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        便攜式全液壓鉆機(jī)在秦嶺地區(qū)地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用

        2021-12-08 13:33:48劉蓓張晨楊可呂軒李強(qiáng)
        鉆探工程 2021年11期
        關(guān)鍵詞:全液壓工區(qū)鉆具

        劉蓓,張晨,楊可,呂軒,李強(qiáng)

        (1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心,陜西 西安 710100;2.北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司西安分公司,陜西 西安 710100)

        0 引言

        2020年,西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心在陜西秦嶺地區(qū)設(shè)立了礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查(勘查)項(xiàng)目,秦嶺地區(qū)植被茂密、地形切割強(qiáng)烈、國(guó)家級(jí)保護(hù)動(dòng)植物豐富,環(huán)保政策要求嚴(yán)格。為貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想,切實(shí)加強(qiáng)地質(zhì)勘查工作中生態(tài)環(huán)境保護(hù),最大限度減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)和影響[1],完成好年度地質(zhì)調(diào)查(勘查)項(xiàng)目中的鉆探工作,依據(jù)自然資源部《關(guān)于開(kāi)展綠色勘查項(xiàng)目示范工作的通知》(自然資辦函〔2019〕815號(hào))、中國(guó)礦業(yè)聯(lián)合會(huì)《綠色勘查指南》(T/CMAS 0001-2018)及陜西省自然資源廳《關(guān)于大力推進(jìn)礦產(chǎn)資源綠色勘查的指導(dǎo)意見(jiàn)》的要求,西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心大力引進(jìn)了4臺(tái)EP600系列便攜式全液壓鉆機(jī)(2臺(tái)EP600型,2臺(tái)EP600PLUS型)。利用便攜式全液壓鉆機(jī)分別在商洛-丹鳳、漢中寧強(qiáng)工作區(qū)開(kāi)展鉆探施工作業(yè),鉆孔設(shè)計(jì)深度200~400 m,平均孔深300 m。2020年8-12月,共施工地質(zhì)巖心鉆孔11個(gè),累計(jì)完成工作量3450.81 m,平均臺(tái)月效率556.02 m。便攜式全液壓鉆機(jī)應(yīng)用試點(diǎn)取得了較好的效果,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

        1 EP600系列鉆機(jī)概況

        1.1 鉆機(jī)特點(diǎn)

        (1)模塊化設(shè)計(jì),桅桿式鉆架結(jié)構(gòu)。模塊輕量化設(shè)計(jì),最重模塊180 kg,施工運(yùn)輸便道寬0.7~1 m即可滿足通行,易于搬運(yùn);桅桿式鉆架,可實(shí)現(xiàn)45°~90°任意角鉆進(jìn),機(jī)架材料采用航空鋁材,機(jī)身輕便[2];使用液壓快速插接接頭,安裝、拆卸快速[3];機(jī)臺(tái)占地面積約4.5 m×4.5 m,可減少基礎(chǔ)工程量,綠色環(huán)保。

        (2)全液壓驅(qū)動(dòng)。頂驅(qū)式動(dòng)力頭,長(zhǎng)行程導(dǎo)軌,油缸推進(jìn),不用反復(fù)倒桿,導(dǎo)向性、定向性好;無(wú)級(jí)調(diào)速,可開(kāi)高速,鉆機(jī)震動(dòng)??;通過(guò)各種壓力表實(shí)時(shí)掌握孔內(nèi)情況,有限壓保護(hù),安全性高;操作臺(tái)面板布置合理,方便操作,管路布局靈活,各模塊維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單。

        (3)運(yùn)行穩(wěn)定,機(jī)械故障率低。鉆機(jī)動(dòng)力等主要部件為國(guó)外進(jìn)口,液壓系統(tǒng)高度集成,運(yùn)行過(guò)程中,動(dòng)力輸出穩(wěn)定,噪聲小,80%以上結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)度鋁合金材料,機(jī)械故障較少。

        1.2 鉆機(jī)性能參數(shù)

