劉巖，孫軍盈，呂祥利，宋志亮，繆佳佳，李曉峰，盧斌

(1.中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120；2.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，河北 張家口 075000；3. 北京海光儀器有限公司，北京 100015)

0 引言

目前，我國(guó)西部、東北、西南大面積陸域存在許多不具備路網(wǎng)條件的難進(jìn)入?yún)^(qū)域，難進(jìn)入地區(qū)鉆探已成為地質(zhì)探礦新常態(tài)。在特殊的海拔、地理、交通、生態(tài)、環(huán)境下，常規(guī)鉆探裝備(塔、機(jī)、泵、具)的搬、運(yùn)、拆、裝、用均異常艱難，涉及的征地、修路、復(fù)墾等門(mén)檻日益增高，鉆探外圍成本急劇增加。便攜式鉆機(jī)以其“輕便、快速、可靠”的特點(diǎn)，適用于難進(jìn)入地區(qū)的探礦工作。目前，國(guó)內(nèi)外在便攜式鉆機(jī)制造領(lǐng)域已經(jīng)研制出一系列的便攜式機(jī)型，產(chǎn)品覆蓋200～800 m的地質(zhì)取心鉆探領(lǐng)域。中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司所屬的中地裝(北京)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司自主研發(fā)了XD 800/600/400系列便攜式全液壓巖心鉆機(jī)。本文以XD 800型便攜式鉆機(jī)在小興安嶺林區(qū)金礦資源勘探的鉆孔施工為例，對(duì)便攜式鉆機(jī)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行介紹。

1 工程概況

大、小興安嶺北部是我國(guó)重要的砂金產(chǎn)區(qū)，區(qū)內(nèi)巖金礦礦化點(diǎn)較多。由于該區(qū)地處中亞—興安地槽褶皺區(qū)北端，火山、巖漿活動(dòng)及變質(zhì)變形作用復(fù)雜，使得地層復(fù)雜多變，且存在多處破碎不穩(wěn)定地段。此次施工目的為探明該區(qū)域的金礦儲(chǔ)量，施工區(qū)域位于黑龍江省小興安嶺林區(qū)，屬于小興安嶺無(wú)人區(qū)，林區(qū)無(wú)手機(jī)信號(hào)覆蓋與外界通訊不便。根據(jù)項(xiàng)目要求，鉆孔結(jié)構(gòu)為65°斜孔，0～500 m全孔段取心，巖心直徑要求大于40 mm。此前，同區(qū)域已使用阿特拉斯進(jìn)口動(dòng)力頭鉆機(jī)[1,2]試鉆多個(gè)孔，由于該地區(qū)地層復(fù)雜，最深鉆孔在300 m左右。地質(zhì)資料顯示，本區(qū)域地表有20 m左右落葉淤泥覆蓋層，地層破碎，有多處縮徑破碎段，施工難度較大。

2 鉆探設(shè)備及工藝

2.1 鉆機(jī)

XD 800型便攜式全液壓巖心鉆機(jī)使用3臺(tái)進(jìn)口柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)液壓泵，通過(guò)插裝分流閥分別給回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、打撈絞車(chē)和泥漿泵提供動(dòng)力。鉆機(jī)給進(jìn)行程為1.83 m，配備使用1.5 m長(zhǎng)BTW、NTW、HQ鉆具；最大設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度為800 m(BTW鉆具)；動(dòng)力頭最高轉(zhuǎn)速1380 r/min、最大扭矩1528 N·m；鉆機(jī)最大給進(jìn)力45 kN，最大起拔力90 kN；繩索絞車(chē)鋼絲繩直徑4 mm，第一層單繩拉力5.6 kN；機(jī)臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬)4.5 m×4.5 m。

2.2 鉆頭與鉆具

2.2.1 鉆頭

使用φ110 mm、φ91 mm、φ75 mm三種金剛石薄壁鉆頭，薄壁鉆頭高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)速度快，可充分發(fā)揮便攜式鉆機(jī)快速鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 鉆具

φ108 mm套管，BTW(φ56.5 mm)、NTW(φ73.3 mm)、HQ(φ88.9 mm)1.5 m鉆桿，其中φ108 mm套管在開(kāi)孔時(shí)使用。BTW、NTW鉆具為薄壁鉆具，具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度好，精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 鉆進(jìn)工藝

