米樹剛，李建華，李 健，高 磊

（北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司，北京100071）

1 概述

鉆探工程是礦產(chǎn)勘查的重要技術(shù)方法之一，是能夠直接從地下巖層獲取實(shí)物樣品的唯一手段，只有拿到實(shí)物樣品才能驗(yàn)證礦藏的存在。實(shí)現(xiàn)地質(zhì)找礦突破戰(zhàn)略，不僅要在找礦理論上有所突破，鉆探工藝方法及鉆探技術(shù)裝備的突破更是關(guān)鍵［1］。鉆探裝備進(jìn)步主要體現(xiàn)在設(shè)備的自動化、智能化、模塊化、輕便化等方面［2］，達(dá)到提高金剛石繩索取心效率和質(zhì)量的目的。

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)開發(fā)了電控自動化系統(tǒng)，包括采用“機(jī)電液一體化”技術(shù)［3］和PLC邏輯反饋控制技術(shù)，配置鉆進(jìn)參數(shù)自動檢測和控制系統(tǒng)，配置鉆桿自動移擺管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過程自動化和信息化，提高了鉆進(jìn)效率。本文將結(jié)合該鉆機(jī)在山東平度市的工程施工實(shí)例，對該鉆機(jī)在施工中的應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)。

2 CSD1800ZD 型鉆機(jī)簡介

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)（圖1）是國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“多金屬礦巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)裝備聯(lián)合研發(fā)及示范”項(xiàng)目中，由北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司針對在俄羅斯推廣應(yīng)用，結(jié)合我國全液壓巖心鉆探裝備與技術(shù)而研發(fā)生產(chǎn)的。該鉆機(jī)具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）移動便捷，就位準(zhǔn)確［4］；

（2）多種合理的功能配置，在液壓控制系統(tǒng)的支持下，保證了鉆進(jìn)效率［5］；

（3）采用電液混合控制形式，液壓控制形式保證了設(shè)備的使用可靠性，電氣控制實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化、自動化鉆進(jìn)和自動提下鉆模式；

（4）全面多項(xiàng)安全防護(hù)措施設(shè)計，施工安全性高；

（5）人性化設(shè)計，勞動強(qiáng)度低［6］。鉆機(jī)主要由底盤模塊、桅桿模塊、動力頭模塊、動力系統(tǒng)模塊、液壓系統(tǒng)模塊、電氣系統(tǒng)模塊以及相關(guān)輔助功能模塊等組成（見圖1）。鉆機(jī)主要性能參數(shù)如表1 所示。

圖1 CSD1800ZD 型鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of CSD1800ZD drill

表1 CSD1800ZD 型鉆機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of CSD1800ZD drill

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

工程位于山東省平度市云山鎮(zhèn)的山旺-上馬臺礦區(qū)，勘查區(qū)地層為古元古界荊山群和新生界第四系。荊山群沿招平斷裂帶及平度斷裂帶的上盤展布，構(gòu)成區(qū)內(nèi)地層主體，巖性為一套含石墨巖系的透輝變粒巖、黑云變粒巖、淺粒巖及大理巖透鏡體、長石石英巖，以及含石墨的石榴矽線黑云斜長片麻巖等。新生界第四系分布于礦區(qū)的東南部，巖性為山前堆積的殘坡積物，沖積平原相沉積物，河床河漫灘相沖積物。地層情況為：0～61 m 為表土、腐殖土、砂等；61～164 m 為黑云斜長變粒巖、絹英巖化變粒巖、絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖；164～420 m 為絹英巖化花崗巖和二長花崗巖。巖石可鉆性7～10級，局部研磨性強(qiáng)，該區(qū)局部構(gòu)造破碎帶尤為發(fā)育。

3.2 施工概況

施工孔設(shè)計孔深420 m，傾角77°，方位角315°，由山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊進(jìn)行施工。

