巖心鉆探施工中繩索取心液動(dòng)潛孔錘的應(yīng)用價(jià)值分析

肖長(zhǎng)城

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊830011）

由于繩索取心具有鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而在巖心鉆探中得到廣泛應(yīng)用，尤其在6 層左右等級(jí)的完整地層中，具有較高效率。然而，對(duì)于9 層的硬巖層則容易出現(xiàn)鉆頭打滑不進(jìn)尺的問(wèn)題。這主要是因?yàn)? 層硬巖層具有較緊密的結(jié)構(gòu)，較弱的研磨性，且顆粒細(xì)小導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下。 在此背景下，已有學(xué)者提出將繩索取心與液動(dòng)潛孔錘相結(jié)合起來(lái)，可有效解決以上問(wèn)題，提高鉆進(jìn)效率。

1 繩索取心液動(dòng)潛孔錘的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的繩索取心液動(dòng)潛孔錘為SYZX 型號(hào)，包括內(nèi)管總成、外管總成兩大部分，其中內(nèi)管總成主要有打撈定位結(jié)構(gòu)、上下分離結(jié)構(gòu)、傳功環(huán)、液動(dòng)潛孔錘等；外管總成有彈卡擋頭、上擴(kuò)張器、下外管及下擴(kuò)孔器等[1]。 鉆具外經(jīng)約為75mm，自由行程（5-10）mm，沖錘行程約（16-24）mm，工作泵壓、泵量分別為（0.5-2.5）Mpa、（60-95）L/min，沖擊功、沖擊頻率分別為（15-45）J、（30-45）Hz。 與傳統(tǒng)的鉆具相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：液動(dòng)錘內(nèi)無(wú)易損壞的彈簧零件，具有較長(zhǎng)的鉆具壽命；內(nèi)外管間及閥錘高低壓區(qū)的密封均采用機(jī)械式密封，擁有較高的耐磨性；液動(dòng)錘內(nèi)并無(wú)容易損壞的彈簧零件，因此，鉆具有較長(zhǎng)的壽命；由于簡(jiǎn)化了外觀傳遞扭矩及沖擊功結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使安全強(qiáng)度得到大幅度增加；液動(dòng)錘內(nèi)并無(wú)固定式節(jié)流環(huán)，利于深孔鉆進(jìn)。而該技術(shù)的沖洗液條件應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：一般情況下，采用無(wú)固相沖洗液配置，應(yīng)根據(jù)地層的實(shí)際情況選擇不同的沖洗液類型。在鉆探過(guò)程中配置有較高效的沖洗液循環(huán)凈化系統(tǒng)，常用的沖洗液主要有：切削膏、植物膠、防塌劑及聚丙烯酰胺等。

其工作原理：通過(guò)錘、閥及鉆井液進(jìn)而過(guò)程的液壓循環(huán)沖擊系統(tǒng)，則將其概括為增壓與釋壓的過(guò)程。液壓循環(huán)沖擊系統(tǒng)中沖錘上行是其增壓過(guò)程，當(dāng)壓力增大到某一程度后，沖錘便在高壓的作用之下而下行，對(duì)錘軸加以撞擊，該功通過(guò)傳功環(huán)到巖心管、承沖環(huán)到鉆頭，并在該回轉(zhuǎn)作用之下形成沖擊旋轉(zhuǎn)碎巖。 依次循環(huán)而達(dá)到深入鉆井的目的。

2 繩索取心液動(dòng)潛孔錘在巖心鉆探施工中的應(yīng)用

巖心鉆探施工中采用繩索取心液動(dòng)潛孔錘技術(shù)， 要求有一套完整的機(jī)械設(shè)備。 包括鉆機(jī)、鉆頭、泥漿泵等，同時(shí)還應(yīng)合理設(shè)計(jì)鉆進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)[2]。

2.1 鉆機(jī)

在使用過(guò)程中應(yīng)具有牢固可靠、 操作簡(jiǎn)單及其搬運(yùn)方便的優(yōu)點(diǎn)，并最大限度減少鉆頭的磨損。 當(dāng)前實(shí)用的鉆機(jī)主要有XY-6 型鉆機(jī)等。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用可知：所選取的鉆機(jī)只要能夠滿足鉆孔深度，就能夠達(dá)到繩索取心液動(dòng)潛孔錘的相關(guān)要求。

2.2 鉆頭

一般選用（65-85）目的金剛石力度，且濃度為100%，并未階梯形及平底形的金剛石鉆頭。

2.3 泥漿泵

在鉆進(jìn)過(guò)程中為了確保鉆進(jìn)的順利進(jìn)行，在泵的排量設(shè)置上應(yīng)超過(guò)150L/min，才能夠滿足繩索取心液動(dòng)潛孔錘的鉆進(jìn)要求。

