CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機的應用與分析

米樹剛，李建華，李 健，高 磊

（北京天和眾邦勘探技術股份有限公司，北京100071）

1 概述

鉆探工程是礦產勘查的重要技術方法之一，是能夠直接從地下巖層獲取實物樣品的唯一手段，只有拿到實物樣品才能驗證礦藏的存在。實現(xiàn)地質找礦突破戰(zhàn)略，不僅要在找礦理論上有所突破，鉆探工藝方法及鉆探技術裝備的突破更是關鍵［1］。鉆探裝備進步主要體現(xiàn)在設備的自動化、智能化、模塊化、輕便化等方面［2］，達到提高金剛石繩索取心效率和質量的目的。

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機開發(fā)了電控自動化系統(tǒng)，包括采用“機電液一體化”技術［3］和PLC邏輯反饋控制技術，配置鉆進參數(shù)自動檢測和控制系統(tǒng)，配置鉆桿自動移擺管系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆進過程自動化和信息化，提高了鉆進效率。本文將結合該鉆機在山東平度市的工程施工實例，對該鉆機在施工中的應用進行分析和總結。

2 CSD1800ZD 型鉆機簡介

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機（圖1）是國家重點研發(fā)計劃“多金屬礦巖心鉆探關鍵技術裝備聯(lián)合研發(fā)及示范”項目中，由北京天和眾邦勘探技術股份有限公司針對在俄羅斯推廣應用，結合我國全液壓巖心鉆探裝備與技術而研發(fā)生產的。該鉆機具有以下主要優(yōu)點：

（1）移動便捷，就位準確［4］；

（2）多種合理的功能配置，在液壓控制系統(tǒng)的支持下，保證了鉆進效率［5］；

（3）采用電液混合控制形式，液壓控制形式保證了設備的使用可靠性，電氣控制實現(xiàn)了參數(shù)化、自動化鉆進和自動提下鉆模式；

（4）全面多項安全防護措施設計，施工安全性高；

（5）人性化設計，勞動強度低［6］。鉆機主要由底盤模塊、桅桿模塊、動力頭模塊、動力系統(tǒng)模塊、液壓系統(tǒng)模塊、電氣系統(tǒng)模塊以及相關輔助功能模塊等組成（見圖1）。鉆機主要性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 CSD1800ZD 型鉆機結構示意Fig.1 Structure of CSD1800ZD drill

表1 CSD1800ZD 型鉆機性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of CSD1800ZD drill

3 應用實例

3.1 地質概況

工程位于山東省平度市云山鎮(zhèn)的山旺-上馬臺礦區(qū)，勘查區(qū)地層為古元古界荊山群和新生界第四系。荊山群沿招平斷裂帶及平度斷裂帶的上盤展布，構成區(qū)內地層主體，巖性為一套含石墨巖系的透輝變粒巖、黑云變粒巖、淺粒巖及大理巖透鏡體、長石石英巖，以及含石墨的石榴矽線黑云斜長片麻巖等。新生界第四系分布于礦區(qū)的東南部，巖性為山前堆積的殘坡積物，沖積平原相沉積物，河床河漫灘相沖積物。地層情況為：0～61 m 為表土、腐殖土、砂等；61～164 m 為黑云斜長變粒巖、絹英巖化變粒巖、絹英巖化花崗質碎裂巖；164～420 m 為絹英巖化花崗巖和二長花崗巖。巖石可鉆性7～10級，局部研磨性強，該區(qū)局部構造破碎帶尤為發(fā)育。

3.2 施工概況

施工孔設計孔深420 m，傾角77°，方位角315°，由山東省地質礦產勘查開發(fā)局第六地質大隊進行施工。

鉆機現(xiàn)場就位后，經地質單位進行孔位及方位角測量確認，開始施工作業(yè)。開孔采用?114 mm 鉆桿，配置?152 mm 復合片鉆頭，鉆機采用主動加壓鉆進，該孔段土質疏松，含礦量大，采用重密度泥漿護壁，鉆深60.7 m 到達巖層，下入?146 mm 套管。

二開仍采用?114 mm 鉆桿，更換?122 mm 金剛石繩索取心鉆頭，進行高轉速鉆進，配合6 m 鉆桿提升能力的液壓主絞車完成提下鉆作業(yè)，10 個臺班鉆深至126.86 m，下入?108 mm 套管。此孔段破碎層較多，泥漿漏失嚴重，不過仍保持了較高的取心率。

