2、对我国煤田深孔钻探设备的选型与新技术初探.doc

二、对我国煤田深孔钻探设备的选型与新技术初探读者对象：地勘单位负责地质找矿、探矿决策的领导，地质、探矿技术人员完稿时间：2011年8月摘 要：针对我国目前煤田地质深部勘查中10001500m上下的钻孔，施工设备、机具、技术所存在的问题，为大幅度提高钻探效率，缩短勘探周期，探索绳索取心钻探设备的选型，并提出转变思想与技术观念，引进近年出现的新机具、新技术。正文：在我国，煤田深部勘查已投入多年，浅者8001000m，深者10001500m上下或更深。在今后若干年内，也将是我国煤田勘查的重点。由于钻探效率，影响到经济效益，因而在煤田钻探领域悄悄地出现了一场新技术革命，无情地挑战着传统的煤田钻探作业方式，无声地牵动着每一支地勘队伍投入竞争的行列。受这场新技术革命的启发，笔者就我国煤田深孔钻探设备的选型与新技术，谈几点认识。一、煤田深孔传统作业方式现状 笔者近年参与管理了多个矿区的煤田地质深部预查，所施工的钻孔，浅孔8001000m，深孔10001500m或更深。 所看到的钻探设备，从上个世纪五、六十年代的手把钻机，到转盘钻机、液压立轴钻机、全液压动力头钻机都有。所看到的施工技术，多数还是改革开放前的老技术、老工艺，有所改进，但改进不大，所以称传统作业方式。 近年，看到了采用金刚石绳索取心、金刚石绳索取心冲击回转钻进及其配套技术，效率大幅度提高，异常振奋，深受启发。传统作业方式在煤田深孔中的钻探台月效率，经多个矿区的统计，均在200米/台月上下，有的矿区只有160余米/台月。孔内事故频发，有的处理月余或更长；有的钻进数百米报废，移动孔位重新开孔。打丢煤层的现象，屡见不鲜。笔者前几年在指导机台900m以下补煤时发现，现任机、班长没有经历过或很少经历过补煤，也没有参加过系统的专业培训。所以，不止一个机台没有成熟的补煤技术，没有备用的补煤工具，有的补一次煤，耗时月余。因而前几年出现一家无证照的补煤公司，发有广告：单位补煤收费2万元，个人补煤收费7000元。从施工队伍的结构看，不少都是挂靠在地勘单位的个体钻机或地勘单位相互协作的钻机。同时还看到，在煤田深孔施工中，采用液压立轴钻机的地勘单位，在钻机选型问题上已经走了弯路，没有一步到位，所以难以得心应手。钻探效率同样上不去，因为多数也基本采用着传统作业方式。这一状况，无疑已经影响到煤田深部勘查的施工周期和工程质量。而且笔者所接触到的，还不止一个省的施工队伍，说明带有普遍性，因而诱发了笔者对我国煤田深孔钻探设备的选型与新技术的探索情趣。二、近年煤田深部钻探在创造辉煌实际，近年我国煤田深孔的施工设备、配套机具、施工技术、工艺，发展很快，先进的地质勘查单位，已经在设备选型、新机具、新技术、新工艺的开发方面，遥遥领先。锻炼了队伍，提升了品位，参与了竞争，创造了辉煌。下面是某煤田地勘单位的业绩：1 “十一五”期间完成钻探工作量515094m；“十一五”期间平均台月效率：600米/台月以上；“十一五”期间施工超过1200m的深孔62个；“十一五”期间优质孔率90以上；最高年平均台月效率：684米/台月；单孔最高台月效率：779.67米/台月；单机最高年进尺：7036m；最深的钻孔：1650m；矿区金刚石钻头平均寿命纪录：800m以上；单个金刚石钻头最高寿命纪录：1180.72m。以上辉煌业绩，笔者作为在大山里从事探矿技术工作数十年、年逾古稀的老技术人员，感到振奋，感到骄傲，感到这又是一个时代的到来走进低谷多年、几乎看不到希望的探矿工程，迎来了历史的机遇，迎来了地勘队伍的春天。为了让更多的地勘单位，能够坐上这只时代的航船，本文以施工1000-1500m的煤田深孔为前提，探索钻探设备的选型、新机具、新技术，和提高钻探效率、对煤田深部进行快速勘探的途径。三、煤田深孔钻探设备的选型1、设备选型中考虑的原则2（1）钻探设备选型的能力前提：按照终孔口径77mm考虑，即采用S75A或JS75（含XJS75等同类产品）绳索取心钻杆钻进至1500m终孔，个别钻孔可能到1700m终孔。