地质钻探卡(埋)钻质量加速器的研制与应用

方 波，汪发文，邬学农，徐 俊，叶 慧

（1.湖北省城市地质工程院，湖北武汉430072；2.湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳441002）

地质钻探卡(埋)钻质量加速器的研制与应用

方 波*1，汪发文1，邬学农2，徐 俊1，叶 慧1

（1.湖北省城市地质工程院，湖北武汉430072；2.湖北省地质局第八地质大队，湖北襄阳441002）

在研究应用于地质钻探卡（埋）钻处理事故过程中，成功研制了地质钻探卡(埋)钻质量加速器。介绍了该型质量加速器的结构、使用方法以及使用的效果情况。应用试验结果表明地质钻探卡(埋)钻质量加速器性能可靠，使用效果良好。能满足地质钻探卡（埋）钻事故的处理需要。

岩芯钻探；吊锤；加速器

1 问题的提出

地质钻探过程中，由于地层及技术原因，经常发生烧钻、卡钻、埋钻事故，在通过正常技术处理后，仍然不能解除复杂情况时，就会造成钻孔报废，酿成较大经济损失。同时在钻进过程中，根据实际情况下入技术套管护壁，由于综合因素较多，钻孔完毕之后，回收起拔套管时遇阻，最后只能切割套管，而造成管材浪费。

处理卡(埋)钻事故简易方法主要有：提、打、震、捞、冲、抓、吸、粘、窜、顶。

“打”是“提不动”后的首选。以前有2种方法：第一种方法是主卷扬锚头轮打吊锤；第二种方法是人工（50人以上）打吊锤。但是这2种方法都有明显的不足之处。第一种方案时间长、能量小，成功率低，效果不理想。第二种方案有时候不便实施，在荒郊野外找50人的壮劳力很难，有的地方几乎是不可能。且2种方法存在很大的安全隐患。

“顶”是所有处理方法的最后选择，随着科技的进步，市场上出现了一种工程机械上使用的大功率电动液压千斤顶顶拔钻杆套管的方法。通过液压千斤顶强大的提升力拔动钻杆套管。液压电动千斤顶驱动力可以达到百吨，但它是一种静力提拔，钻杆套管在孔底会产生虹吸现象，力量过大会导致钻杆套管直接拔断，而且电动液压千斤顶体积大、重量大，交通不方便的地方极难运输。

地质钻探卡（埋）钻事故是钻探施工过程中最普遍的事故之一，是制约钻探技术发展的一道难题。如果能研制出一种简单、轻便、快捷、高效的处理卡（埋）钻事故设备，就能很好地解决这个技术难题，从而提高生产效率，降低生产成本。

2 研究内容

设计研制一种大能量、高行程、省时省力的质量锤快速敲打加速器。应用于岩芯钻探、工程勘察、桩基施工领域，并申请一项国家发明专利。

3 工艺原理

地质钻探卡(埋)钻质量加速器工作原理就是在主卷扬和吊锤之间加装质量加速器，通过横式双排多滑轮和多股钢丝绳之间速度的的转换，增加升降机的荷载来加快吊锤的起落速度，完成吊锤提打和冲打故障的目的。

3.1 工艺方法

用提引器将质量加速器上部挂牢，下部接事故钻具，钢丝绳连接吊锤，调试完成后试运行几次安全可靠暨安装完成。

拉动卷扬提引器带动上连接管向上运动，上连接管通过滑轮组带动下连接管运动，横式滑轮组通过钢丝绳带动吊锤向上做高速运动，吊锤则以提拉杆多倍的速度和移动距离而升降，达到解卡钻杆套管的目的。控制升降机的速度和提拉高度，便可选择所需要的冲程和冲击功。见图1～图4。

3.2 具体实施方案

使用方法：地质钻探卡(埋)钻质量加速器主要由提拉接头、上容纳管、下容纳管、滑轮组、轴承，行程架、钻杆接头、光园粗钢筋、钢丝绳、吊锤等组成。每根轴分别固定6个轴承和6个滑轮，分别安装在上下容纳管，然后用行程架连接固定。上容纳管与横轴通过光园粗钢筋焊接连接，然后利用提拉接头连接到钻机升降机。下容纳管与钻杆接头通过光园粗钢筋焊接连接，然后连接到事故钻具接头。上下容纳管通过钢丝绳与串联滑轮组连接，最终钢丝绳从容纳管出口引出，穿过导向滑轮，最后与吊锤连接。

图1 质量加速器结构示意图

图2 上连接管示意图

图3 下连接管示意图

图4 行程架示意图

4 生产应用实例及效果——湖北省大冶市张福地区铁（铜）矿钻探普查项目

4.1 项目概况

项目矿区位于黄石市大冶城区北西约25km，矿区周边有多个小矿山企业在开采，经过多方打探确定周边还没有施工过孔深超过500m的钻孔，由于是位于构造带上，区内岩浆岩活动强烈，地层极为复杂。曾有多只队伍在此施工都没有达到地质找矿要求无功而返。此次设计900m孔深钻孔就是要彻底摸清此区域内地层构造和成矿条件。

