蔡順山

（核工業(yè)二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

引言

根據(jù)近年白楊河礦區(qū)鉆探施工綜合效率統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)主要巖石特點為“硬、脆、碎”，屬易發(fā)生孔內(nèi)事故的復雜地層，臺月效率低、小時效率低和回次進尺少，鉆進工作施工難度較大，造成鉆探施工生產(chǎn)效率低、鉆探生產(chǎn)成本高。為保證施工區(qū)鉆探生產(chǎn)安全、高效、高質(zhì)量，有必要對鉆探施工工藝進行提升改進。針對以上問題，為攻克硬、脆、碎地層鉆進難關(guān)，2009-2010 年核工業(yè)二一六大隊在施工區(qū)內(nèi)開展《硬、脆、碎地層金剛石鉆進技術(shù)研究》科研項目，通過優(yōu)化選擇金剛石鉆頭和試驗SYZX75 繩索取心液動沖擊器，鉆頭平均壽命顯著提高，且在小時鉆進效率和臺月效率方面有一定的提升。但由于后期客觀條件影響，試驗和推廣情況未能持續(xù)開展。白楊河礦區(qū)于2019 年繼續(xù)開展了SYZX75 繩索取心液動沖擊器的試驗工作，繩索取心液動沖擊器很好地利用繩索取心技術(shù)和液動沖擊器，通過對8 個鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和對比，結(jié)果表明繩索取心液動沖擊器在提高回次進尺和鉆進效率，解決破碎地層的巖心堵塞問題方面有顯著效果[1]，而且沖擊器能夠有效降低施工人員勞動強度和鉆探生產(chǎn)成本。

1 施工區(qū)主要概況

工作區(qū)內(nèi)出露地層為第四系、新近系、石炭系和泥盆系，其中泥盆系地層主要分布于工作區(qū)北部，大致呈北東-南西向展布，其上與石炭系地層不整合接觸或斷層接觸。

鉆探工作區(qū)位于新疆準噶爾盆地的西北部，屬山前丘陵地帶，施工區(qū)內(nèi)存在多個背斜與向斜。施工區(qū)主要的巖石以花崗巖、火山巖、火山碎屑巖、含礫泥質(zhì)砂巖、角礫巖、硅質(zhì)巖和第四系堆積物為主。其中花崗巖和火山巖為工作區(qū)內(nèi)主力巖石，巖性多為酸性和中基性，強度較大，硬度多為硬、堅硬等級，研磨性較強。除灰?guī)r和凝灰?guī)r外，其余巖石可鉆性等級均在七級以上，其中微晶質(zhì)花崗斑巖、閃長巖、正長斑巖可鉆性等級在8～10 級，石英斑巖可鉆性等級達到了10～11，屬較高等級。鉆探施工區(qū)內(nèi)發(fā)育有多處斷裂構(gòu)造，其形態(tài)各不相同、類型復雜多變、規(guī)模不一，施工區(qū)存在的較多的破碎帶地層復雜、巖石異常破碎，施工過程中易造成鉆孔坍塌。

2 SYZX75 繩索取心液動沖擊器簡介

SYZX75 型繩索取心液動沖擊器是一款常規(guī)繩索取心鉆具結(jié)合雙噴嘴復合式液動沖擊器而成的鉆具（如圖1 所示），主要包括外管總成和內(nèi)管總成。液動沖擊器的工作原理是容積式，能夠有效減少沖程阻力，從而大幅提高鉆具的沖擊功[1]。

圖1 SYZX75 總體結(jié)構(gòu)示意圖

SYZX75 型繩索取心液動沖擊器鉆具的主要性能參數(shù)見表1。

表1 SYZX75 鉆具性能參數(shù)表

該鉆具結(jié)合了常規(guī)繩索取心鉆具與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的多處優(yōu)勢，在施工破碎地層時能有效解決巖心堵塞問題、提高回次進尺、降低勞動強度，尤其是在破碎地層及9 級以上的堅硬、致密“打滑”地層中鉆進，可有效提高鉆進施工效率[2]。其特點是：

（1） 容積式原理提高沖擊功，能量利用率高；

（2） 配套簡單，操作方便，啟動靈活；

（3） 操作簡單、易維修，費用低；

（4） 鉆具壽命長，無易損件[3]；

（5） 參數(shù)可調(diào)范圍大，工藝適應(yīng)性強，經(jīng)濟效率顯著。

3 SYZX75 型繩索取心液動沖擊器的實際應(yīng)用

3.1 設(shè)備和鉆具選型

鉆機：CSD-1800A 全液壓鉆機2 臺、CSD1800X 和YDX-3L 全液壓鉆機各一臺；

泥漿泵：BW-350 型泥漿泵3 臺、BW-160 型泥漿泵1 臺；

鉆具：S75 繩索取心鉆桿若干；SYZX75型繩索取液動沖擊器2 套。

3.2 鉆進參數(shù)選擇

繩索取心液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進所選用的鉆頭一般均為金剛石，依據(jù)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進破碎巖石的物理特性，在實際使用過程中鉆壓和轉(zhuǎn)速應(yīng)低于常規(guī)繩索取心金剛石鉆進，因此參數(shù)一般為：鉆壓8～10 kN，轉(zhuǎn)速400～600 r/min[4]。