        EP600系列便攜式全液壓鉆機(jī)主要組成為:鉆機(jī)主機(jī)、沖洗液循環(huán)系統(tǒng)、薄壁鉆具、輔助工具材料等。鉆機(jī)主機(jī)由操作臺(tái)、液壓油箱、3臺(tái)柴油機(jī)、柴油箱、鉆機(jī)底座、鉆架(含動(dòng)力頭)、泥漿泵、卷?yè)P(yáng)機(jī)和泥漿攪拌器組成(見(jiàn)圖1)[4]。EP600系列便攜式全液壓鉆機(jī)施工能力及鉆機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

        圖1 EP600型便攜式全液壓鉆機(jī)Fig.1 EP600 portable full hydraulic drill

        2 鉆進(jìn)工藝

        2.1 鉆進(jìn)技術(shù)

        EP600系列便攜式全液壓鉆機(jī)采用“薄壁系列鉆桿+薄壁系列繩索取心鉆具+無(wú)(低)固相沖洗液”鉆進(jìn)技術(shù)方法,主打HTW-NTW-BTW級(jí)配的薄壁金剛石繩索取心鉆探工藝[5],配合無(wú)固相或低固相沖洗液,可獲得較好的工作優(yōu)勢(shì)。薄壁鉆頭的鉆頭底唇與巖石接觸面積少,孔底扭矩阻力小,結(jié)合鉆機(jī)高轉(zhuǎn)速,切削速度快,鉆速高效;薄壁系列鉆具與標(biāo)準(zhǔn)Q系列鉆具相比取心直徑更大,能夠更好地滿足地質(zhì)工作需要;孔壁環(huán)狀間隙較小,鉆柱整體具有滿、直的特點(diǎn),可有效控制孔斜,一定程度上可抑制孔壁掉塊卡鉆,鉆孔安全性較高。薄壁系列與標(biāo)準(zhǔn)Q系列鉆具對(duì)比情況見(jiàn)表2。

        2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

        一般情況下,地表或淺層覆蓋有不同厚度的松散沉積物,常采用?110 mm-HTW-NTW三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu),用?110 mm口徑開(kāi)孔,施工至較穩(wěn)定的基巖后無(wú)需起拔套管,?108 mm套管護(hù)壁,直接采用HTW口徑鉆進(jìn)施工。若采用HTW口徑施工過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的坍塌、掉塊等情況,造成嚴(yán)重卡鉆(鉆具無(wú)法回轉(zhuǎn)或起拔),可采取以下2種處理方案:一是直接續(xù)接?108 mm套管用?110 mm口徑擴(kuò)孔至卡鉆位置以下,以實(shí)現(xiàn)解卡,再繼續(xù)用HTW口徑鉆進(jìn);二是HTW鉆桿直接作為護(hù)壁套管使用,打撈出HTW內(nèi)管總成,用NTW口徑鉆進(jìn)施工,需要注意的是必須先用NTW鉆頭磨銑掉HTW鉆頭內(nèi)臺(tái)階,NTW鉆具通過(guò)后才能正常施工鉆進(jìn)。鉆孔地層較理想的情況下,鉆進(jìn)深度<400 m時(shí),可采用NTW口徑施工至終孔,BTW口徑作為備用級(jí),鉆具組合選擇見(jiàn)表3[6]。

        表1 EP600系列鉆機(jī)性能參數(shù)Table 1 Specification of EP600 series drills

        表2 薄壁系列與標(biāo)準(zhǔn)Q系列鉆具對(duì)比Table 2 Thin?wall vs standard“Q”drilling tools

        表3 鉆具組合的選擇Table 3 Selection of the drilling stems

        對(duì)于地表覆蓋層?。ㄐ∮?0 cm)或基巖裸露地區(qū),常采用HTW-NTW兩級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu),若在NTW口徑施工過(guò)程中,鉆機(jī)轉(zhuǎn)速明顯降低,扭矩增大,或鉆進(jìn)中出現(xiàn)卡鉆等不適于繼續(xù)使用NTW口徑鉆進(jìn)的問(wèn)題時(shí),宜采用BTW口徑接續(xù)開(kāi)展鉆進(jìn)施工。

