地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器的研制與應(yīng)用

方 波，汪發(fā)文，鄔學(xué)農(nóng)，徐 俊，葉 慧

（1.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430072；2.湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽441002）

地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器的研制與應(yīng)用

方 波*1，汪發(fā)文1，鄔學(xué)農(nóng)2，徐 俊1，葉 慧1

（1.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430072；2.湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)，湖北襄陽441002）

在研究應(yīng)用于地質(zhì)鉆探卡（埋）鉆處理事故過程中，成功研制了地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器。介紹了該型質(zhì)量加速器的結(jié)構(gòu)、使用方法以及使用的效果情況。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器性能可靠，使用效果良好。能滿足地質(zhì)鉆探卡（埋）鉆事故的處理需要。

巖芯鉆探；吊錘；加速器

1 問題的提出

地質(zhì)鉆探過程中，由于地層及技術(shù)原因，經(jīng)常發(fā)生燒鉆、卡鉆、埋鉆事故，在通過正常技術(shù)處理后，仍然不能解除復(fù)雜情況時(shí)，就會(huì)造成鉆孔報(bào)廢，釀成較大經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)際情況下入技術(shù)套管護(hù)壁，由于綜合因素較多，鉆孔完畢之后，回收起拔套管時(shí)遇阻，最后只能切割套管，而造成管材浪費(fèi)。

處理卡(埋)鉆事故簡(jiǎn)易方法主要有：提、打、震、撈、沖、抓、吸、粘、竄、頂。

“打”是“提不動(dòng)”后的首選。以前有2種方法：第一種方法是主卷揚(yáng)錨頭輪打吊錘；第二種方法是人工（50人以上）打吊錘。但是這2種方法都有明顯的不足之處。第一種方案時(shí)間長(zhǎng)、能量小，成功率低，效果不理想。第二種方案有時(shí)候不便實(shí)施，在荒郊野外找50人的壯勞力很難，有的地方幾乎是不可能。且2種方法存在很大的安全隱患。

“頂”是所有處理方法的最后選擇，隨著科技的進(jìn)步，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種工程機(jī)械上使用的大功率電動(dòng)液壓千斤頂頂拔鉆桿套管的方法。通過液壓千斤頂強(qiáng)大的提升力拔動(dòng)鉆桿套管。液壓電動(dòng)千斤頂驅(qū)動(dòng)力可以達(dá)到百噸，但它是一種靜力提拔，鉆桿套管在孔底會(huì)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，力量過大會(huì)導(dǎo)致鉆桿套管直接拔斷，而且電動(dòng)液壓千斤頂體積大、重量大，交通不方便的地方極難運(yùn)輸。

地質(zhì)鉆探卡（埋）鉆事故是鉆探施工過程中最普遍的事故之一，是制約鉆探技術(shù)發(fā)展的一道難題。如果能研制出一種簡(jiǎn)單、輕便、快捷、高效的處理卡（埋）鉆事故設(shè)備，就能很好地解決這個(gè)技術(shù)難題，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)研制一種大能量、高行程、省時(shí)省力的質(zhì)量錘快速敲打加速器。應(yīng)用于巖芯鉆探、工程勘察、樁基施工領(lǐng)域，并申請(qǐng)一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。

3 工藝原理

地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器工作原理就是在主卷揚(yáng)和吊錘之間加裝質(zhì)量加速器，通過橫式雙排多滑輪和多股鋼絲繩之間速度的的轉(zhuǎn)換，增加升降機(jī)的荷載來加快吊錘的起落速度，完成吊錘提打和沖打故障的目的。

3.1 工藝方法

用提引器將質(zhì)量加速器上部掛牢，下部接事故鉆具，鋼絲繩連接吊錘，調(diào)試完成后試運(yùn)行幾次安全可靠暨安裝完成。

拉動(dòng)卷揚(yáng)提引器帶動(dòng)上連接管向上運(yùn)動(dòng)，上連接管通過滑輪組帶動(dòng)下連接管運(yùn)動(dòng)，橫式滑輪組通過鋼絲繩帶動(dòng)吊錘向上做高速運(yùn)動(dòng)，吊錘則以提拉桿多倍的速度和移動(dòng)距離而升降，達(dá)到解卡鉆桿套管的目的。控制升降機(jī)的速度和提拉高度，便可選擇所需要的沖程和沖擊功。見圖1～圖4。

