深部鉆探作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備選擇原則與配置優(yōu)化

吉勝軍

（山西煤炭運銷集團沁水峪煌煤業(yè)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(xiàn)井噴式增長。鉆探工藝的實施需建立在鉆探設(shè)備的基礎(chǔ)之上，因此，如何對鉆探設(shè)備的配置與選擇進行優(yōu)化，對整個項目來說至關(guān)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(guān)鍵設(shè)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(nèi)的地層狀況和鉆孔復(fù)雜多變。因此，若所選裝備無法實現(xiàn)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(dǎo)致重大事故的發(fā)生[1]。

（2）通過對地質(zhì)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(shè)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(yè)電網(wǎng)進行驅(qū)動；在無工業(yè)電網(wǎng)時，也可通過燃料發(fā)電機組進行設(shè)備的驅(qū)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(shè)備配備鉆進參數(shù)一小，以此來實現(xiàn)對鉆探參數(shù)，如電壓、電流、泵量、轉(zhuǎn)速以及鉆壓等數(shù)據(jù)的可視化和自動檢測。

2 設(shè)備配置對鉆探工效的影響

深孔地質(zhì)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(fēng)險，因此在施工過程中鉆探工效不僅受工藝技術(shù)的影響，合理的設(shè)備配置也是保證鉆探工效的關(guān)鍵[3]。

2.1 鉆機給進行程與工效的關(guān)系

鉆機在工作時需要進行換檔、調(diào)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(guān)資料中可知，當?shù)貙悠扑槌^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(chǎn)生影響的概率為10%。

深度不同處進行內(nèi)管打撈投放（提下鉆）在鉆孔通道中經(jīng)過的總長度除以內(nèi)管打撈投放速度（提下鉆速度）得到的結(jié)果即為消耗的總時間，根據(jù)等差數(shù)列求和公式便能將鉆孔經(jīng)過通道的長度求出，推導(dǎo)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(nèi)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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)，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(guān)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(shè)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(shù)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(guān)系 h

圖3 不同立根長度對工效的影響關(guān)系曲線

2.3 設(shè)備驅(qū)動方式與傳動效率

燃料機（電動機）的液壓馬達驅(qū)動與直接驅(qū)動是鉆探設(shè)備的主要驅(qū)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(qū)動方式的影響，當孔深較深時其成本會明顯提升。

3 主要設(shè)備優(yōu)化配置

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

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

在進行鉆探深孔巖心時，設(shè)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(shè)備優(yōu)化選擇推薦

（1）在場地較差區(qū)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(qū)鉆機，其次考慮立軸式鉆機。

（5）在施工區(qū)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(qū)兩種鉆機。

（7）在進行復(fù)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(qū)場地較小，故而利用四角塔便于裝卸。

（10）設(shè)備動力的選擇，優(yōu)選發(fā)電機組或是工業(yè)電網(wǎng)，避免使用柴油機直聯(lián)式。若所選設(shè)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(xiàn)動力消耗的降低[8]。

4 結(jié)語

在選擇深部鉆探裝備時，首先需考慮設(shè)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(zhì)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(shè)備配置的差異，常會出現(xiàn)進行不同孔深的鉆探時造成不一樣的影響。再進行設(shè)備選擇時，需對多方面因素進行考慮，以此來保證設(shè)備能夠獲取最佳的鉆探效率和經(jīng)濟效益。