鉆機(jī)現(xiàn)場就位后，經(jīng)地質(zhì)單位進(jìn)行孔位及方位角測量確認(rèn)，開始施工作業(yè)。開孔采用?114 mm 鉆桿，配置?152 mm 復(fù)合片鉆頭，鉆機(jī)采用主動加壓鉆進(jìn)，該孔段土質(zhì)疏松，含礦量大，采用重密度泥漿護(hù)壁，鉆深60.7 m 到達(dá)巖層，下入?146 mm 套管。

二開仍采用?114 mm 鉆桿，更換?122 mm 金剛石繩索取心鉆頭，進(jìn)行高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，配合6 m 鉆桿提升能力的液壓主絞車完成提下鉆作業(yè)，10 個臺班鉆深至126.86 m，下入?108 mm 套管。此孔段破碎層較多，泥漿漏失嚴(yán)重，不過仍保持了較高的取心率。

三開更換?91 mm 鉆桿和?95.5 mm 繩索取心鉆頭，鉆深至420 m，地質(zhì)單位測井后2 次進(jìn)行加深，順利終孔459.16 m。該孔段多含石英類高硬度巖層，鉆機(jī)主要以高轉(zhuǎn)速大扭矩合理控制鉆壓鉆進(jìn)，保持了較高的鉆速，最高鉆速達(dá)到8.28 m/h。此外在此孔段，多臺班應(yīng)用電控參數(shù)化鉆進(jìn)和自動移擺管提下鉆作業(yè)，并進(jìn)行泥漿配比、新工藝鉆具等多項(xiàng)科研試驗(yàn)應(yīng)用。

全孔共計施工53 個臺班，純鉆時間約131 h，綜合鉆機(jī)臺月效率761 m。施工概況如表2 所示。

4 應(yīng)用情況分析

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)是一種電控全液壓驅(qū)動的鉆機(jī)，分別設(shè)計有液壓控制系統(tǒng)和電控控制系統(tǒng)，具有全液壓動力頭鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)［7］：動力頭式的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、長行程的給進(jìn)系統(tǒng)、液壓絞車的提升系統(tǒng)、無級調(diào)速、過載保護(hù)等［8］。電控系統(tǒng)的特點(diǎn)是：數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測的顯示系統(tǒng)［9］、自動鉆進(jìn)的控制系統(tǒng)、多重安全防護(hù)保護(hù)系統(tǒng)。電控和液壓技術(shù)的結(jié)合提升了鉆機(jī)的自動化和信息化水平。

表2 施工概況Table 2 Drilling overview

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)完成了從就位開孔到終孔整個孔的施工，具體施工應(yīng)用情況從如下幾個方面分別介紹。

4.1 車載運(yùn)輸形式

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)針對俄羅斯“東西伯利亞金屬”公司處于遠(yuǎn)東的礦業(yè)資源研發(fā)，施工地主要位于布里亞特共和國和后貝加爾邊疆區(qū)，該礦區(qū)氣溫低、人口稀少、幅員遼闊、地層復(fù)雜，道路運(yùn)輸條件相對較好，資源分布范圍廣，為此，該鉆機(jī)采用了自主上卸車的車載運(yùn)輸形式并配置有支腿無線遙控器，進(jìn)行現(xiàn)場布置以及底盤調(diào)平與鉆塔角度調(diào)整等就位操作非常便利，可以提高轉(zhuǎn)場的便利性，適用于遠(yuǎn)途運(yùn)輸。

4.2 雙重保護(hù)的液壓支腿鎖止功能

該鉆機(jī)配置有液壓鎖止和機(jī)械鎖止雙重保護(hù)功能（如圖2 所示），既保留了液壓支腿調(diào)平的便利性，也防止了支腿回縮的問題，通過此次近一個月的施工應(yīng)用驗(yàn)證，支腿實(shí)現(xiàn)了零回縮。這樣就解決了液壓支腿在長時間鉆進(jìn)作業(yè)時，液壓油內(nèi)泄造成支腿回縮，也稱“軟腿”現(xiàn)象［10］，增強(qiáng)了鉆機(jī)的平穩(wěn)性。

