XD 800型便携式全液压钻机在小兴安岭矿区的试验与应用

刘岩，孙军盈，吕祥利，宋志亮，缪佳佳，李晓峰，卢斌

(1.中地装(北京)科学技术研究院有限公司，北京 100120；2.张家口中地装备探矿工程机械有限公司，河北 张家口 075000；3. 北京海光仪器有限公司，北京 100015)

0 引言

目前，我国西部、东北、西南大面积陆域存在许多不具备路网条件的难进入区域，难进入地区钻探已成为地质探矿新常态。在特殊的海拔、地理、交通、生态、环境下，常规钻探装备(塔、机、泵、具)的搬、运、拆、装、用均异常艰难，涉及的征地、修路、复垦等门槛日益增高，钻探外围成本急剧增加。便携式钻机以其“轻便、快速、可靠”的特点，适用于难进入地区的探矿工作。目前，国内外在便携式钻机制造领域已经研制出一系列的便携式机型，产品覆盖200～800 m的地质取心钻探领域。中国地质装备集团有限公司所属的中地装(北京)科学技术研究院有限公司自主研发了XD 800/600/400系列便携式全液压岩心钻机。本文以XD 800型便携式钻机在小兴安岭林区金矿资源勘探的钻孔施工为例，对便携式钻机的优势进行介绍。

1 工程概况

大、小兴安岭北部是我国重要的砂金产区，区内岩金矿矿化点较多。由于该区地处中亚—兴安地槽褶皱区北端，火山、岩浆活动及变质变形作用复杂，使得地层复杂多变，且存在多处破碎不稳定地段。此次施工目的为探明该区域的金矿储量，施工区域位于黑龙江省小兴安岭林区，属于小兴安岭无人区，林区无手机信号覆盖与外界通讯不便。根据项目要求，钻孔结构为65°斜孔，0～500 m全孔段取心，岩心直径要求大于40 mm。此前，同区域已使用阿特拉斯进口动力头钻机[1,2]试钻多个孔，由于该地区地层复杂，最深钻孔在300 m左右。地质资料显示，本区域地表有20 m左右落叶淤泥覆盖层，地层破碎，有多处缩径破碎段，施工难度较大。

2 钻探设备及工艺

2.1 钻机

XD 800型便携式全液压岩心钻机使用3台进口柴油发动机驱动三台液压泵，通过插装分流阀分别给回转、给进、打捞绞车和泥浆泵提供动力。钻机给进行程为1.83 m，配备使用1.5 m长BTW、NTW、HQ钻具；最大设计钻进深度为800 m(BTW钻具)；动力头最高转速1380 r/min、最大扭矩1528 N·m；钻机最大给进力45 kN，最大起拔力90 kN；绳索绞车钢丝绳直径4 mm，第一层单绳拉力5.6 kN；机台尺寸(长×宽)4.5 m×4.5 m。

2.2 钻头与钻具

2.2.1 钻头

使用φ110 mm、φ91 mm、φ75 mm三种金刚石薄壁钻头，薄壁钻头高转速钻进速度快，可充分发挥便携式钻机快速钻进的优势。

2.2.2 钻具

φ108 mm套管，BTW(φ56.5 mm)、NTW(φ73.3 mm)、HQ(φ88.9 mm)1.5 m钻杆，其中φ108 mm套管在开孔时使用。BTW、NTW钻具为薄壁钻具，具有质量轻，强度好，精度高的优点。

2.3 钻进工艺

考虑到该地区地层情况复杂，坍塌、缩径不可避免。参考已有钻孔数据，本次施工设计三级井身结构[3]，开孔采用φ110 mm金刚石钻头+φ108 mm钻具钻进，钻进至穿过地面覆盖层后(20 m左右)提钻取下钻头，使用套管靴将φ108 mm钻具下至孔底做套管使用。二开采用φ91 mm金刚石钻头+φ89 mm钻具钻进。钻进至70 m提钻，使用套管靴将φ89 mm钻杆下至孔底作为套管使用。裸眼段至终孔采用φ75 mm金刚石钻头+φ73 mm钻具钻进。φ59 mm作为备用口径。钻孔结构如图1所示。

图1 钻孔结构示意图

3 现场施工

此次钻探施工场地平整、设备安装调试、施工、拆卸运移共用时15天，终孔孔深564 m。下文简要介绍钻机搭建、锚固、钻进过程、取心过程、起下钻以及复杂工况及时应对等六个施工过程。施工现场如图2所示。

图2 XD800钻机野外施工

3.1 机台搭建

由于林区覆盖层较厚，很难稳定布置机台木。根据项目要求对场地进行平整后搭建机台。整体机台占地面积4.5 m×4.5 m，在保证施工顺利进行的前提下，极大的节省了场地需求。

