賈長城，劉春生，秦　沛

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京101500）

深孔大口徑繩索取芯鉆進設備與機具

賈長城*，劉春生，秦沛

（北京市地質(zhì)工程設計研究院，北京101500）

為了開展汶川地震斷裂帶科學鉆探工作，在WFSD科鉆中心的組織協(xié)調(diào)下進行了鉆探設備、施工機具、泥漿處理設備的研制與配套工作，在不到1年的時間里完成了KZ3000型鉆機及配套設備的研制和生產(chǎn)。整套設備實現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤鉆進與繩索鉆進2種工作模式；研制與配套了大口徑繩索鉆進所需的成套泥漿處理設備；完成了3000m級別的大口徑繩索鉆進鉆桿與機具的研制，試驗了較大環(huán)狀間隙、較高泥漿密度條件下的繩索取芯工藝。該套設備主要以液壓泵站為動力源，實現(xiàn)卷揚機、鉆進回轉(zhuǎn)無級變速。該套設備為后期的科學鉆探工作提供了堅實的物質(zhì)基礎。

科學鉆探；鉆機；繩索鉆具；泥漿設備

1　概述

為了完成汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）項目WFSD－2孔的施工任務，項目組專門開展了施工設備和機具的研制工作。WFSD－2孔最初設計孔深為3000m，實際完鉆深度2383.56m。該鉆孔的技術要求為：開孔直徑444.5mm，終孔直徑150mm，全孔取芯；采用先取芯，后擴孔，懸掛技術套管護壁的方法進行施工。該鉆孔地層的突出特點是膨脹縮徑、破碎、坍塌、掉塊。施工工藝和地層特點要求鉆探設備、機具有較強的適應性。施工中采用新研制的KZ3000型全液壓鉆機。該鉆機采取頂驅(qū)式動力頭和轉(zhuǎn)盤復合的鉆進模式，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，配套了兩級泥漿處理設備。整套設備機具經(jīng)過實踐檢驗、改進，基本上適應了在復雜的地震斷裂帶開展大口徑繩索取芯鉆進的需要。

2　鉆塔的配置

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

WFSD-2工程的應急特性要求鉆塔必須具備以下技術條件:

（1）鉆塔的塔基座必須盡可能的小。施工現(xiàn)場的尺寸為南北長76m，東西寬18.8m。鉆塔要能進行中途起落，同時擺放各類鉆桿、套管、測井設備、泥漿材料、泵站，并滿足大型車輛進出需要。

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

（3）鉆塔要具備容納S150型繩索鉆桿3000m的平臺空間，同時不影響液壓大鉗、氣動絞車、B型吊鉗、繩索絞車、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型鉆機的安裝操作，還要適應KZ3000型鉆機的安裝操作和添減10m鉆桿單根的需要。

為了滿足以上要求，在K31型鉆塔的基礎上進行了以下幾方面的改進：

（1）提高一層平臺高度到4m，為加裝液壓泵站、主卷揚機、轉(zhuǎn)盤液動裝置提供空間。平臺改造后，后半場安裝電器開關柜，前半場安裝動力頭導軌架、氣動絞車、液動鉗等輔助工具。改造后，一層工作平臺機人員活動空間較大，操作場地平整。司鉆操作鉆機、觀察孔口視野良好，大大減輕鉆工的工作環(huán)境壓力。

（2）加裝了液壓動力頭導向架，懸掛了2根行程為10m的減壓鉆進用液壓油缸。該項改進提供了長行程不倒桿的鉆進能力，提高回次進尺數(shù)，減少了對巖芯的擾動，同時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）增加前臺板的寬度和鉆桿盒的容量，改進后的鉆桿盒可以容納2000m的繩索鉆桿，為2000m以內(nèi)孔深的提下鉆提供方便，減少拆卸鉆桿的輔助時間，同時為氣動絞車、液壓大鉗提供操作空間。

