CS1000P6L型钻机在地表水平钻孔中的应用研究

李占锋，翟东旭

(河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南郑州450016)

1 应用背景

2013年9月，我公司承揽了浙江省常山县辉埠镇宋畈大崮山石灰石矿钻探工程，该工程要求施工水平取心钻孔，孔深400 m左右，终孔口径≮75 mm，全孔取心，目的是通过岩心分析判明该区石灰石矿是否可作为涂料原料、化妆品添加剂原料或水泥原料。初步设计为3个钻孔，钻孔有关设计参数见表1。

表1 钻孔有关设计参数

CS1000P6L型钻机是由Atlas Copco公司生产的全液压动力头钻机，该钻机的设计参数中明确标明允许施工钻孔的倾角为45°～90°，设备厂家的有关技术人员认为，使用该设备必须严格按照设备使用说明书的要求进行操作，况且在中国国内尚无使用该设备施工水平钻孔的先例，如果超出设备设计参数范围进行使用，一切后果由使用者自负。通过认真地分析和研究，并在具体的工程施工项目中进行应用实验，在实验的过程中发现问题，并加以解决。

2 矿区概述

矿区位于浙江省衢州市常山县北东方向，矿区属低山丘陵地貌，地表溶沟石芽、溶槽、落水洞、溶蚀洼地发育，局部扁溶洞较发育。切割强烈，山势崎岖陡峭，坡角30°～45°，最高海拔 +363 m，最低侵蚀基准面+108 m，相对最大高差255 m，山上植被发育极少，主要为荆棘、灌木、杂草等。这也是钻孔设计成水平孔的原因之一。

矿区主要矿层为奥陶系上统三衢山组二段(O3s2)，其岩性主要为灰白—浅灰色，厚—巨厚层石灰岩，块状构造，微晶—细晶结构;主要矿物为方解石(占80%)、生物碎屑(占15% ～20%)及少量泥质(占5%);岩石质地致密均一，性较脆。本层厚度＞900 m。

3 CS1000P6L型钻机的主要技术指标

(1)取心最大深度。孔径B、N、H、P时的深度分别为1070、610、460、305 m。

(2)主卷扬机卷扬能力。单线光卷筒:4082 kg;单线满卷筒:3720 kg;双线光卷筒8:164 kg;双线满卷筒:7440 kg。光卷筒线速:24 m/min;满卷筒线速:38 m/min;钢缆规格:33.6 m×14.29 mm。

(3)取心绞车钢缆容量。单线光卷筒:995 kg;单线满卷筒:264 kg;光卷筒线速:119 m/min。满卷筒线速:445 m/min;钢缆规格:976 m×4.8 mm。

(4)钻架与进给系统。进给行程:1830 mm;进给速度快慢速可变控制;推力:6360 kg;拉力:9636 kg;钻进角度:45°～90°;钻架长度:8.38 m;拉高:6.08 m。

(5)动力装置。制造商:Cummins;型号:4BTA3.9L－4缸，6 BTA5.9L－6缸;功率:86.5 kW;转数:2500 r/min;发动机型号:柴油燃气涡轮增压/后冷却;冷却液:水。

(6)液压系统。初始泵:最大工作压力为24.1 MPa，流量为173.0 L/min;二级泵:最大工作压力为10.3 MPa，流量为47.3 L/min;辅助泵:最大工作压力为17.2 MPa，流量为50.7 L/min。

(7)钻柱转速与转矩(见表2)。

表2 钻柱转速与转矩

范围选择:操作手控制台手动控制;铰接钻头:旋开式。

(8)卡盘组件。型号:整体液压;最大直径:H－头92 mm，P－头117 mm;夹持能力:11364 kg

4 钻机在水平孔条件下的使用性能研究

4．1 钻机施工能力的可行性分析

根据上述CS1000P6L型钻机的主要技术指标可以看出，在钻孔倾角≮45°的情况下，完全可以满足孔深400 m左右、终孔口径≮75 mm的技术要求。随着倾角的减小，在钻杆钻具自身重力的作用下，钻杆钻具的外表面与钻孔孔壁之间的摩擦阻力会逐渐增大，当倾角为0°时，且其它条件不变的情况下，该摩擦阻力达到最大值fmax。假设钻孔孔深h=500 m，选用71 mm的绳索取心钻杆(k≈12 kg/m)，则:

fmax=hkμ=500×12×0.26=1560 kg

其中μ为钻杆与钻孔孔壁间的静摩擦系数，其值为生产现场实验测得。

钻机进给系统的推力为6360 kg，拉力为9636 kg，可见，钻机的进给系统的能力能够满足钻杆钻具起下钻的需要。

4．2 钻机在0°～45°倾角时工作性能可行性分析与研究

在0°～90°范围内的任意倾角时，钻架可自由升降而不受其它干扰和影响。只是原来的两条辅助支撑腿的可调节范围为45°～90°，当钻架置于0°～45°范围时，需要加工两条新的可调节辅助支撑腿，这不存在技术与制造工艺障碍。

根据设备厂家提供的设计参数，CS1000P6L型钻机的钻进倾角范围为45°～90°。对于0°～45°倾角的钻孔，经咨询厂家的技术人员，他们认为倾角过小时，一方面动力头齿轮箱内的润滑冷却系统可能会出现问题;另一方面，在生产实践中从来没有在0°～45°的倾角范围内试验过，存在不确定风险。为了检验在0°～45°的倾角范围内设备工作的可行性，在钻机进驻野外现场之前，先期开展了两项分析研究工作。

(1)将钻架放置为水平状态，就地打开了动力头齿轮箱的箱体盖子，认真了解齿轮箱内相关零部件的结构及传动关系，同时也分析研究了齿轮箱内润滑与冷却系统的工作原理。经现场认真查看并仔细研究后认为，负责润滑与冷却系统工作的是一个专一的小油泵，它的吸油口位于齿轮箱体的下角处，无论钻架置于哪个角度，均能保证吸油口的正常工作。可见，在钻架置于水平状态时，无论是传动结构还是润滑系统均不存在结构原理上的工作障碍。

(2)验证在水平状态下工作过程中，动力头的上齿轮箱的油液能否顺利进入下齿轮箱内。启动动力机，让钻机进行不加负载运转，观察润滑油的循环状态是否正常，并在高转速条件下连续工作了2 h。结果发现齿轮箱内的润滑油循环正常，测得油液温度为47℃，属于正常工作温度。

4．3 齿轮箱箱体内外空气连通问题

为进一步验证钻机在0°～45°倾角时工作的可靠性，进行野外生产实验是必要的。钻机进驻工地施工的第一个钻孔为ZK402孔，设计孔深380 m，倾角6°，方位角355°。开钻后约40 h，发现动力头处冒蓝烟，并闻到刺鼻的油液燃烧时的味道，而且齿轮箱的壳体温度很高，已经不敢用手触摸齿轮箱的壳体了。因为正值凌晨3点左右，及时停机休息至第二天早上。待现场打开齿轮箱后发现润滑油油量明显减少，经仔细查找，终于找到了问题的原因:由于齿轮箱是密闭的，要维持箱体内润滑油的正常循环工作，就要保证箱体内的气压与外界的平衡。实现这一目的的途径就是在箱体上连接一根通气软管，以保持箱体内与箱体外大气的连通。由于偶然的原因，软管的自由端没有在一定的位置得到约束，结果造成软管的出气口低于箱体内油面以下，导致润滑油的漏失，以至于箱体内传动件得不到及时地润滑和冷却，油温骤然升高。原因查明后，重新固定了通气软管，使软管的出气口始终高于润滑油的油面。然后，向箱体内加注了适量的润滑油，设备便可继续正常工作。

