深部鉆探關(guān)鍵設(shè)備選擇原則及配置優(yōu)化

張 正， 朱恒銀

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010)

深部鉆探關(guān)鍵設(shè)備選擇原則及配置優(yōu)化

張 正， 朱恒銀

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽 六安 237010)

鉆探裝備及工藝方法是鉆探工程技術(shù)的核心，其中鉆探設(shè)備又是實施鉆探工藝的基礎(chǔ)和硬件條件。施工中由于使用條件不同，則需要不同類型的鉆探裝備。所謂鉆探裝備是指完成一個鉆孔所必b 需的鉆機、泥漿泵、鉆塔、動力、機具及其它技術(shù)裝備的總稱。通過分析設(shè)備配置對鉆探效率的影響，對深部地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵設(shè)備與機具的優(yōu)選與配置展開討論，提出了深孔巖心鉆探關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)選的建議。

深部鉆探；關(guān)鍵設(shè)備；選擇優(yōu)化

近年來深部鉆探工作逐漸深入，深部鉆探項目越來越多。鉆探設(shè)備是實施鉆探工藝的基礎(chǔ)和硬件條件，如何優(yōu)化選擇與配置鉆探裝備是直接影響鉆探目的、質(zhì)量、安全、效率和工藝方法的重要因素，尤其在深部鉆探條件下更是工程成敗的關(guān)鍵。

1 關(guān)鍵設(shè)備選擇原則

配置深孔鉆探裝備的一次性投入大，必須通過深入的市場調(diào)研后再決策，減少盲目性。深部地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵設(shè)備進行優(yōu)化選擇的原則如下。

(1)深孔鉆探設(shè)備一般遵循“大馬拉小車”的理念。因為深部鉆探孔深達幾千米，施工周期長，孔內(nèi)地層情況多變，鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果所選鉆探設(shè)備在輸出參數(shù)上不留有余地，往往孔內(nèi)發(fā)生異常就難以及時處理，造成重大孔內(nèi)事故。

(2)根據(jù)地質(zhì)巖心鉆探特點，鉆機需提升能力強，變速范圍寬，扭矩大，主動鉆桿通孔大，適用不同口徑鉆進。應(yīng)優(yōu)先選擇液壓立軸式和動力頭式鉆機，鉆機能力應(yīng)為實際孔深、孔徑的1.3～1.5倍。

(3)要求泥漿泵的額定流量≥300 L/min，泵壓≥10 MPa，保證沖洗液上返流速≥0.4 m/s。

(4)鉆塔要有足夠的承載力，原則上鉆塔承載負荷應(yīng)大于鉆孔設(shè)計孔深及孔徑所用鉆具總質(zhì)量的2倍，鉆塔高度≥20 m。

(5)深孔鉆探作業(yè)所需功率大，應(yīng)優(yōu)先選擇工業(yè)電網(wǎng)驅(qū)動；無工業(yè)電網(wǎng)時，應(yīng)采用燃料發(fā)電機組實現(xiàn)電驅(qū)動，避免選擇柴油機直聯(lián)式動力。

(6)原則上應(yīng)配齊鉆進參數(shù)儀表，實現(xiàn)主要鉆探參數(shù)(如鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、泵壓、泵量、電流、電壓等)的自動檢測和可視化。

2 設(shè)備配置對鉆探工效的影響

深孔地質(zhì)巖心鉆探施工周期長，成本高，風(fēng)險大，鉆探施工中除工藝技術(shù)外，設(shè)備的配置是否合理，也是影響鉆探工效的關(guān)鍵。主要影響因素有：鉆機的給進行程、鉆塔高度(鉆桿立根長度)、設(shè)備安拆、鉆桿擰卸機械化程度、提鉆間隔等。

2.1 鉆機給進行程與工效的關(guān)系

目前國內(nèi)地質(zhì)巖心鉆機主要有2種，即立軸式和液壓動力頭式。立軸式鉆機給進行程為0.5～0.8 m，液壓動力頭鉆機給進行程為3～5 m。鉆進過程中一般回次進尺為3～4.5 m，使用液壓動力頭鉆機可無需倒桿，一氣呵成，立軸鉆機則需倒桿7～9次。按正常鉆進回次進尺4.5 m計算，3000 m孔深約667個回次，立軸鉆機需累計倒桿(以行程0.6 m計算)約5000次。以每次倒桿需2 min計算，就得消耗鉆探工時167 h。另外鉆機每次倒桿，需執(zhí)行換擋→停機→倒桿→開機→加壓→調(diào)速等工序，易造成巖心斷裂、巖心堵塞，尤其在較為破碎地層更為明顯，影響回次進尺和繩索取心鉆進提鉆間隔。據(jù)鉆探統(tǒng)計資料對比分析，因鉆進過程中倒桿影響回次進尺占10%～30%(破碎地層達30%以上)，影響提鉆間隔約占10%。