（2）作为煤田深孔，原则上不考虑以9698mm口径终孔，即不考虑采用S95A绳索取心钻杆（含同类产品）钻进至1500-1700m终孔。因为从技术角度考虑，75mm取煤管所取煤心，完全可以满足地质要求。（3）尽可能选择重心较低，变速范围较宽，立轴行程较大，适合采用绳索取心钻进的液压立轴钻机或全液压动力头钻机。（4）从钻探效率和处理事故的能力出发，要有“大马拉小车”的指导思想。（5）尽可能采用电力驱动，并备有发电机组。（6）考察设备的定型情况，是否符合国家或行业标准？当前在生产中的实际运行情况。（7）钻探设备的各系统总成、部件，是否和同类厂家的设备存在互换性？厂家配件供应是否及时？（8）以选择国产设备为主，不排除进口设备。（9）作为一个地质勘查施工单位，从设备管理的角度出发，要尽可能做到本单位设备相对统一。（10）除钻机以外，钻塔、泥浆泵、动力机及附属设备，从能力上统筹考虑，同钻机一并选型。2、设备选型的指导思想（1）淘汰手把钻机和转盘钻机手把钻机，最早是从“苏联老大哥”那里引进的，后来由张家口探矿厂等厂家仿造，用了数十年，为新中国的地质勘探事业做出过重大贡献，至今仍有人赞叹皮实、好用、机械故障少。可是，这种钻机今天已经成为地质钻探设备领域落后的象征，因为其机械性能无法和当前国产液压钻机、全液压动力头钻机相比。转盘钻机，比手把钻机有所改进，也已经用了几十年，如果不采用金刚石钻进技术、金刚石绳索取心钻进配套技术，这种钻机还可以用下去。问题在于，不采用金刚石钻进技术、金刚石绳索取心钻进配套技术，仍采用传统的作业方式，对于煤田深孔而言，提高钻探效率已经没有什么潜力，或者说根本不可能大幅度提高。其主要原因在于，手把与转盘钻机，变速范围小、钻进参数难以控制、不能自动导杆等，不符合金刚石钻进、金刚石绳索取心钻进技术对钻机的基本要求。所以，要想大幅度提高煤田深孔的钻探效率，就必须下决心引进新技术，且实践证明已经属于完全成熟的新技术，所以也必须下决心淘汰手把和转盘钻机。（2）“大马拉小车”的指导思想计划经济时期，长期追求钻孔深度与钻机能力相匹配，所谓的合理性。如：设计不超过600m的钻孔，不得采用1000m钻机。实践证明，“大马拉小车”，不但利于钻进效率的提高，更有利于孔内事故的处理，这一设备配套的指导思想，深受钻机机、班长的欢迎。 鉴于“大马拉小车”的指导思想，在钻探设备选型时，对钻机生产厂家的广告，要作客观分析。几乎所有厂家所发出的广告，对钻机钻进深度的标定，基本都是采用42mm钻杆的钻进深度，如：XY-4型，钻进深度1000m，即为采用42mm钻杆的钻进深度。而目前煤田钻孔和金属矿，地质设计要求最小终孔口径不得小于75mm，即必须采用S75、S75A绳索取心普通钻杆或两端加厚的钻杆，或CNH（T）两端加厚的高强度绳索取心钻杆。就是传统的钻探方法，也必须采用50mm的外丝钻杆。这样，XY-4型钻机的实际钻进深度，就不可能达到1000m，实际能力700m足矣。以此类推，XY-5型、XY-6型，均不能按照厂家广告中的钻进深度1500m、2000m，作为钻探设备选型的依据。如果仅仅参照厂家的广告，不考虑地质设计对终孔口径的要求，地质设计1500m的深孔，选择XY-5型钻机很直观，必误大事。实践中这种直观的选型思路，并不是没有。（3）克服选择液压钻机的心理障碍液压钻机的优越性，已经被大多数地勘单位的同行所认识，但对于长期采用转盘钻机的部分地勘单位，并没有感性认识，总感到转盘钻机用了多年，得心应手，能谈出转盘钻机的一大堆优越性，因而造成新技术推广的心理障碍。具体说，就是采用调速范围宽的液压立轴钻机，推广金刚石绳索取心新技术和配套工艺的畏难情绪。因为选择了液压钻机，必须改变工人固有的操作方式，从技术的角度花大力气、下大功夫。近年对于经济实力不强、探矿技术人员匮乏的地勘单位，也确实是一大难题。