深孔大口徑繩索取芯鉆進(jìn)設(shè)備與機(jī)具

賈長(zhǎng)城，劉春生，秦　沛

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京101500）

深孔大口徑繩索取芯鉆進(jìn)設(shè)備與機(jī)具

賈長(zhǎng)城*，劉春生，秦沛

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京101500）

為了開(kāi)展汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工作，在WFSD科鉆中心的組織協(xié)調(diào)下進(jìn)行了鉆探設(shè)備、施工機(jī)具、泥漿處理設(shè)備的研制與配套工作，在不到1年的時(shí)間里完成了KZ3000型鉆機(jī)及配套設(shè)備的研制和生產(chǎn)。整套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤(pán)鉆進(jìn)與繩索鉆進(jìn)2種工作模式；研制與配套了大口徑繩索鉆進(jìn)所需的成套泥漿處理設(shè)備；完成了3000m級(jí)別的大口徑繩索鉆進(jìn)鉆桿與機(jī)具的研制，試驗(yàn)了較大環(huán)狀間隙、較高泥漿密度條件下的繩索取芯工藝。該套設(shè)備主要以液壓泵站為動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)、鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)無(wú)級(jí)變速。該套設(shè)備為后期的科學(xué)鉆探工作提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

科學(xué)鉆探；鉆機(jī)；繩索鉆具；泥漿設(shè)備

1　概述

為了完成汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）項(xiàng)目WFSD－2孔的施工任務(wù)，項(xiàng)目組專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了施工設(shè)備和機(jī)具的研制工作。WFSD－2孔最初設(shè)計(jì)孔深為3000m，實(shí)際完鉆深度2383.56m。該鉆孔的技術(shù)要求為：開(kāi)孔直徑444.5mm，終孔直徑150mm，全孔取芯；采用先取芯，后擴(kuò)孔，懸掛技術(shù)套管護(hù)壁的方法進(jìn)行施工。該鉆孔地層的突出特點(diǎn)是膨脹縮徑、破碎、坍塌、掉塊。施工工藝和地層特點(diǎn)要求鉆探設(shè)備、機(jī)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。施工中采用新研制的KZ3000型全液壓鉆機(jī)。該鉆機(jī)采取頂驅(qū)式動(dòng)力頭和轉(zhuǎn)盤(pán)復(fù)合的鉆進(jìn)模式，采用S150繩索取芯鉆具及配套輔助工具，在泥漿系統(tǒng)方面研制了BW280/30型高壓泥漿泵，配套了兩級(jí)泥漿處理設(shè)備。整套設(shè)備機(jī)具經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)、改進(jìn)，基本上適應(yīng)了在復(fù)雜的地震斷裂帶開(kāi)展大口徑繩索取芯鉆進(jìn)的需要。

2　鉆塔的配置

由于WFSD-2鉆孔的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)有地質(zhì)巖芯鉆探設(shè)備的最大能力，在鉆塔的配置上采用在較成熟的石油鉆井用K31型鉆塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝。

WFSD-2工程的應(yīng)急特性要求鉆塔必須具備以下技術(shù)條件:

（1）鉆塔的塔基座必須盡可能的小。施工現(xiàn)場(chǎng)的尺寸為南北長(zhǎng)76m，東西寬18.8m。鉆塔要能進(jìn)行中途起落，同時(shí)擺放各類(lèi)鉆桿、套管、測(cè)井設(shè)備、泥漿材料、泵站，并滿足大型車(chē)輛進(jìn)出需要。

（2）大鉤的負(fù)載能力不應(yīng)低于950kN，滿足S150型繩索鉆桿3000m的強(qiáng)力起拔和回轉(zhuǎn)的需要。

（3）鉆塔要具備容納S150型繩索鉆桿3000m的平臺(tái)空間，同時(shí)不影響液壓大鉗、氣動(dòng)絞車(chē)、B型吊鉗、繩索絞車(chē)、液壓錨頭的工作。要有滿足人員連續(xù)施工的工作環(huán)境和空間。

