当前岩心钻探设备进行更新与技术的实践

唐宇 尹德政

摘 要：随着国内外岩心钻探技术的不断发展，国内对岩心钻探设备也有了新的研究，比如全液压岩心钻机的问世，这在业界是一个创新，对岩心钻探设备的研发和实践。文章将针对目前的岩心钻探设备的分析研究，为新技术的实践性工作做进一步的探讨，对钻机的研发创新有一定的意义。

关键词：岩心钻探；设备更新；技术；工作原理

1 研究背景

钻孔装备制造，在深孔岩心钻探设备领域具有较强竞争优势。据相关资料研究显示，某钻孔装备制造企业，2011年公司共销售各类钻机达2，014台，新型高效岩土钻机技术改造项目总投资额为23，024万元，本项目达产后，预计每年将新增营业收入34，166.50万元，利润总额8，855.85万元，净利6，641.89万元。项目总投资收益率为31.4%，所得税前的内部收益率为31.60%，所得税前的投资回收期为5.16年（含2年建设期）。钻杆生产技术改造项目总投资额为15，045万元，项目达产后，预计每年将新增营业收入23，496.00万元，利润总额4，440.35万元，净利3，330.26万元，生产的全液压岩心钻机不仅可以替代进口，在国际国内市场上同样具有一定的优势。

2 岩心钻探设备工作原理分析

岩心钻探设备是一种液压给进钻机，有着宽广的应用范围，广泛用于地质普查，工程勘探等钻孔，灾害治理，它除了可用硬质合金钻头，还可用金刚石钻进工程，以XY-1B型钻探设备为例，其主要是在XY-1型钻机的基础上设计而成的，具体的参数如下所示：

表1 XY-1B型钻机主要技术参数

另外液压管结构主要由内胶层、内胶保护层、中胶层、钢丝缠绕层和外胶层组成，在实际应用中，最为主要的用途用于油田固井、修井及石油地质勘探、小型钻机和水利采煤、输送泥浆及常温水等流体介质，其在设计量，严格执行标准：API Spec 7K SY5469 ISO6807，取得良好的应用效果。

3 技术改进与更新

3.1 XY-4岩心钻机

XY-4型岩芯钻机主要适用于固体矿床的金刚石、硬质合金勘探钻进，也可用于工程地质与水下勘探；浅层石油和天然气开采，以及矿山坑道的通风、排水等钻孔，具有较高的转速和较合理的转速范围，转速级数较多，低速扭矩大，适合小口径金刚石岩心钻进，也能满足大口径硬质合金岩心钻进和各种工程钻孔的要求；拆解性较好。可分解成九个整体部件具体的参数如下所示：

另外，改进后，由于管路在耐压、抗油，抗耐腐蚀参数值的提高，给钻机在转速、输出扭矩的提升起到了关键的作用，还可以将管道功能扩展到海底天然气、石油等介质的输送。

3.2 便携式地质浅层取样钻机

便携式地质浅层取样钻机是一种主要适用于山岭、交通和能源不便地区的小型轻便化取样钻孔设备。采用该钻机取样可代替传统的人工挖掘、槽探和井探等取样。它不仅能加快取样工作速度，而且能大量减少植被的破坏，保护环境。是区域地质填图、物化探取样、古地磁取样、地质灾害预防等浅层地质勘查工作中不可缺少的技术手段。

4 新技术推动钻机创新

现在，随着地质市场的拓展，钻探技术竞争愈加激烈，体现在钻探装备的技术改进上，液压技术开始大量引进了其他装备行业的液压控制技术，已经成为一种趋势，如电液控制中开始引入先进的传感器、GPR定位系统、PID、PLC、变频控制技术，使得液压钻机更加智能化，轻量化，精准化。使其在操作上，更加人性化。当电机作为钻机输入动力时，为了提升能源利用率，减少能耗，采用电流传感器采样给PID，（或者PLC），PID控制变频器节能技术，在钻进的不同工作负荷的条件下，改变电机的工作频率而实现节能。采用GPR定位技术，准确地定位技术，能精准的控制目标靶位，减少钻进靶位不准的巨大浪费。

但是这些技术在勘察液压钻机上应用，还需要一定的时日，我国钻机行业已做好了充分的技术储备，随着技术进步，这些先进技术引进到钻机研发中来，是一定会出现的，我们期待这一天早日到来。

动力供油方式是电机带动泵供油，液压马达动力头输出轴旋转；另一路供油实现动力头推进、夹持器夹紧、卡盘松紧以及主机调整倾角。旋转传动系统采用定量齿轮泵与定量低速大转矩液压摆线马达；推进传动系统采用单液压油缸直接推进，串联节流调速。采用组合式液压卡盘和液压夹持器，满足加减钻杆，提高工作效率。

4.1 液压卡盘结构分析

组合式液压卡盘由外置油缸、防尘套组件、蝶型弹簧、圆锥滚子轴承、外壳体、卡瓦套及卡瓦等组成，见图1。

外置油缸尾部与动力头箱体连接，夹紧钻杆时，高压油注入两侧外置油缸无杆腔，油缸与蝶型弹簧共同推动卡瓦套向右移动，卡瓦套上的T型斜面槽带动卡瓦径向向内移动从而夹紧卡瓦。设计分配夹紧力源时，蝶型弹簧承担主要夹紧力，外置油缸起辅助夹紧作用；卡瓦和钻杆磨损后，可调节夹紧油压，补偿蝶型弹簧夹紧力的损失；松开钻杆时，高压油注入两侧外置油缸有杆腔，迫使蝶型弹簧压缩，卡瓦套向左移动，带动卡瓦径向向外移动，从而松开钻杆。

4.2 液压卡盘主要力学设计

碟型弹簧的主要破坏形式是疲劳断裂，蝶型的设计对于卡盘的工作可靠性来说比较重要，根据设计手册里的蝶型弹簧弹力计算公式：

调整蝶型弹簧的基本参数，核算出了蝶型弹簧的最终参数，蝶型弹簧受力曲线图见图2。

按照钻机工作要求，计算出蝶型弹簧和外置油缸需要提供的推力F1为180.9kN，故2只外置油缸提供的液压力至少应达到：

F夹≥180.9-111.2=69.76kN

油缸夹持压力为5MPa，两只油缸提供的推力为78.5kN，大于69.76kN，满足设计要求。

4.3 液压卡盘工作特性

1）夹紧力大，卡瓦和钻杆磨损后，夹紧力可调，调节夹紧油压，即可补偿蝶型弹簧夹紧力的损失。

2）夹紧钻杆后，对主轴受力而言，蝶型弹簧产生的轴向作用与反作用力相互抵消，改善了主轴轴承的受力状况。

5 结束语

岩心钻探装备优劣在地质探查工作中起到基础先决作用，加强对岩心钻探设备的研究一直以来都是我国地质勘探领域的重点部分。伴随我国装备技术的进步，经过我国地质勘探科技的不断发展，对钻探设备的不断创新，会不断诞生出更加好的钻机，满足我国地质勘探创新工作的飞速发展，使我国的地质勘探事业达到一个更高的目标。

参考文献

[1]张金昌. 地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2009，（08）.

[2]张永勤. 我国地质找矿取心（样）钻探设备现状及提高效能的分析研究[J]. 探矿工程（岩土钻掘工程），2006，（08）.