2000 m地质岩心钻探关键技术与装备

张金昌，刘凡柏，冉恒谦，孙建华，孟义泉

（中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000）

2000 m地质岩心钻探关键技术与装备

张金昌，刘凡柏，冉恒谦，孙建华，孟义泉

（中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000）

经过4年的攻关，国家“863”计划重点项目“2000 m地质岩心钻探关键技术与装备”研制取得了多项创新成果，主要包括:完成了地面钻探设备及孔内钻探取心器具集成配套，形成了深部岩心钻探施工和示范能力;完成了山东金青顶矿区危矿专项ZK43-1钻孔施工，终孔深度2212.80 m。全孔平均钻进时效为1.65 m，岩心采取率为98.6%，钻孔质量优良;创造了3项钻深和套管下入深度全国记录;在大项目运作机制、产学研合作模式及钻探技术示范方式等方面积累了一些经验。详细介绍了项目的研制情况及取得的主要成果。

全液压岩心钻机;泥浆泵;钻进参数监测;绳索取心钻杆;绳索取心液动锤;长寿命金刚石钻头

1 概述

“2000 m地质岩心钻探关键技术与装备”是2007年立项的“十一五”国家“863”计划重点科技项目。其总体目标任务有5项:（1）开展优质、高效深孔钻进工艺研究以及2000 m全液压岩心钻机及配套设备的研制;（2）钻进工艺器具性能指标显著提高;（3）先进、高效钻探技术的应用水平大幅度提高;（4）2000 m全液压岩心钻机及配套设备达到实用化程度，形成先进的深部矿产资源钻探技术体系;（5）获得4～6项创新性的技术成果、2～3项具有自主知识产权的国家专利。主要研究内容包括:（1）深孔全液压岩心钻机及配套关键设备的研制;（2）优质、高效深孔钻进工艺技术及关键器具的研究;（3）2000 m岩心钻探设备、工艺及器具配套集成研究等3个方面，细分为9个子课题。项目批准立项后，经过3年多时间，至2010年底完成了全部研究任务达到了预期目标，本文就研制情况和取得的主要成果进行简要总结。

2 2000 m全液压岩心钻机（YDX-5型）

YDX-5型全液压岩心钻机是我国自主研发的新一代全液压深孔岩心钻机（见图1），主要技术参数见表1。在示范工程试验中，展示了优良的性能，其整体设计布局合理、对各种钻探工艺适应性强、适合斜孔钻进施工，是我国地质找矿新一代深孔用岩心钻探设备。其主要特点如下:

（1）全液压驱动，操作简单方便;

（2）模块化设计，便于组装分解及系列产品衍生;

（3）配备4挡手动变速箱和液比例变量液压马达，转速在0～1200 r/min之间可无级调速，速度范围宽、扭矩大，有利于以金刚石钻进为主体的多种钻探工艺的选择;

图1 YDX-5型全液压岩心钻机

表1 YDX-5型全液压岩心钻机主要技术参数

（4）卡盘为氮气弹簧夹紧、液压松开式，通孔直径大、轴向行程短、径向行程长、夹紧力大，补偿性能好，变换卡瓦可用于国内外不同孔径的钻探施工;卡瓦采用硬质合金镶焊式结构，工作可靠，寿命长，更换简单方便;

（5）钻塔一次可提升9 m长立根，给进行程长，机械化程度高，有利于提高钻进效率，减少辅助时间和岩心堵塞等孔内事故;

（6）给进控制有加压钻进、减压钻进、自重钻进、称重、快速给进提升等工作状态，可满足不同钻探施工工艺的需要;

（7）铰接式上、下桅杆方便运输，钻塔可滑移直接支撑地面，大大增强了钻机工作时的稳定性;桅杆由油缸升降，角度可调，可钻进45°～90°的斜孔;

（8）可变速履带行走系统极大地方便了设备移动，配有液压刹车与停车制动器，在斜坡上停止时安全可靠，配备的有线（或无线）控制行走手柄大大增加了操作人员的安全性;

（9）绳索取心绞车具有自动排绳功能，减少了钢丝绳的损耗;配备的平衡阀及静态制动器使下放重物及停车时更加安全可靠;

（10）大量选用标准件、通用零部件，如卷扬机、液压系统元件、过滤器、各种弹簧等，钻机设计的标准化、通用化程度高;