3、首选XY-6B型液压立轴钻机3从厂家的广告中我们知道，XY-5型钻机，钻进深度1500m；XY-6型钻机，钻进深度2000m；XY-6B型钻机，钻进深度2400m。遗憾的是，在XY-钻机系列中，我国目前缺失XY-7型钻机，即钻进深度2500m的钻机。XY-6B型钻机的出现，无疑也是想迎合深部探矿的需要，弥补XY-6型钻机能力的不足。当然，还有其他需要。这里，可能令人费解的是，煤田深孔的前提是1000-1500m，最深不超过1700m，为什么跳过XY-6型，首选XY-6B型？为了说明这个问题，前面已经论述了煤田深孔钻探设备选型的原则与指导思想，XY-6B型钻机基本符合这些原则与指导思想。近年走出去看看，不少煤田施工1000-1500m的钻孔，虽然采用了XY-5、XY-6两种型号的钻机，但其中一部分还是传统的施工技术方法：即采用50mm的外丝钻杆、腐植酸钾泥浆、91（96、94）mm口径终孔。用有复合片钻头，但未采用金刚石绳索取心钻进技术。所以效率仍然偏低，液压立轴钻机变速范围宽的优越性难以发挥，也掩盖了钻机深孔适应性的矛盾。对XY-5型钻机，已有共识，采用S75、S75A绳索取心钻杆钻进，难以达到1500m的终孔深度；对XY-6型钻机，虽然广告上的钻进深度为2000m，实际能力同样如此。1500m怎么办？地层变化，超过设计孔深1500m怎么办？若推广金刚石绳索取心钻进，用于煤田深孔又怎么办？因而实践经验丰富的探矿工程师，只好着眼于XY-7型钻机的替代产品XY-6B型，后来又出现XY-6B型（HXY-6B型）。实际，XY-6B型钻机，为适应深部探矿的需要，是在XY-6型钻机的基础上，增加了强度，将立轴通孔直径由93mm增加到118mm，动力、扭矩、立轴最大起重力、卷扬机最大提升力等均没有什么变化。这里，首选XY-6B型钻机，用于煤田深孔，不是笔者一个人的意向，可以外出考察煤田深孔施工的先进地勘单位。4、推广全液压动力头钻机4全液压动力头钻机，自动化程度高、操作方便、无高空作业、安全环保、人性化设计、钻进参数任意选择等，有很多优越性，不少地勘单位在生产中已经得心应手，值得推广。目前用于深孔的钻机有：DX-5型、DX-6型（含HYDX-5A型、HYDX-5C型、HYDX-6型和其他厂家的同类产品）。需要在推广中注意的是，这种钻机在我国起步较晚，现场使用的时间较短，对现场使用中所发现的问题，仍处在改进阶段，不同厂家同类钻机的性能也各有差异。可在现场考察的基础上选择，逐步推广。 5、其他设备的配套泥浆泵：目前多采用BW250、BW320型泥浆泵。为满足深孔的需要，近年又研制开发了BW300/12A型双缸套8档泥浆泵、BW300/16型10档泥浆泵和BW280/30型5档超高压泥浆泵。前两种不仅可以满足泵量、泵压更精细的工艺要求，同时可用于冲击回转、螺杆钻进；后者可满足更深钻孔的需要。5钻塔：目前多采用四角塔和人字塔。近年厂家研制出了“塔机一体式”立轴岩心钻机，配套了液压油缸起塔和平移机构。但在选择时应注意其强度，往年研制的这种钻塔多用于中浅孔。四、煤田深孔配套的新技术与机具煤田深孔的设备选型，为配套新技术的推广打下了基础，而且已被煤田深孔施工的先进地勘单位所证实。1、“绳索取心配套技术”的挑战与竞争我国地质勘查系统，推广绳索取心钻进技术已经数十年，在经历了种种坎坷之后，借着改革开放的东风，逐步趋于完善。特别是近年，随着深部探矿的需求，市场的互补性顷刻显现出来，中国的、引进外国的各种系列的绳索取心钻具、钻杆和配套技术，应运而生。已经成熟的金刚石绳索取心钻进配套技术，跨进了煤田深部探矿的新时代，且见到了明显的成效。这一历史性的飞越，对于煤田深孔施工中仍然采用着传统作业方式的地勘单位，无疑是一种挑战，也是一种竞争。