孫忠志，馬麗麗

（遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司 遼寧 阜新 123000）

老式鉆井循環(huán)過濾裝置普遍存在鉆井液過濾不徹底、鉆進(jìn)效率低下、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、存在安全隱患等問題?；诂F(xiàn)階段露天礦鉆井循環(huán)過濾裝置存在的自動(dòng)化程度低、過濾效果不佳、鉆井事故率高及設(shè)備移動(dòng)困難等問題；通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、工藝過程分析及科學(xué)計(jì)算等手段，重新設(shè)計(jì)了此裝置；設(shè)計(jì)的循環(huán)過濾裝置采用全自動(dòng)循環(huán)控制，通過振動(dòng)篩沙機(jī)中的雙層濾網(wǎng)、旋流器的多級(jí)過濾[1]以及配料計(jì)算器的科學(xué)配比等功能，不但提高了鉆進(jìn)效率，還大幅降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人為操作可能帶來的失誤。

1 循環(huán)過濾裝置作用

在鉆井作業(yè)時(shí)，一般都采用濕式排渣的方式對(duì)土壤巖層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削。鉆進(jìn)過程中可利用循環(huán)過濾裝置對(duì)鉆井液[2]進(jìn)行過濾除渣，過濾干凈的鉆井液會(huì)被循環(huán)裝置以一定的流量和壓力注入鉆機(jī)，再由鉆機(jī)流入鉆桿，最后通過鉆頭噴嘴進(jìn)入井底，具有一定黏度和密度的鉆井液會(huì)將井底的鉆屑懸浮輸送至地面，再通過本裝置的過濾后再次注入井中。即以閉環(huán)循環(huán)的方法將孔內(nèi)渣土、巖屑排至地表，最終鉆進(jìn)成井。如果說鉆井液是整個(gè)鉆井循環(huán)系統(tǒng)的“血液”，那么循環(huán)過濾裝置就相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“心臟”。

2 老式循環(huán)過濾裝置的弊端

2.1 地坑式循環(huán)過濾裝置

現(xiàn)在比較普遍采用的循環(huán)裝置是在井內(nèi)鉆井液出漿管附近挖2 個(gè)地坑，地坑頂部利用溝渠相連，溝渠處放置1 個(gè)濾網(wǎng)，當(dāng)出漿管下方的地坑1 被井內(nèi)流出的鉆井液填滿后，較大的顆粒和巖屑會(huì)沉淀到坑底，上層含渣量較少的可利用鉆井液會(huì)通過溝渠處的濾網(wǎng)流入地坑2，大的顆粒會(huì)沉至坑底，然后利用泥漿泵將地坑2 中靠近頂部位置的鉆井液抽回井中進(jìn)行循環(huán)。

這種工藝簡單易行，但弊端也很多，如：

1）鉆井液過濾及沉淀不夠充分，含渣、屑較多，井內(nèi)排出的含渣液體沒有被完全過濾干凈就被抽回井中進(jìn)行循環(huán)，降低鉆進(jìn)效率的同時(shí)還容易堵塞鉆頭噴嘴。

2）在調(diào)配鉆井液時(shí)，由于操作人員在地面無法對(duì)坑中液體進(jìn)行攪拌，需要在地面用容器將配料進(jìn)行調(diào)配后慢慢傾倒至坑中，致使配料在鉆井液中不均勻分布的同時(shí)也嚴(yán)重降低了鉆進(jìn)效率。

3）當(dāng)?shù)乜? 沉淀積累了過多巖粉及顆粒時(shí)，工人需要下到坑底進(jìn)行清理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力還極不安全。

4）當(dāng)施工結(jié)束后準(zhǔn)備到下一個(gè)工位進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，需要在新的工位重新挖地坑。

5）由于地坑上面無任何遮蓋，經(jīng)常會(huì)有雜物掉落坑中，然后雜物又被泥漿泵吸入井中，損壞泥漿泵拉桿處密封的同時(shí)還會(huì)造成鉆頭噴嘴被堵。