（11）钻机电、液仪表齐全，便于实时观察设备运行情况，并具有自动报警功能;

（12）可随机配备液压孔口夹持器、液压驱动泥浆泵和液压驱动泥浆搅拌器等附属设备，通过液压快换接头相连，拆装使用十分方便，钻探过程中不再需要其它辅助动力。

3 YWB-360/300/250型泥浆泵

YWB-360/300/250型泥浆泵（见图2）是2000 m全液压岩心钻机的配套关键设备之一，采用了变量泵定量马达液压无级驱动，解决了2000 m地质岩心钻进过程中，不同钻进方法、不同口径对泥浆流量及压力的要求，达到为不同孔底动力钻具提供有效的泥浆动力的目的。通过示范工程试验，验证了该泥浆泵的先进性、适用性、经济性三者并重，采用大缸径、长行程、低冲次的设计理念增加了易损件的使用寿命。该泥浆泵具有以下主要特点:

图2 YWB-360/300/250型泥浆泵

（1）泥浆泵流量为95～360 L/min、压力45～15 MPa，能够满足深孔多工艺钻进的需要;

（2）柱塞外圆面热喷涂Ni60+20%碳化钨并经磨削抛光，使用寿命增长;

（3）柱塞盘根选用“压不垮”结构设计，由丁腈橡胶与纯芳纶编织密封材料制作并相间排列组合;

（4）泥浆泵钻进时冲次低，压力小，大大提高了易损件的使用寿命;

（5）连杆小头轴瓦选用铜铝铁合金表面渗硅特殊硬化处理;

（6）连杆大头采用自制的带内外瓦并附有保持架的滚针轴承，以滚动轴承代替滑动轴承，温升较低;

（7）采用双马达串并联驱动泥浆泵，有效降低了功率损耗。

YWB-360/300/250型泥浆泵主要技术参数见表2。

表2 泥浆泵的主要技术参数

4 泥浆制备与固控系统

泥浆制备与固控系统由北京探矿工程研究所研制，设备包括:2个循环泥浆罐、一个沉砂罐、配浆漏斗、离心机、旋流除砂器和相应的泥浆搅拌机（见图3），主要技术参数:总容积31.5 m3，有效容积19.5 m3，最大处理量60.0 m3/h，功率43.6 kW。在山东乳山ZK43-1示范钻孔试验中，采用了固控系统的离心机维护泥浆性能，效果良好。

图3 泥浆循环系统现场

（1）根据需要及时开动，对泥浆的净化效果好，对防止钻杆结泥皮起到了很重要的作用。在开离心机前，泥皮厚度达到了3 mm，开启离心机并降低钻机转速后，固相颗粒的峰值从5～80 μm降到10 μm以下，平均粒径从22 μm降到5 μm，结泥皮的情况大有好转;

（2）施工中可及时清除有害固相，保持泥浆流变性能稳定，减少了泥浆排放。

5 CUG-2钻进参数监测系统

钻进参数监测系统是现代深孔钻探工程不可或缺的先进配套技术。中国地质大学（武汉）研制的CUG-2钻探参数监测系统（见图4），可实时监测钻机模块的6个参数和泥浆系统模块的5个参数。实现了数据无线传输，方便后方基地对现场的远程管理;同时，为建设钻场信息平台实现“数字钻探”提供了技术储备。该系统在ZK43-1孔示范工程试验现场经受了长时间恶劣环境的考验，获得了大量实钻数据。其应用可明显降低钻孔事故率，确保深孔钻进施工安全。系统主要功能如下:

图4 CUG-2钻参仪各测量模块及信号无线传输功能的组成

（1）通过13个传感器及系统软硬件，实时采集和显示孔深、钻压、转速、扭矩、功率、钻速、泵量、泵压、出口泥浆温度、出口泥浆流量及泥浆池液面高度共计11个参数;钻机模块参数测试范围及精度指标见表3，泥浆系统模块参数测试范围及精度指标见表4;

表3 钻机模块参数测试范围及精度指标

表4 泥浆系统模块参数测试范围及精度指标

（2）通过时间序列和小波分析等数学方法对采集的数据进行处理和分析，识别钻探过程孔内典型工况，如烧钻、卡钻、断钻具、钻具刺穿、埋钻、孔漏和孔溢，并进行声光报警;

（3）系统可实现当日和历史钻进参数的存贮、回放和打印;