3.2 具體實(shí)施方案

使用方法：地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器主要由提拉接頭、上容納管、下容納管、滑輪組、軸承，行程架、鉆桿接頭、光園粗鋼筋、鋼絲繩、吊錘等組成。每根軸分別固定6個(gè)軸承和6個(gè)滑輪，分別安裝在上下容納管，然后用行程架連接固定。上容納管與橫軸通過光園粗鋼筋焊接連接，然后利用提拉接頭連接到鉆機(jī)升降機(jī)。下容納管與鉆桿接頭通過光園粗鋼筋焊接連接，然后連接到事故鉆具接頭。上下容納管通過鋼絲繩與串聯(lián)滑輪組連接，最終鋼絲繩從容納管出口引出，穿過導(dǎo)向滑輪，最后與吊錘連接。

圖1 質(zhì)量加速器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 上連接管示意圖

圖3 下連接管示意圖

圖4 行程架示意圖

4 生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例及效果——湖北省大冶市張福地區(qū)鐵（銅）礦鉆探普查項(xiàng)目

4.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目礦區(qū)位于黃石市大冶城區(qū)北西約25km，礦區(qū)周邊有多個(gè)小礦山企業(yè)在開采，經(jīng)過多方打探確定周邊還沒有施工過孔深超過500m的鉆孔，由于是位于構(gòu)造帶上，區(qū)內(nèi)巖漿巖活動(dòng)強(qiáng)烈，地層極為復(fù)雜。曾有多只隊(duì)伍在此施工都沒有達(dá)到地質(zhì)找礦要求無功而返。此次設(shè)計(jì)900m孔深鉆孔就是要徹底摸清此區(qū)域內(nèi)地層構(gòu)造和成礦條件。

4.2 地層簡(jiǎn)介（表1）

表1 地層簡(jiǎn)述

4.3 主要施工難點(diǎn)

該區(qū)域礦層埋藏較深，巖芯較破碎，漏水、垮孔、掉鉆、卡鉆、埋鉆事故經(jīng)常發(fā)生，一次處理不善就可能導(dǎo)致廢孔。為了能順利穿過復(fù)雜地層孔段需要多級(jí)技術(shù)套管護(hù)壁。

4.4 主要施工方法

設(shè)備選用1000m鉆機(jī)，BW-250型泥漿泵，S96、S76型繩索取芯鉆桿鉆具，其它配套普通鉆桿鉆具。設(shè)計(jì)鉆探技術(shù)方法見表2。設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)見圖5。

表2 設(shè)計(jì)鉆探技術(shù)方法

圖5 設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 實(shí)際施工情況

該鉆孔選用?130mm普鉆開孔，鉆穿40m覆蓋層后下入?127mm表層技術(shù)套管；換?110mm普鉆鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至80m時(shí)遇破碎帶，漏水嚴(yán)重，封孔穿過破碎帶鉆進(jìn)至150m位置時(shí)下入?108mm技術(shù)套管；改用?96mm繩索取芯鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)至380m位置時(shí)，遇到強(qiáng)風(fēng)化矽卡巖，漏水、垮孔多次發(fā)生，在鉆進(jìn)至395m位置時(shí)突發(fā)埋鉆事故，強(qiáng)力提拔沒有效果，打吊錘多次打斷鋼絲繩也沒有成功。為了能順利拔出鉆桿減小事故損失，公司技術(shù)總工親臨現(xiàn)場(chǎng)帶領(lǐng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)施工人員研究討論處理事故辦法，根據(jù)以往地質(zhì)隊(duì)處理此類事故的方法和物理學(xué)滑輪組省力原理，設(shè)計(jì)研制了地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器。

