葉蘭肅, 苗曉曉, 王建興, 劉建福, 孫秀梅, 饒劍輝

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河 065201)

91單動三重半合管鉆具的研制與應(yīng)用

葉蘭肅, 苗曉曉, 王建興, 劉建福, 孫秀梅, 饒劍輝

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河 065201)

為了提高松軟復(fù)雜地層巖礦心采取率和巖礦心的質(zhì)量，彌補普通雙管鉆具取心功能的不足，特別研制了91單動三重半合管鉆具。介紹了鉆具的結(jié)構(gòu)、工作原理、組裝、維護保養(yǎng)及在3個不同礦區(qū)5個鉆孔的野外生產(chǎn)應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明，該鉆具適宜松散地層鉆進，巖礦心采取率達到了100%，同時防止了巖礦心被外界擾動，保持了巖礦心的原狀性，提高了巖礦心的質(zhì)量并利于巖礦心后期的運輸與儲藏。

單動三重半合管鉆具；半合管；自鎖結(jié)構(gòu)；護心管；箍緊裝置；巖礦心采取率

1 概述

鉆探技術(shù)是一種直接依賴于取心鉆具從地下取出實物巖礦樣品的勘查技術(shù)方法。在巖心鉆探中，經(jīng)常會遇到極破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層，巖礦心采取率低或者巖礦心質(zhì)量不能保證。目前深孔大口徑取心鉆探工作需求加大，同樣也面臨著取心難的問題[1]。

目前使用的普通鉆具一般直接從剛性巖心管敲打倒出巖礦心，在卸取巖礦心的過程中，破碎巖礦心的原狀性就會被破壞，置放在巖心箱的巖礦心直接裸露于空氣中，導(dǎo)致巖礦心水分的揮發(fā)，巖礦心進行包裝試驗，試驗前無一例外地受到擾動，因此，不同程度地影響巖礦心物理化學(xué)指標(biāo)化驗的準(zhǔn)確度及完整度。隨著地質(zhì)找礦對取心要求向更精細方向發(fā)展的要求，我們研制了91單動三重半合管鉆具，滿足了對地質(zhì)鉆探取樣技術(shù)的更高要求[2-3]。

通過在河北省樂亭縣魯家坨礦區(qū)(ZK28-3)、河北省圍場滿族蒙古族自治縣龍頭山銀多金屬礦區(qū)(ZK701、ZK001)以及河北省高樓喬官屯、小石各莊礦區(qū)(QZK03和QZK05)，3個不同礦區(qū)5個鉆孔的生產(chǎn)試驗，累計總進尺510 m，在生產(chǎn)應(yīng)用過程中結(jié)合出現(xiàn)的問題及時對鉆具進行改進完善，鉆進過程巖礦心防止被沖刷、免受外界沖擊擾動，提高了巖礦心質(zhì)量和采取率，有利于巖礦心后期運輸與儲藏和鑒定分析。

2 91單動三重半合管鉆具的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路和要求

設(shè)計思路：以?91 mm口徑為基礎(chǔ)，由外管、半合管、護心管3層組成。鉆具工作穩(wěn)定可靠，組裝拆卸快捷方便，操作簡單便于維修；適應(yīng)復(fù)雜地層鉆進，能夠降低外界對巖心的不利影響，防止沖洗液對巖心的沖刷和污染，提高巖心采取率，有利于后期巖心的搬運儲藏，防止破碎巖心的散落丟失，能夠很好地保證巖心的完整度。

要求：鉆具工作原理要科學(xué)合理，具有通用性和實用性；鉆具設(shè)計符合規(guī)范要求，工作穩(wěn)定可靠，易操作易維修；半合管設(shè)計自鎖結(jié)構(gòu)，便于組裝和拆卸；護心管材質(zhì)選擇透明度高、韌性強、性能穩(wěn)定無污染的塑料材質(zhì)[5]。

2.2 設(shè)計具體方案

(1)能夠在不變現(xiàn)有設(shè)備及鉆具級配的條件下使用；(2)內(nèi)管采取半合管自鎖結(jié)構(gòu)，卸取巖心快捷方便，提高施工效率；(3)在半合管內(nèi)增設(shè)一層護心管，有利于后期巖心的搬運和保管，更好地保持巖心的原狀性，提高保真度;(4)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，現(xiàn)場工作人員易于掌握接受[6]。

3 鉆具的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

3.1 鉆具結(jié)構(gòu)