2、深孔金刚石绳索取心配套技术与机具的进展（1）钻杆：随着深部探矿的需求，近年的绳索取心钻杆出现了突飞猛进的发展：普通钻杆、两端加厚钻杆、高强韧接头钻杆、国际标准钻杆等，设计深孔1500m、2000m、2500m、3000m，均能得到满足，各厂家竞争也相当激烈。针对煤田深孔，目前不少地勘单位多采用S95A、S75A或JS75钻杆、钻具，因为这类产品相对便宜。当然，这要根据设计深孔选择，或为了减少孔内事故发生，选择强度更高的钻杆。S75A型钻杆、钻具，目前已有1650m的煤田深孔纪录；S95A型钻杆、钻具已有1479m的煤田深孔纪录1。采用无锡钻探工具厂生产的CNHT高强度绳索取心钻杆，在安徽省313地质队霍邱周集铁矿ZK1725孔，创造过2706.68m的深孔纪录。5（2）钻头：煤田深孔，采用传统的施工技术，频繁起下钻，是影响钻进效率的关键，所以要求推广金刚石绳索取心钻进技术。因为钻孔较深，而绳索取心，也必须最大限度地减少起大钻、延长钻头在孔底的作业时间。因而，对绳索取心金刚石钻头的寿命，就提出了更高的要求。高胎体桥式连接的金刚石钻头的出现，为提高煤田深孔效率，提供了利器。6现在，国内不少厂家所推出的这种类型的钻头，其胎体高度从常规金刚石钻头的12-14mm，提高到了23-26mm；其工作层的厚度，从6-8mm，提高到了15-17mm。桥式连接的目的，在于增强胎体强度。因而，出现了煤田钻探史上未曾有过的高寿命钻头，单个钻头进尺1180.72m的纪录。1（3）冲洗液：这里所谈的煤田深孔冲洗液，是为了满足金刚石绳索取心钻进所配制的冲洗液，冲洗液的工作环境是：孔深、金刚石钻进、高转速、绳索取心，这从概念上根本改变了煤田钻探传统作业方式所用的泥浆。因此要求这种冲洗液：有良好的造壁性、润滑性、流变性、抑制性（即抑制岩石水化、膨胀、分散的能力）；有良好的携带岩屑能力，且在绳取钻杆内壁不结垢，不影响打捞器的投放与打捞；有良好的降滤失性（即渗入到地层中的自由水相对较少，对煤层或不稳定地层的原胶结破坏较小）。7满足以上要求所配制的冲洗液，有LG植物胶无固相冲洗液、高密度低失水冲洗液、LBM增效冲洗液、HL冲洗液等，虽然都是煤系地层，但孔内情况各有差异，对冲洗液性能的要求也各有差异，这就需要探矿技术人员在现场，针对孔内的具体情况，展示“辨证论治”的本领。8（4）液动锤：绳索取心液动锤技术用于煤田深孔，在孔底实现冲击回转的工作状态，已经成熟。实践证明，这一新技术的应用可以解决四个方面的问题：提高机械钻速（即小时效率），进而提高台月效率、提高回次进尺、提高岩心采取率、缓解内管投放和打捞困难问题。有资料表明：平均小时效率可提高46，回次进尺可提高2-3倍，采取率可提高20。根据现场实践，这里推荐SYZX系列的绳索取心液动锤，即SYZX-75、SYZX-95两种规格。9（5）动力钳：因为深孔施工加大了绳索取心钻杆卡、夹、拧、卸的劳动强度，增加了辅助时间，仅靠人工完成的传统作业方式，已经严重影响到台月效率的提高。为此，中国地质装备总公司推出了SQ系列液压动力钳，不仅减轻了劳动强度、减少了人身伤害事故，同时也减轻了对钻杆丝扣的损害、提高了钻杆的使用寿命。其型号为：SQ114/8型绳索取心钻杆专用液压动力钳。5（6）绞车：传统的绳索取心绞车，由于操控、监测、稳定性等原因，频频造成打捞失败，被迫起大钻，更不适合深孔使用。因而，中国地质装备总公司研制出了适合深孔使用的KZ3000型液压驱动绳索取心绞车。该绞车带有张力传感器、深度传感器及自动排绳装置。工作平稳，对深度、速度、张力均可精确控制，大大提高了内管打捞的成功率；自动排绳装置，实现了钢丝绳整齐有序排列，满足了煤田深孔的需要。5（7）夹持器：随着钻孔的不断加深，钻杆重量逐步增加，原来使用的S75-J型木马夹持器，由于夹持能力小（仅90KN），不适应煤田深孔的需要，因而设计了BS75-J加重型闭式木马夹持器。这种夹持器增加了夹持钻杆的环状面积，夹持能力达到150KN，同样可以夹持71mm、89mm直径的各类型绳索取心钻杆。