總消耗時間可按不同孔深時提下鉆(或內(nèi)管打撈投放)經(jīng)過的鉆孔通道總長度除以提下鉆速度(或內(nèi)管打撈投放速度)來計算，經(jīng)過的鉆孔通道總長度可根據(jù)等差數(shù)列求和公式計算。經(jīng)公式推導(dǎo)，其對工效的影響可按下式計算：

T=(H2+GH)/(GV)

(1)

式中：T——總消耗時間，h；H——孔深，m；G——提鉆間隔(或回次進尺)，m；V——提下鉆速度(或內(nèi)管打撈、投放速度)，m/h。

鉆機給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間計算結(jié)果如表1所示，影響關(guān)系曲線如圖1所示。

表1 給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間

注：表中S1、S2分別為4.5、0.6 m行程，4.5 m對應(yīng)給進行程為4.8 m的FYD-2200型液壓動力頭鉆機且使用鉆桿為4.5 m繩索取心鉆桿，0.6 m為XY-4，XY-5，XY-6型等立軸式巖心鉆機給進行程；Δt為不同提鉆間隔下所多消耗時間，提下鉆平均速度按500 m/h計算。

鉆機給進行程影響回次進尺所多消耗的時間計算結(jié)果如表2所示，關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間關(guān)系曲線

孔深/m回次進尺/m2.0(S1)1.6(S2)耗時Δt1/h回次進尺/m3(S1)2.4(S2)耗時Δt2/h回次進尺/m4.5(S1)3.6(S2)耗時Δt3/h00000000001000209261521391743593116231500469587118313391782092615220008341043209556695139371464932500130316293268691086217580724144300018762345469125115643138351043208

注：表中S1、S2分別為4.5、0.6 m行程，Δt為不同提鉆間隔下所多消耗時間，內(nèi)管打撈投放平均速度按2400 m/h計算。

圖2 給進行程影響回次進尺所多消耗的時間關(guān)系曲線

表1中，4.5 m行程設(shè)置的提鉆間隔分別為30、60、100 m，根據(jù)鉆進過程中倒桿影響提鉆間隔約占10%，則0.6 m行程設(shè)置提鉆間隔為27、54、90 m。從表1與圖1可看出，鉆機給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間隨孔深增加而快速增加，提鉆間隔越短，多消耗的時間越多。

表2中，4.5 m行程設(shè)置的回次進尺分別為2、3、4.5 m，根據(jù)鉆進過程中倒桿影響回次進尺占10%～30%，這里按20%計算，則0.6 m行程設(shè)置回次進尺為1.6、2.4、3.6 m。從表2與圖2可看出，鉆機給進行程影響回次進尺所多消耗的時間隨孔深增加而快速增加，回次進尺越短，多消耗的時間也越多。

由上述圖表可以看出，鉆機給進行程大小，對鉆探工時、提鉆間隔及回次進尺長短等指標具有直接影響。隨著鉆孔深度加深，對鉆探工效影響愈來愈大。因此深孔應(yīng)盡量選擇長行程鉆機。

2.2 鉆塔高度對工效的影響

眾所周知，鉆塔的高度決定鉆桿立根的長短，鉆桿立根長短又決定提下鉆的速度?，F(xiàn)以繩索取心鉆探為例，假設(shè)提鉆間隔(G)為50 m，立根長度(L)分別為18、9、6 m 3種，相對應(yīng)的起下鉆速度(V)分別為500、300、200 m/h，在不同孔深條件下計算出所耗工時如表3所示，對工效的影響關(guān)系曲線如圖3所示。

表3 不同立根長度對起下鉆耗時的影響關(guān)系 h

圖3 不同立根長度對工效的影響關(guān)系曲線

表3中，比如在1000 m孔深時，提鉆間隔為50 m，則需提下鉆20次(分別在50、100、150、200、……、950、1000 m)，18 m立根對應(yīng)的每次提下鉆時間則為12、24、36、48、……、228、240 min，20次提下鉆時間相加總和則為42 h。由關(guān)系曲線可以表明：鉆桿立根長短隨著孔深的增加，對工效影響越來越大，對于淺孔影響較小。因此對深孔特別是超過1500 m的應(yīng)選擇高鉆塔。