（4）鉆塔要適合HXY-8B型鉆機(jī)的安裝操作，還要適應(yīng)KZ3000型鉆機(jī)的安裝操作和添減10m鉆桿單根的需要。

為了滿足以上要求，在K31型鉆塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下幾方面的改進(jìn)：

（1）提高一層平臺(tái)高度到4m，為加裝液壓泵站、主卷?yè)P(yáng)機(jī)、轉(zhuǎn)盤(pán)液動(dòng)裝置提供空間。平臺(tái)改造后，后半場(chǎng)安裝電器開(kāi)關(guān)柜，前半場(chǎng)安裝動(dòng)力頭導(dǎo)軌架、氣動(dòng)絞車(chē)、液動(dòng)鉗等輔助工具。改造后，一層工作平臺(tái)機(jī)人員活動(dòng)空間較大，操作場(chǎng)地平整。司鉆操作鉆機(jī)、觀察孔口視野良好，大大減輕鉆工的工作環(huán)境壓力。

（2）加裝了液壓動(dòng)力頭導(dǎo)向架，懸掛了2根行程為10m的減壓鉆進(jìn)用液壓油缸。該項(xiàng)改進(jìn)提供了長(zhǎng)行程不倒桿的鉆進(jìn)能力，提高回次進(jìn)尺數(shù)，減少了對(duì)巖芯的擾動(dòng)，同時(shí)為孔口擰卸鉆具提供了寬敞的空間，便于液壓大鉗等工具的使用。

（3）增加前臺(tái)板的寬度和鉆桿盒的容量，改進(jìn)后的鉆桿盒可以容納2000m的繩索鉆桿，為2000m以?xún)?nèi)孔深的提下鉆提供方便，減少拆卸鉆桿的輔助時(shí)間，同時(shí)為氣動(dòng)絞車(chē)、液壓大鉗提供操作空間。

（4）在一層臺(tái)板下設(shè)計(jì)了泥漿罐、振動(dòng)篩、除泥機(jī)，有效地減少了場(chǎng)地占用，增加了鉆機(jī)的穩(wěn)定性。改造后的一層平臺(tái)尺寸為16490mm×9132mm×4000mm。

改造后的K31-135型井架的基本參數(shù)：最大鉤載為1350kN(6×5輪系)；井架有效高度31m；井架頂部開(kāi)擋（正面/側(cè)面）：1.6m；塔腿鉸鏈跨度7.5m；立根容量2000m（5″鉆桿）。改造后的鉆塔基本滿足施工要求，但改造后仍有不足，主要表現(xiàn)為一層平臺(tái)整體升高后，橫梁至一層平臺(tái)的距離降低為4250mm，塔腿鉸鏈跨度7.5m，在使用KZ3000型鉆機(jī)時(shí)液動(dòng)大鉗等工具的懸掛空間不足。改造后的平臺(tái)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　鉆塔右側(cè)面

圖2　鉆塔正面

3　泥漿系統(tǒng)的配置

該鉆孔的施工采用多種工藝，不同的施工工藝對(duì)泥漿有著不同的要求。取芯鉆進(jìn)要求采用優(yōu)質(zhì)泥漿、無(wú)固相泥漿，對(duì)于泥漿的固相含量和固體顆粒的粒徑要求較高，在采用繩索取芯時(shí)泥皮的厚度會(huì)影響繩索打撈的成功率。進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)和牙輪鉆進(jìn)時(shí)泥漿的比重有較大。同時(shí)2種泥漿都要面對(duì)地層涌水與漏失的考驗(yàn)。