4.3 數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測和顯示

全液壓控制的鉆機(jī)是通過各種指針式壓力表對鉆進(jìn)工況進(jìn)行顯示，一般只能提供給進(jìn)油缸的上下腔壓力，折算后間接得到鉆壓，對鉆進(jìn)位移、速度，動力頭扭矩以及泵沖流量等參數(shù)，只能通過操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷［11］，既不準(zhǔn)確也需要操作人員具有豐富的技能儲備。

圖2 鉆機(jī)液壓支腿Fig.2 Hydraulic legs of the drill

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)電控系統(tǒng)配置有野外專用多功能顯示屏（如圖3 所示）和各種監(jiān)測傳感器，對發(fā)動機(jī)工況、鉆進(jìn)工況和打撈工況的相關(guān)參數(shù)，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和報警、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆速、流量、泵壓、振動等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和數(shù)字化顯示，電子數(shù)據(jù)采集有利于實(shí)時、真實(shí)地反映施工工況，并準(zhǔn)確地進(jìn)行施工工藝控制。特別是動力頭實(shí)時位置、實(shí)時鉆進(jìn)速度和泥漿泵流量等鉆進(jìn)參數(shù)，給現(xiàn)場操作提供了方便，受到現(xiàn)場操作人員的歡迎。繩索打撈監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩收放速度、打撈矛位置、拉力的實(shí)時監(jiān)測，并在到達(dá)孔底前20 m 進(jìn)行到位預(yù)報警，提高了操作的安全性，并且可以對打撈是否成功和卡阻情況的判斷提供依據(jù)。

圖3 多功能顯示屏畫面Fig.3 Multi?function display screen

鉆進(jìn)中的鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆速、扭矩、振動、泵壓、泵量、孔深可按照每秒兩組的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲并可方便下載；其中部分鉆進(jìn)參數(shù)可以在屏幕形成數(shù)據(jù)變化曲線，顯示直觀而且易于參考判斷。圖4 和圖5 是依據(jù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行整理得到的設(shè)備工作狀態(tài)變化趨勢圖。

圖4 機(jī)械鉆速與輸出功率變化趨勢Fig.4 Change trend of ROP and output power

圖5 輸出功率與液壓油溫度變化趨勢Fig.5 Change trend of output power and hydraulic oil temperature

由圖4 可以看出，102～427 m 孔段，主軸平均輸出功率為21.7 kW，最高36 kW，可實(shí)時監(jiān)測鉆機(jī)的工作能力。

由圖5 可以看出，液壓油溫度隨輸出功率的變化而變化，但基本維持在40 ℃左右，說明液壓系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理。

4.4 鉆進(jìn)安全防護(hù)技術(shù)

為保障人員和設(shè)備安全，鉆機(jī)具備多項(xiàng)安全保護(hù)技術(shù)：慢速給進(jìn)超速保護(hù)，安全護(hù)罩打開自動降速，主卷揚(yáng)提升上限保護(hù)，主卷揚(yáng)下放失速保護(hù)，繩索取心卷揚(yáng)拉力超限報警，燃油和液壓油位報警等。其中個別安全設(shè)置由于地層或孔深等原因，未遇到設(shè)定工況，不曾觸發(fā)，大部分安全保護(hù)措施在施工應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，且反饋良好。全方位的自動安全防護(hù)技術(shù)可以避免人為因素造成事故［12］，也是鉆機(jī)走向自動化和智能化的必備功能。

4.5 自動化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)

CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)最有代表性的特點(diǎn)是其配置的自動化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)，也可以稱為“參數(shù)化”鉆進(jìn)系統(tǒng)，工作原理如圖6 所示。

圖6 自動化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)Fig.6 Automatic drilling control system