（4）在一層臺板下設計了泥漿罐、振動篩、除泥機，有效地減少了場地占用，增加了鉆機的穩(wěn)定性。改造后的一層平臺尺寸為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)為一層平臺整體升高后，橫梁至一層平臺的距離降低為4250mm，塔腿鉸鏈跨度7.5m，在使用KZ3000型鉆機時液動大鉗等工具的懸掛空間不足。改造后的平臺見圖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，不同的施工工藝對泥漿有著不同的要求。取芯鉆進要求采用優(yōu)質(zhì)泥漿、無固相泥漿，對于泥漿的固相含量和固體顆粒的粒徑要求較高，在采用繩索取芯時泥皮的厚度會影響繩索打撈的成功率。進行擴孔鉆進和牙輪鉆進時泥漿的比重有較大。同時2種泥漿都要面對地層涌水與漏失的考驗。

3.12種工藝要求采用不同的泥漿泵

擴孔鉆進和牙輪鉆進時采用BW1200/7B型煤田系列泥漿泵；繩索取芯時采用新研制的BW280/30型泥漿泵。BW1200/7B型泥漿泵是地熱井施工最常使用的泥漿泵，滿足3000m深度的水井施工要求，在施工中采用雙泵配置，通過換向閥進行切換。BW280/30型泥漿泵是在BW-600/10型泥漿泵的基礎上改造的，主要針對該泵的動力、離合器、泵頭結(jié)構(gòu)、進排水閥進行改造。經(jīng)過改造，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型繩索鉆進所需的高壓力，小排量的技術要求。

3.2泥漿凈化設備

根據(jù)鉆進工藝要求，配置了兩級固控系統(tǒng)，即一級振動篩、二級除泥機，同時利用鉆塔的底座設置了循環(huán)泥漿池和備漿池。

牙輪全面鉆進和擴孔時需要處理顆粒較大的巖屑，現(xiàn)場選用HS240-3P型振動篩作為一級泥漿處理設備。該型號為直線振動篩，采用雙電機，振動頻率為24.3，振幅為5.8，選用80目或100目的篩網(wǎng)。對于優(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。

金剛石鉆進時，特別是膨脹地層施工時，泥漿中的細小固體顆粒較多，現(xiàn)場前期采用了TGLW350-692型離心機，后期改為HM-100×4-C型除泥清潔器，用來除去泥漿中粒徑為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，達到80m3/h的泥漿處理量，同時配備150～200目的篩網(wǎng)。泥漿循環(huán)池采用鉆機底座的空間，在一層平臺下部兩側(cè)分別設置制漿罐和循環(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。

上述泥漿設備和循環(huán)系統(tǒng)的設置存在較多的問題，主要表現(xiàn)為泥漿池容積小，泥漿的循環(huán)線路短，泥漿不能進行有效的自然沉淀。泥漿泵的進水管位置過低，泥漿中的細粒度巖粉未充分沉淀又參與新的循環(huán)中去，在采用BW1200/7B型泥漿泵時活塞磨損較快。第二，泥漿凈化設備級數(shù)較少，在采用加重泥漿時，重晶石也會被分離出去；在采用繩索鉆進時，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要求，但是泵量明顯不足，在鉆進三疊系地層特別是斷層泥地層時，泥漿不能將鉆頭刻取的巖粉充分攜帶出鉆孔，造成嚴重的糊鉆頭現(xiàn)象。

4　鉆機的選擇與研制

4.1HXY-8B型鉆機的情況

出于應急施工的需要，項目部在進場時首先采用HXY-8B型鉆機進行施工，HXY-8B型鉆機具備繩索鉆進工藝和擴孔鉆進施工能力。該鉆機完成了該孔838.66m之前的施工，由于液壓卡盤的卡盤油缸和軸向軸承的負荷能力較小，轉(zhuǎn)盤的強度不足，卷揚機的提升能力較低，繼續(xù)鉆進困難。

