空气反循环成套设备及其在新疆铀矿中的应用

臧臣坤，何磊，李勇，贾中芳，仲思柏

(1.中地装(北京)科学技术研究院，北京　100120； 2. 中国地质大学(北京)，北京　100083；

3. 核工业二一六大队，乌鲁木齐　830011)



空气反循环成套设备及其在新疆铀矿中的应用

臧臣坤1，何磊1，李勇2，贾中芳3，仲思柏3

(1.中地装(北京)科学技术研究院，北京100120； 2. 中国地质大学(北京)，北京100083；

3. 核工业二一六大队，乌鲁木齐830011)

摘要：空气反循环连续取样工艺由于其钻进效率高、经济性好等优点，在国外有较广泛的应用，而国内由于设备的配套性及地质编录方面的问题，一直没有得到很好的推广。本文介绍了中装集团研发配套的适用于多种空气反循环取样的全套设备及其野外试验，验证了整套设备的先进性、可靠性，也体现了该工艺的高效性、经济性。

关键词:空气；反循环；连续取样；成套设备；野外试验

1工艺概况

反循环连续取样技术是循环介质由钻孔孔壁或双壁钻杆环状间隙进入孔底，并由中心通道返回地面的钻探工艺，循环介质可以是气体，也可以是液体。空气由于其无处不在，用之不竭，可被压缩等特点，目前是反循环钻进最常用的循环介质。在该循环过程中，钻进产生的岩屑被压缩空气由孔底带到地表，现场需要配备地质工程师对岩样进行大概的定性描述记录, 收集后送交试验室分析。

空气反循环钻进工艺包括空气潜孔锤反循环、空气牙轮反循环、气举反循环等。其中空气潜孔锤反循环采用潜孔锤冲击碎岩，钻进效率最高，但受空压机功率限制，钻进深度一般不太深。空气牙轮反循环是采用牙轮回转碾压破碎岩石，并通过空气将岩屑从中心通道带到地表，这种工艺由于压缩空气不需要驱动潜孔锤损耗空气压力，所以比空气潜孔锤反循环工艺钻进深度要大很多。气举反循环是将压缩空气送入到水位以下一定位置与中心通道内水柱混合，形成气水混合区域，降低该区域的密度从而使孔壁内的水进入到钻杆中心通道并返回地面，该工艺的实现方式决定了其在浅孔应用效果不理想，适合于中深孔钻进。

空气反循环连续取样钻进工艺具有很多优点，包括钻进效率高、提钻次数少、不需要水、岩样即时上返、采取率高、经济性好等，在国外一些国家得到了广泛应用。在国内，由于受到设备配套及地质编录等限制，反循环工艺一直没有得到较好的发展。为推动国内空气反循取样工艺的发展，中国地质装备集团有限公司研制了RC钻探成套装备，并由核工业二一六大队在新疆白杨河矿区进行了野外生产试验，验证RC钻探工艺的优越性及整套装备的工艺适应性。

根据工艺特点及孔深要求，设计工艺为空气潜孔锤开孔并钻进至潜孔锤不能正常工作，换反循环牙轮钻进，当空压机功率不足以将钻屑带上地表时，改用气举反循环工艺至设计深度。

2反循环取样关键设备的研制及特点

整套设备包括反循环连续取样钻机、钻杆、缩分装置、空压机、潜孔锤、锤头、牙轮钻头等。

2.1钻机

根据工艺特点，选用中装集团研制的RC-5型空气反循环钻机(图1)，该钻机为全液压驱动，履带装载。动力头下方装有气体分配器，压缩空气经气体分配器进入双壁钻杆环空。钻机配有泡沫泵，可实现空气泡沫钻进，有利于复杂地层的空气钻进。柴油机功率132kW，最大提升力250kN。通过齿轮泵的合流可实现动力头4挡转速和提升油缸2挡提升、给进速度，调速范围广，扭矩大，可满足潜孔锤低速大扭矩要求，也可满足牙轮钻进需要的较高转速及大扭矩。