        2.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

        一般情況下,要結(jié)合地層主要巖性、硬度、完整程度及風(fēng)化程度等地質(zhì)條件,才能確定滿足高效鉆進(jìn)所需的實(shí)際參數(shù)。便攜式全液壓鉆機(jī)各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自高壓管路中的液壓油,通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制給進(jìn)油缸、動(dòng)力頭馬達(dá)和泥漿泵馬達(dá)管路中流動(dòng)的油量,可實(shí)現(xiàn)鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。采用“便攜式全液壓鉆機(jī)+薄壁系列鉆桿+薄壁系列繩索取心鉆具+無(wú)(低)固相泥漿”鉆進(jìn)技術(shù),形成了一套能夠適用于多種地層的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。便攜式全液壓鉆機(jī)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選取范圍見(jiàn)表4。

        表4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇Table 4 Selection of drilling parameters

        3 便攜式全液壓鉆機(jī)的應(yīng)用

        3.1 陜南-柞水商南地區(qū)金多金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目

        3.1.1 地理位置及地層情況

        陜南-柞水商南地區(qū)金多金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目主要工作區(qū)在丹鳳縣龍駒寨鎮(zhèn)東坪、丹鳳縣蔡川鎮(zhèn)白廟溝和商州區(qū)楊斜鎮(zhèn)麻籽溝。縣城和村鎮(zhèn)之間都有公路相通,交通較為便利。由于各工區(qū)之間跨度較大(40~100 km),地層也有很大的區(qū)別,東坪工區(qū)位于商丹結(jié)合帶,斷裂構(gòu)造發(fā)育,巖性主要為黑云斜長(zhǎng)角閃片巖、綠簾斜長(zhǎng)角閃片巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖等;白廟溝工區(qū)出露的巖性主要為寬坪巖群四岔口組絹云石英片巖,巖石變形強(qiáng)烈;麻籽溝工區(qū)巖性主要為似斑狀中粗粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖。

        3.1.2 鉆探施工情況

        2020年8月14日—11月29日,先 后 采 用2臺(tái) 便攜式全液壓鉆機(jī)(EP600和EP600PLUS型)在商洛-丹鳳工作區(qū)開(kāi)展鉆探施工,共完成巖心鉆孔6個(gè),累計(jì)完成鉆探工作量2000.24 m,平均日進(jìn)尺21.95 m,平均臺(tái)月效率為658.49 m,各鉆孔施工情況見(jiàn)表5。

        從表5中可知,在東坪、白廟溝工區(qū)最高臺(tái)月效率分別達(dá)到了895.59 m和860.77 m,麻籽溝工區(qū)臺(tái)月效率僅為242.49 m,東坪、白廟溝的臺(tái)月效率較為理想,麻籽溝的效率最低。ZK1401鉆孔因施工期間停待5 d(調(diào)撥BTW管材時(shí)間),臺(tái)月效率受到影響只有588.38 m,按實(shí)際施工時(shí)間計(jì)算臺(tái)月效率可達(dá)到735.47 m??傮w對(duì)比來(lái)看,白廟溝工區(qū)臺(tái)月效率最高,東坪工區(qū)臺(tái)月效率次之,麻籽溝工區(qū)臺(tái)月效率最低。便攜式全液壓鉆機(jī)適宜于東坪、白廟溝工區(qū)地層(巖石可鉆性級(jí)別4~6級(jí))鉆進(jìn)[7-8],在麻籽溝工區(qū)地層(巖石可鉆性級(jí)別8~9級(jí))鉆進(jìn)施工中適用性表現(xiàn)不理想。

