深部鉆探作業關鍵設備選擇原則與配置優化

吉勝軍

（山西煤炭運銷集團沁水峪煌煤業有限公司，山西晉城 048200）

近幾年來，隨著深部鉆探工作的不斷加深，該類項目呈現井噴式增長。鉆探工藝的實施需建立在鉆探設備的基礎之上，因此，如何對鉆探設備的配置與選擇進行優化，對整個項目來說至關重要，特別是深部鉆探條件，工程的成敗在很大程度上都是由其進行決定。

1 關鍵設備選擇原則

（1）“大馬拉小車”的理念一直被深孔鉆探裝備所遵循。由于在進行深部鉆探時，孔深需達幾千米，且施工周期較長，孔內的地層狀況和鉆孔復雜多變。因此，若所選裝備無法實現所需輸出，那么將會在很大程度上難以進行異常情況的及時處理，從而導致重大事故的發生[1]。

（2）通過對地質巖心鉆探特點的分析，所選鉆機需要具備高強度的能力，并且其變速范圍較寬，扭矩和主動鉆桿的桿通孔相對較大，以此來進行不同口徑的鉆進。符合此要求的鉆機主要有兩種，一種是動力頭式，而另一種是液壓立軸式。通常情況下，孔徑或是孔深的1.3～1.5倍即為鉆機的能力。

（3）在選擇時需查看沖洗液的上返流速度、泥漿泵的泵壓以及額定流量，使其分別在0.4 m/s、10 MPa以及300 L/min之上。

（4）對于鉆塔而言，需要具備足夠承載力，從理論上來講，鉆塔所需承載的負荷在設計孔徑或孔深時所用鉆具重量的2倍以上，且鉆塔的高度要超過20 m。

（5）由于進行深孔鉆探時，所需功率較大，需選擇工業電網進行驅動；在無工業電網時，也可通過燃料發電機組進行設備的驅動；著重避免利用柴油機直連式動力[2]。

（6）從理論上來講，需為設備配備鉆進參數一小，以此來實現對鉆探參數，如電壓、電流、泵量、轉速以及鉆壓等數據的可視化和自動檢測。

2 設備配置對鉆探工效的影響

深孔地質巖新鉆探在施工過程中不僅需要較高的成本和較長的工作周期，還具有較大的風險，因此在施工過程中鉆探工效不僅受工藝技術的影響，合理的設備配置也是保證鉆探工效的關鍵[3]。

2.1 鉆機給進行程與工效的關系

鉆機在工作時需要進行換檔、調速、加壓以及倒桿等工序，由于工序相對較多，因此容易造成巖心堵塞與巖心斷裂，若地層相對破碎，會對繩索取芯進提間隔與回次尺寸造成一定影響。從相關資料中可知，當地層破碎超過30%時，在倒桿時對回次進尺造成影響的概率為10%～30%，對體鉆間隔產生影響的概率為10%。

深度不同處進行內管打撈投放（提下鉆）在鉆孔通道中經過的總長度除以內管打撈投放速度（提下鉆速度）得到的結果即為消耗的總時間，根據等差數列求和公式便能將鉆孔經過通道的長度求出，推導公式后便可得到下述影響工效的式子：

T=（H2+GH）/（Gv）

式中：v為內管投放、打撈速度（提下鉆速度），m/h；G為回次尺寸（提鉆間隔），m；H為孔深，m；T為消耗總時間，h。

體鉆間隔在鉆機的影響下消耗時間增加量如表1所示，二者影響關系的曲線如圖1所示。

表1 給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間

圖1 給進行程影響提鉆間隔所多消耗的時間關系曲線

回次進尺在鉆機的影響下消耗時間的增加量如表2所示，二者關系曲線如圖2表示。

從表1中可以看出，行程為4.5 m時，將體鉆時間間隔設置為30 m、60 m以及100 m，其中體鉆間隔受到鉆進過程影響的概率為10%；行程為0.6 m時，將體鉆間隔設置為27 m、54 m以及90 m。從圖1與表1可知，提鉆間隔受到鉆機影響的程度與孔深有關，當孔深度增加時需要消耗的時間也會隨之增加，此時體鉆間隔有所減少，但時間的消耗量明顯增加[4]。

表2 給進行程影響回次進尺所多消耗的時間

圖2 給進行程影響回次進尺所多消耗的時間關系曲線

從表2中可以看出，行程為4.5 m時，將回次進尺分別設置為2 m、3 m以及4.5 m，因為回次進尺受到倒桿的影響，所以按20%進行計算；當行程為0.6 m時，回次進尺分別為1.6 m、2.4 m以及3.6 m。從表2和圖2可知，當孔深增加時，回次進尺受到的鉆機影響越大，時間消耗也會有所提升，并且回次進尺越短時間的消耗量越多。

