn)為打撈器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該得到合理改進(jìn)，保證打撈、投放和脫卡工作的順利進(jìn)行，并確保打撈器和鋼絲繩索的完整性。

3　結(jié)束語

綜上所述，筆者結(jié)合我國中深孔鉆進(jìn)施工技術(shù)的現(xiàn)狀，通過研究與改進(jìn)，使金剛石繩索取心鉆桿結(jié)構(gòu)、鉆具級配和工藝參數(shù)更加優(yōu)化與合理，提高繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在復(fù)雜地層鉆進(jìn)應(yīng)用的可靠性、效率以及深孔鉆進(jìn)的鉆深能力。使鉆桿接頭壽命得到較大提高，可基本滿足于1500～2500m孔深鉆進(jìn)要求，使繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)得到更進(jìn)一步地推廣應(yīng)用。

[1]沈克光.對繩索取心鉆桿螺紋手?jǐn)Q緊密距的看法[B].探礦工程-巖土鉆掘工程,2011 (04).

[2]駱建詩.S75繩索取心鉆桿壽命分析[J].探礦工程-巖土鉆掘工,2013(z1).

[3]宋金亭,姜光忍,王獻(xiàn)斌,高保娟,唐宇恒,徐新綠,石清榮.深部巖心鉆探用高強度繩索取心鉆桿的研制[J].地質(zhì)裝備,2011(02).

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-119-2

胡芳根（1964～），男，1992年畢業(yè)于湘潭機電?？茖W(xué)校機械工程系機械制造工藝及裝備專業(yè)，機械工程師，研究方向為探礦機械及工具。