勘探钻机和钻具的升级

1 SC11地表取心钻机

在今年的PDAC上,美国宝长年公司推出了其最新研制的SC11飞运式轻便钻机。据称,该钻机的最大扭矩为5456N·m,可以使用PQ钻杆进行钻进。

SC11钻机是一种地表勘探取心钻机,使用NQ钻杆的钻进深度可达1300～1500m,并且可以拆卸成几个易于处理的模块。根据该公司固定设备全球产品经理Craig Mayman介绍,SC11钻机是根据宝长年公司成熟的LM技术研制,主要用于难进入地区和钻进场地受限制的地表勘探作业。钻机的适应性强,可以方便地组装或拆卸成紧凑的飞运模块。在寒冷的地区,由于结构紧凑,因此可在钻棚内进行钻探作业。

SC11钻机采用柴油发动机(John Deere 4045HF485)驱动,额定功率为128kW,动力强劲。因此,钻机具有钻进大直径深孔的能力,提升能力为132kN,可用PQ尺寸的钻杆。钻机的特点在于一个可变速马达,低速回转时的动力头扭矩可达5456N·m,用于牙轮钻进;而高速(1230r/min)回转时用于金刚石钻进。

钻机还可用液压处理系统进行钻杆接头的连接和拧卸,并安全地输送钻杆。液压执行机构控制钻机的钻杆处理装置在三维上移动。钻杆处理装置配备有接近传感器,以保护在附近的操作人员免受钻杆落下时的伤害。

固定在助手和钻杆处理装置控制面板之间的激光系统在钻工进入工作区间时可停止移动。一旦激光束中断,钻杆处理装置就立即停止工作,只有当钻工重新设置后,才可以重新启动。

该钻机使用宝长年公司特有的充氮卡盘,其充气弹簧驱使卡爪夹紧钻杆,以提供故障保护。控制面板操作手柄的特点是采用“提起换档”的方式启动回转和给进,以防止意外启动。

图1 SC11飞运式轻便钻机

图2 钻机的后视图和侧视图

SC11钻机可以拆卸成几个飞运模块,最大重量为680kg。根据钻机的配置情况,可以分9次或11次(增加滑座和钻杆处理装置)运输。提升点设在模块的重心位置,以使载荷平衡。快速连接的液压接头可使装配和拆卸的时间大大加快,并且可防止油溢。所有的模块均标有明显的引导线,以帮助操作人员快速对齐,并装配钻机,加快钻机的布置进程。轻按一下带有公母接头的引导架构可使各模块进入预定位置,再轻按一下非常明显的顶起点和提升点便可安全、方便地进行钻机的组装和拆卸。SC11钻机在宝长年公司位于西澳大利亚帕斯的工厂制造,并在新西兰和印度尼西亚进行现场试验。

图3 钻杆夹持器

图4 钻杆处理装置

1.1 SC11钻机的主要特点

(1)性能优越

采用LM地下钻机技术和力士乐M 4液压阀使钻杆的处理更加容易;1800mm的给进行程和132kN的提升能力保证了较大的钻深能力;回转动力头采用空心主轴和4档转速;充氮卡盘的夹持力达222kN;钻杆夹持器采用弹簧关、液压开模式,故障少。

(2)动力强大

该钻机集成了宝长年公司许多成熟的地表和地下钻机的优点,是同类钻机中唯一可以采用 PQ大直径钻杆钻进的飞运钻机,使用NQ钻杆的钻进深度可达1500m。

(3)结构轻便

钻机按照轻便、模块式设计,由9个或11个易于管理的飞运模块组成,最重模块的重量为680kg;起吊点易于识别,并且布置在使载荷平衡的位置上;快速连接接头可保证钻机的安装和拆卸迅速、可靠。

(4)安全可靠

钻机配备自动故障防护功能的充氮卡盘和LM系列钻杆处理装置(选配件),可大大减少人工钻杆处理工作量,并且在不能保证安全操作时其激光系统可自动使钻机停机;控制模块使用“提起换档”的操作杆,可防止意外启动。此外,高压软管均使用防爆套管保护。

1.2 SC11钻机的技术参数

钻进深度BQ 2128 m

NQ 1547 m

HQ 899 m

PQ 436 m

柴油发动机型号 John Deere 4045HF485

发动机功率 128 kW

动力头转速和扭矩 转速(r/min) 扭矩(N·m)