该钻机的参数见下表(表1)。

图1　RC-5型空气反循环钻机

表1　RC-5型空气反循环钻机参数

2.2钻杆

参考国内外相关双壁钻杆，并考虑气举反循环钻进中需要单壁钻杆，中装集团研发了一款外管Φ102mm双壁钻杆。该钻杆由内管总成、外管总成、卡圈、密封组成(图2)，内管一端卡在外管内凸台上，另外一端通过卡圈固定。取掉卡圈后，可将内管从外管中抽出，外管可单独当单壁钻杆使用，便于内、外管互换与保养。同时，空气反循环对钻杆内管密封性要求很高，如果钻杆密封性不好，反循环会建立不好或完全建立不起来，严重影响施工效率。针对以上问题，并参考国外钻杆密封，新研发的钻杆采用全新密封，其结构为五个密封圈并排固结在一起，外圈平坦与密封圈槽底径严密配合，内圈为5个突起，结构紧凑，密封长度长，密封效果好，打压密封性能达到10MPa，满足不同工况对钻杆的需求，使用灵活方便。

图2　Φ102双壁钻杆结构示意图

2.3缩分装置

岩样的收集是反循环取样的关键。目前国内常用的岩样收集装置就是一个简单旋流筒，仅可实现气体和固液分离，工人需要将所有岩样采集后人工缩减，劳动强度大。中装集团在参考国外缩分装置的基础上，研制了一款集多种功能于一身的先进缩分装置(图3)，该装置有旋流筒、积渣桶、缩分筒、闸阀等，中间由闸阀连接。最上端为旋流筒，气体和固液经过旋流筒减速，实现气体与固液分离，气体由旋流筒上部出口排出，固液进入中间积渣桶；积渣桶通过上下闸阀的配合使用，可实现固定长度岩样的储存，并可在规定长度结束后取样；最下方为缩分桶，装有马达和缩分篮，通过缩分篮的配置及回转实现岩样按不同比例缩分并固液分离，得到满足地质要求的岩样。整套取样缩分装置固定在拖车上，使用方便快捷，降低工人劳动强度，并得到满足施工要求的脱水岩样，技术先进。

2.4空压机、潜孔锤及其他配件

为增加潜孔锤反循环工作深度，选用美国寿力公司生产的1070HXX型空压机，该空压机最大压力3.4MPa，最大风量30m3/min，为国内压力最大的空压机之一。

潜孔锤及锤头选用苏普曼生产的345、355潜孔锤及127、122、108、105四种锤头，在锤头的磨损后，可更换小一级锤头继续钻进，确保钻孔能顺利进行。

牙轮钻头采用石油三牙轮反循环钻头，但石油钻头直径较大，为满足小口径岩心钻探及钻孔设计需求，特定制外径110 mm反循环三牙轮钻头。

图3　缩分装置

3试验场地及地质条件

本次试验场地位于新疆维吾尔自治区塔城地区和布克赛尔县白杨河矿区，地层主要以花岗斑岩、石英斑岩、凝灰岩为主，岩石硬、脆、碎，岩石可钻性9~11级。矿区属山前丘陵地带，裂隙发育，地下水丰富，水位埋深30~50m。试验现场见图4。

图4　现场试验

4反循环连续取样全套设备及工艺的试验结果

反循环连续取样全套设备从2014年9月至2015年5月进行了3个试验孔。第一个孔设计孔深360m，实际深度248m，主要试验空气潜孔锤反循环连续取样工艺。第二个孔设计孔深240m，实际深度209m，由于遇黏泥地层，孔内缩径严重，发生埋钻事故，无法处理，结束钻孔施工，只试验了空气潜孔锤反循环工艺。第三个孔设计孔深260m，实际深度233m，其中空气潜孔锤反循环工艺钻进225m，牙轮反循环工艺钻进8m，气举反循环工艺钻进0m，由于穿过矿层，钻孔试验结束。