鉆具總由17個部件組成，主要分3大部分：單動機構(gòu)、外管總成和內(nèi)管總成。單動機構(gòu)：由兩個推力軸承通過一根芯軸串聯(lián)，自上而下由備母、芯軸、密封膠圈(YXD30)、8206軸承及軸承護罩組成；外管總成：外管接頭、外管、擴孔器和鉆頭；內(nèi)管總成：半合管接頭、半合管、接箍、卡簧座、卡簧、護心管、箍緊母、箍緊座。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2 鉆具主要結(jié)構(gòu)

3.2.1 單動結(jié)構(gòu)

圖1 91單動三重半合管鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

單動機構(gòu)主要包括芯軸、兩副向心推力軸承(規(guī)格為8206，分別在芯軸軸肩上下各安裝一副)、兩個密封膠圈(規(guī)格為YXD30，其中一個放在護罩中，另一個放在半合管接頭中)和護罩(見圖2)。

圖2 91單動三重半合管鉆具單動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

采用單動機構(gòu)是為了在鉆具鉆進過程中，保證內(nèi)管總成不轉(zhuǎn)動，而外管總成隨鉆桿高速旋轉(zhuǎn)鉆進，使巖礦心最大程度上不受外界擾動。單動機構(gòu)中的芯軸上下兩端分別連接外管接頭和半合管接頭，同時又固定支撐了軸承，通過兩副向心推力軸承起到單動作用。在鉆進過程中動力傳遞到外管接頭→外管→擴孔器→鉆頭進行回轉(zhuǎn)鉆進，而由半合管和護心管等組成的內(nèi)管總成不動，因此起到了很好保護巖心的作用，降低了外界對巖心的擾動。在設(shè)計過程中為了提高單動效果，設(shè)計采用了兩副軸承。野外生產(chǎn)試驗過程中單動效果良好，證明單動機構(gòu)設(shè)計是合理有效的[5]。

3.2.2 自鎖半合管

(1)自鎖半合管規(guī)格。選擇普通雙管?91 mm鉆具的內(nèi)管作為半合管，規(guī)格為?77 mm×?70 mm，半合管長度依據(jù)護心管的長度而定，長度為1475 mm[5]。

(2)半合管自鎖結(jié)構(gòu)。在內(nèi)管采取半合管形式的同時還設(shè)計了自鎖結(jié)構(gòu)，便于快捷組裝鉆具，快捷提取巖心，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。野外生產(chǎn)試驗證明這種設(shè)計是科學(xué)合理的。

依據(jù)半合管的長度設(shè)計了2組自鎖結(jié)構(gòu)，兩者相距50～52 mm，起始角為α，結(jié)束角為β，起始角切割高度距中心線為L。半合管自鎖結(jié)構(gòu)示意見圖3，半合管自鎖結(jié)構(gòu)實物見圖4[6]。

圖3 半合管自鎖結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 半合管自鎖結(jié)構(gòu)實物圖

3.2.3 護心管

(1)護心管用途及作用。護心管的作用主要是用來避免在鉆進過程中液體對巖心的沖刷以及外力對巖心造成的振動和沖擊，以能更好地保持巖心的原狀性和提高巖心保真度和采取率，有利于巖心后期的運輸儲藏等，減少巖心在地表人為損壞、防止散落和丟失。

(2)護心管材質(zhì)及規(guī)格。設(shè)計過程中考慮到巖礦心進入護心管盡量減少阻力，因此要求護心管要光滑。為了便于后期觀賞檢測巖礦心，要求護心管要高度透明。因設(shè)計管壁間隙有限，要求護心管壁薄并具有一定的韌性和環(huán)保性。通過大量的資料收集分析及樣品觀察實驗，優(yōu)選PETG透明管作為護心管材料，很好地滿足了設(shè)計要求。

采用普通雙管?91 mm鉆具的內(nèi)外管規(guī)格，首先設(shè)計的護心管管壁為0.5 mm；同時考慮到鉆頭內(nèi)徑及卡簧座、卡簧等規(guī)格及配合間隙，依據(jù)護心管與半合管之間配合間隙及半合管的同軸度，設(shè)計確定護心管規(guī)格；考慮到破碎復(fù)雜地層鉆進取心困難和回次進尺較淺的特點，設(shè)計護心管長度為1500 mm。護心管樣品見圖5。