（4）系统可实现实时数据界面的近距离和远距离无线传输。近距离传输范围为3 km左右，远距离传输可在全国各地接收。

6 新型高强度绳索取心钻杆

我所与无锡钻探工具厂联合研制了双密封不对称梯形螺纹副绳索取心钻杆。钻杆采用了项目研究成果XJY-850新型高性能绳索取心钻杆专用管材。在2000 m全液压岩心钻机钻探装备示范工程中，自孔深238.2 m开始，至孔深1461.9 m，试验使用H规格绳索取心高强度钻杆。钻进时间151天，累计深度1223.7 m，创造国内同规格绳索取心钻杆应用孔深记录。自孔深1461.9 m开始，至孔深2212.80 m，试验使用N规格绳索取心高强度钻杆，试验时间82天，累计进尺750.9 m。试验表明，研制的钻杆强度高，耐磨性、密封性明显改善，钻杆卸扣扭矩较低;钻杆杆体、接头从未发生断裂、脱扣等情况。两种规格绳索取心钻杆主要技术参数见表5。

表5 绳索取心钻杆主要技术参数

7 深孔绳索取心液动锤

在2000 m全液压岩心钻机钻探装备示范工程中，由我所研制的大深度绳索取心液动锤进尺700.3 m，使用寿命大于40 h。绳索取心液动锤在ZK43-1钻孔1464.8～2211.4 m孔深，累计进尺746.6 m，使用寿命大于42 h。深孔应用绳索取心液动锤提高了机械钻速，增加了回次进尺。同时，有利于判断内管总成到位情况，减少了停待时间。两种规格绳索取心液动锤见图5，主要技术参数见表6。

图5 绳索取心液动潜孔锤钻具

表6 绳索取心液动锤主要技术参数

8 长寿命金刚石钻头

随着绳索取心钻进深度的增加，钻头寿命对钻探成本及台月效率的影响越来越大。为降低钻探成本，提高台月效率，作为项目研究内容之一，由北京探矿工程研究所研制成功超高胎体二次镶焊长寿命金刚石钻头（图6）。在2000 m全液压岩心钻机钻探装备示范工程中，H规格长寿命钻头最大进尺59.9 m，平均进尺39.1 m，比普通金刚石钻头提高32.9%;N规格长寿命钻头最大进尺117.9 m，平均进尺87 m，提高68.3%。同时由吉林大学探索研究了仿生金刚石钻头（图7），经试验验证亦取得较好效果。

图6 超高胎体二次镶焊金刚石钻头

图7 仿生金刚石钻头

9 不提钻换钻头取心钻具

中国地质科学院探矿工艺研究所研制的N规格不提钻换钻头取心钻具是一种集绳索取心、绳索打捞更换钻头的孔内钻进新器具。钻具结构类型为楔顶扩孔翼伸缩式，采用两级破岩成孔，设置有先导钻头（主钻头）和扩孔钻头（副钻头）。在ZK43-1孔深2010 m后，钻具下孔到位张开后进行扫孔，然后打捞钻具。由于泥浆粘度较高，扫孔时间长，钻头架内沉满了岩粉，影响钻具不能充分收敛，打捞失败。钻具改进后在孔深2081.50和2211.4 m时进行了2回次的实钻试验，实现了基本功能和动作。研制的不提钻换钻头钻具见图8，主要技术参数见表7。

图8 不提钻换钻头钻具

表7 不提钻换钻头钻具主要技术参数

10 2000 m岩心钻探设备、器具配套集成研究

根据全国危机矿山接替资源找矿工作深部钻探技术需求，经危机矿山接替资源找矿项目办公室同意，我所确定承接国家“863”计划项目重大科技成果，依托危机矿山接替资源找矿项目开展深部地质岩心钻探工程示范工作。“2000 m全液压岩心钻探装备示范工程”被批准为2008年度全国危机矿山接替资源勘查项目，该项目以山东省乳山市金青顶三甲金矿接替资源勘查矿区为示范区域，施工钻孔编号为 ZK43-1，钻孔设计深度2200 m，设计顶角10°，施工现场见图9。试验示范钻探工程采用的装备主要为我所联合国内高校、科研院所及企业共同研制的“863”重点项目成果“2000 m全液压岩心钻机及配套设备”，其中包括YDX-5型全液压岩心钻机、YWB-360/300/250型泥浆泵、泥浆固控及制备系统、CUG-2高精度钻探参数监测系统以及高强度双密封不对称梯形扣绳索取心钻杆、大深度绳索取心液动锤、超高胎体二次镶焊金刚石钻头、新系列高强度套管等先进器具等。试验示范目的是全面检查验证整套装备的可靠性和性能指标，并使之达到使用要求。