即在作為人機(jī)交互界面的多功能顯示屏上輸入?yún)?shù)化鉆進(jìn)的具體參數(shù)設(shè)置數(shù)值，通過CAN 通訊傳輸?shù)娇刂破鳎?3］，并與實(shí)時監(jiān)測反饋回控制器的鉆機(jī)實(shí)際的參數(shù)數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)持續(xù)對比，再通過控制器控制電磁閥進(jìn)行不間斷調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)工況的持續(xù)控制，即程序式自主鉆進(jìn)。鉆機(jī)目前可進(jìn)行“鉆壓”、“主軸轉(zhuǎn)速”、“泥漿泵泵量”3 種主要鉆進(jìn)參數(shù)的參數(shù)化鉆進(jìn)，還可按照“恒壓”、“恒速”、“定切入量”3 種自動化鉆探模式進(jìn)行自動鉆進(jìn)。

此次施工是該自動化鉆進(jìn)系統(tǒng)第一次進(jìn)行實(shí)際施工應(yīng)用［14］，表3 是此次施工進(jìn)行參數(shù)化鉆進(jìn)和自動化模式鉆進(jìn)中監(jiān)測的部分記錄數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出實(shí)際監(jiān)測數(shù)值與設(shè)定數(shù)值基本在同一范圍內(nèi)，結(jié)合實(shí)際地層差異的變化和設(shè)備響應(yīng)的影響，可以判斷應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期的使用效果。

4.6 上卸鉆桿系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)較高的鉆進(jìn)效率，鉆機(jī)配置了液壓孔口夾持器、液壓卸扣器，配備了新研發(fā)的動力提引器和中國地質(zhì)大學(xué)（北京）研制的移擺管裝置［15］，提下鉆工況時，鉆機(jī)可選擇采用常規(guī)的主卷揚(yáng)提鉆模式或自動上桿裝置提鉆2 種模式。

主卷揚(yáng)提鉆模式：實(shí)際施工作業(yè)中0～126.86 m孔段采用常規(guī)主卷揚(yáng)提鉆模式（單次提下6 m 鉆桿），液壓夾持器匹配卸扣器配合工作，不僅降低了人員勞動強(qiáng)度，而且明顯提高了工作效率。

自動上桿裝置提鉆模式：126.86～459.16 m 孔段，應(yīng)用動力提引器和自動移擺管裝置（如圖7 所示），實(shí)現(xiàn)了自動上桿裝置提鉆，共計提鉆4 次，下鉆3 次，提下鉆孔深分別為：264.01、349.41、427.56、459.16 m。平均提下鉆效率約1 根/2 min（6 m 長單根），操作熟練后可達(dá)到1 根/1.5 min。應(yīng)用過程中整套系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作可靠，柔性連接的提引器有效保護(hù)了連接螺紋，對1∶30 錐度的金剛石繩索取心鉆桿的專用梯形螺紋基本沒有什么損傷，使用效果很好。

表3 自動化鉆進(jìn)施工數(shù)據(jù)記錄Table 3 Automatic drilling data recording

圖7 自動上桿提鉆模式Fig.7 Automatic drill rod lifting mode

5 結(jié)語

（1）施工應(yīng)用驗(yàn)證了CSD1800ZD 型全液壓自動化巖心鉆機(jī)是一種施工效率高，施工質(zhì)量好，事故率低，鉆機(jī)適用性強(qiáng)，輕便，維修性好的巖心鉆機(jī)。

（2）CSD1800ZD 型自動化巖心鉆機(jī)首次在國內(nèi)現(xiàn)場施工中實(shí)現(xiàn)了自動化鉆進(jìn)，特別是參數(shù)化鉆進(jìn)與自動化鉆進(jìn)模式的實(shí)際施工中得到應(yīng)用，電控數(shù)字化參數(shù)監(jiān)測、顯示、控制和多項(xiàng)安全防護(hù)措施等設(shè)計，都達(dá)到了預(yù)期的使用效果，為地質(zhì)勘探鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動化鉆進(jìn)提供了重要數(shù)據(jù)支撐和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（3）首次在國內(nèi)金剛石繩索取心鉆探中，實(shí)現(xiàn)了6 m 鉆桿加接和提下鉆的自動化現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好。此項(xiàng)技術(shù)的取得，減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度，減少了鉆臺所需工人數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率。