119～196 5456～3904

240～395 2714～1640

427～703 1527～922

747～1230 874～529

液压系统压力 310 bar

最大排量 200 L/min

给进行程 1800mm

最大加压力/提升力 66kN/132kN

绳索取心绞车提升力11.77 kN(光鼓)

4.51 kN(满鼓)

提升速度 0～254m/min

钢丝绳直径 5mm,6mm,1/4"

容绳量 1400m,1000m,895m

钻进角度 45～90°

飞运模块数 9或11(增加2个选配件)

最大重量 680kg

钻杆夹持器最大口径125mm

最大夹持力 130kN

1.3 飞运模块

(1)泵组模块642kg

(2)发动机模块676kg

(3)散热器模块228kg

(4)控制模块603kg

(5)定位器678kg

(6)绞车和钻杆夹持器415kg

(7)给进架677kg

(8)回转动力头676kg

(9)上桅杆和水泵315+253kg

(10)滑座(选配)578kg

(11)钻杆处理装置(选配)660kg

2 XP系列和Stage系列取心钻头

宝长年公司最近还成功开发了两个系列的金刚石取心钻头。

2.1 XP系列表镶金刚石取心钻头

表镶钻头在软岩地层非常有效。宝长年公司除了拥有传统的金刚石表镶钻头,最近还开发一种新的XP系列孕表镶金刚石取心钻头。

图5 XP系列孕表镶金刚石取心钻头

新的XP系列表镶金刚石钻头包含了11项新的结构设计,使用寿命是传统表镶金刚石钻头的3倍,并且在破碎地层中不必更换钻头,这些钻头在煤田勘探中具有较大的市场。

据宝长年公司取心产品经理Monika Po rtaman先生介绍,“我们的目标是重新定义表镶金刚石钻头,并且提出在软的沉积地层中新的产品衡量标准。XP孕表镶金刚石钻头试验验证了钻头的设计强度和开发钻头所使用的新技术。”

XP系列表镶金刚石取心钻头的特点是,含多层金刚石的胎体可大大提高钻头的使用寿命。与传统的仅含有单层金刚石的表镶钻头相比,获得专利的超级胎体(U ltraM atrix)在切削过程中始终保持含有大颗粒的人造金刚石,在软地层中钻进效率更高,并且钻头寿命可提高200%。

由于具有更好的切削性能和更深的钻进能力,这种钻头的胎体设计还可以减少钻头不切削的停机时间。如果地层随深度而变化时,硬的矿层经常会损坏传统的表镶钻头,因而迫使操作人员提出钻杆柱以更换钻头。

该钻头的RazerCut唇面设计可使孕镶的金刚石更快地出露,因而进一步提高了钻进的效率。因为这种设计使钻头具有自锐的性能,一旦暴露切削面就可立即进行钻进,而且在钻进过程中具有良好的导向性,使钻孔始终保持直线性。

据介绍,与传统的表镶金刚石钻头相比,由于XP系列孕表镶金刚石钻头的适用性更广,无论是软地层还是硬矿体,无论是深孔还是浅孔,其钻进速度更快、使用寿命更长、使用成本更低。

此外,钻工不需要根据唇面造型、金刚石的品级粒度来选择钻头,简化了钻头的订购程序。

2.2 Stage系列孕镶金刚石取心钻头

孕镶金刚石钻头一般用于钻进中硬到极硬地层。钻头胎体由金属粉末和金刚石制成,在钻进过程中随着胎体的逐渐磨损而露出新的金刚石层,形成新的切削点。金刚石和专有胎体的组合使宝长年公司的孕镶金刚石取心钻头具有最佳的钻进性能。

宝长年公司曾经由于在Stage系列孕镶金刚石取心钻头的水路设计上的创新而著称,并且研制了业内最大胎体高度的钻头。最近,该公司又针对用户的反馈意见,对Stage系列钻头进行了改进和扩充,以使钻头的纯钻进时间更长,而花在起下钻杆上的非钻进时间更短,从而提高了钻进效率。