5 地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、沖擊力大、安全可靠、制造簡(jiǎn)單。

節(jié)省人力，在處理孔內(nèi)事故過程中，只需一人操作升降機(jī)即可。

6 地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器綜合使用效果

使用地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器，耗時(shí)1h順利打松了鉆桿，孔內(nèi)鉆桿全部取出，順利地處理了此次埋鉆事故，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)使用目的。

該鉆孔在施工過程中使用了3層技術(shù)套管，最深套管下到了465m，整個(gè)工期持續(xù)了5個(gè)月，由于地層復(fù)雜，套管深，工期長(zhǎng)。最后?89mm技術(shù)套管無法拔動(dòng)，按以前的施工方法：先強(qiáng)力提拔，再用反絲鉆桿反，最后下切割片切，這幾種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率極其低下，最后絕大部分套管都無法取出，造成很大的材料浪費(fèi)。此次我們使用地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器很快地打松了套管，所有套管一次性取出，沒有一根浪費(fèi)。

地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器在該礦區(qū)的使用，大大縮短了施工工期，減少了套管、鉆桿等材料的浪費(fèi)，節(jié)約了大量的人力和物力。取得了很好地經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益。2011～2013年使用吊錘加速器施工鉆孔情況見表3。

表3 2011～2013年使用吊錘加速器施工鉆孔情況表

7 地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器和常規(guī)打吊錘方法對(duì)比優(yōu)勢(shì)

省時(shí)：使用地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器打松套管一般只需要30min；而同樣的情況使用常規(guī)打吊錘的方法短則需要幾個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)則需要2個(gè)班以上。

省力：使用地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器只需要一人操作，稍微快速拉動(dòng)手柄即可；而常規(guī)打吊錘需要幾班人馬輪班操作，要強(qiáng)力高速拉動(dòng)手柄才有效果。

高效：使用地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器處理卡埋鉆事故，拔套管成功率達(dá)到85%以上；使用常規(guī)打吊錘方法處理事故成功率不足60%。

安全：地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器靠的是動(dòng)能轉(zhuǎn)化，對(duì)設(shè)備損壞程度小，對(duì)操作人員危害性低；而常規(guī)打吊錘經(jīng)常會(huì)打斷鋼絲繩，對(duì)設(shè)備損壞程度大，對(duì)操作人員危害性高。

8 地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器使用的好處

降低了生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了操作工人處理事故的信心。

加快了生產(chǎn)進(jìn)度及降低了施工周期，既提高了工人績(jī)效收入水平，又大大提高了業(yè)主和用戶的滿意度。

該設(shè)備適合野外作業(yè)，不受地理?xiàng)l件限制。轉(zhuǎn)運(yùn)方便，設(shè)備小而輕，總重不超過40kg，可搬可抬。

地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器處理事故成功率高，常規(guī)的卡埋鉆和起拔套管遇阻事故都能快速的處理，能最大限度的減少經(jīng)濟(jì)損失。

質(zhì)量加速器已獲得國(guó)家新型使用專利，專利號(hào)201320336569.6。

9 地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器的應(yīng)用范圍

地質(zhì)鉆探卡(埋)鉆質(zhì)量加速器主要應(yīng)用于地質(zhì)巖芯鉆探、工程勘察、石油鉆探等卡埋鉆事故和起拔套管。還可推廣應(yīng)用于水文水井換井管、工程鉆孔灌注樁灌注砼時(shí)導(dǎo)管吸卡埋管事故等工程類卡點(diǎn)起拔作業(yè)領(lǐng)域。應(yīng)用前景廣闊。

10 結(jié)論

地質(zhì)鉆探卡（埋）鉆質(zhì)量加速器的研制成功，創(chuàng)造性地解決了生產(chǎn)過程中的卡（埋）事故，有效提高了處理事故效率，無形之中節(jié)約了生產(chǎn)成本，特別在起拔套管過程中，運(yùn)用質(zhì)量加速器打吊錘，能大大提高套管綜合回收率，由普通回收率60%提高至85%以上，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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1004-5716(2015)11-0035-05

2014-11-05

2014-11-17

方波（1987-），男（漢族），湖北黃岡人，助理工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探技術(shù)研究、生產(chǎn)管理工作。