XD-30DB型钻机在金矿勘查中的应用

马晓鹏， 王伟杰， 田国亮， 李 宽

(山东省第六地质矿产勘查院，山东 威海 264200)

0 引言

我国矿产资源种类丰富，为大力发展“攻坚找盲”的探矿战略思想，在招远市栾家河金矿区开展深部金矿勘查，该矿区钻孔设计孔深都在2000 m以深，XY-6B型钻机、XY-8型钻机及阿特拉斯CS4002型等钻机数量已不能满足生产需求，我院为满足实际生产需要引进了XD-30DB型顶驱变频钻机在该矿区进行生产施工。

1 XD-30DB型钻机基本情况

XD-30DB型钻机是一种AC-VFD-AC交流变频电驱动全数字控制的顶驱式岩心钻机。可施工Ø71 mm、4000 m以浅的取心矿产勘探孔。钻机整体情况见图1。

1.1 钻机主要特点

(1)该钻机系统采用了变频控制、集中操作和数字传输，信息自动化、能耗小、施工效率高。

(2)转速、扭矩、拉力、速度等控制性能好，输出环境良好，能够过载保护，回转及给进无级调速，精确控制钻压，根据地层条件选择钻进参数，可以满足深孔钻探要求。

(3)钻机工作过程所有动作由电控组件或数字化操作完成，操作者的劳动强度低，操作人员数量少，改善了劳动环境。

图1 XD-30DB型钻机外形

(4)钻机主要执行模块均采用电动机驱动，包括回转、提升、给进、打捞等。动力提供为工业网电或柴油发电机组。

(5)钻机运行参数与钻进工艺参数实现实时存储、传输、记录、查询和远程监控。

(6)与立轴传动钻机相比，传动效率高、能耗小、传动链简化，安装和拆卸简单，检修方便，维护保养便利。

(7)顶驱长行程为22 m，可满足18 m加减立根作业，提高了工作效率。塔架内装有防碰绳和导向绳，提高了钻塔的安全性和稳定性。

1.2 钻机主要技术参数

(1)钻进能力：Ø114 mm绳索钻杆施工孔深2000 m，Ø89 mm绳索钻杆施工孔深3000 m，Ø71 mm绳索钻杆施工孔深为4000 m。

(2)钻塔：钻塔有效高度为29 m，钻塔型式为A型，最大钩载为700 kN。

(3)顶驱：驱动形式为交流变频直驱，电机额定功率110 kW(55 kW×2)，转速0～600 r/min，最大扭矩8000 N·m(0～156 r/min)，额定扭矩5500～1600 N·m(0～600 r/min)。

(4)主绞车：最大输入功率110 kW，钢丝绳直径24 mm，最大快绳拉力80 kN，钩速0～1.0 m/s，刹车形式为盘式刹车和安全制动。

2 钻机使用情况

2.1 地理交通情况

钻机生产区位于山东省招远市阜山镇栾家河矿区，位于招远市北20 km，水旺庄西2 km。向北可到龙口、蓬莱，向东可到烟台、栖霞，向南可到莱西，交通非常便利。

2.2 地层介绍

因环保要求该孔中止施工，未能达到设计孔深。矿区东部1426.06 m以浅主要是二长花岗岩，块状构造，较完整，破碎带不发育。其可钻性为8～10级，局部研磨性特强。

2.3 钻孔结构

施工钻孔位于招远栾家河矿区，孔号108ZK3，设计孔深2600 m，该孔采用XD-30DB型顶驱钻机，该区地层比较简单，构造较为完整，采用绳索取心钻探方法，钻孔采用二开结构。钻孔结构见图2。

2.4 钻进过程

第一阶段，2017年5月6日开孔钻进，用Ø114 mm钻杆、Ø122 mm外径钻头绳索取心钻进，钻至86 m，下Ø108 mm技术套管。因开孔岩石比较完整，在此期间冲洗液为1 m3清水加0.2 kg 1800万分子量的阴离子型聚丙烯酰胺(简写APAM)，循环方式为正循环。钻进参数：钻压10～15 kN,钻速300～360 r/min，泵量100～120 L/min，送钻速度4.5～5.5 cm/min。

图2 钻孔结构示意

第二阶段，2017年7月31日因矿区处于环境保护区提前终孔，终孔孔深为1426.06 m。该阶段采用绳索取心钻具组合为Ø89 mm绳索取心钻杆+Ø89 mm钻具+Ø91 mm外径扩孔器和钻头。冲洗液配比：1 m3清水+2 kg防卡护壁润滑剂+2 kg磺化褐煤树脂+3 kg羧甲基纤维素。测试冲洗液性能指标为：pH值8～10；粘度25～30 s；滤失量12～17 mL/30 min；密度1.01 g/cm3；固相含量1.0%；滤失量14～18 mL/30 min；含砂量≤0.6%；塑性粘度12 mPa·s；静切力2～4 Pa，动切力2～3 Pa。循环方式为正循环，若遇漏失地层时加入20～30 kg 803堵漏剂。钻进参数见表1。

表1 不同孔深钻进参数

该钻孔主要为二长花岗岩，钻进过程中钻压变化平稳。当遇到漏失地层时，扭矩参数明显升高，出现憋车情况，在该情况下，需要将钻机转速降低才能够保证正常钻进，在此过程要及时进行堵漏。在钻进过程中要及时调整送钻速度，保证各项参数平稳的施工。

2.5 参数变化关系

司钻房为顶驱钻机的智能操作控制中心，钻机的各个动作都是在司钻房里下达指令来实现的。司钻房里由两个电控柜和一个控制电脑显示屏等部分组成，通过调节显示屏参数(见图3)来完成钻探工作。显示屏的参数变化是钻孔工作的体现，通过实际在施工过程总结与验证，得出以下关系：