2.3 鉆桿擰卸方式與工效的關(guān)系

鉆桿柱的擰卸方式有人工擰卸和機械擰卸2種方法。鉆桿擰卸影響工效的因素主要有：孔深、提鉆間隔、立根長度等，在同一條件下，擰卸機械化程度則是影響工效的關(guān)鍵。如果3000 m孔深，立根長度為18 m，總立根數(shù)及短單根167根，人工擰卸每個接頭平均按2 min計算，則提下一次鉆擰卸鉆桿耗時約11 h；采用機械液壓鉗擰卸鉆桿，每個接頭平均只需要0.5 min，提下一次鉆擰卸鉆桿耗時約2.8 h。兩者相比，機械擰卸鉆桿比人工擰卸提高工效約3倍。另外據(jù)施工現(xiàn)場測算可知，人工擰卸一個接頭作業(yè)人員需要擺臂24次，3000 m孔深提下一次鉆人工累計擺臂8000余次，工人的勞動強度非常大；同時人工擰卸鉆桿，接頭使用壽命減少約1/3。

2.4 鉆塔安裝形式與工效的關(guān)系

地質(zhì)鉆探用鉆塔目前主要有高塔式分體安裝和桅桿式整體安裝2種形式。若不考慮現(xiàn)場的環(huán)境、道路及其它因素，高塔式分體安裝需耗時6～7 d，桅桿式整體安裝需1～2 d，不同孔深鉆塔安裝形式對工效的影響關(guān)系如表4所示。

表4 鉆塔安裝形式對工效的影響

表4數(shù)據(jù)表明：鉆塔的安裝形式隨著施工孔深的變化，對工效的影響程度不同，孔深越大影響越小。

2.5 設(shè)備驅(qū)動方式與傳動效率

鉆探設(shè)備驅(qū)動主要有電動機(或燃料機)直接驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動2種方式。其中，液壓馬達驅(qū)動傳動效率較低，能耗較大。例如，施工2500 m孔深時，在同等條件下全液壓驅(qū)動(含鉆機、泥漿泵、繩索取心絞車等動力)需要總功率約200 kW，而電動機直接驅(qū)動約為120 kW，可減少40%的功率消耗。由此可見，鉆探設(shè)備驅(qū)動方式對能耗影響較大，尤其在深孔鉆探情況下對鉆探總成本影響明顯。

3 主要設(shè)備優(yōu)化配置

鉆探設(shè)備選擇合理與否直接影響到鉆探效率和成本，尤其深孔巖心鉆探設(shè)備的優(yōu)化配置顯得更為重要。鉆探關(guān)鍵設(shè)備的選擇必需以孔深、鉆孔結(jié)構(gòu)、施工工藝、環(huán)境條件等因素為依據(jù)，以最佳的設(shè)備匹配獲取最高鉆探效率和經(jīng)濟效益。

通過分析關(guān)鍵設(shè)備的性能與工效影響關(guān)系和深孔巖心鉆探實踐，從我國鉆探設(shè)備的給進行程、鉆塔高度、安裝形式、驅(qū)動方式等多方面綜合考慮，對深孔巖心鉆探關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)選建議如表5所示。

表5 深孔巖心鉆探設(shè)備優(yōu)化選擇推薦

注：表中設(shè)備能力以巖心鉆探終孔口徑N系列(?76 mm)為條件。

優(yōu)選深孔巖心鉆探設(shè)備時，需考慮鉆探綜合效率和適用性、可行性并注意以下幾點。

(1)在山區(qū)、丘陵道路、場地較差的地區(qū)施工，應(yīng)優(yōu)先選擇立軸式鉆機或分體塔式全液壓動力頭鉆機及配套設(shè)備。

(2)施工1000～1500 m孔深鉆孔，在道路場地較好條件下，優(yōu)先選擇全液壓動力頭桅桿整體式鉆機及配套系統(tǒng)。

(3)施工1500～2500 m孔深鉆孔，應(yīng)優(yōu)先選用分體塔式動力頭鉆機或立軸式鉆機。

(4)施工孔深≥2500 m的鉆孔，優(yōu)先選用頂驅(qū)鉆機(液壓或電動)，其次選用立軸式鉆機。

(5)施工區(qū)域工業(yè)用電容量不足或無工業(yè)用電情況下，應(yīng)優(yōu)先選用立軸式鉆機。

(6)深孔無巖心鉆探施工，優(yōu)先選用頂驅(qū)鉆機和全液壓動力頭鉆機。

(7)復(fù)雜地層采用常規(guī)提鉆取心鉆探，應(yīng)優(yōu)先選用立軸式鉆機。

(8)深孔鉆探用泥漿泵必須選變量泵，流量上限≥300 L/min(鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜時流量上限≥600 L/min)，泵壓≥10 MPa。

(9)鉆孔深度≥2000 m，應(yīng)優(yōu)先選用四角和A型鉆塔，鉆塔高度≥20 m，鉆塔承載負荷≥500 kN；山區(qū)、施工場地狹小時，優(yōu)先選用四角塔，便于裝卸。