3.12種工藝要求采用不同的泥漿泵

擴(kuò)孔鉆進(jìn)和牙輪鉆進(jìn)時(shí)采用BW1200/7B型煤田系列泥漿泵；繩索取芯時(shí)采用新研制的BW280/30型泥漿泵。BW1200/7B型泥漿泵是地?zé)峋┕ぷ畛Ｊ褂玫哪酀{泵，滿足3000m深度的水井施工要求，在施工中采用雙泵配置，通過(guò)換向閥進(jìn)行切換。BW280/30型泥漿泵是在BW-600/10型泥漿泵的基礎(chǔ)上改造的，主要針對(duì)該泵的動(dòng)力、離合器、泵頭結(jié)構(gòu)、進(jìn)排水閥進(jìn)行改造。經(jīng)過(guò)改造，BW280/30型泥漿泵采用柱塞結(jié)構(gòu)，具有5種流量和5種壓力，最大壓力30MPa，最大流量280L/min，流量變化范圍廣、輸出壓力較高，滿足3000m深度S150型繩索鉆進(jìn)所需的高壓力，小排量的技術(shù)要求。

3.2泥漿凈化設(shè)備

根據(jù)鉆進(jìn)工藝要求，配置了兩級(jí)固控系統(tǒng)，即一級(jí)振動(dòng)篩、二級(jí)除泥機(jī)，同時(shí)利用鉆塔的底座設(shè)置了循環(huán)泥漿池和備漿池。

牙輪全面鉆進(jìn)和擴(kuò)孔時(shí)需要處理顆粒較大的巖屑，現(xiàn)場(chǎng)選用HS240-3P型振動(dòng)篩作為一級(jí)泥漿處理設(shè)備。該型號(hào)為直線振動(dòng)篩，采用雙電機(jī)，振動(dòng)頻率為24.3，振幅為5.8，選用80目或100目的篩網(wǎng)。對(duì)于優(yōu)質(zhì)泥漿的處理適用性較好，能夠滿足清除1200L/min流量泥漿的巖屑。

金剛石鉆進(jìn)時(shí)，特別是膨脹地層施工時(shí)，泥漿中的細(xì)小固體顆粒較多，現(xiàn)場(chǎng)前期采用了TGLW350-692型離心機(jī)，后期改為HM-100×4-C型除泥清潔器，用來(lái)除去泥漿中粒徑為20～40μm的有害固相顆粒。除泥清潔器采用水力旋流錐筒結(jié)構(gòu)，采用4只4″的旋流器，達(dá)到80m3/h的泥漿處理量，同時(shí)配備150～200目的篩網(wǎng)。泥漿循環(huán)池采用鉆機(jī)底座的空間，在一層平臺(tái)下部?jī)蓚?cè)分別設(shè)置制漿罐和循環(huán)罐，容積均為17m3，在循環(huán)罐中間采用隔板又分出5m3沉淀池和12m3循環(huán)池。

上述泥漿設(shè)備和循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)置存在較多的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為泥漿池容積小，泥漿的循環(huán)線路短，泥漿不能進(jìn)行有效的自然沉淀。泥漿泵的進(jìn)水管位置過(guò)低，泥漿中的細(xì)粒度巖粉未充分沉淀又參與新的循環(huán)中去，在采用BW1200/7B型泥漿泵時(shí)活塞磨損較快。第二，泥漿凈化設(shè)備級(jí)數(shù)較少，在采用加重泥漿時(shí)，重晶石也會(huì)被分離出去；在采用繩索鉆進(jìn)時(shí)，地層造漿使得泥漿的密度、粘度、泥皮厚度都有所增加，影響繩索打撈內(nèi)管。改造后的BW280/30型泥漿泵的泵壓滿足技術(shù)要求，但是泵量明顯不足，在鉆進(jìn)三疊系地層特別是斷層泥地層時(shí)，泥漿不能將鉆頭刻取的巖粉充分?jǐn)y帶出鉆孔，造成嚴(yán)重的糊鉆頭現(xiàn)象。

4　鉆機(jī)的選擇與研制

4.1HXY-8B型鉆機(jī)的情況

出于應(yīng)急施工的需要，項(xiàng)目部在進(jìn)場(chǎng)時(shí)首先采用HXY-8B型鉆機(jī)進(jìn)行施工，HXY-8B型鉆機(jī)具備繩索鉆進(jìn)工藝和擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工能力。該鉆機(jī)完成了該孔838.66m之前的施工，由于液壓卡盤(pán)的卡盤(pán)油缸和軸向軸承的負(fù)荷能力較小，轉(zhuǎn)盤(pán)的強(qiáng)度不足，卷?yè)P(yáng)機(jī)的提升能力較低，繼續(xù)鉆進(jìn)困難。