三開更換?91 mm 鉆桿和?95.5 mm 繩索取心鉆頭，鉆深至420 m，地質單位測井后2 次進行加深，順利終孔459.16 m。該孔段多含石英類高硬度巖層，鉆機主要以高轉速大扭矩合理控制鉆壓鉆進，保持了較高的鉆速，最高鉆速達到8.28 m/h。此外在此孔段，多臺班應用電控參數(shù)化鉆進和自動移擺管提下鉆作業(yè)，并進行泥漿配比、新工藝鉆具等多項科研試驗應用。

全孔共計施工53 個臺班，純鉆時間約131 h，綜合鉆機臺月效率761 m。施工概況如表2 所示。

4 應用情況分析

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機是一種電控全液壓驅動的鉆機，分別設計有液壓控制系統(tǒng)和電控控制系統(tǒng)，具有全液壓動力頭鉆機的優(yōu)點［7］：動力頭式的回轉機構、長行程的給進系統(tǒng)、液壓絞車的提升系統(tǒng)、無級調速、過載保護等［8］。電控系統(tǒng)的特點是：數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測的顯示系統(tǒng)［9］、自動鉆進的控制系統(tǒng)、多重安全防護保護系統(tǒng)。電控和液壓技術的結合提升了鉆機的自動化和信息化水平。

表2 施工概況Table 2 Drilling overview

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機完成了從就位開孔到終孔整個孔的施工，具體施工應用情況從如下幾個方面分別介紹。

4.1 車載運輸形式

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機針對俄羅斯“東西伯利亞金屬”公司處于遠東的礦業(yè)資源研發(fā)，施工地主要位于布里亞特共和國和后貝加爾邊疆區(qū)，該礦區(qū)氣溫低、人口稀少、幅員遼闊、地層復雜，道路運輸條件相對較好，資源分布范圍廣，為此，該鉆機采用了自主上卸車的車載運輸形式并配置有支腿無線遙控器，進行現(xiàn)場布置以及底盤調平與鉆塔角度調整等就位操作非常便利，可以提高轉場的便利性，適用于遠途運輸。

4.2 雙重保護的液壓支腿鎖止功能

該鉆機配置有液壓鎖止和機械鎖止雙重保護功能（如圖2 所示），既保留了液壓支腿調平的便利性，也防止了支腿回縮的問題，通過此次近一個月的施工應用驗證，支腿實現(xiàn)了零回縮。這樣就解決了液壓支腿在長時間鉆進作業(yè)時，液壓油內泄造成支腿回縮，也稱“軟腿”現(xiàn)象［10］，增強了鉆機的平穩(wěn)性。

4.3 數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測和顯示

全液壓控制的鉆機是通過各種指針式壓力表對鉆進工況進行顯示，一般只能提供給進油缸的上下腔壓力，折算后間接得到鉆壓，對鉆進位移、速度，動力頭扭矩以及泵沖流量等參數(shù)，只能通過操作人員的經驗進行判斷［11］，既不準確也需要操作人員具有豐富的技能儲備。

圖2 鉆機液壓支腿Fig.2 Hydraulic legs of the drill

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機電控系統(tǒng)配置有野外專用多功能顯示屏（如圖3 所示）和各種監(jiān)測傳感器，對發(fā)動機工況、鉆進工況和打撈工況的相關參數(shù)，包括發(fā)動機轉速和報警、鉆壓、轉速、扭矩、鉆速、流量、泵壓、振動等進行實時監(jiān)測和數(shù)字化顯示，電子數(shù)據(jù)采集有利于實時、真實地反映施工工況，并準確地進行施工工藝控制。特別是動力頭實時位置、實時鉆進速度和泥漿泵流量等鉆進參數(shù)，給現(xiàn)場操作提供了方便，受到現(xiàn)場操作人員的歡迎。繩索打撈監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鋼絲繩收放速度、打撈矛位置、拉力的實時監(jiān)測，并在到達孔底前20 m 進行到位預報警，提高了操作的安全性，并且可以對打撈是否成功和卡阻情況的判斷提供依據(jù)。

圖3 多功能顯示屏畫面Fig.3 Multi?function display screen

鉆進中的鉆壓、轉速、鉆速、扭矩、振動、泵壓、泵量、孔深可按照每秒兩組的頻率進行數(shù)據(jù)存儲并可方便下載；其中部分鉆進參數(shù)可以在屏幕形成數(shù)據(jù)變化曲線，顯示直觀而且易于參考判斷。圖4 和圖5 是依據(jù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)匯總進行整理得到的設備工作狀態(tài)變化趨勢圖。

圖4 機械鉆速與輸出功率變化趨勢Fig.4 Change trend of ROP and output power

圖5 輸出功率與液壓油溫度變化趨勢Fig.5 Change trend of output power and hydraulic oil temperature

由圖4 可以看出，102～427 m 孔段，主軸平均輸出功率為21.7 kW，最高36 kW，可實時監(jiān)測鉆機的工作能力。

由圖5 可以看出，液壓油溫度隨輸出功率的變化而變化，但基本維持在40 ℃左右，說明液壓系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設計合理。