        3.2 秦嶺地區(qū)金銀礦資源勘查項(xiàng)目應(yīng)用情況

        3.2.1 地理位置及地層情況

        秦嶺地區(qū)金銀礦資源勘查項(xiàng)目陜西省寧強(qiáng)縣中壩外圍錳金多金屬礦勘查工作區(qū)位于寧強(qiáng)縣北西方向約69 km處,隸屬寧強(qiáng)縣燕子砭鎮(zhèn)和安樂(lè)河鎮(zhèn)管轄,村鎮(zhèn)之前有公路相通,交通較為便利,工區(qū)處于秦嶺與大巴山接壤地帶,屬中低山區(qū),地勢(shì)總體北高南低,地形切割較強(qiáng)烈,植被覆蓋茂密。工區(qū)內(nèi)揭露的主要巖性為鐵質(zhì)菱鎂礦千枚巖、鐵質(zhì)菱鎂礦千枚巖夾石英脈、硅質(zhì)千枚巖、長(zhǎng)石石英砂巖、含碳硅質(zhì)板巖等。

        表5 商洛-丹鳳工作區(qū)鉆孔施工情況Table 5 Drilling results of the boreholes in the Shangluo-Danfeng work area

        3.2.2 鉆探施工情況

        2020年9月15日—12月24日,先 后 采 用2臺(tái) 便攜式全液壓鉆機(jī)(EP600和EP600PLUS型)在漢中寧強(qiáng)工作區(qū)開(kāi)展鉆探施工,共完成巖心鉆孔5個(gè),累計(jì)完成鉆探工作量1450.57 m,平均日進(jìn)尺14.44 m,平均臺(tái)月效率為433.05 m,各鉆孔施工情況見(jiàn)表6。

        表6 漢中寧強(qiáng)工作區(qū)鉆孔施工情況Table 6 Drilling results of the boreholes in the Ningqiang work area in Hanzhong

        從表6中可知,ZK001鉆孔因施工期間停待6 d(施工用水停待),臺(tái)月效率受影響僅為317.50 m,按實(shí)際施工時(shí)間計(jì)算臺(tái)月效率可達(dá)到439.61 m;ZK1101鉆孔因發(fā)生井內(nèi)事故并處理,造成施工工期延長(zhǎng),降低了鉆進(jìn)效率??傮w來(lái)看,該工區(qū)鉆機(jī)的臺(tái)月效率基本穩(wěn)定,臺(tái)月效率在400~500 m,實(shí)際上該工區(qū)的工作范圍只有11 km2,工區(qū)內(nèi)地層巖性總體變化不大,巖石可鉆性級(jí)別6~7級(jí),為中硬巖地層,鉆進(jìn)效率中等,該工區(qū)較適宜采用便攜式全液壓鉆機(jī)開(kāi)展鉆探施工。

        4 應(yīng)用效果

        4.1 鉆機(jī)適用性分析

        (1)地層適應(yīng)性較好,鉆進(jìn)效率較高。從前面各工作區(qū)的應(yīng)用分析情況來(lái)看,該鉆機(jī)在巖石可鉆性級(jí)別7級(jí)(中硬巖層)以下的地層中鉆進(jìn)效率較高(臺(tái)月效率為320~895 m,平均614 m),能夠達(dá)到常規(guī)巖心鉆機(jī)的效率水平,在8級(jí)(硬巖層)以上的地層中鉆進(jìn)效率則比較低(240 m/臺(tái)月)??傮w來(lái)看,該鉆機(jī)比較適宜于7級(jí)以下的地層,可用于7~9級(jí)的地層鉆進(jìn)工作,采用NTW口徑比較適用于鉆進(jìn)深度在300~350 m的淺孔。

        (2)在復(fù)雜地形環(huán)境中,機(jī)臺(tái)搬遷便捷,鉆機(jī)組裝快,輔助工作時(shí)間大幅降低。通過(guò)在不同工作區(qū)的試點(diǎn)應(yīng)用,在漢中寧強(qiáng)交通用電不便、山林難進(jìn)入的情況下,在商洛-丹鳳生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策要求嚴(yán)格、運(yùn)輸困難(便道無(wú)法大規(guī)模修建)的情況下,該鉆機(jī)表現(xiàn)出了易進(jìn)入、搬遷快的優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖2),機(jī)臺(tái)臨時(shí)占地和便道修建規(guī)模小、時(shí)間短,大幅減少了機(jī)臺(tái)搬遷時(shí)間(1~2 d)和建設(shè)時(shí)間(2~3 h),有效控制了施工工期。