4.2KZ3000型鉆機(jī)的基本情況與技術(shù)特點(diǎn)

KZ3000型鉆機(jī)是針對(duì)WFSD-2孔的技術(shù)要求設(shè)計(jì)的，WFSD-2孔的技術(shù)要求主要包括：

（1）鉆孔深度：3000m；

（2）終孔直徑：150mm；

（3）全孔連續(xù)取芯鉆進(jìn)，全孔巖芯采取率不小于85%，巖芯保持原狀；

（4）巖芯直徑：85mm；

（5）孔斜率：鉆孔頂角不大于15°，最大“狗腿”度2°/30m；

KZ3000型鉆機(jī)在2010年7月9日完成組裝，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的使用檢驗(yàn)基本滿足了施工的需要。

（1）頂驅(qū)與長(zhǎng)行程減壓油缸組合，實(shí)現(xiàn)繩索鉆進(jìn)回次進(jìn)尺10m不倒桿的技術(shù)條件。

鉆機(jī)的頂驅(qū)采用4組柱塞泵分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)恒星小齒輪，小齒輪與中心大齒輪嚙合帶動(dòng)六方主動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，將回轉(zhuǎn)動(dòng)力傳達(dá)給鉆桿完成鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作。柱塞泵動(dòng)力源可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的均衡，回轉(zhuǎn)平穩(wěn)。鉆桿的全部重量通過(guò)六方主動(dòng)鉆桿傳遞給大齒輪空心軸，由空心軸通過(guò)軸向軸承傳遞給動(dòng)力頭箱體，再傳遞給懸掛減壓鉆進(jìn)油缸。頂驅(qū)的液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)變速，鉆桿傳遞過(guò)來(lái)的沖擊力通過(guò)柱塞泵的液力緩沖避免了齒輪箱齒輪的相互沖擊，鉆進(jìn)平穩(wěn)，為繩索鉆進(jìn)提供了一個(gè)良好的工況條件。

頂驅(qū)箱體在懸掛油缸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)行程的送鉆工藝。KZ3000型鉆機(jī)設(shè)計(jì)了2根懸掛油缸，采用鉸接的方式，通過(guò)懸掛桿吊掛在K31型鉆塔的天車(chē)底座下面。頂驅(qū)箱體通過(guò)導(dǎo)向架與導(dǎo)軌進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)。懸掛油缸的行程達(dá)到10m，可以順利加減任何尺寸的石油鉆桿、繩索鉆桿，其提升力達(dá)到1000kN，完全滿足3000m繩索鉆桿的減壓鉆進(jìn)需要。在液壓控制系統(tǒng)的操控下，懸掛油缸實(shí)現(xiàn)了鉆壓調(diào)節(jié)精度小于3kN的能力，使金剛石鉆進(jìn)的鉆頭壓力控制得到保證。

（2）采用液力驅(qū)動(dòng)的ZP175型轉(zhuǎn)盤(pán)與液力驅(qū)動(dòng)的主卷?yè)P(yáng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和精確的送鉆工藝。

轉(zhuǎn)盤(pán)選用石油系列成熟的ZP175型轉(zhuǎn)盤(pán)。該轉(zhuǎn)盤(pán)最大靜載荷2700kN，通孔直徑444.5mm，最高轉(zhuǎn)數(shù)300r/min。轉(zhuǎn)盤(pán)動(dòng)力采用2組柱塞泵，各驅(qū)動(dòng)一組小齒輪共同帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)萬(wàn)向軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)輸入軸。選用液力驅(qū)動(dòng)為提鉆取芯提供了一個(gè)良好的工況條件，轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)主動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)力矩穩(wěn)定，避免鉆具受到?jīng)_擊，使巖芯管內(nèi)的巖芯不受擾動(dòng)。

主卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)置在轉(zhuǎn)盤(pán)變速箱的后部，一層臺(tái)板之下，不占平臺(tái)面積。主卷?yè)P(yáng)機(jī)主要是配合轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行擴(kuò)孔施工，不參與繩索施工。主卷?yè)P(yáng)機(jī)采用2個(gè)變量柱塞泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，柱塞泵的排量由電位計(jì)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)提升的調(diào)速。為提高安全性能，主卷?yè)P(yáng)增加了剎帶制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)制動(dòng)器抱死，調(diào)整卷?yè)P(yáng)機(jī)手柄時(shí)制動(dòng)器才打開(kāi)，延時(shí)0.5s，對(duì)應(yīng)的主泵和主閥M7開(kāi)始供油；主卷?yè)P(yáng)動(dòng)作回零后，柱塞泵停止工作，制動(dòng)器抱死。主卷?yè)P(yáng)在配合送鉆時(shí)靠鉆具自重加壓，通過(guò)送鉆加壓電位器來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)間隔時(shí)間，通過(guò)設(shè)定送鉆加壓的頻率，通過(guò)調(diào)整控制程序控制剎車(chē)打開(kāi)的程度，三者配合實(shí)現(xiàn)理想的孔底壓力。

主卷?yè)P(yáng)機(jī)的上述功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單繩0～1.5～5s/s的可變繩速，操控臺(tái)手柄操作，精確自動(dòng)送鉆（壓力調(diào)整精度達(dá)到3～5kN），常閉式剎車(chē)。卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)為操作者提供了安全的操作條件，使送鉆控制達(dá)到了自動(dòng)化的水平，在目前的地質(zhì)取芯鉆探中實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。

（3）“電液操作系統(tǒng)”改變了傳統(tǒng)的液壓與機(jī)械操作模式，使操控條件、環(huán)境、精確度有了質(zhì)的提高。

KZ3000型鉆機(jī)設(shè)計(jì)了獨(dú)立的鉆機(jī)操控室，位于動(dòng)力頭和偏房之間。鉆機(jī)操控臺(tái)上設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作調(diào)整面板和屏幕操控顯示面板2部分。屏幕操控顯示面板可以提供鉆機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和參數(shù)，所有的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序設(shè)定，手動(dòng)操作調(diào)整。KZ3000型鉆機(jī)采用博世—力士樂(lè)公司的BODAS可編程專(zhuān)業(yè)液壓控制微處理器實(shí)現(xiàn)比例電磁鐵精確電流控制、電磁鐵開(kāi)關(guān)控制、數(shù)字和傳感器信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)通訊等功能，使各部件控制精確可靠。

在屏幕操控顯示面板上提供了一級(jí)選擇菜單，設(shè)計(jì)了頂驅(qū)取芯、轉(zhuǎn)盤(pán)擴(kuò)孔、工作模式、錯(cuò)誤報(bào)告4個(gè)可選窗口，在選擇了一個(gè)功能窗口后，可以進(jìn)入下一級(jí)菜單，通過(guò)手動(dòng)操作完成運(yùn)行參數(shù)設(shè)定

KZ3000型鉆機(jī)的操作系統(tǒng)界面相對(duì)簡(jiǎn)單，但是功能齊全，具備鉆探高級(jí)工資格的司鉆人員通過(guò)短期的理論和實(shí)操培訓(xùn)均能進(jìn)行操作，符合野外地質(zhì)隊(duì)司鉆的人員現(xiàn)狀。

5　S150型繩索取芯機(jī)具的研制

WFSD-2孔的地層特點(diǎn)要求繩索鉆具首先要適應(yīng)地層軟硬變化；其次，要能夠和多種類(lèi)型的泥漿配合施工，特別是加重泥漿；第三，要有足夠的強(qiáng)度、扭矩、抗沖擊性能；第四，要滿足巖芯直徑不小于85mm的要求；第五，要能夠和成熟的石油井下工具、孔口工具相配合，盡可能的保證通用性。