6）排出的巖粉、鉆屑等無法定點(diǎn)搬運(yùn)及堆積，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常是滿地淤泥，污染環(huán)境的同時(shí)又造成了跌落、摔倒等安全隱患。

2.1 滾筒篩子循環(huán)過濾裝置

另外一種比較普遍采用的裝置是利用滾筒篩子進(jìn)行循環(huán)過濾，即井中的鉆井液先流入箱中，之后通過倒?jié){泵將箱中的鉆井液抽入滾筒篩子高點(diǎn)，滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)過濾，鉆屑和大顆粒物直接在滾筒篩子低點(diǎn)被濾出，可利用鉆井液會(huì)被篩網(wǎng)過濾后流入下方的存儲(chǔ)箱中。

過濾后的鉆井液再通過泥漿泵導(dǎo)入鉆機(jī)，進(jìn)而進(jìn)入井中進(jìn)行閉環(huán)循環(huán)。這種工藝的弊端也很多，如：

1）當(dāng)進(jìn)行下一個(gè)工位的鉆進(jìn)時(shí)，設(shè)備很難移動(dòng)至指定地點(diǎn)。

2）由于是單層過濾，較細(xì)顆粒無法被過濾出，結(jié)果又被抽入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，降低鉆進(jìn)效率的同時(shí)還容易堵鉆頭。

3）鉆井液中的細(xì)小顆粒極易流入滾筒旋轉(zhuǎn)軸的軸承內(nèi)，造成設(shè)備損壞。

4）當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化需要對(duì)泥漿密度和黏度進(jìn)行調(diào)配時(shí)，沒有空間和設(shè)備對(duì)泥漿進(jìn)行快速攪拌。

3 循環(huán)過濾裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 循環(huán)過濾裝置結(jié)構(gòu)

循環(huán)裝置主要由履帶式可移動(dòng)平臺(tái)[3]、設(shè)備控制面板（內(nèi)含配料計(jì)算器）、配電柜、震動(dòng)篩沙機(jī)、倒泵A、倒?jié){泵B、井內(nèi)含渣鉆井液存儲(chǔ)箱、待除渣鉆井液存儲(chǔ)箱、井內(nèi)鉆井液出漿管、泥漿泵A、泥漿泵B、閥門A、閥門B、可利用鉆井液暫存箱、可利用鉆井液存儲(chǔ)箱、鉆井液攪拌機(jī)、井內(nèi)循環(huán)用鉆井液進(jìn)漿管組成。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 循環(huán)過濾裝置工作原理

1）利用履帶平臺(tái)將循環(huán)過濾裝置移動(dòng)至鉆機(jī)附近合適位置，連接井口護(hù)井管和井內(nèi)鉆井液出漿管。

2）孔內(nèi)鉆井液將通過井內(nèi)鉆井液出漿管流入井內(nèi)含渣鉆井液存儲(chǔ)箱進(jìn)行存儲(chǔ)和沉淀。

3）通過倒?jié){泵A 將井內(nèi)含渣鉆井液存儲(chǔ)箱中的液體抽入篩沙機(jī)底層的粗篩網(wǎng)進(jìn)行粗濾，粗慮網(wǎng)會(huì)將較大的鉆屑排至出渣口，粗濾后的鉆井液將流入待除渣鉆井液存儲(chǔ)箱。

4）倒?jié){泵B 會(huì)將待除渣鉆井液存儲(chǔ)箱中的液體同時(shí)抽至2 臺(tái)旋流器中，旋流器一端會(huì)將含渣鉆井液排入上層細(xì)篩網(wǎng)進(jìn)行精濾，精濾后的鉆井液會(huì)流入待除渣鉆井液存儲(chǔ)箱，與粗濾后的鉆井液混合后再被抽入旋流器進(jìn)行過濾，精濾出的細(xì)小的顆粒也會(huì)被輸送至出渣口。旋流器另一端排出的可利用鉆井液會(huì)直接流入可利用鉆井液暫存箱中。