考慮到該地區(qū)地層情況復(fù)雜，坍塌、縮徑不可避免。參考已有鉆孔數(shù)據(jù)，本次施工設(shè)計(jì)三級(jí)井身結(jié)構(gòu)[3]，開(kāi)孔采用φ110 mm金剛石鉆頭+φ108 mm鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至穿過(guò)地面覆蓋層后(20 m左右)提鉆取下鉆頭，使用套管靴將φ108 mm鉆具下至孔底做套管使用。二開(kāi)采用φ91 mm金剛石鉆頭+φ89 mm鉆具鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至70 m提鉆，使用套管靴將φ89 mm鉆桿下至孔底作為套管使用。裸眼段至終孔采用φ75 mm金剛石鉆頭+φ73 mm鉆具鉆進(jìn)。φ59 mm作為備用口徑。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

此次鉆探施工場(chǎng)地平整、設(shè)備安裝調(diào)試、施工、拆卸運(yùn)移共用時(shí)15天，終孔孔深564 m。下文簡(jiǎn)要介紹鉆機(jī)搭建、錨固、鉆進(jìn)過(guò)程、取心過(guò)程、起下鉆以及復(fù)雜工況及時(shí)應(yīng)對(duì)等六個(gè)施工過(guò)程。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 XD800鉆機(jī)野外施工

3.1 機(jī)臺(tái)搭建

由于林區(qū)覆蓋層較厚，很難穩(wěn)定布置機(jī)臺(tái)木。根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整后搭建機(jī)臺(tái)。整體機(jī)臺(tái)占地面積4.5 m×4.5 m，在保證施工順利進(jìn)行的前提下，極大的節(jié)省了場(chǎng)地需求。

3.2 錨固

因工程需要本次鉆孔為65°斜孔。為保證鉆機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，采用打地錨孔栓鐵鏈的方式將鉆機(jī)與機(jī)臺(tái)固定。打地錨孔要遵循兩個(gè)原則，首先地錨孔深度要達(dá)到基巖或者接近基巖；其次地錨孔不能與鉆探孔發(fā)生干涉，兩孔壁之間最小距離為150 mm。 本次使用BTW鉆具打地錨孔，達(dá)到預(yù)定深度后提鉆換地錨頭，為了在燒結(jié)錨頭過(guò)程中保護(hù)水龍頭密封結(jié)構(gòu)，所以摘除水龍頭下鉆至孔底后開(kāi)始無(wú)泥漿循環(huán)燒結(jié)地錨頭。完成后用鐵鏈將鉆機(jī)緊固在枕木上。錨固時(shí)鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表1。

表1 地錨運(yùn)行參數(shù)

3.3 鉆進(jìn)過(guò)程

3.3.1 鉆具組合

按照最初三級(jí)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分三階段進(jìn)行鉆進(jìn)，具體鉆具組合如下：

(1)φ110 mm金剛石鉆頭+擴(kuò)孔器+扶正器+φ108 mm×1.5 m套管；

(2)φ91 mm金剛石鉆頭+擴(kuò)孔器+扶正器+φ63.5 mm巖心管+φ89 mm×1.5 m繩索取心鉆桿；

(3)φ75 mm金剛石鉆頭+擴(kuò)孔器+扶正器+φ57 mm巖心管+φ73 mm×1.5 m繩索取心鉆桿。

3.3.2 鉆進(jìn)參數(shù)及時(shí)效

鉆孔總耗時(shí)7天，終孔深度564 m，鉆進(jìn)參數(shù)如表2所示。根據(jù)表3計(jì)算可知鉆機(jī)臺(tái)月效率為2115米/月。其中開(kāi)孔段要通過(guò)表層20 m厚的落葉覆蓋層、冰層，塌孔嚴(yán)重，進(jìn)尺速度相對(duì)較慢。鉆至基巖更換NTW規(guī)格鉆具以后鉆進(jìn)速度顯著加快，達(dá)到50米/班次。