4.4 鉆進安全防護技術

為保障人員和設備安全，鉆機具備多項安全保護技術：慢速給進超速保護，安全護罩打開自動降速，主卷揚提升上限保護，主卷揚下放失速保護，繩索取心卷揚拉力超限報警，燃油和液壓油位報警等。其中個別安全設置由于地層或孔深等原因，未遇到設定工況，不曾觸發(fā)，大部分安全保護措施在施工應用中得到了驗證，且反饋良好。全方位的自動安全防護技術可以避免人為因素造成事故［12］，也是鉆機走向自動化和智能化的必備功能。

4.5 自動化鉆進控制系統(tǒng)

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機最有代表性的特點是其配置的自動化鉆進控制系統(tǒng)，也可以稱為“參數(shù)化”鉆進系統(tǒng)，工作原理如圖6 所示。

圖6 自動化鉆進控制系統(tǒng)Fig.6 Automatic drilling control system

即在作為人機交互界面的多功能顯示屏上輸入?yún)?shù)化鉆進的具體參數(shù)設置數(shù)值，通過CAN 通訊傳輸?shù)娇刂破鳎?3］，并與實時監(jiān)測反饋回控制器的鉆機實際的參數(shù)數(shù)值進行數(shù)據(jù)持續(xù)對比，再通過控制器控制電磁閥進行不間斷調整，從而實現(xiàn)鉆進工況的持續(xù)控制，即程序式自主鉆進。鉆機目前可進行“鉆壓”、“主軸轉速”、“泥漿泵泵量”3 種主要鉆進參數(shù)的參數(shù)化鉆進，還可按照“恒壓”、“恒速”、“定切入量”3 種自動化鉆探模式進行自動鉆進。

此次施工是該自動化鉆進系統(tǒng)第一次進行實際施工應用［14］，表3 是此次施工進行參數(shù)化鉆進和自動化模式鉆進中監(jiān)測的部分記錄數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出實際監(jiān)測數(shù)值與設定數(shù)值基本在同一范圍內，結合實際地層差異的變化和設備響應的影響，可以判斷應用達到了預期的使用效果。

4.6 上卸鉆桿系統(tǒng)

為實現(xiàn)較高的鉆進效率，鉆機配置了液壓孔口夾持器、液壓卸扣器，配備了新研發(fā)的動力提引器和中國地質大學（北京）研制的移擺管裝置［15］，提下鉆工況時，鉆機可選擇采用常規(guī)的主卷揚提鉆模式或自動上桿裝置提鉆2 種模式。

主卷揚提鉆模式：實際施工作業(yè)中0～126.86 m孔段采用常規(guī)主卷揚提鉆模式（單次提下6 m 鉆桿），液壓夾持器匹配卸扣器配合工作，不僅降低了人員勞動強度，而且明顯提高了工作效率。

自動上桿裝置提鉆模式：126.86～459.16 m 孔段，應用動力提引器和自動移擺管裝置（如圖7 所示），實現(xiàn)了自動上桿裝置提鉆，共計提鉆4 次，下鉆3 次，提下鉆孔深分別為：264.01、349.41、427.56、459.16 m。平均提下鉆效率約1 根/2 min（6 m 長單根），操作熟練后可達到1 根/1.5 min。應用過程中整套系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作可靠，柔性連接的提引器有效保護了連接螺紋，對1∶30 錐度的金剛石繩索取心鉆桿的專用梯形螺紋基本沒有什么損傷，使用效果很好。

表3 自動化鉆進施工數(shù)據(jù)記錄Table 3 Automatic drilling data recording

圖7 自動上桿提鉆模式Fig.7 Automatic drill rod lifting mode

5 結語

（1）施工應用驗證了CSD1800ZD 型全液壓自動化巖心鉆機是一種施工效率高，施工質量好，事故率低，鉆機適用性強，輕便，維修性好的巖心鉆機。

（2）CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機首次在國內現(xiàn)場施工中實現(xiàn)了自動化鉆進，特別是參數(shù)化鉆進與自動化鉆進模式的實際施工中得到應用，電控數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測、顯示、控制和多項安全防護措施等設計，都達到了預期的使用效果，為地質勘探鉆機實現(xiàn)數(shù)字化、自動化鉆進提供了重要數(shù)據(jù)支撐和寶貴經驗。

（3）首次在國內金剛石繩索取心鉆探中，實現(xiàn)了6 m 鉆桿加接和提下鉆的自動化現(xiàn)場應用，效果良好。此項技術的取得，減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強度，減少了鉆臺所需工人數(shù)量，提高了生產效率。