5）可利用鉆井液暫存箱中的液體會(huì)在高處直接流入低處的可利用鉆井液存儲(chǔ)箱中。根據(jù)施工時(shí)對(duì)鉆井液流量的需求，通過開啟/關(guān)閉閥門A 和B，便可以實(shí)現(xiàn)通過任意一臺(tái)泥漿泵單獨(dú)運(yùn)行或兩臺(tái)泥漿泵同時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)將可利用鉆井液打入井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)的目的，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液從井中到地面，通過過濾除渣后再回到井中的全自動(dòng)閉環(huán)循環(huán)。

4 循環(huán)過濾裝置的特點(diǎn)

4.1 自動(dòng)化程度高及裝置移動(dòng)快速

裝置的循環(huán)過濾過程完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，正常施工時(shí)唯一的體力勞動(dòng)就是施工人員要到震動(dòng)篩沙機(jī)出渣口處將井內(nèi)排出的巖屑通過小車運(yùn)輸至指定地點(diǎn)即可，提高了工作效率又極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，定點(diǎn)取渣、存渣的方式也改善了施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。

所有參與循環(huán)的設(shè)備和管路都集成安裝在履帶式可移動(dòng)平臺(tái)上，施工人員只需要簡單的操作就可以將本裝置快速地跟隨鉆機(jī)到指定位置配合鉆進(jìn)，極大地提高了施工轉(zhuǎn)場(chǎng)效率。

4.2 鉆進(jìn)效率顯著提升

由于現(xiàn)階段鉆井用鉆頭大多以金剛石鉆頭為主，鉆頭主要由金剛石顆粒、噴嘴、胎體以及鉆頭體組成，鉆井液必須經(jīng)過噴嘴才能進(jìn)入到井內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，而噴嘴的直徑往往都很小，如果鉆井液沒有過濾干凈，里面一旦含有大的巖屑就容易堵塞噴嘴，導(dǎo)致泥漿循環(huán)流量不足，進(jìn)而造成鉆進(jìn)速度大大降低。特別是在較深的深度時(shí)，一旦個(gè)別噴嘴被堵，井底的巖屑和泥沙因流量不足沒有被及時(shí)排出而沉積下來，就會(huì)導(dǎo)致其他噴嘴也被堵住，最終導(dǎo)致無法鉆進(jìn)，只能將井內(nèi)的鉆桿全部拔出后清理鉆頭，再將所有鉆桿連接下井，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的同時(shí)，在鉆桿下井過程中，淤泥極有可能對(duì)鉆頭造成二次堵塞，導(dǎo)致泥漿無法循環(huán)，甚至?xí)霈F(xiàn)多次拔鉆桿和下鉆桿的情況，嚴(yán)重影響工期。

循環(huán)裝置中的震動(dòng)篩沙機(jī)采用粗、細(xì)雙濾網(wǎng)過濾的同時(shí)[4]，還利用了旋流器離心沉降的原理進(jìn)行固液分離，達(dá)到對(duì)鉆井液進(jìn)行多級(jí)精細(xì)過濾的目的，進(jìn)而極大地提升了鉆進(jìn)效率，降低了事故率。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，本裝置中的震動(dòng)篩沙機(jī)的粗慮網(wǎng)采用60 目（250 μm），細(xì)篩網(wǎng)采用120 目（120 μm）時(shí)，過濾效果最佳。

4.3 鉆井液配比更加準(zhǔn)確和迅速

衡量鉆井液能否滿足鉆進(jìn)需要的2 個(gè)重要指標(biāo)就是密度和黏度，那么像膨潤土、工業(yè)堿等的添加劑的用量是否精準(zhǔn)就顯得尤為重要[5]。