2.4 鉆進(jìn)規(guī)程的參數(shù)設(shè)置

首先，轉(zhuǎn)速。 液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)主要是在回轉(zhuǎn)貼的過(guò)程之中給鉆頭添加一個(gè)脈沖力，其常規(guī)及轉(zhuǎn)速金剛石鉆進(jìn)應(yīng)符合相同的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定鉆具的型號(hào)、沖擊頻率及其沖擊功等。 并從回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)出發(fā)，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)切入量或鉆頭線的速度來(lái)加以計(jì)算。 所涉及到的計(jì)算公式主要有：n=60V/（πD均），D 均=（D外+D內(nèi)）/2 。 式中：n、V 分別表示轉(zhuǎn)速（r/min）、圓周線速度（m/s）；D均、D內(nèi)、D外分別為鉆頭底面平均直徑（m）、底內(nèi)徑（m）、鉆頭底外徑（m）。 其次，泵量。 若不將漏失考慮在內(nèi)，按照上返的速度V 達(dá)到0.7m/s。 按照公式：Q=60S環(huán)V，而S環(huán)=（π/4）（D孔）,在該式中Q、S環(huán)、D孔、D桿分別表示泵量 （L/min）、 鉆孔環(huán)狀間隙截面積（m2）、鉆孔直徑（m）、鉆桿外徑（m）。 根據(jù)該公式可計(jì)算出泵量[3]。 若僅僅考慮液動(dòng)錘孔錘，其泵量范圍應(yīng)為（65-85）L/min。 若泥漿泵能夠正常工作，應(yīng)最大限度滿足液動(dòng)淺孔垂的需求。 最后，鉆壓。 應(yīng)正確控制鉆壓，若鉆壓過(guò)高，則鉆頭就會(huì)遭到過(guò)度磨損，相應(yīng)將降低鉆頭的使用壽命；若鉆壓過(guò)低，當(dāng)金剛石被磨頓后，難以破碎及脫落，且使新的金剛石難以拋出路面，最終降低了鉆進(jìn)效率。 因此，在實(shí)際鉆進(jìn)中，應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)速度、泵壓、孔內(nèi)的復(fù)雜程度合理調(diào)整鉆壓。

2.5 合理選擇沖洗液

在鉆進(jìn)的過(guò)程中往往會(huì)遇到鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的問(wèn)題，應(yīng)采用無(wú)固相泥漿[4]。若為易縮徑地層，PHP 的量（0.03-0.08）%，粘度約為（26-28）s；若遇到較嚴(yán)重的坍塌地層， 其無(wú)固相PHP 的量應(yīng)加至到（0.06-0.08）%，Na-CMC 加量到（0.4-0.5）%，粘度約為（23-25）s，并根據(jù)巖層的坍塌程度確定最佳量。 若為正常地層，無(wú)固相PHP 量約為（0.01-0.02）%，且粘度約為（17-20）s。

2.6 應(yīng)用效果

若孔號(hào)為ZK4801 號(hào)， 施工孔段距離： 繩索取心液動(dòng)潛孔錘為（203.95-255.12）m，常規(guī)鉆進(jìn)（26.75-125.63）m；臺(tái)月效率：繩索取心液動(dòng)潛孔錘為468.52m，常規(guī)鉆進(jìn)752.63m；平均時(shí)效：繩索取心液動(dòng)潛孔錘為2.16m，常規(guī)鉆進(jìn)1.36m；鉆頭壽命：繩索取心液動(dòng)潛孔錘為87.52m，常規(guī)鉆進(jìn)46.34m；平均回次進(jìn)尺：繩索取心液動(dòng)潛孔錘為2.06m，常規(guī)鉆進(jìn)1.93m。

2.7 注意事項(xiàng)

在巖心鉆探中繩索取心液動(dòng)潛孔錘可就能減少鉆孔時(shí)間，增加臺(tái)月效率、回次進(jìn)尺等，約為普通鉆進(jìn)的1.5 倍。 但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在不足：由于當(dāng)前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)較混亂，無(wú)法做到統(tǒng)一性，相應(yīng)給用戶帶來(lái)較大不便；與普通鉆進(jìn)技術(shù)相比，該技術(shù)所需要的鉆具造價(jià)較高，需要進(jìn)一步改進(jìn)；對(duì)沖洗液的系統(tǒng)及原材料要求較高，在今后的研究中應(yīng)對(duì)此加以改進(jìn)[5]。 此外，還要能夠注意對(duì)液動(dòng)錘定期檢查，確保工作能夠正常順利開展。 由于液動(dòng)錘在高頻工況之下，其磨損及振動(dòng)極易導(dǎo)致相關(guān)的零部件發(fā)生錯(cuò)位、變形或者松動(dòng)。 因此，應(yīng)定期給予保養(yǎng)，這樣一來(lái)，才能夠充分發(fā)揮其優(yōu)越性。

3 結(jié)語(yǔ)

繩索取心液動(dòng)潛孔錘技術(shù)是一項(xiàng)新型鉆探技術(shù)， 可縮小輔助時(shí)間、延長(zhǎng)使用壽命、增大臺(tái)月效率，進(jìn)而提高鉆孔效率，在巖心鉆探中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文首先對(duì)該技術(shù)的結(jié)構(gòu)及其工作原理加以分析，然后重點(diǎn)探討其應(yīng)用，并取得較好的應(yīng)用效果。但由于鉆具的造價(jià)加高，加上對(duì)沖洗液的要求較高。 在今后的研究中應(yīng)著重對(duì)此加以研究，研發(fā)出造價(jià)低、鉆進(jìn)效率高的鉆探技術(shù)。

［1］朱軍，方紅亮，彭典珠，等.液動(dòng)潛孔錘小口徑鉆探可行性分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（19）.

［2］蘇長(zhǎng)壽，謝文衛(wèi)，楊澤英，等.高效巖心鉆進(jìn)的有效途徑——液動(dòng)潛孔錘鉆探[J].探礦工程·巖土鉆掘工程，2013（z1）:81-84，90.

［3］康善修，沈順利.舞鋼礦區(qū)深孔巖心鉆探技術(shù)實(shí)踐[J].探礦工程·巖土鉆掘工程，2013（z1）:131-134.

［4］楊寬才，田敏，曾石友，等.繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在小秦嶺金礦區(qū)的應(yīng)用[J].探礦工程·巖土鉆掘工程，2013（2）:40-43.