4.2KZ3000型鉆機的基本情況與技術特點

KZ3000型鉆機是針對WFSD-2孔的技術要求設計的，WFSD-2孔的技術要求主要包括：

（1）鉆孔深度：3000m；

（2）終孔直徑：150mm；

（3）全孔連續(xù)取芯鉆進，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型鉆機在2010年7月9日完成組裝，經(jīng)過2個月的使用檢驗基本滿足了施工的需要。

（1）頂驅(qū)與長行程減壓油缸組合，實現(xiàn)繩索鉆進回次進尺10m不倒桿的技術條件。

鉆機的頂驅(qū)采用4組柱塞泵分別驅(qū)動4個恒星小齒輪，小齒輪與中心大齒輪嚙合帶動六方主動鉆桿旋轉(zhuǎn)，將回轉(zhuǎn)動力傳達給鉆桿完成鉆進回轉(zhuǎn)動作。柱塞泵動力源可以實現(xiàn)驅(qū)動力的均衡，回轉(zhuǎn)平穩(wěn)。鉆桿的全部重量通過六方主動鉆桿傳遞給大齒輪空心軸，由空心軸通過軸向軸承傳遞給動力頭箱體，再傳遞給懸掛減壓鉆進油缸。頂驅(qū)的液壓驅(qū)動實現(xiàn)了無級變速，鉆桿傳遞過來的沖擊力通過柱塞泵的液力緩沖避免了齒輪箱齒輪的相互沖擊，鉆進平穩(wěn)，為繩索鉆進提供了一個良好的工況條件。

頂驅(qū)箱體在懸掛油缸的帶動下實現(xiàn)了長行程的送鉆工藝。KZ3000型鉆機設計了2根懸掛油缸，采用鉸接的方式，通過懸掛桿吊掛在K31型鉆塔的天車底座下面。頂驅(qū)箱體通過導向架與導軌進行結(jié)合，實現(xiàn)垂直運動。懸掛油缸的行程達到10m，可以順利加減任何尺寸的石油鉆桿、繩索鉆桿，其提升力達到1000kN，完全滿足3000m繩索鉆桿的減壓鉆進需要。在液壓控制系統(tǒng)的操控下，懸掛油缸實現(xiàn)了鉆壓調(diào)節(jié)精度小于3kN的能力，使金剛石鉆進的鉆頭壓力控制得到保證。

（2）采用液力驅(qū)動的ZP175型轉(zhuǎn)盤與液力驅(qū)動的主卷揚機配合實現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進和精確的送鉆工藝。

轉(zhuǎn)盤選用石油系列成熟的ZP175型轉(zhuǎn)盤。該轉(zhuǎn)盤最大靜載荷2700kN，通孔直徑444.5mm，最高轉(zhuǎn)數(shù)300r/min。轉(zhuǎn)盤動力采用2組柱塞泵，各驅(qū)動一組小齒輪共同帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸驅(qū)動轉(zhuǎn)盤輸入軸。選用液力驅(qū)動為提鉆取芯提供了一個良好的工況條件，轉(zhuǎn)盤帶動主動鉆桿回轉(zhuǎn)時力矩穩(wěn)定，避免鉆具受到?jīng)_擊，使巖芯管內(nèi)的巖芯不受擾動。

主卷揚機設置在轉(zhuǎn)盤變速箱的后部，一層臺板之下，不占平臺面積。主卷揚機主要是配合轉(zhuǎn)盤進行擴孔施工，不參與繩索施工。主卷揚機采用2個變量柱塞泵進行驅(qū)動，柱塞泵的排量由電位計進行控制，實現(xiàn)提升的調(diào)速。為提高安全性能，主卷揚增加了剎帶制動器，實現(xiàn)卷揚機靜止狀態(tài)時制動器抱死，調(diào)整卷揚機手柄時制動器才打開，延時0.5s，對應的主泵和主閥M7開始供油；主卷揚動作回零后，柱塞泵停止工作，制動器抱死。主卷揚在配合送鉆時靠鉆具自重加壓，通過送鉆加壓電位器來調(diào)節(jié)步進間隔時間，通過設定送鉆加壓的頻率，通過調(diào)整控制程序控制剎車打開的程度，三者配合實現(xiàn)理想的孔底壓力。