圖5 護心管樣品

3.2.4 護心管箍緊裝置

最初設(shè)計的利用卡環(huán)支撐穩(wěn)定護心管，通過野外生產(chǎn)試驗，遇到破碎巖層時卡環(huán)不能把護心管緊緊地卡固，造成護心管被輕易地推擠到半合管上端，巖礦心不能順利進入護心管，在這種情況下，我們把卡環(huán)優(yōu)化設(shè)計成箍緊裝置，其由箍緊母和箍緊座組成。

箍緊裝置的目的是箍緊固定護心管，防止護心管被巖心擠壓堆疊上移，同時防止被巖心向上擠壓拉斷。具體操作過程是：在護心管的下端從外面先套上箍緊母，起到從外面抱緊護心管的作用；然后從護心管下端沿護心管內(nèi)壁插進箍緊座，起到由里往外撐緊護心管的作用。

箍緊裝置的設(shè)計：在箍緊母與箍緊座擰合接觸的相應(yīng)部位進行了錐度和粗糙度的設(shè)計處理，以增加兩者箍緊護心管的箍緊程度和牢固程度。圖6為箍緊裝置組裝示意圖，箍緊裝置組裝實物見圖7[6]。

圖6 箍緊裝置組裝示意圖

圖7 箍緊裝置組裝實物圖

3.3 91單動三重半合管鉆具重要指標(biāo)參數(shù)

鉆頭內(nèi)臺階與卡簧座的間隙：松散粗砂地層間隙調(diào)節(jié)為2～3 mm；泥質(zhì)地層為了避免糊鉆，兩者間隙可增大到5～6 mm。

鉆頭外徑91～95 mm，內(nèi)徑63 mm；半合管長1475 mm；護心管長1500 mm；鉆具總長1940 mm；鉆具總質(zhì)量17.51 kg。

3.4 工作程序

野外施工應(yīng)用時，與普通單動雙管?91 mm鉆具設(shè)備配備與級配一致，首先把鉆具的外管接頭與鉆桿接頭相連接，送入孔內(nèi)，到達孔底最初輕壓慢轉(zhuǎn)磨合后，調(diào)節(jié)鉆壓泵量和轉(zhuǎn)速進行正常鉆進，正常鉆進時結(jié)合地層特點調(diào)節(jié)適宜的鉆進參數(shù)，鉆進過程巖心能夠進入護心管，避免液體的沖刷以及外力的沖擊和振動，能夠保持巖心的原狀性，提高巖心的保真度。回次進尺結(jié)束后，停鉆提取鉆具，拆卸鉆具能夠整體打開半合管，然后取出護心管及巖心，把護心管及巖心鋸斷依次放入巖心箱，護心管能防止巖心水分揮發(fā)，有利于巖心化學(xué)物理性能的鑒定分析，同時有利于巖心后期運轉(zhuǎn)、儲藏，有效避免破碎巖心的散落和丟失。

4 鉆具的組裝與維護保養(yǎng)

首先對加工完的鉆具試驗樣機各構(gòu)件依據(jù)加工圖紙進行檢查核對，并進行初步的裝配，及時并及早修改配合間隙和設(shè)計上的不合理處，對各構(gòu)件進行熱處理和發(fā)藍處理，依照鉆具裝配圖自上而下分以下步驟進行組裝調(diào)試，組裝過程中對構(gòu)件的絲扣及軸承副進行擦油處理。

4.1 單動機構(gòu)的組裝

首先把軸承副抹油處理，與芯軸配合安裝，軸承組裝完畢套上軸承護罩，并分別在芯軸上下分別連接好外管接頭和半合管接頭。要求裝配完成后一定要保證單動機構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活，滿足設(shè)計要求。

4.2 箍緊裝置與護心管的連接

首先核對箍緊母和箍緊座的錐面對應(yīng)關(guān)系，然后分別套在護心管下端的外面和插進護心管的里面，將連接好箍緊裝置的護心管插接到卡簧座內(nèi)部的臺階上，然后把護心管整體放入半合管中。

4.3 半合管的組裝

首先把半合管內(nèi)外管壁清理干凈，保持光潔。把放入護心管后的半合管上端通過絲扣用接箍連接牢固，下端用卡簧座絲扣連接牢固，連接卡簧座時先把卡簧置入卡簧座內(nèi)。