根據(jù)繩索取心液動沖擊器的工作原理，在選取泥漿泵的泵量時應(yīng)綜合考慮沖擊器的工作特性。當泵量過大時，破碎地層施工過程中容易導致鉆孔孔壁失穩(wěn)發(fā)生孔內(nèi)事故，而且過大的泵量也會導致沖擊器磨損較快，降低使用壽命。而泵量過小的情況下，沖擊器可能會無法正常工作或工作效率較低。因此在泵量選擇時一般將最大泵量設(shè)定為沖擊器的最大輸入流量，將最小泵量設(shè)定為沖擊器的啟動流量。一般情況下沖擊器的工作泵壓為0.5～2.0 MPa，工作泵量為52～90 L/min。

鉆頭選擇方面，為了保障試驗數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，選用胎體硬度HRC25～35，金剛石粒度60～80目，金剛石濃度100%，底唇形狀為階梯型或齒輪型的鉆頭[5]。

3.3 應(yīng)用情況

表2 第一批次繩索取心液動沖擊器鉆進工藝與常規(guī)繩索取心鉆進工藝試驗技術(shù)指標對比表

表3 第二批次繩索取心液動沖擊器鉆進工藝與常規(guī)繩索取心鉆進工藝試驗技術(shù)指標對比表

3.3.1 第一批次試驗

第一次試驗共選取鉆孔3 個，其中ZK5336 鉆進至試驗?zāi)康膶游豢咨?6.94 m 處開展了SYZX75 繩索取心液動沖擊器的試驗使用工作，ZK9134 和ZK4128作為參照孔使用普通繩索取心鉆探工藝進行施工。

第一批次對比試驗結(jié)果（見圖2）表明：平均回次進尺由1.67 m 提高至2.83 m，提高近69.46%，臺月效率并沒有明顯提高，主要的原因是ZK5336 設(shè)備維修時間為48 h。

圖2 第一批次試驗結(jié)果對比圖

3.3.2 第二批次試驗

從第二批鉆孔中選取ZK4104、ZK5922、ZK5316、ZK7736 和ZK5320開展試驗，其中ZK7736、ZK5922 和ZK5316 作為繩索取心液動沖擊器試驗孔，ZK4104 和ZK5320 作為參照孔使用普通繩索取心工藝。

第二批次對比試驗結(jié)果（見圖3）表明：平均回次進尺由1.49 m 提高至2.91 m，提高近95.3%，臺月效率也有明顯的提高。

圖3 第二批次試驗結(jié)果對比圖

3.3.3 綜合對比情況

綜合對比白楊河礦區(qū)2019 年的鉆孔經(jīng)濟技術(shù)指標可以看出，采用繩索取心液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝與采用常規(guī)繩索取心鉆進工藝相比，繩索取心液動沖擊器可以將臺月效率平均提高27%以上，且在在堅硬打滑地層鉆進時鉆進效率提高更加明顯。采用繩索取心液動沖擊器工藝時回次長度平均提高50.31%，施工區(qū)的巖礦心采取率平均提高了5.27%（見表4）。

從表4 和圖4 中可以看出，使用繩索取心液動沖擊器后，主要取得以下效果：

圖4 試驗結(jié)果對比圖

表4 常規(guī)繩索取心鉆進與繩索取心液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進試驗技術(shù)指標對比表

內(nèi)管打撈和投放的操作次數(shù)明顯減少，且單孔的平均回次進尺由1.11 m 左右提高至2.84 m。

臺月效率提高27%左右。主要原因是繩索取心液動沖擊器在原有的常規(guī)繩索取心鉆具上增加了軸向沖擊作用，在鉆進過程中使鉆壓能夠有效作用于鉆頭，減少破碎地層的巖心堵塞。同時金剛石鉆頭在回轉(zhuǎn)過程中對堅硬地層產(chǎn)生一定的微沖擊體積破碎作用，增加了金剛石顆粒在相同給定鉆壓情況下壓入巖石的深度，提高碎巖量[5]，因此能夠有效提高小時鉆進效率，提高機械鉆速和施工效率。

由于巖心不易堵塞在卡簧座前段，因此有效提高了巖心采取率，避免了補心情況的發(fā)生，提高了鉆孔質(zhì)量。

當鉆進效率有效提高時，鉆探生產(chǎn)成本明顯降低。

由于沖擊器解決了堵心問題，內(nèi)管總成的打撈成功率和投放到位率明顯提高，最大限度地解決了破碎地層內(nèi)管打撈和投放困難的問題[1]。

4 存在問題及建議

通過2019 年在白楊河礦區(qū)4 個鉆孔破碎地層的試驗認為，繩采用索取心液動沖擊器能夠大幅提高白楊河地區(qū)破碎地層的回次進尺和鉆進效率，并且能夠克服破碎地層的巖心堵塞問題，提高破碎地層巖心采取率，有效提高臺月效率、回次進尺和小時效率，可在今后白楊河礦區(qū)破碎巖層中推廣應(yīng)用。

SYZX75 液動沖擊器由于有沖擊功的存在，對現(xiàn)有使用的金剛石鉆頭磨損和損壞較為嚴重，且鉆具的沖錘和砧子易損壞。如果在今后的試驗中能夠有效解決易損件和鉆頭的優(yōu)化選擇問題，SYZX75 液動沖擊器對于白楊河礦區(qū)鉆探生產(chǎn)將起到推動和提高作用。