(10)深部鉆探設(shè)備動力源，應(yīng)優(yōu)先選用工業(yè)用電或發(fā)電機組供電，盡量避免采用柴油機直聯(lián)式驅(qū)動。選用液壓動力頭鉆機時，應(yīng)配分體式動力，以節(jié)約動力能耗。

4 結(jié)語

深部鉆探關(guān)鍵設(shè)備的選擇應(yīng)按照合理性、適用性、先進性和前瞻性的原則，根據(jù)地質(zhì)找礦特點和鉆探孔深、孔徑、鉆進方法等條件來選擇配置。各項設(shè)備的配置，在不同孔深時對鉆探工效會產(chǎn)生不同的影響。在選擇設(shè)備時必需全面考慮各方面影響因素，以最佳的設(shè)備匹配獲取最高鉆探效率和經(jīng)濟效益。

[1] 朱恒銀,等.深部巖心鉆探技術(shù)與管理[M].北京：地質(zhì)出版社，2014.

[2] 侯德峰,等.固體礦產(chǎn)巖心鉆探安全技術(shù)[M].河南鄭州：河南大學(xué)出版社，2013.

[3] 劉廣志.中國鉆探科學(xué)技術(shù)史[M].北京：地質(zhì)出版社，1998.

[4] 王達，張偉，張曉西，等.中國大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[5] 鄢泰寧，等.巖土鉆掘工藝學(xué)[M].湖南長沙：中南大學(xué)出版社，2014.

[6] 朱恒銀，等.深部礦體勘探鉆探技術(shù)方法研究綜述[J].安徽地質(zhì)，2012，(10)：119-123.

[7] 朱恒銀，蔡正水，等.贛州科學(xué)鉆探NLSD-1孔施工技術(shù)研究與實踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):1-7.

[8] 朱恒銀，劉躍進.FYD-2200型分體塔式全液壓動力頭鉆機的研制及應(yīng)用[C]//中國地質(zhì)學(xué)會探礦工程專業(yè)委員會.第十五屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京：地質(zhì)出版社，2009.

[9] 劉憲全,李效生，宋雙進，等.全液壓頂部驅(qū)動鉆機的開發(fā)與應(yīng)用[C]//中國地質(zhì)學(xué)會探礦工程專業(yè)委員會.第十七屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京：地質(zhì)出版社，2013：30-34.

[10] 張偉,王達,劉躍進,等.深孔取心鉆探裝備的優(yōu)化配置[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10):34-38,41.

[11] 張偉.金剛石繩索取心鉆進施工效率影響因素分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007,34(10):22-24,34.

[12] 高富麗,劉躍進,張偉.我國地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(1):3-8.

[13] 張金昌,孫建華,謝文衛(wèi),等.2000 m全液壓巖心鉆探技術(shù)裝備示范工程[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(3):1-7.

[14] 張林霞,李藝,周紅軍.我國地質(zhì)找礦鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(2):1-8.

[15] 朱恒銀，蔡正水，王幼鳳，等.2706.68 m試驗孔施工關(guān)鍵裝備與技術(shù)[C]//中國地質(zhì)學(xué)會探礦工程專業(yè)委員會.第十六屆全國探礦工程(巖土鉆掘工程)技術(shù)學(xué)術(shù)交流年會論文集.北京：地質(zhì)出版社，2011:127-135.

SelectionPrinciplesandConfigurationOptimizationoftheKeyEquipmentsinDeepDrilling

ZHANGZheng,ZHUHeng-yin

(313 Geological Team, Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Lu’an Anhui 237010, China)

Drilling equipment and process method are the core of drilling engineering technology and the former is the basis and hardware condition of drilling technology. Different types of drilling equipment are required in the different construction conditions. Drilling equipment is the general name of the necessary equipment for drilling construction, such as drilling rig, mud pump, derrick, power and other technical equipments. Based on the analysis on the influence of equipment configuration on drilling efficiency, this paper discusses the selection and allocation of key equipments and tools for deep geological core drilling and puts forward some suggestions for the optimizing the key equipments in deep hole core drilling.

deep drilling; key equipment; selection optimization

2017-02-14；

2017-06-12

安徽省重點科技攻關(guān)項目“深部礦體勘探鉆探關(guān)鍵技術(shù)方法及設(shè)備研究”(編號：09010301015)

張正，男，漢族,1985年生，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事巖土鉆掘工程方面的技術(shù)工作，安徽省六安市金安區(qū)佛子嶺路8號，283909593@qq.com。

P634

A

1672-7428(2017)09-0017-04