主卷揚機的上述功能設計實現(xiàn)了單繩0～1.5～5s/s的可變繩速，操控臺手柄操作，精確自動送鉆（壓力調(diào)整精度達到3～5kN），常閉式剎車。卷揚機的設計為操作者提供了安全的操作條件，使送鉆控制達到了自動化的水平，在目前的地質(zhì)取芯鉆探中實現(xiàn)了技術突破。

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

KZ3000型鉆機設計了獨立的鉆機操控室，位于動力頭和偏房之間。鉆機操控臺上設計了手動操作調(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的實時運行情況和參數(shù)，所有的運轉(zhuǎn)參數(shù)通過計算機進行程序設定，手動操作調(diào)整。KZ3000型鉆機采用博世—力士樂公司的BODAS可編程專業(yè)液壓控制微處理器實現(xiàn)比例電磁鐵精確電流控制、電磁鐵開關控制、數(shù)字和傳感器信號輸入、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選擇菜單，設計了頂驅(qū)取芯、轉(zhuǎn)盤擴孔、工作模式、錯誤報告4個可選窗口，在選擇了一個功能窗口后，可以進入下一級菜單，通過手動操作完成運行參數(shù)設定

KZ3000型鉆機的操作系統(tǒng)界面相對簡單，但是功能齊全，具備鉆探高級工資格的司鉆人員通過短期的理論和實操培訓均能進行操作，符合野外地質(zhì)隊司鉆的人員現(xiàn)狀。

5　S150型繩索取芯機具的研制

WFSD-2孔的地層特點要求繩索鉆具首先要適應地層軟硬變化；其次，要能夠和多種類型的泥漿配合施工，特別是加重泥漿；第三，要有足夠的強度、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)過技術優(yōu)化，最終確定采用?127mm內(nèi)平外臺階繩索鉆桿，?142mm加重鉆桿，?150mm繩索鉆具。經(jīng)過技術攻關，確定鉆探材質(zhì)采用XJY950，其屈服強度達到Rp0.2為975MPa,抗拉強度Rm為1080MPa,斷后延長率為19%。鉆桿的桿體尺寸確定為?127mm× 6.35mm，接頭外徑?142mm，設計90°角平臺肩，滿足吊卡的使用條件。鉆桿接頭外徑與孔壁的環(huán)狀間隙達到8mm，能夠適應膨脹性泥巖鉆進，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荷需達到2000kN。鉆具具備普通內(nèi)管和半合管2種內(nèi)管形式，設計半合管時考慮到地層膨脹性的影響，鉆具采用通用工具可以方便進行拆卸、組裝。在鉆具的懸掛機構(gòu)上采用雙彈卡結(jié)構(gòu),鉆具到位懸掛準確，泥漿循環(huán)通暢。

6　附屬工具——液壓繩索取芯絞車

為了配合繩索取芯專門設計了帶有張力測試裝置和自動排繩的4000m液壓絞車。該絞車通過柱塞馬達驅(qū)動，運行平穩(wěn)，可以自由增減速度；張力監(jiān)測裝置可以用于判斷打撈內(nèi)管的工況。

7　HXY-8B、KZ3000型鉆機與各種鉆具的試驗效果

在WFSD-2孔的上部孔段分別進行了全面鉆進、普通提鉆取芯、繩索取芯等鉆進工藝,具體指標見表1。在894.17m以上的鉆進取芯中，幾種工藝都在試驗磨合中，其中普雙半合管取芯試驗了241.47m，時效在0.60m/h，繩索取芯試驗了55.51m，時效為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)場改進的鉆具，繩索鉆具采用了無錫鉆探工具廠、地調(diào)局勘探所的鉆具，各種鉆具都在使用中進行了改動，表1中的數(shù)據(jù)為試驗和改造中的數(shù)據(jù)。