图9 冬季施工场景

钻进方法上，示范钻孔开孔采用大直径金刚石取心钻探，示范钻孔主要孔段钻进方法以N规格金刚石绳索取心钻探为主，采用项目组开发的钻具。金刚石绳索取心钻头采用项目研制的超高胎体二次镶焊和仿生非光滑表面金刚石钻头。同时，试验应用不提钻换钻头技术。根据国家“863”项目试验要求和2000 m全液压钻机设计能力，结合危机矿山地质勘查需要，示范钻孔终孔口径确定采用加强型N规格绳索取心钻探。

整个生产示范孔从2009年8月1日开钻，2010年4月11日终孔，总共用5101个台时，其中，纯钻进时间占26.31%，取心时间占16.73%，合计钻进时间占总时的43.04%。钻机故障修理与保养时间占8.52%，堵漏与事故处理占8.67%，起下钻时间占16.45%，泥浆泵、固控、钻具故障修理与调试维护占总时的4.17%，其它辅助时间占19.15%。提钻次数121次，提钻间隔42.2 h。示范工程总进尺2212.8 m，平均时率1.65 m，最高时效9 m，台月效率312.3 m，最高日进尺 37.4 m，岩心采取率98.75%，取得较好的经济技术效果。

试验示范工程的圆满完成标志着我国第一套集地表设备和孔内器具为一体的2000 m深孔地质岩心钻探装备研制成功。

11 取得的成果和研发建议

11.1 取得的工作成果

根据危机矿山接替资源找矿深部钻探技术需求，我所在承接国家“863”计划项目重大科技成果的基础上，开展了深部地质岩心钻探工程示范工作，取得的成果概括如下:

（1）完成了地面钻探设备及孔内钻探取心器具集成配套，形成了深部岩心钻探施工和示范能力。

（2）承担完成了山东省金洲矿业集团金青顶矿区危矿专项ZK43-1钻孔施工，终孔深度2212.80 m。全孔平均钻进时效为1.65 m，岩心采取率为98.6%，钻孔质量优良。

（3）2009年12月31日，创造了H规格钻具钻深1461 m及下入H规格套管1461 m的2项全国记录。2010年4月11日终孔，创造了采用N规格钻具终孔深度达2212.8 m的全国记录。整套装备（钻机、泥浆泵、泥浆制备与固控系统、高精度钻探参数监测系统）在2212.80 m钻孔施工过程中运行平稳可靠，没有出现大的设备故障，性能技术参数满足2000 m深孔施工要求，证明整套装备的研制是成功的，达到了试验示范目的。

（4）北京探矿工程研究所、中国地质科学院探矿工艺研究所、中地装备总公司、中国地质大学（武汉）、吉林大学、山东正元勘查院烟台分院等单位参加了项目运作，并合作举办了深部钻探技术培训交流会和现场观摩活动。通过项目实施，在大项目运作机制、产学研合作模式及钻探技术示范方式等方面进行了有益探索，积累了一些经验。同时，扩大了钻探工程技术的社会影响，锻炼培养了年轻技术人才。

11.2 今后研发工作建议

（1）全液压动力头钻机具有明显的技术优势，随着钻探施工企业经济实力的壮大和国内经济技术条件的变化，在深孔岩心钻探施工中的应用将逐渐增加，逐步普及。应顺应这一发展趋势，不断研究优化、改进深孔全液压动力头钻机。同时研制深孔应用的钻进参数监控一体化钻机和全液压自动化钻机。

（2）深部岩心钻探，开孔直径大，钻孔结构多级。同时，绳索取心钻探单回次钻进时间长，冲洗液循环压力损失大，其特殊的钻探工艺对泥浆泵提出了更加苛刻的技术要求。未来的深孔泥浆泵应从全液压动力头钻机中分离出来，采用单独配置动力的模式。特深孔（≥3000 m）使用的泥浆泵将逐渐发展为液压驱动、程序控制、集中操纵、计量数显、履带自移、电液一体的高技术机电产品。