(1)泵压数值上升，岩心管堵或钻头消耗尽，进行取心或提钻换钻头。

(2)钻压数值上升，扭矩数值不变或上升，岩石变硬，减慢进尺。

(3)钻压数值上升，扭矩数值下降，岩心管堵需取心。

(4)钻压数值上升，扭矩数值下降，泵压数值上升，需磨岩心，否则岩心管打捞不动。

(5)钻压数值下降，扭矩数值下降，岩石变软，可适当加快进尺。

(6)泵压数值不稳，钻压扭矩数值正常，岩心管不进，推磨岩心。

图3 钻进过程各参数显示

3 钻机的优势

(1)传统的立轴钻机钻进过程中是依靠钻头的磨削来进行的，通常钻机通过钻杆来向钻头传递推进动力，因此钻机对钻杆质量有较高的要求。

顶驱钻进主要是靠钻杆的自身质量来提供推进动力，游车大钩提供提吊力使施工的全过程保持孔底受力均匀，钻杆力的传送比立轴钻机要小得多，只要钻杆螺纹固定部分不出现磨损，就能保证施工顺利进行。对钻杆的磨损较小，延长钻杆使用周期，减少换钻杆与接箍等工作，提高钻进效率。

(2)传统钻机钻进行程一般在50～100 cm，XY-4型钻机行程50 cm(见图4)，XY-8型钻机行程为100 cm，加钻杆长度为3 m，钻探过程中岩心管3 m，要倒杆3～6次，频繁取心作业。

顶驱钻机钻进行程达到22 m(见图5)，在地层完整的情况下可以采用较长的钻具和岩心管，减少辅助时间。除了取心和加钻杆，在钻进过程中连续钻进，不用倒杆，使岩心不间断的进入岩心管，避免人为拔断岩心，减少取心次数。

图4 XY-4型钻机行程图5顶驱钻机行程

(3)传统钻塔的游动滑轮的净空间1 m，并且塔上没有监控设备，操作灵敏度低，容易与天车相碰。钻机与钻杆连接处需要人工卸扣。

顶驱钻机钻塔采用加高和大跨距设计，实现游车大钩与天车的4 m净空间，并装有监控摄像头，实现画面监控(见图6)，塔顶装有防碰绳，避免游车与天车碰撞。背钳采用了卡盘式，靠油压夹紧和松开，运转平稳。

(4)传统钻机钻进的方式是机械式加压，对于司钻者经验要求较高，必须对电流变化、机械声音的变化做出快速准确的判断。

顶驱钻机通过VFD房(见图7)实现精确自动恒压钻进和恒速钻进，变频调节，更加灵敏。参数设置预警，当达到预警数值，钻机运行自动停止，大大减少事故发生，保障设备和人员的安全。司钻根据地层与孔深情况，对参数进行调节，适合深孔及复杂地层的施工。

(5)以往钻机操作环境差，处于露天状态，冬寒夏暑，钻进时精神高度集中，机械噪声很大，深孔时提下钻过程劳动强度高。

图6 监控画面

图7 VFD房

顶驱钻机操作在司钻房进行(见图8)，司钻房采用了防倾翻和防落物设计，操作方式为手柄以及按键，并安装有空调，操作舒适安全，视野开阔，人性化设计，减轻劳动强度。该钻机安装有辅助刹车和电磁刹车，在深孔提下钻安全性高。降低施工风险，保障工程顺利进行，效益提升。

图8 司钻房

(6)传统钻机孔内发生事故，往往是根据经验判断分析，然后制定处理方案，缺乏真实可靠的依据，往往会参杂操作人员个人推断，导致制定处理方案不合理。在很多时候会走冤枉路，甚至事故越处理越复杂。

顶驱钻机具有对运行参数与钻进工艺参数实现实时存储、记录和查询。当事故发生时调取历史工作曲线进行分析(见图9)，对事故的分析更具有依据性、客观性、准确性。

图9 钻进历史曲线

4 应用效果

在钻进过程中总进尺1426.06 m，总台时为2016 h，平均钻进时效0.71 m，台月效率509.30 m，纯钻进时间44.72%，由于第一次使用操作学习和保养时间占31.21%，其他时间24.07%。该矿区同期开动XY-8型钻机、阿特拉斯CS4002型钻机各一台，在此对其月孔深进行比较(见表2)。因阿特拉斯CS4002型钻机为柴油发电机组提供动力，该顶驱钻机与XY-8型钻机由工业网电提供动力，对后两台钻机进行了能耗比较，图10为能耗柱状图。

XD-30DB型钻机进尺效率与XY-8型钻机、阿特拉斯CS4002型钻机相比，浅孔阶段没有优势，随着钻孔的加深，其钻进效率优于XY-8型钻机、阿特拉斯CS4002型钻机。能耗方面在同等施工条件下，该钻机的变频驱动的能耗低于XY-8型钻机，降低了施工成本。

表2 不同型号钻机孔深比较

图10 能耗比较

5 结论和建议

(1)在此次施工过程中事故为零。

(2)XD-30DB型钻机具有长距离行程，遇破碎地层下钻受阻的情况下，可以长距离正划眼、倒划眼，操作灵活，处理事故平稳。

(3)泵量参数是根据冲洗液泵变频电机的转速来转化的，但在实际工作过程中，冲洗液泵的泵量与活塞、吸水龙头上水情况有很大关系，显示数值有误差。在施工过程水量过低会加速钻探的消耗；水泥封孔时，计算送水量偏差，达不到预期封孔效果。

(4)称重传感器在高温条件下产生气体，称重数据误差较大，影响对孔底受力的判断。

(5)钻孔出现掉块卡钻，钻进过程顶驱摆动明显，缺少稳定装置。

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