4.4 內(nèi)管總成的連接

將組裝好的單動機構(gòu)護罩下端與半合管接頭連接好，半合管接頭下端絲扣連接好接箍，這樣內(nèi)管總成連接完成。

4.5 外管總成的連接

首先把外管總成構(gòu)件的絲扣進行抹油處理。把擴孔器和鉆頭先連接，然后轉(zhuǎn)動半合管，檢查鉆具的同軸度，外管接頭與外管等其它機構(gòu)組裝完畢后，把外管下端與擴孔器相連接。

4.6 鉆具的維護保養(yǎng)

鉆具的維護與保養(yǎng)從以下幾方面著手：

(1)為了避免半合管變形，鉆具運輸搬運過程中盡量裝箱；

(2)施工過程中單動機構(gòu)一般在鉆進30～40 m后要清洗一次，及時檢查軸承與密封圈，發(fā)現(xiàn)損壞及早更換；

(3)對半合管及時擦洗內(nèi)壁并在絲扣處涂油預(yù)防生銹；

(4)保管鉆具時，要把鉆具清洗干凈，并在絲扣處加油避免銹結(jié)，然后組裝好半合管防止變形。

5 野外生產(chǎn)試驗應(yīng)用情況

鉆具樣機在3個礦區(qū)5個鉆孔中進行了生產(chǎn)試驗，累計進尺510 m，取得了較好的效果。

5.1 河北省樂亭縣魯家坨鐵礦普查(續(xù)作)施工礦區(qū)生產(chǎn)試驗情況

5.1.1 礦區(qū)地層特點

該礦區(qū)覆蓋層較深，平均900 m左右，約700 m以淺為第四系地層[7]。

5.1.2 鉆進工藝

(1)鉆孔結(jié)構(gòu)：施工鉆孔為直孔，孔深設(shè)計1100 m，實際終孔1122.70 m。開孔口徑150 mm，下入2層套管后變?yōu)?77 mm直至終孔。

(2)沖洗液：第四系覆蓋層采用泥漿護壁，基巖孔段基本上以清水加皂化油鉆進為主。因孔內(nèi)漏水、涌水，為減少鉆具摩擦阻力，降低成本，采用清水鉆進，鉆桿外部涂抹黃油，絲扣部位涂絲扣油。

(3)鉆進方法：開孔先用單管鉆進，換徑后用?89 mm雙管鉆進，換至?77 mm后采用金剛石繩索取心鉆進至終孔。

(4)所用設(shè)備：XY-44、HXY-6B型鉆機，SG18型四角鉆塔，BW-250型泥漿泵，?71 mm鐓粗鉆桿，配常用打撈器和深孔繩索取心安全打撈輸送器各一套，繩索絞車一臺。

(5)鉆進參數(shù)：輕壓慢轉(zhuǎn)，利用鉆鋌自重加壓，采用減壓鉆進和吊打的方式，確保鉆孔垂直度[8]。

5.1.3 生產(chǎn)試驗效果

于2016年7月15—17日在鉆孔ZK28-3下鉆試驗(試驗孔深280～390 m)，總進尺110 m,試驗回次72次，巖心采取率為100%，護心管無損壞，巖心進入護心管達100%。

5.2 河北省圍場滿族蒙古族自治縣龍頭山銀多金屬礦區(qū)生產(chǎn)試驗情況

5.2.1 礦區(qū)地層特點

第四系覆蓋層在0～10 m；安山巖、蝕變礦化帶在10～60 m；角礫巖、花崗細晶巖鉛鋅礦化帶、變花崗閃長巖、安山巖等在60～300 m。

5.2.2 鉆進工藝

(1)鉆孔結(jié)構(gòu)：施工鉆孔為斜孔，ZK001孔孔深設(shè)計440 m，實際終孔440.23 m。ZK701孔設(shè)計孔深290 m，終孔實際為290.93 m。開孔直徑110 mm，下入2層套管后以?75 mm直至終孔。

(2)鉆進方法：?110 mm開孔，先用單管鉆進，換徑后用?91 mm雙管鉆進，?75 mm金剛石雙管取心鉆進至終孔。采用正常鉆進施工參數(shù)。

(3)鉆進設(shè)備：XU-4型鉆機，SG13型四角鉆塔,?71 mm鉆桿，BW-250型泥漿泵。

5.2.3 生產(chǎn)試驗結(jié)果

在鉆孔ZK001試驗115 m,試驗78回次，巖心采取率97%，15次護心管部分損壞，巖心進入護心管達78%。在鉆孔ZK701試驗45 m,試驗34回次，巖心采取率96%，5次護心管部分損壞，巖心進入護心管達96%。生產(chǎn)試驗過程中下鉆前調(diào)試鉆具見圖8，巖礦心堅硬破碎護心管被擠壓斷見圖9。