（3）钻进参数监测系统是钻机的重要组成部分，这次试验示范工程用的钻机、泥浆泵和高精度钻探参数监测系统是同步分别研制后装配起来的，今后应将其有机融合在一起。

（4）目前，绳索取心钻探已经成为岩心钻探常规方法，但国内绳索取心钻杆螺纹型式不一，不具互换性。同时不同厂家的产品现场使用后肉眼和卡尺测量无法区别，给钻探施工带来极大隐患。因此，应创新科研工作机制，使特深孔钻具产品开发与钻探标准化工作联动起来。国内绳索取心钻杆主要生产企业、研究机构应联合统一制定不对称梯形、负角梯形螺纹加强型绳索取心钻杆产品标准，尽快面向行业发布实施。同时，近几年来，绳索取心钻杆性能和质量不断提高，深孔和特深孔中绳索取心钻杆折断、“喇叭”口及脱扣等问题逐渐减少。但在某些矿区，绳索取心钻杆螺纹副粘扣、咬扣，卸扣扭矩过大、拧卸困难，钻杆杆体不耐磨等问题较为突出。应从产品设计、制造工艺和现场使用等多方面入手，逐步减轻和解决出现的新问题。技术途径包括螺纹参数细节优化、合理公差控制、螺纹表面硬化、仿形刀具的推广以及新型丝扣油研制、研究钻杆预扭矩和过载扭矩控制方法等。

（5）在研发深孔钻探技术装备以及孔内钻柱、器具的同时，应重视小口径深孔钻探工艺的综合研究和应用示范。研究重点主要是深部孔段坍塌漏失地层护壁工艺、绳索取心钻孔轨迹控制与防斜减斜工艺对策、高效-优质-安全钻探工艺组合与参数优化等方向。

［1］ 张金昌.2000 m地质岩心钻探成套装备研制工作进展［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（S1）.

［2］ 孙建华，张永勤，梁健，等.深孔绳索取心钻探技术现状及研发工作思路［J］.地质装备，2011，38（4）.

［3］ 刘凡柏，李文秀，王庆晓，等.YDX-5型全液压岩心钻机的研制与应用［A］.第十六届探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集［C］.北京:地质出版社.50-57.

［4］ 黄玉文，胡继良，朱迪斯，等.地质钻探用钻井液固控系统的研制［A］.第十六届探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集［C］.北京:地质出版社.91-95.

［5］ 卢春华，李谦.CUG-2高精度钻参仪在深孔中的应用［J］.工矿自动化，2011，（2）:16-19.

［6］ 杨泽英，冯绍辉，苏长寿，等.绳索取心液动锤的研究与应用［A］.第十六届探矿工程（岩土钻掘工程）技术学术交流年会论文集［C］.北京:地质出版社.116-121.

［7］ 况雪军，孙建华.XJY-850高强度精密地质管材的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（5）.

Key Technology and Equipment of 2000m Core Drilling

ZHANG Jin-chang，LIU Fan-bai，RAN Heng-qian，SUN Jianhua，MENG Yi-quan（The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China）

This paper introduced the main achievements of“key technology and equipment of 2000m core drilling”in the“863”project:integration of drilling equipment and core drilling apparatus has been completed to form the ability of deep core drilling construction and demonstration;the specific project of crisis mine ZK43-1 construction in Jinqingding mine was finished with good borehole quality of termination depth 2212.80m，average drilling efficiency 1.65m/h and core recovery 98.6%;in this borehole construction，3 pieces of record of depth in drilling and casing in China were created;and some experiences were accumulated in large project operating mechanism，industry-university-research cooperation mode and drilling technology demonstration mode.

hydraulic core drill;mud pump;drilling parameter monitoring;wire-line coring rod;wire-line coring hydraulic hammer;diamond bit with long service life

P634

A

1672-7428（2012）01-0003-06

2011-11-29

“863”计划“十一五”重点项目“2000 m地质岩心钻探关键技术与装备”（2007AA060701）;国家危机矿山接替资源找矿项目“2000 m全液压岩心钻探装备示范工程”（20089945）

张金昌（1959-），男（汉族），河北保定人，中国地质科学院勘探技术研究所所长、总工程师、教授级高级工程师，中国地质学会探矿工程专业委员会常务副主任委员，工学硕士，主要从事固体矿产钻探、水文水井钻探及工程施工钻探设备设计和钻探工艺研究工作，河北省廊坊市金光道77号，jinchang@cniet.com。