        圖2 便攜式全液壓鉆機(jī)搬遷運(yùn)輸Fig.2 Movement of the portable full hydraulic drill

        (3)符合綠色施工作業(yè)要求,綜合經(jīng)濟(jì)成本較低。實(shí)際工作中,采用配套小型爬山虎運(yùn)輸,修筑物資運(yùn)輸便道規(guī)模小,機(jī)臺(tái)占地破壞少,利用已有便道則無(wú)需修筑或擴(kuò)建,有效控制耕地、林地、草地及周邊環(huán)境的損毀、破壞和擾動(dòng)范圍。鉆機(jī)采用廠家配套的無(wú)固相(低固相)綠色環(huán)保沖洗液材料,沖洗液配方簡(jiǎn)單,材料消耗少,沉淀后的廢棄沖洗液對(duì)周邊環(huán)境污染小,施工作業(yè)結(jié)束后,場(chǎng)地、便道等臨時(shí)用地恢復(fù)簡(jiǎn)單、速度快、質(zhì)量高、效果明顯。該鉆機(jī)事故少,純鉆臺(tái)時(shí)高,與全液壓履帶鉆機(jī)相比施工作業(yè)油耗低,采用的薄壁系列鉆探管材單位價(jià)格成本較低廉,機(jī)臺(tái)班組僅需2~3人即可正常開(kāi)展工作。從臨時(shí)占地、環(huán)境破壞、搬遷運(yùn)輸、材料及人工費(fèi)用等方面綜合考慮,采用便攜式全液壓鉆機(jī)明顯降低了鉆探施工綜合經(jīng)濟(jì)成本。

        4.2 提高鉆進(jìn)效率幾點(diǎn)措施

        4.2.1 優(yōu)選或改進(jìn)鉆頭,增強(qiáng)鉆頭碎巖效率,提高鉆機(jī)鉆速

        針對(duì)巖石級(jí)別高的巖層(硬-堅(jiān)硬巖)鉆速慢,施工效率低的問(wèn)題,結(jié)合ZK5801鉆孔地層開(kāi)展了一些試驗(yàn):一是采用不同硬度和底唇形式的金剛石鉆頭鉆進(jìn);二是通過(guò)人工處理改善了金剛石鉆頭性能,再進(jìn)行試驗(yàn)鉆進(jìn),“人工處理”即通過(guò)人為改造或修整鉆頭底唇的形狀、大小、出刃及胎塊數(shù)量的方法,用以改善鉆頭性能,提高鉆頭碎巖能力。試驗(yàn)的具體情況見(jiàn)表7。

        通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,采用齒輪鉆頭的鉆速普遍高于同心圓尖齒鉆頭[9],其中齒輪鉆頭表現(xiàn)出金剛石胎體胎塊較多(16顆)、硬度較軟(HCR8)時(shí),鉆頭的鉆速稍快一些;同心圓尖齒鉆頭的鉆速則受金剛石胎體的胎塊數(shù)(7~8顆)、硬度(HCR8~20范圍內(nèi))影響變化不大。人工處理后的齒輪鉆頭鉆速明顯高于未處理的鉆頭,平均日進(jìn)尺達(dá)到了14.94~16.11 m(臺(tái)月效率448~483 m),鉆進(jìn)效率提高了近2倍。

        原因分析:該鉆孔花崗巖地層堅(jiān)硬、致密、“打滑”,便攜式全液壓鉆機(jī)給進(jìn)的鉆壓不夠大,鉆頭胎體中的金剛石難以壓入巖石。在高轉(zhuǎn)速下,鉆頭在鉆進(jìn)初期鉆速還比較高,很快隨著尖齒磨耗完畢,鉆速大幅下降,甚至無(wú)進(jìn)尺(即鉆頭打滑),要投砂磨鉆頭,用以保證進(jìn)尺[10-11]。本次人工處理原理就是基于減少鉆頭與巖石的接觸面積,提高鉆頭胎體單位面積壓力,減少鉆頭胎塊數(shù)(從14顆減少到11顆),鉆頭處理及使用前后情況見(jiàn)圖3,按NTW型鉆桿(8.9 kg/m)250 m的自重計(jì)算,單個(gè)胎塊底唇壓力增加了433 N,是未處理前壓力的1.3倍。因此,在硬-堅(jiān)硬巖層中要優(yōu)選鉆頭硬度和底唇形式,通過(guò)適當(dāng)增加鉆頭比壓與投砂相結(jié)合的方法,可獲取很好的鉆進(jìn)效果。