從圖中能夠看出，回次進尺長度以及體鉆間隔和鉆探工時均受到鉆機給進行程的影響。并且鉆孔深度增加時其影響功效也隨之增大。所以在進行此類工作時長行程鉆機相對更適合。

2.2 鉆塔高度對工效的影響

鉆桿立根的長度由鉆塔高度所決定，同時對提下鉆速度也有直接影響。首先對繩索取心鉆探進行分析，其立根長度有6 m、9 m以及18 m 3種長度，而體鉆間隔是50 m，與之相對的起下鉆速度分別為200 m/h、300 m/h以及500 m/h。將孔深不同時的工時消耗計算出來，如表3所示，工效受到的影響如圖3所示[5]。

從表3中能夠看出，當體鉆間隔是50 m，孔深是1 000 m時，在50 m、100 m、…、950 m以及1 000 m時均需提下鉆，次數共計為20次，當12 min、24 min、…、228 min以及240 min時用立根長度為18 m的進行提下鉆，共計需要42 h。從圖3中可看出，當孔深增加時，鉆桿立桿長度也會隨之增加，從而影響工效，當孔深較淺時影響相對較小。所以若孔深大于1 500 m時，高鉆塔更為適合。

表3 不同立根長度對起下鉆耗時的影響關系 h

圖3 不同立根長度對工效的影響關系曲線

2.3 設備驅動方式與傳動效率

燃料機（電動機）的液壓馬達驅動與直接驅動是鉆探設備的主要驅動方式。前者在工作時還能較大且傳動效率較低，例如在2 500 m孔深下工作時，其總功率為200 kW，而后者僅需120 kW。因此耗能會受到驅動方式的影響，當孔深較深時其成本會明顯提升。

3 主要設備優化配置

鉆探成本與效率直接受設備選擇的影響，因此優化深孔巖心鉆探設備具有一定的必要性。在選擇設備時，環境條件、施工工藝以及鉆孔結構與孔深均是主要的影響因素，因此要選擇最為適合的設備可提高鉆探效率與經濟效益[6]。

通過分析設備性能與工效關系以及鉆探巖心的實踐，并從鉆探設備的多方面進行考慮，對其設備選優建議如表4所示。

在進行鉆探深孔巖心時，設備的選型需考慮可行性、適用性以及效率，并注意以下幾點。

表4 深孔巖心鉆探設備優化選擇推薦

（1）在場地較差區域施工時，通常選擇分體塔式全液壓動力頭和立軸式兩種鉆機。

（2）當施工孔深在1 500～2 500 m時，其場地道路狀況良好，則選全液壓動力頭桅桿整體式鉆機。

（3）當施工孔深在1 500～2 500 m時，選用立軸式或分體塔式動力頭兩類鉆機。

（4）當施工孔深需超過2 500 m時，首選頂驅鉆機，其次考慮立軸式鉆機。

（5）在施工區電量不足或是無電狀況下，用選取立軸式鉆機。

（6）在進行無巖心的深孔鉆探時，通常選擇全液壓動力頭或是頂驅兩種鉆機。

（7）在進行復雜地層的鉆探時，通常選擇立軸式鉆機進行[7]。

（8）在利用泥漿泵時，需選擇變量泵，其流量上限和泵壓分別超過了300 L/min和10 MPa。

（9）當所需鉆孔深度超過2 000 m時，需選四角和A型鉆塔，且高度和承載力分別超過20 m和500 kN；因山區場地較小，故而利用四角塔便于裝卸。

（10）設備動力的選擇，優選發電機組或是工業電網，避免使用柴油機直聯式。若所選設備為液壓動力頭鉆機時，需為其配備分體式動力，以此來實現動力消耗的降低[8]。

4 結語

在選擇深部鉆探裝備時，首先需考慮設備是否符合四大原則，這四大原則分別是前瞻性、先進行、適用性及合理性。接下來在進行配置的選擇，在選擇過程中需依照地質特點和鉆探的鉆進方式、孔徑以及孔深等多方面條件進行。由于設備配置的差異，常會出現進行不同孔深的鉆探時造成不一樣的影響。再進行設備選擇時，需對多方面因素進行考慮，以此來保證設備能夠獲取最佳的鉆探效率和經濟效益。