經(jīng)過(guò)技術(shù)優(yōu)化，最終確定采用?127mm內(nèi)平外臺(tái)階繩索鉆桿，?142mm加重鉆桿，?150mm繩索鉆具。經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，確定鉆探材質(zhì)采用XJY950，其屈服強(qiáng)度達(dá)到Rp0.2為975MPa,抗拉強(qiáng)度Rm為1080MPa,斷后延長(zhǎng)率為19%。鉆桿的桿體尺寸確定為?127mm× 6.35mm，接頭外徑?142mm，設(shè)計(jì)90°角平臺(tái)肩，滿足吊卡的使用條件。鉆桿接頭外徑與孔壁的環(huán)狀間隙達(dá)到8mm，能夠適應(yīng)膨脹性泥巖鉆進(jìn)，給高比重、較高黏度的泥漿留出循環(huán)空間，得到合理的循環(huán)壓降和上返速度。鉆桿之間的連接形式為整體自接式，接頭最大上緊力矩為32kN·m，雙頭螺紋接頭連接，密封性能良好，耐壓大于30MPa，接頭在屈服極限下的張力負(fù)荷需達(dá)到2000kN。鉆具具備普通內(nèi)管和半合管2種內(nèi)管形式，設(shè)計(jì)半合管時(shí)考慮到地層膨脹性的影響，鉆具采用通用工具可以方便進(jìn)行拆卸、組裝。在鉆具的懸掛機(jī)構(gòu)上采用雙彈卡結(jié)構(gòu),鉆具到位懸掛準(zhǔn)確，泥漿循環(huán)通暢。

6　附屬工具——液壓繩索取芯絞車(chē)

為了配合繩索取芯專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了帶有張力測(cè)試裝置和自動(dòng)排繩的4000m液壓絞車(chē)。該絞車(chē)通過(guò)柱塞馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，可以自由增減速度；張力監(jiān)測(cè)裝置可以用于判斷打撈內(nèi)管的工況。

7　HXY-8B、KZ3000型鉆機(jī)與各種鉆具的試驗(yàn)效果

在WFSD-2孔的上部孔段分別進(jìn)行了全面鉆進(jìn)、普通提鉆取芯、繩索取芯等鉆進(jìn)工藝,具體指標(biāo)見(jiàn)表1。在894.17m以上的鉆進(jìn)取芯中，幾種工藝都在試驗(yàn)?zāi)ズ现?，其中普雙半合管取芯試驗(yàn)了241.47m，時(shí)效在0.60m/h，繩索取芯試驗(yàn)了55.51m，時(shí)效為0.56m/h。普雙半合管取芯先后采用了唐山金石、成都理工和現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)的鉆具，繩索鉆具采用了無(wú)錫鉆探工具廠、地調(diào)局勘探所的鉆具，各種鉆具都在使用中進(jìn)行了改動(dòng)，表1中的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)和改造中的數(shù)據(jù)。

表1　各種鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)表

8　KZ3000型鉆機(jī)與S150型繩索取芯機(jī)具的特點(diǎn)、問(wèn)題與建議

8.1KZ3000型鉆機(jī)與S150型繩索取芯機(jī)具的優(yōu)點(diǎn)

KZ3000型鉆機(jī)是目前專(zhuān)門(mén)為大口徑繩索取芯工藝而設(shè)計(jì)的一款全液壓鉆機(jī)，可以滿足繩索取芯→擴(kuò)孔→下套管→下懸掛套管→繩索取芯的工藝要求。該鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直徑150mm鉆孔，鉆深3000m的鉆孔施工。全液壓的動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程動(dòng)力傳輸，并且各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。散裝的鉆機(jī)各部件滿足了運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)安裝比較方便。操控平臺(tái)集中了大部分的操作功能，司鉆的操作環(huán)境得到了極大的改善?，F(xiàn)場(chǎng)所用設(shè)備大部分可以采用通用的設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于采購(gòu)集成。10m行程的減壓鉆進(jìn)油缸實(shí)現(xiàn)了9m單根鉆桿不倒桿的鉆進(jìn)能力，保證了巖芯的完整性，避免擾動(dòng)。