        表7 金剛石鉆頭試驗(yàn)情況及效果Table 7 Diamond bit tests

        圖3 金剛石齒輪鉆頭試驗(yàn)應(yīng)用前后(已處理)Fig.3 Diamond gear bits before and after test application(treated)

        4.2.2 降低鉆桿與孔壁摩阻力,減少功率損耗,提高鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

        降低鉆桿與孔壁摩阻力主要措施有:一是采用高潤(rùn)滑性沖洗液,改善沖洗液性能,增強(qiáng)沖洗液的潤(rùn)滑性能。本次工作主要采用英格爾專用配方?jīng)_洗液材料(G4480和G3370泥漿材料),G4480和G3370通用型泥漿配方,G4480泥漿材料具有潤(rùn)滑性極強(qiáng)的聚合物及表面活性材料,極大降低扭阻,提高鉆進(jìn)效率保護(hù)鉆具。G3370主要功能潤(rùn)滑減阻減低鉆桿振動(dòng)和扭矩,降濾失,穩(wěn)定孔壁,增強(qiáng)沖洗液流變性。在地層情況適宜的情況下,在沖洗液中適當(dāng)加入皂化油或乳化油,也可降低鉆桿摩阻力[12-14];二是在鉆桿表面上涂抹鉆桿潤(rùn)滑脂,應(yīng)采用具有良好的潤(rùn)滑性、強(qiáng)吸附性(抗水沖刷性能)以及使用時(shí)間長(zhǎng)的潤(rùn)滑脂[15-17],以減少鉆桿旋轉(zhuǎn)阻力,確保動(dòng)力頭能夠高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行,從而提高鉆進(jìn)施工效率。ZK1601鉆孔100~124 m未涂抹鉆桿潤(rùn)滑脂扭矩壓力表為11~12.5 MPa(見(jiàn)表8),在140 m之后涂抹了鉆桿潤(rùn)滑脂扭矩壓力表為8.1 MPa,鉆機(jī)扭矩降低了26%~35%,轉(zhuǎn)速提高了22%~26%;ZK5801鉆孔涂抹鉆桿油前后鉆機(jī)扭矩降低了35%,轉(zhuǎn)速提高了37%。

        4.2.3 采用輕型高強(qiáng)繩索取心鉆桿,提高鉆機(jī)施工效率和鉆進(jìn)深度

        目前,鉆探行業(yè)的輕型高強(qiáng)鉆桿以鋁合金、鈦合金鉆桿為主。鋁合金鉆桿的密度、彈性模量低,線膨脹系數(shù)最高,可適用于陸地深孔鉆進(jìn);鈦合金鉆桿的密度、彈性模量較高,線膨脹系數(shù)較低,是理想的深孔鉆探用管材,但其價(jià)格非常昂貴[18]。鋁合金鉆桿在國(guó)內(nèi)鉆探領(lǐng)域研究和應(yīng)用較多,市場(chǎng)也比較成熟,已經(jīng)形成石油鉆探、地質(zhì)鉆探、水文水井鉆探及繩索取心等系列鉆桿產(chǎn)品。與傳統(tǒng)鋼質(zhì)鉆桿相比,鋁合金鉆桿具有以下優(yōu)勢(shì):

        (1)具有較好的物理力學(xué)性能。鋁合金鉆桿的密度和彈性模量約為同尺寸鋼質(zhì)鉆桿的1/3,比強(qiáng)度是鋼的1.5~2倍[19],鋁合金鉆桿基本可達(dá)到同規(guī)格的鋼質(zhì)鉆桿的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[20-21]。