3.4 快速投放、取心過(guò)程

XD 800型便攜式鉆機(jī)采用繩索取心方式提取巖心，動(dòng)力頭為可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，方便讓開(kāi)孔口實(shí)現(xiàn)打撈器的快速下放打撈。本次施工使用3 m長(zhǎng)巖心管，可鉆進(jìn)兩根鉆桿打撈一次巖心，節(jié)省施工過(guò)程中巖心打撈時(shí)間，提升鉆探整體效率。不同孔深階段打撈巖心工作用時(shí)統(tǒng)計(jì)如表4所示，在450 m之后由于鉆孔存在多處縮徑使返漿速度變慢，導(dǎo)致內(nèi)管下放時(shí)間增長(zhǎng)。全孔段巖心采取率達(dá)到項(xiàng)目要求，繩索絞車(chē)運(yùn)行狀態(tài)良好，尤其是排繩機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，很好地解決了鋼絲繩咬繩、亂繩、壓繩等問(wèn)題，采取的巖樣如圖3所示。

表2 鉆進(jìn)相關(guān)參數(shù)鉆具

表3 鉆進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表4 投放時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖3 巖心樣本

3.5 快速起下鉆

XD800型便攜式鉆機(jī)采用油缸直推動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)與底部夾持器配合可實(shí)現(xiàn)單根1.5 m鉆桿的快速擰卸和加接鉆桿。以擰卸鉆桿為例，動(dòng)力頭上行將鉆桿提至合適位置后，夾持器夾住底部鉆桿，動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)同時(shí)卸開(kāi)鉆桿上下絲扣，卸下鉆桿后動(dòng)力頭下降至孔口，繼續(xù)完成上述步驟擰卸鉆桿。與傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)鉆具的擰卸加接耗時(shí)、耗力相比，便攜式鉆機(jī)以其簡(jiǎn)單快速的操作方式，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速加減鉆桿，節(jié)約時(shí)間、降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度。本次施工總鉆進(jìn)深度564 m，一次提鉆消耗2小時(shí)，優(yōu)勢(shì)明顯。

3.6 復(fù)雜地層應(yīng)對(duì)

鉆孔位于小興安嶺林區(qū)深處，有較厚的落葉覆蓋、淤泥層。同時(shí)根據(jù)之前鉆孔可以看出地層多為泥巖軟地層，其中在80 m，180 m以及320 m處都有不同程度的縮徑情況，其中320 m處的縮徑最為嚴(yán)重。開(kāi)孔前通過(guò)綜合分析擬定采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)鉆進(jìn)，盡可能保證鉆孔穩(wěn)定性。在遇到復(fù)雜地層時(shí)，采用連續(xù)多次掃孔同時(shí)更換泥漿配比，增加纖維素等材料含量，穩(wěn)定井壁同時(shí)將巖粉沖出地面，最終順利通過(guò)多個(gè)縮徑段。

4 結(jié)論

XD 800型便攜式鉆機(jī)在小興安嶺林區(qū)的施工充分證明了該設(shè)備的施工能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各功能部件運(yùn)行狀態(tài)良好，為施工的順利完成奠定了基礎(chǔ)。便攜式鉆機(jī)以其特有的結(jié)構(gòu)輕便性、功能完善性、人性化操作以及結(jié)合薄壁鉆具的快速鉆探工藝使得其在難進(jìn)入地區(qū)具有很好的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)機(jī)械式鉆機(jī)相比，無(wú)論從設(shè)備運(yùn)移到施工效率，從鉆機(jī)的操作方式到鉆具的擰、夾、卡、卸，都充分展現(xiàn)了快速鉆探的優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)約運(yùn)行成本，還極大地降低鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，符合地質(zhì)鉆探機(jī)械化的發(fā)展趨勢(shì)。隨著國(guó)家對(duì)綠色勘探和環(huán)境保護(hù)的重視，作為環(huán)境友好型的便攜式鉆機(jī)將會(huì)成為未來(lái)綠色勘探的重要設(shè)備。便攜式鉆機(jī)及其配套的薄壁鉆具、工藝體系是一種新型金剛石繩索取心鉆探工藝，鉆機(jī)操作、薄壁鉆具的配套都與立軸式鉆機(jī)、動(dòng)力頭式液壓鉆機(jī)操作和工藝配套不同，需要通過(guò)培訓(xùn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張連山. 國(guó)外液壓驅(qū)動(dòng)石油鉆機(jī)的新進(jìn)展[J]. 石油機(jī)械, 2000, 28(2):52-54.

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