4.1设备运行状况

(1)钻机：在试验过程中，钻机运行稳定，满足各类反循环钻进工艺对钻机转速、扭矩的要求。钻机提升力大，多次处理卡钻事故；在三个试验孔的施工中，仅出现了几次提升合流失效的小故障。设备总体运行安全可靠。

(2)钻杆：全新设计的双壁钻杆密封性好，没有出现因为钻杆密封不严导致的反循环建立不好或建立不起来的情况。由于孔壁不稳定，出现垮孔，测井工具无法裸眼下放，后将钻杆内管取出，通过外管中心测井，体现了内外管分体式设计的优点。

(3)缩分装置：全新设计的缩分装置试验效果不太理想，主要表现为：一是上返的岩粉漂浮在缩分桶内，不能按设定的通道进入到收集管内，缩分效果较差。二是回转机构坡度较小，岩样回转脱水的过程中，由于离心力大而坡度太小，湿的岩样进入取样通道困难，也造成缩分装置应用效果不理想，需要进一步改进、优化。

4.2工艺试验情况及存在的问题

(1)空气潜孔锤反循环连续取样：共进行了3个孔，合计682m的工艺试验，3个试验孔各平均时效为8.64、4.48、5.92m/h，钻进效率较绳索取心工艺提高很多，但辅助时间也较长，单位油耗较大；总体经济性能较好。试验中也存在钻孔孔斜大、岩心采取不均匀、岩心采取率计算困难等问题。

(2)牙轮反循环钻进工艺：该工艺进行了8m试验，用时1.68h，平均时效5.92m/h，效率高。但由于地层遇水膨胀，堵塞钻头，结束该试验，需要进一步试验。

(3)气举反循环连续取样工艺：共进行2次气举反循环工艺的试验，分别将汽水龙头放置在水位以下1/3及1/2处，反循环均无法较好建立。提钻检查，发现钻具气道被堵死，初步估计钻进工艺参数不合适及孔深不够造成反循环建立困难。由于该段已钻穿目的层，试验暂停，测井后终孔。

5结语

(1)通过对成套装备的试验，证明钻机、钻杆及相关接头的结构性能及技术达到了设计要求，满足反循环取样的工艺要求。缩分装置，功能先进，但无法较理想地实现缩分及干湿分离，需要进一步研究改进。

(2)空气潜孔锤反循环连续取样工艺效率最高，但受到空压机压力的影响，钻进深度有限。而国内勘探孔的深度很少小于200m，这就需要结合牙轮反循环和气举反循环连续取样工艺，避免空压机能力不足造成的影响，延伸钻孔深度，提升施工效率。

(3)岩样可快速返回地面，同时岩样不接触孔壁，岩样无污染，可快速判断地层状况。

(4)反循环连续取样工艺也存在在一定的问题，主要表现为潜孔锤钻进时易发生孔斜，而且不易纠正；孔内如有水，岩粉收集不均匀；岩心采取率计算目前没有相应规范，岩心采取是否合格无标准等。

(5)空气反循环连续取样工艺具有众多优点，钻进时效远高于绳索取心工艺，具有很好的应用前景；

同时该工艺也有具有一些问题，需要施工方和设备方共同努力，推进该工艺的进一步发展。

参考文献：

[1]许刘万，等. 多工艺空气钻进技术及其新进展[J]. 探矿工程，2009(10)：8-14.

[2]仲思柏，等. 小口径空气反循环连续取样钻进工艺和装备应用研究[J]. 全国探矿工程技术学术交流年会论文集. 2015.

[3]伍晓龙，等. 空气反循环连续取样钻探技术的研究及应用[J]. 全国探矿工程技术学术交流年会论文集. 2015.

作者简介：臧臣坤(1984-)，男，内蒙古乌兰察布市人，2009年毕业于中国地质科学院，工程师，主要从事地质装备的研发工作，北京市西城区德外黄寺大街24号院，Tel：010-64843952，E-mail：zangchenkun@cgeg.com.cn。

收稿日期：2015-12-04

中图分类号:P634.31

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)01-0011-04