        表8 涂抹鉆桿潤(rùn)滑脂前后鉆機(jī)扭矩表壓力變化情況Table 8 Pressure variation on the drill torque gauge before and after applying drill rod grease

        (2)鋁合金鉆桿鉆進(jìn)深度可超越鋼鉆桿。在鉆機(jī)能力給定的條件下,采用“鋁合金鉆桿+鉆具”或“鋁合金鉆桿+鋼鉆桿+鉆具”組合,可降低鉆機(jī)功率消耗[22],提高便攜式全液壓鉆機(jī)鉆深能力。

        (3)鋁合金鉆桿質(zhì)輕,鋁合金鉆桿于鋼質(zhì)鉆桿相比浮重、摩阻力小,可減輕起下鉆的起拔力和阻卡力,降低鉆機(jī)能耗,卸扣扭矩小,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,可節(jié)省20%~25%的起下鉆時(shí)間,提高效率。

        (4)井內(nèi)斷鉆、卡鉆等事故易處理,在打撈、起拔等措施無(wú)法實(shí)現(xiàn)情況下,采用鉆頭磨削法可快速把井內(nèi)的鋁合金鉆桿(鉆具)“消滅”[23],降低事故處理難度和井內(nèi)事故臺(tái)時(shí)。

        (5)鋁合金鉆桿具有和鎳鈷合金相似的無(wú)磁特性,方便電磁法測(cè)井和隨鉆測(cè)量?jī)x器的使用。

        綜上所述,在高海拔、山勢(shì)險(xiǎn)峻、地形復(fù)雜、自然條件惡劣、地理位置偏遠(yuǎn)、交通不便的特殊地帶實(shí)施鉆探工程作業(yè)時(shí),采用“便攜鉆探裝備+輕型高強(qiáng)鉆探管材”技術(shù)方法,可更加合理匹配和發(fā)揮便攜式全液壓鉆機(jī)功效,同時(shí)可大幅降低運(yùn)輸難度,緩解了機(jī)臺(tái)搬遷困難,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

        5 存在的問(wèn)題

        (1)鉆進(jìn)適用沖洗液類型受限。鉆機(jī)采用薄壁系列鉆具,鉆具內(nèi)外管間隙和鉆孔環(huán)狀間隙小,泥漿泵為柱塞泵,鉆機(jī)僅能使用無(wú)固相或低固相沖洗液。循環(huán)的沖洗液中巖粉等固相含量高,易堵塞內(nèi)外管過(guò)水通道,損壞柱塞泵部件,且易引發(fā)卡鉆等事故,所以該工藝不適用于使用(利用)循環(huán)沖洗液鉆進(jìn),確需循環(huán)使用(利用)沖洗液鉆進(jìn)施工時(shí),則需配備相關(guān)的泥漿凈化裝置。采用水泥封閉鉆孔,還需配備單獨(dú)的水泥漿液泵送裝置。

        (2)鉆機(jī)處理井內(nèi)事故能力弱。便攜式全液壓鉆機(jī)與立軸鉆機(jī)(XY-44型)參數(shù)相比鉆探施工能小。該系列鉆機(jī)比較適用于較完整、穩(wěn)定的地層,不適于軟、碎、水敏性等易發(fā)生井故地層,鉆機(jī)處理孔內(nèi)事故(斷鉆、卡鉆或埋鉆等)的方法也較少。

        (3)薄壁鉆桿強(qiáng)度低,損壞后難修復(fù)。該鉆機(jī)主打薄壁式鉆探管材,與標(biāo)準(zhǔn)Q系列鉆桿相比,鉆桿管壁薄,螺紋長(zhǎng)度短,螺距和牙高小,鉆桿剛度和絲扣咬合力小。在高鉆壓下絲扣部位易發(fā)生擠壓變形,在沖擊力下鉆桿易劈裂,鉆桿受拉載荷大的情況下,易發(fā)生脫扣“跑鉆”事故,在高轉(zhuǎn)速和大環(huán)狀間隙下易發(fā)生斷鉆事故等。薄壁系列鉆桿采用直連式(無(wú)接手),鉆桿螺紋損壞后修復(fù)難,修舊利用率低。