3.2 锚固

因工程需要本次钻孔为65°斜孔。为保证钻机运行稳定性，采用打地锚孔栓铁链的方式将钻机与机台固定。打地锚孔要遵循两个原则，首先地锚孔深度要达到基岩或者接近基岩；其次地锚孔不能与钻探孔发生干涉，两孔壁之间最小距离为150 mm。 本次使用BTW钻具打地锚孔，达到预定深度后提钻换地锚头，为了在烧结锚头过程中保护水龙头密封结构，所以摘除水龙头下钻至孔底后开始无泥浆循环烧结地锚头。完成后用铁链将钻机紧固在枕木上。锚固时钻机运行参数如表1。

表1 地锚运行参数

3.3 钻进过程

3.3.1 钻具组合

按照最初三级井身结构设计，分三阶段进行钻进，具体钻具组合如下：

(1)φ110 mm金刚石钻头+扩孔器+扶正器+φ108 mm×1.5 m套管；

(2)φ91 mm金刚石钻头+扩孔器+扶正器+φ63.5 mm岩心管+φ89 mm×1.5 m绳索取心钻杆；

(3)φ75 mm金刚石钻头+扩孔器+扶正器+φ57 mm岩心管+φ73 mm×1.5 m绳索取心钻杆。

3.3.2 钻进参数及时效

钻孔总耗时7天，终孔深度564 m，钻进参数如表2所示。根据表3计算可知钻机台月效率为2115米/月。其中开孔段要通过表层20 m厚的落叶覆盖层、冰层，塌孔严重，进尺速度相对较慢。钻至基岩更换NTW规格钻具以后钻进速度显著加快，达到50米/班次。

3.4 快速投放、取心过程

XD 800型便携式钻机采用绳索取心方式提取岩心，动力头为可翻转结构，方便让开孔口实现打捞器的快速下放打捞。本次施工使用3 m长岩心管，可钻进两根钻杆打捞一次岩心，节省施工过程中岩心打捞时间，提升钻探整体效率。不同孔深阶段打捞岩心工作用时统计如表4所示，在450 m之后由于钻孔存在多处缩径使返浆速度变慢，导致内管下放时间增长。全孔段岩心采取率达到项目要求，绳索绞车运行状态良好，尤其是排绳机构的应用，很好地解决了钢丝绳咬绳、乱绳、压绳等问题，采取的岩样如图3所示。

表2 钻进相关参数钻具

表3 钻进时间统计

表4 投放时间统计

图3 岩心样本

3.5 快速起下钻

XD800型便携式钻机采用油缸直推动力头结构与底部夹持器配合可实现单根1.5 m钻杆的快速拧卸和加接钻杆。以拧卸钻杆为例，动力头上行将钻杆提至合适位置后，夹持器夹住底部钻杆，动力头反转同时卸开钻杆上下丝扣，卸下钻杆后动力头下降至孔口，继续完成上述步骤拧卸钻杆。与传统立轴钻机钻具的拧卸加接耗时、耗力相比，便携式钻机以其简单快速的操作方式，可实现机械化快速加减钻杆，节约时间、降低人员劳动强度。本次施工总钻进深度564 m，一次提钻消耗2小时，优势明显。

3.6 复杂地层应对

钻孔位于小兴安岭林区深处，有较厚的落叶覆盖、淤泥层。同时根据之前钻孔可以看出地层多为泥岩软地层，其中在80 m，180 m以及320 m处都有不同程度的缩径情况，其中320 m处的缩径最为严重。开孔前通过综合分析拟定采用三级井身结构钻进，尽可能保证钻孔稳定性。在遇到复杂地层时，采用连续多次扫孔同时更换泥浆配比，增加纤维素等材料含量，稳定井壁同时将岩粉冲出地面，最终顺利通过多个缩径段。

4 结论

XD 800型便携式钻机在小兴安岭林区的施工充分证明了该设备的施工能力达到设计要求，各功能部件运行状态良好，为施工的顺利完成奠定了基础。便携式钻机以其特有的结构轻便性、功能完善性、人性化操作以及结合薄壁钻具的快速钻探工艺使得其在难进入地区具有很好的应用前景。与传统机械式钻机相比，无论从设备运移到施工效率，从钻机的操作方式到钻具的拧、夹、卡、卸，都充分展现了快速钻探的优势，不仅节约运行成本，还极大地降低钻工的劳动强度，符合地质钻探机械化的发展趋势。随着国家对绿色勘探和环境保护的重视，作为环境友好型的便携式钻机将会成为未来绿色勘探的重要设备。便携式钻机及其配套的薄壁钻具、工艺体系是一种新型金刚石绳索取心钻探工艺，钻机操作、薄壁钻具的配套都与立轴式钻机、动力头式液压钻机操作和工艺配套不同，需要通过培训和实践经验的积累进行推广应用。

参考文献：

[1] 宋端正. HC600型全液压动力头便携式钻机在陇东南山区生产应用效果及经济性分析[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2013(4):48-50.

[2] 张连山. 国外液压驱动石油钻机的新进展[J]. 石油机械, 2000, 28(2):52-54.

[3] 鄢泰宁. 岩土钻掘工程学[M]. 中国地质大学出版社, 2001.