鉆井液的密度和黏度也要根據(jù)巖層和深度的不同進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)配，如果鉆井液的密度和黏度太低，可能會(huì)出現(xiàn)難以將井底鉆屑懸浮帶出的情況，或是出現(xiàn)難以穩(wěn)固井壁造成孔內(nèi)塌陷的現(xiàn)象；如果鉆井液密度和黏度太高，黏稠的液體又會(huì)把鉆頭糊死，造成外堵[6]。所以，優(yōu)質(zhì)的鉆井液能夠提高鉆井效率，平衡井壁巖石徑向壓力，保護(hù)和穩(wěn)固井壁，防止坍塌[7]，還能極大地降低鉆井事故率。

本循環(huán)過濾裝置中帶有配料自動(dòng)計(jì)算及自動(dòng)攪拌功能，施工人員可以在計(jì)算器中輸入原鉆井液體積和密度以及欲達(dá)密度和黏度等參數(shù)后，即可直接計(jì)算出加重劑、淡水和工業(yè)堿等的用量[8]，施工人員只需按計(jì)算的用量將配料直接倒入可利用鉆井液存儲(chǔ)箱中利用攪拌機(jī)攪拌均勻即可，從而實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的不間斷鉆進(jìn)。

4.4 減少環(huán)境污染及安全隱患

因老式循環(huán)過濾裝置沒有固定的出渣口，沒有自動(dòng)攪拌功能且移動(dòng)困難，經(jīng)常會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)泥濘不堪，發(fā)生滑倒事故，地坑也是極大的安全隱患。

改進(jìn)的循環(huán)裝置配有固定的出渣口和配料攪拌箱，可以實(shí)現(xiàn)渣土、巖屑及配料定點(diǎn)存放，且沒有鉆井液溢出造成地面污染的情況，消除了跌落、滑倒等事故的同時(shí)也改善了施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。

5 測(cè)試及應(yīng)用效果

1）循環(huán)過濾裝置的自動(dòng)化程度較高，消除了以往繁重的體力勞動(dòng)，并且由以往的1 臺(tái)鉆機(jī)配置1個(gè)撈泥工，變?yōu)楝F(xiàn)在的2 臺(tái)鉆機(jī)配置1 個(gè)撈泥工便可以滿足生產(chǎn)需要，降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，鉆進(jìn)效率較以往也提升了30%左右。

2）洗井液過濾充分，循環(huán)流量充足，循環(huán)壓力適中，完全滿足鉆進(jìn)工藝要求，鉆頭被堵幾率較以往降低50%左右。

3）通過循環(huán)裝置的洗井液配比計(jì)算及配料自動(dòng)攪拌功能，實(shí)現(xiàn)了可隨時(shí)調(diào)節(jié)洗井液密度和黏度以滿足各個(gè)巖層的鉆進(jìn)要求的目的，起到了及時(shí)排屑，穩(wěn)固井壁的作用，減少了人為操作的失誤。

4）履帶式平臺(tái)移動(dòng)快速便捷，且轉(zhuǎn)向移位精準(zhǔn)，大大提高了施工轉(zhuǎn)場(chǎng)效率。

5）循環(huán)裝置配備有出渣口和配料攪拌箱，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)取渣和定點(diǎn)堆放的目的，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境得到極大改善的同時(shí)也降低了安全事故發(fā)生的幾率。

6 結(jié)語

露天礦鉆井循環(huán)過濾裝置實(shí)現(xiàn)了鉆井液全自動(dòng)循環(huán)控制、多級(jí)精細(xì)過濾以及添加劑科學(xué)配比等功能，不但解決了鉆井液的過濾不充分和添加劑配比不準(zhǔn)確2 大難題，更是 在提高鉆進(jìn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度及保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等方面明顯優(yōu)于老式循環(huán)裝置，大幅度提高了鉆進(jìn)效率。