表1　各種鉆進方法鉆進效率統(tǒng)計表

8　KZ3000型鉆機與S150型繩索取芯機具的特點、問題與建議

8.1KZ3000型鉆機與S150型繩索取芯機具的優(yōu)點

KZ3000型鉆機是目前專門為大口徑繩索取芯工藝而設計的一款全液壓鉆機，可以滿足繩索取芯→擴孔→下套管→下懸掛套管→繩索取芯的工藝要求。該鉆機可以實現(xiàn)直徑150mm鉆孔，鉆深3000m的鉆孔施工。全液壓的動力系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程動力傳輸，并且各個運轉(zhuǎn)部件的控制實現(xiàn)了自動化。散裝的鉆機各部件滿足了運輸?shù)募夹g要求，現(xiàn)場安裝比較方便。操控平臺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。現(xiàn)場所用設備大部分可以采用通用的設備，標準化程度高，便于采購集成。10m行程的減壓鉆進油缸實現(xiàn)了9m單根鉆桿不倒桿的鉆進能力，保證了巖芯的完整性，避免擾動。

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

8.2KZ3000型鉆機與S150型繩索取芯機具存在的問題

KZ3000型鉆機在整合現(xiàn)有資源的基礎上進行的設計，仍存在一些缺陷。首先是鉆塔的開檔寬度不足，底座的前場面積不足，造成井口工具擺放過于緊湊。其次，泥漿循環(huán)系統(tǒng)級數(shù)不夠，泥漿處理效果不好。第三，全液壓鉆機的效率低，功率損失大，液壓元件和液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題的現(xiàn)場維修困難。

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，泥漿的固相含量增高，容易卡鉆。

8.3KZ3000型鉆機與S150型繩索取芯機具的改進建議

KZ3000型鉆機是應急設計的成果，從使用角度考慮鉆機應該改善轉(zhuǎn)盤附近的操作空間，提高橫梁至一層平臺的高度，增加塔腿鉸鏈的跨度，增加一層平臺前臺板的寬度。增加泥漿罐的容積，改善循環(huán)沉淀環(huán)境；提高泥漿處理設備的處理能力，使泥漿的固相含量得到及時控制；改造BW280/30型泥漿泵，提高泵量。液壓繩索絞車的打撈鋼絲繩的路徑要進行改進，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行進一步的優(yōu)化，更方便泥漿的循環(huán)；鉆具總成的各個臺階面應進行圓角化處理，減少打撈時的阻力，改進彈卡板的收張機構(gòu)，避免卡死現(xiàn)象；從泥漿循環(huán)的需要出發(fā)，重點改進擴孔器的水槽，鉆頭的水口結(jié)構(gòu)，設計針對不同地層需要的卡簧機構(gòu)，解決巖芯卡持和堵塞鉆頭的問題；改進外管總成螺紋的設計，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鉆機與S150型繩索取芯機具在不到一年的時間里完成設計和制造，為大口徑繩索取芯工藝的開展提供了良好的平臺和基礎。隨著科技的進步，超深鉆孔、科學鉆探的需要，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、經(jīng)濟特性，具備了進一步開發(fā)、推廣的基礎。

[1]王達.新型科學鉆探技術體系的產(chǎn)生及其意義[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2006,33(1)：1-5.

[2] 樊臘生，賈軍，吳金生，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探一號孔(WFSD-1)鉆探施工概況[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009, 36(12)：5-8.

[3]李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探一號孔(WFSD-1)斷層泥孔段泥漿體系的研究與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(12)：13-15,19.

P634

B

1004-5716(2016)11-0034-05

2015-12-16

2015-12-18

賈長城（1970-），男（漢族），北京人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術工作。