1（8）水龙头：煤田深孔，金刚石绳索取心钻进，对水龙头也提出了更高的要求：适应大压力、高转速、适当增加通水孔直径。可以委托厂家加工，也可以自制。下面推荐某地勘单位自制加强型水龙头的技术参数：适应压力05MPa、适应转速01250r/min、通水孔直径22mm。1还有一些其他配套机具，如深孔配电柜、搅拌机等，不少地勘单位已各有千秋。五、转变思想与技术观念涉及的技术（1）转变思想观念：煤田钻孔，采用金刚石绳索取心钻进技术，在改革开放前并不成熟，而在近年出现了煤田深孔，探矿人迫切需要这项技术，加之诸厂家的开发、引进，从设备到机具，使其得到迅猛发展。不但已经成熟，而且见到了成效，创造了辉煌。即便这样，要全面推广这项技术，本身就有一个思想观念的转变问题。几十年的煤田钻探施工，给不少地勘单位留下了一大堆旧设备、旧管材、旧钻具等，今天要全部淘汰，没有政策和领导的支持，谈何容易。且不少地勘单位，探矿这一块自负盈亏，人才匮乏，财力短缺，有很多具体问题需要解决。这一思想观念的转变问题，不多深谈，但要跨入煤田深孔施工的新技术行列，参与市场竞争，最终必须转变。已经采用液压立轴钻机施工煤田深孔的地勘单位，从设备到机具、技术，有的也走了很多弯路，金刚石绳索取心钻进配套技术，并没有得到全面推广，同样存在着转变问题。（2）转变技术观念涉及到的技术1）技术套管：往年在煤田钻孔施工中，提倡裸眼钻进。为实现裸眼钻进，在泥浆上确实花费了很大功夫，现在穿过第四纪厚大覆盖层，同样需要在泥浆上下功夫。今天，为了在煤田深孔中实现金刚石绳索取心钻进，技术套管的作用显现出来。即穿过厚大覆盖层，见到基岩较完整的岩石后，及时下入技术套管。观念转变了，理解了，就不要再去争论、不要犹豫，事先做好准备。近年从多个煤田深孔已经得到证明，89mm技术套管的长度下入1000余米的钻孔，已不鲜见。2）事故处理：在往年计划经济时期、在教科书和操作规程中，提、拉、吊、打、锥、反对孔内事故的处理规定，相当具体。而在今天，以效益为首，以快为先，这一技术观念的转变，也需要以技术实力作保证，将事故处理时间压缩到最低限度。作为煤田深孔，如果说遇到孔内难以处理的事故，假设300m移孔，600m咬着牙移孔，800m？1000m？1200m怎么办？如果像施工浅孔一样，事先没有技术准备，遇到什么事故，加工什么处理事故的工具，甚至一个孔内事故处理月余，或时间更长，劳民伤财，就说明这个机台并不具备施工煤田深孔的技术能力。3）煤田深孔同径偏斜技术：这一技术有两项用途：一是，补取煤心；二是，快速甩掉孔内疑难事故。其技术难度在于“同径偏斜”。补取煤心，相对难度较小，只不过属于煤田深孔而增加了一定难度，近几年1000m以下补取煤心的钻孔，已经积累了不少经验，不多叙述。在煤田深孔，采用同径偏斜技术，快速甩掉孔内疑难事故， 其技术难度就大大增加：一是，同径偏斜；二是，采用的是与孔壁间隙较小的绳索取心钻具；三是，孔深。同时存在着一个问号：一次可以，数次是否可行？所以，这里也有一个技术观念问题：消除顾虑、大胆实践、走向成熟。可以说，这是快速甩掉孔内疑难事故的捷径，也是唯一途径。不论浅孔、深孔，发生难以处理的孔内事故，把钻杆反出来或反出一部分，不要处理了，如果掌握了同径偏斜技术，快者34天，慢者一周，即可顺利甩掉孔内疑难事故。煤田孔为沉积岩地层，绝大部分岩石级别不高，更易实现偏斜、造孔、修磨。实践证明，只要掌握了技术关键，一个个难题便迎刃而解。在一个钼矿，金刚石钻进，笔者曾经有过在同一个钻孔中进行9次同径偏斜的实践，用于钻孔定向纠斜。钻孔修磨好了，同样不影响开动高转速。这里面的技术关键大体包括：偏斜器的材质、度数、下入和固定方法、锥形钻头的结构及偏斜步骤、“狗腿弯”的逐级修磨、磨孔、转入正常钻进等，当然操作者也非常重要。因为本文不以此为专题，不便多述。104）水泥护孔：这本不是什么技术难题，机、班长几乎人人掌握。但是，对于煤田深孔，在深部遇到长孔段的坍塌、漏失，起钻后再次下钻时发现数米沉渣