4．4 工作平台的搭设

钻架置于水平状态时，动力头的回转中心距离地面约1.5 m，施工人员站在地面上无法操作，因此要建造一个合适的工作平台。工作平台应满足:(1)要有足够的强度，确保操作人员及钻杆钻具的安全;(2)要有足够的平面尺寸，不但能为操作人员提供安全宽敞的操作空间，而且要为钻杆钻具、工具等提供足够的摆放空间;(3)要在一定范围内高度可调，满足0°～45°倾角情况下操作人员的工作效率和舒适性;(4)既方便安装和拆卸，又方便搬迁和运输;(5)建造成本越低越好，尽管与满足使用功能无关，但它影响施工成本和工程的经济效益。经过深入分析和反复比选各种方案，最后确定使用建筑工程用脚手架，按照预先的设计，就地租赁各种规格的钢管和扣件，在现场搭建起了一个高度约1.3 m、平面面积近50 m2的工作平台，表面铺上质量和尺寸符合安全标准的木质工作台板，如图1所示。

图1 工作平台

值得注意的是，在设计搭建平台时，在放置钻杆的区域内，支撑钢管要进行适当的加密布置，而在工作人员活动的区域内，支撑钢管的布置可适当稀疏一些。本项目的实施方案是:放置钻杆的区域内，支撑钢管的布置网度为0.5 m×0.5 m，工作人员活动的区域内，支撑钢管的布置网度为1 m×1 m。

4．5 钻机在工作中位移的控制

在向孔内输送钻具或钻进过程中，钻机沿钻孔轴线有发生位移离开孔口的倾向，而在从孔内提拉钻具时，钻机沿钻孔轴线有发生位移靠近孔口的倾向，特别是在向孔内输送钻具或从孔内提拉钻具遇阻时，这种发生位移的倾向就会更加突出。所以，要采取有效措施对钻机沿钻孔轴线方向进行约束和控制。有2种固定方法:

(1)将孔口套管用水泥封固后，在露在孔外一端焊接法兰盘，与钻架底部相连接，即可实现钻机在工作中位移的控制;

(2)用搭建工作平台的钢管对钻架进行合理的支撑与连接，使钻机在沿钻孔轴线方向受到可靠的约束，也可实现钻机在工作中位移的控制。

本次应用实践中采用了第2种方法。

5 应用效果

(1)CS1000P6L型钻机在上述岩心钻探工程项目中共施工3个钻孔，实际耗用工期106 d，完成有效钻探进尺总计1150.2 m。岩心采取率均≮95%，实测钻孔倾角与设计倾角的误差均符合相关技术标准。钻机工作运转正常稳定，整套钻机设备没有发现因为钻孔倾角太小而发生故障。

(2)该型钻机的钻架为桅杆式，立塔放塔靠油缸完成，钻架可从水平状态到直立状态90°范围内旋转。由于该型号钻机进给行程大，也提高了起下钻的效率。另外，钻杆即为主动钻杆，起下钻可直接利用油缸，添加钻杆和拆卸钻杆可直接在动力头顶部完成，钻杆加卸方便。

(3)搭建工作平台，8个人大约需要1 d时间，拆卸平台只需半天，租赁钢管和扣件的费用每天只需11元人民币。平台上放置400 m绳索取心钻杆及钻具时，平台十分稳固。实践证明，工作平台的建造既快捷又经济，使用既安全又可靠。

6 结论

(1)通过对CS1000P6L型钻机的各主要参数的分析，特别是在对钻机动力头部分的结构和原理进行认真研究的基础上，经过野外现场的生产实验，验证了该型钻机在水平钻孔施工中的性能是可靠的。从而证明了该型钻机在0°～45°的倾角范围内可以实现正常钻进工作。为该机型在岩心钻探施工领域拓展了应用范围，在同行业内具有良好的推广价值和现实意义。

(2)创新思维方式，采用了建筑工程常用的脚手架搭建工作平台，不仅为施工人员提供了安全方便的操作空间，还为钻杆钻具的摆放提供了安全可靠的支撑。工作平台的安装和拆卸十分方便，平台工作面的尺寸可随意扩大或缩小，制作成本低廉。

(3)工作平台与钻机的钻架连接在一起，有效地控制了钻机工作过程中的振动，增加了钻机工作的稳定性。另外，利用脚手架的连接方式，对钻机的钻架在钻孔轴线方向上进行了巧妙的结构支撑，有效地控制了设备与钻架工作过程中在钻孔轴线方向上的位移，增强了钻机在起下钻具时工作的可靠性。

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