S150型繩索取芯鉆具與鉆桿是目前為止國(guó)內(nèi)口徑最大，能力最深的。完成了孔口工具、絞車(chē)、打撈機(jī)具、提引器的系列配套。

8.2KZ3000型鉆機(jī)與S150型繩索取芯機(jī)具存在的問(wèn)題

KZ3000型鉆機(jī)在整合現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行的設(shè)計(jì)，仍存在一些缺陷。首先是鉆塔的開(kāi)檔寬度不足，底座的前場(chǎng)面積不足，造成井口工具擺放過(guò)于緊湊。其次，泥漿循環(huán)系統(tǒng)級(jí)數(shù)不夠，泥漿處理效果不好。第三，全液壓鉆機(jī)的效率低，功率損失大，液壓元件和液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的現(xiàn)場(chǎng)維修困難。

S150型繩索鉆具存在打撈失敗現(xiàn)象，鉆具的內(nèi)管總成和懸掛、卡持機(jī)構(gòu)的配合尺寸不合理，造成打撈范卡；其次，鉆具各零部件的間隙不合理，泥漿循環(huán)不通暢；第三，泥漿泵的排量較小，鉆頭的水力結(jié)構(gòu)不合理，存在鉆頭的排水孔道被堵住的現(xiàn)象，造成巖粉攜帶不及時(shí)，泥漿的固相含量增高，容易卡鉆。

8.3KZ3000型鉆機(jī)與S150型繩索取芯機(jī)具的改進(jìn)建議

KZ3000型鉆機(jī)是應(yīng)急設(shè)計(jì)的成果，從使用角度考慮鉆機(jī)應(yīng)該改善轉(zhuǎn)盤(pán)附近的操作空間，提高橫梁至一層平臺(tái)的高度，增加塔腿鉸鏈的跨度，增加一層平臺(tái)前臺(tái)板的寬度。增加泥漿罐的容積，改善循環(huán)沉淀環(huán)境；提高泥漿處理設(shè)備的處理能力，使泥漿的固相含量得到及時(shí)控制；改造BW280/30型泥漿泵，提高泵量。液壓繩索絞車(chē)的打撈鋼絲繩的路徑要進(jìn)行改進(jìn)，避免90°角換方向。

S150型繩索鉆具可以在鉆具總成和外管的間隙上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，更方便泥漿的循環(huán)；鉆具總成的各個(gè)臺(tái)階面應(yīng)進(jìn)行圓角化處理，減少打撈時(shí)的阻力，改進(jìn)彈卡板的收張機(jī)構(gòu)，避免卡死現(xiàn)象；從泥漿循環(huán)的需要出發(fā)，重點(diǎn)改進(jìn)擴(kuò)孔器的水槽，鉆頭的水口結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)針對(duì)不同地層需要的卡簧機(jī)構(gòu)，解決巖芯卡持和堵塞鉆頭的問(wèn)題；改進(jìn)外管總成螺紋的設(shè)計(jì)，將彈卡擋頭、彈卡室、座環(huán)盡可能做成一體，提高絲扣抗拉脫的能力。

KZ3000鉆機(jī)與S150型繩索取芯機(jī)具在不到一年的時(shí)間里完成設(shè)計(jì)和制造，為大口徑繩索取芯工藝的開(kāi)展提供了良好的平臺(tái)和基礎(chǔ)。隨著科技的進(jìn)步，超深鉆孔、科學(xué)鉆探的需要，大口徑繩索取芯工藝以其不提鉆取芯的特性，在3000m這一深度范圍內(nèi)有著優(yōu)異的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特性，具備了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、推廣的基礎(chǔ)。

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1004-5716(2016)11-0034-05

2015-12-16

2015-12-18

賈長(zhǎng)城（1970-），男（漢族），北京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術(shù)工作。