        (4)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速和泵量無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[24]。操作臺(tái)沒(méi)有動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速表和泥漿泵流量表,不能夠全面掌握實(shí)時(shí)的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù),只能憑借個(gè)人實(shí)操經(jīng)驗(yàn)探索適宜的鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速和泵量,交接班也不能夠準(zhǔn)確說(shuō)明以上參數(shù)情況。

        6 結(jié)論與建議

        (1)便攜式全液壓鉆機(jī)對(duì)地層適應(yīng)性較好,淺孔鉆進(jìn)效率較高。從鉆機(jī)應(yīng)用情況來(lái)看,該系列鉆機(jī)適宜于巖石可鉆性7級(jí)以下的地層鉆進(jìn)(臺(tái)月效率高,平均614 m)??捎糜趲r石可鉆性8~9級(jí)的地層鉆進(jìn)(臺(tái)月效率低,240 m)。NTW口徑施工深度在300~350 m為宜,鉆進(jìn)深度超過(guò)400 m,為確保鉆探施工效率,建議采用BTW口徑施工終孔。

        (2)便攜式全液壓鉆機(jī)特點(diǎn)突出,淺孔作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯,經(jīng)濟(jì)成本可行。該鉆機(jī)搬遷、拆裝方便快捷,臨時(shí)占地少,環(huán)境破壞小,人工勞動(dòng)強(qiáng)度低,符合綠色施工作業(yè)要求。淺孔鉆進(jìn)臺(tái)月效率較高,可有效控制鉆探綜合成本。實(shí)際應(yīng)用中要依據(jù)工區(qū)地形環(huán)境、地層情況及經(jīng)濟(jì)成本等條件綜合確定該鉆機(jī)是否可行。

        (3)便攜式全液壓鉆機(jī)配合新的(改進(jìn))工藝方法,可提高鉆機(jī)的施工效率和鉆進(jìn)施工能力,彌補(bǔ)其短板。如優(yōu)選(改善)薄壁繩索取心金剛石鉆頭,通過(guò)改善沖洗液、涂抹潤(rùn)滑脂等方法降低鉆桿與孔壁摩阻力,采用“便攜鉆探裝備+輕型高強(qiáng)鉆探管材”的技術(shù)方法等,能夠有效增強(qiáng)該系列鉆探設(shè)備的施工作業(yè)能力。

        (4)繼續(xù)加強(qiáng)人機(jī)結(jié)合,探索高效技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用。下步還需深入增強(qiáng)人機(jī)的磨合,操作人員要深層次掌握該系列鉆機(jī)使用特性和施工技術(shù)參數(shù),在實(shí)踐中加強(qiáng)探索和研究,結(jié)合地層情況,合理選擇鉆頭和施工工藝,優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等技術(shù)參數(shù),提高鉆頭壽命,確保鉆機(jī)鉆速最佳。試點(diǎn)開(kāi)展HTW、NTW口徑的鋁合金繩索取心鉆桿應(yīng)用,探索“便攜鉆探裝備+輕型高強(qiáng)鉆探管材+高效碎巖鉆頭”的技術(shù)方法研究與應(yīng)用,進(jìn)一步研究解決便攜式全液壓鉆機(jī)的能力不足等“瓶頸”問(wèn)題。

        (5)大力促進(jìn)綠色地質(zhì)鉆探工作建設(shè),完善綠色鉆探相關(guān)工作制度、管理辦法及成本預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)等,形成相應(yīng)的綜合管理體系,支撐綠色鉆探施工作業(yè)各環(huán)節(jié)要求,保障鉆探工程全周期的各項(xiàng)費(fèi)用投入。研究綠色施工技術(shù)、工藝方法和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模式,與地質(zhì)工作緊密結(jié)合,推廣以鉆代槽、一基多孔的工作思路,發(fā)揮便攜式全液壓鉆機(jī)更大的綜合優(yōu)勢(shì)。

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