4.2 地层简介（表1）

表1 地层简述

4.3 主要施工难点

该区域矿层埋藏较深，岩芯较破碎，漏水、垮孔、掉钻、卡钻、埋钻事故经常发生，一次处理不善就可能导致废孔。为了能顺利穿过复杂地层孔段需要多级技术套管护壁。

4.4 主要施工方法

设备选用1000m钻机，BW-250型泥浆泵，S96、S76型绳索取芯钻杆钻具，其它配套普通钻杆钻具。设计钻探技术方法见表2。设计钻孔结构见图5。

表2 设计钻探技术方法

图5 设计钻孔结构示意图

4.5 实际施工情况

该钻孔选用Ø130mm普钻开孔，钻穿40m覆盖层后下入Ø127mm表层技术套管；换Ø110mm普钻钻进，钻进至80m时遇破碎带，漏水严重，封孔穿过破碎带钻进至150m位置时下入Ø108mm技术套管；改用Ø96mm绳索取芯钻进，在钻进至380m位置时，遇到强风化矽卡岩，漏水、垮孔多次发生，在钻进至395m位置时突发埋钻事故，强力提拔没有效果，打吊锤多次打断钢丝绳也没有成功。为了能顺利拔出钻杆减小事故损失，公司技术总工亲临现场带领现场技术施工人员研究讨论处理事故办法，根据以往地质队处理此类事故的方法和物理学滑轮组省力原理，设计研制了地质钻探卡(埋)钻质量加速器。

5 地质钻探卡(埋)钻质量加速器结构特点

结构简单、质量轻、体积小、冲击力大、安全可靠、制造简单。

节省人力，在处理孔内事故过程中，只需一人操作升降机即可。

6 地质钻探卡(埋)钻质量加速器综合使用效果

使用地质钻探卡(埋)钻质量加速器，耗时1h顺利打松了钻杆，孔内钻杆全部取出，顺利地处理了此次埋钻事故，达到了预期的设计使用目的。

该钻孔在施工过程中使用了3层技术套管，最深套管下到了465m，整个工期持续了5个月，由于地层复杂，套管深，工期长。最后Ø89mm技术套管无法拔动，按以前的施工方法：先强力提拔，再用反丝钻杆反，最后下切割片切，这几种方法费时费力，效率极其低下，最后绝大部分套管都无法取出，造成很大的材料浪费。此次我们使用地质钻探卡(埋)钻质量加速器很快地打松了套管，所有套管一次性取出，没有一根浪费。

地质钻探卡(埋)钻质量加速器在该矿区的使用，大大缩短了施工工期，减少了套管、钻杆等材料的浪费，节约了大量的人力和物力。取得了很好地经济效果和社会效益。2011～2013年使用吊锤加速器施工钻孔情况见表3。

表3 2011～2013年使用吊锤加速器施工钻孔情况表

7 地质钻探卡(埋)钻质量加速器和常规打吊锤方法对比优势

省时：使用地质钻探卡(埋)钻质量加速器打松套管一般只需要30min；而同样的情况使用常规打吊锤的方法短则需要几个小时，长则需要2个班以上。

省力：使用地质钻探卡(埋)钻质量加速器只需要一人操作，稍微快速拉动手柄即可；而常规打吊锤需要几班人马轮班操作，要强力高速拉动手柄才有效果。

高效：使用地质钻探卡(埋)钻质量加速器处理卡埋钻事故，拔套管成功率达到85%以上；使用常规打吊锤方法处理事故成功率不足60%。

安全：地质钻探卡(埋)钻质量加速器靠的是动能转化，对设备损坏程度小，对操作人员危害性低；而常规打吊锤经常会打断钢丝绳，对设备损坏程度大，对操作人员危害性高。

8 地质钻探卡(埋)钻质量加速器使用的好处

降低了生产人员的劳动强度，提高了操作工人处理事故的信心。

加快了生产进度及降低了施工周期，既提高了工人绩效收入水平，又大大提高了业主和用户的满意度。

该设备适合野外作业，不受地理条件限制。转运方便，设备小而轻，总重不超过40kg，可搬可抬。

地质钻探卡(埋)钻质量加速器处理事故成功率高，常规的卡埋钻和起拔套管遇阻事故都能快速的处理，能最大限度的减少经济损失。

质量加速器已获得国家新型使用专利，专利号201320336569.6。

9 地质钻探卡(埋)钻质量加速器的应用范围

地质钻探卡(埋)钻质量加速器主要应用于地质岩芯钻探、工程勘察、石油钻探等卡埋钻事故和起拔套管。还可推广应用于水文水井换井管、工程钻孔灌注桩灌注砼时导管吸卡埋管事故等工程类卡点起拔作业领域。应用前景广阔。

10 结论

地质钻探卡（埋）钻质量加速器的研制成功，创造性地解决了生产过程中的卡（埋）事故，有效提高了处理事故效率，无形之中节约了生产成本，特别在起拔套管过程中，运用质量加速器打吊锤，能大大提高套管综合回收率，由普通回收率60%提高至85%以上，具有较好的经济效益。

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1004-5716(2015)11-0035-05

2014-11-05

2014-11-17

方波（1987-），男（汉族），湖北黄冈人，助理工程师，现从事岩芯钻探技术研究、生产管理工作。