圖8 調(diào)試鉆具

圖9 巖礦心破碎護心管被擠壓斷裂

5.3 河北省高樓橋官屯、小石各莊礦區(qū)生產(chǎn)試驗情況

5.3.1 礦區(qū)地層特點

該礦區(qū)0～120 m為第四系覆蓋層，其中0～50 m主要是耕土、粉質(zhì)粘土和細砂，礦物為長石、石英、云母等；5～7 m為粉土夾層；細砂、中砂、粉質(zhì)粘土、粉土主要分布在50～120 m。

5.3.2 鉆進工藝

(1)鉆機：PD100型汽車鉆。

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)：施工鉆孔均為直孔，ZK01、ZK03孔孔深設(shè)計均為120 m，開孔口徑110 mm，一徑到底。

(3)鉆進參數(shù)：輕壓慢轉(zhuǎn)，利用鉆鋌自重加壓，采用減壓鉆進和吊打的方式，確保鉆孔垂直度[8]。

5.3.3 生產(chǎn)試驗結(jié)果

于2016年9月13—15日和9月23—26日分別在QZK03和QZK05進行全孔試驗，試驗總進尺240 m，巖心采取率100%，護心管完好無損，巖心進入護心管100%。在該礦區(qū)野外試驗階段收集的有關(guān)資料見圖10～圖12。

圖10 打開半合管帶有護心管的巖礦心

圖11 從護心管取出的巖礦心

圖12 普通鉆具取出的巖礦心

5.4 小結(jié)

通過在3個不同礦區(qū)的相應(yīng)5個鉆孔的野外生產(chǎn)試驗，91單動三重半合管鉆具比較適宜鉆進覆蓋軟土層，鉆具工作穩(wěn)定可靠，巖礦心采取率高達96%～100%；松軟的巖礦心很容易進入光滑的護心管內(nèi)，護心管不易被損壞；巖礦心水分不容易揮發(fā)，同時巖礦心不受外界擾動能很好地保持巖礦心的原狀性。

6 結(jié)論

通過生產(chǎn)應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論。

(1)該鉆具具有一定的創(chuàng)新性。鉆具增設(shè)保護巖礦心的護心管結(jié)構(gòu)，彌補了常規(guī)雙管取心鉆具功能的不足，巖礦心的質(zhì)量和采取率得到了提高，巖礦心后期運輸與儲藏得到了保證。

(2)半合管采取自鎖結(jié)構(gòu)，組裝及拆卸鉆具提取巖礦心快捷方便，提高了施工效率，減輕了人工施工強度。

(3)通用性、實用性強。能夠在不變現(xiàn)有設(shè)備及鉆具級配的條件下使用，容易得到推廣應(yīng)用。

(4)工作性能穩(wěn)定可靠，鉆具結(jié)構(gòu)簡單易操作調(diào)試，便于維護和保養(yǎng)，得到鉆探生產(chǎn)人員的認(rèn)可和歡迎。

(5)更適宜松軟砂土層鉆進，巖礦心采取率達100%，護心管完好無損。

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Development of 91 Single-action Triple Coupling Pipe Core Drilling Tools and Its Application

YELan-su,MIAOXiao-xiao,WANGJian-xing,LIUJian-fu,SUNXiu-mei,RAOJian-hui

(The Institute of Exploration Technology, Hebei Provincial Bureau of Ge-exploration and Mineral Development, Sanhe Hebei 065201, China)

In order to improve the core recovery and the quality in complex soft strata to compensate the functions of common double-pipe drilling tools, 91 single-action triple coupling pipe drilling tool was particularly developed. This paper introduces the drilling tool about its structure, working principle, assembly, maintenance and the field application in 5 boreholes of 3 different mining areas. The application results show that this drilling tool is suitable for loose formation drilling with core recovery up to 100% and with no core disturbance. The cores are kept being undisturbed, the improved cores quality is benefited for post transportation and storage.

single-action triple coupling pipe drilling tool; coupling pipe; self locking structure; core protecting pipe; core protecting pipe fixing ring; core recovery

2017-05-17

葉蘭肅，女，漢族，1970年生，高級工程師，從事鉆探技術(shù)研究工作，河北省三河市燕郊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)燕靈路口西，yelansu@126.com。

P634.4+3

B

1672-7428(2017)07-0056-06