新的Stage系列钻头有三项改进,一是水路设计升级为 Stage3,二是增加了一种胎体高度为16mm的钻头,三是增加了一种底面冲洗的钻头。据Monika Portaman先生介绍,自2007年推出以来,Stage系列孕镶金刚石取心钻头一直是业内胎体高度最大的钻头,最大高度超过25mm。获得专利的设计使钻头的钻速更快,在孔内的有效钻进时间更长,起下钻杆的次数更少,因而提高了钻头的班次进尺和总钻进深度。

Stage钻头在水路设计上的改进包括具有圆角的水口,提高了强度,使用寿命更长。新的水口设计提高了在破碎地层钻进时碎屑的磨损阻力。

水口设计的另一个特点是采用双锥形设计。向内变小可在水口的内径方向更加结实,从而提高了强度,延长了钻头的使用寿命。锥形的水口可在内部形成更高的钻井液速度,使钻井液的冲洗性能更佳。

此外,Stage钻头还改进了水口的布置,进一步提高了钻头的强度,并改进了钻头在各类地层的钻进性能;采用了获得专利的 Razo rCut唇面设计,提高了钻进效率。

除了设计上的改进,Stage钻头的胎体高度有16mm和25mm两种可供选择,前者专门用于浅孔钻进。在钻进极软地层和破碎地层时,用户还可以选择底面排水的钻头。

图6 Stage系列孕镶金刚石取心钻头

3 Excore系列金刚石取心钻头

勘探钻工的生活取决于钻探设备的效率,岩心的多少决定了钻探公司的收入和钻工的报酬。这就是为什么钻工要寻找钻进速度快、使用寿命长的金刚石钻头的原因。

为了不在技术上被竞争对手超过,瑞典阿特拉斯·科普柯(A tlas Copco)公司在 PDAC上也推出了新的金刚石取心钻头系列——Exco re。该系列钻头除了具有以前成功钻头的所有特点外,还具有一些新的特点以达到在设计和冶金学上的最佳平衡。根据该公司介绍,新钻头的推出之前进行了严格的试验,在6个不同的应用领域,不同的地层条件下钻进了1万多米。

设计Excore钻头的一个主要目的是提高钻进速度。在复杂的破碎地层钻进时,钻孔易于偏斜,岩心的采取率低,钻工通常需要决定是减少钻头压力,还是保持钻进速度。

钻压低易于钻直孔,而且岩心的采取率高,同时还可以减少钻杆柱的磨损。但是在钻进岩层时,往往要求钻工增加钻压以提高钻进速度,这就要求选择合适的钻头型式,以适应所钻进的地层。

图7 Excore系列金刚石取心钻头

Exco re系列钻头可使钻工在任何地层条件下使钻进速度和钻压最佳化,因而可获得最佳的钻进效果。因为每个钻头所适用的地层较广,对给定的钻进工地所需要库存的钻头类型较少,也简化了钻头的选择。

3.1 为什么选择 Excore钻头

(1)使用寿命长

现场试验表明,在大多数地层条件下,Excore钻头的使用寿命均有了较大提高,因而起下钻杆的次数少,节省了大量起下钻杆的时间。在极端条件下,其使用寿命是以前所用钻头的5～6倍。

(2)钻进效率高

由于改进了钻头的切削能力,Excore钻头的钻进速度比普通钻头可提高80%,而且可在较低的钻压下进行钻进,即使是在极硬的岩层。

(3)使用范围广

一种钻头类型可适应不同的地层,不需要经常更换钻头以适应地层的变化,既简化了钻头的选择,也提高了钻进效率。

3.2 如何选择 Exco re钻头

按钻头的用途不同,可将 Exco re钻头分为三类:

第一类:适用于软到中硬岩层,具有强研磨性的破碎到稳定地层,胎体系列为1～4;

第二类:适用于中硬到硬岩层,具有弱研磨性的破碎地层到稳定的层,胎体系列为5～8;

第三类:适用于硬到极硬的稳定岩层,胎体系列为9和10。

每一种Excore钻头型式具有不同的唇面造型,包括用于破碎地层到致密地层的深水槽(ECF),获得专利的用于在致密地层中快速切削的喷射型;以及用于极破碎地层和三层取心筒的底面冲洗(FD)结构。

由于这些特点,加上不同的胎体高度(10～16mm),意味着Exco re钻头可适用于各种用途的取心钻进。

表1 Excore金刚石钻头的选择

表2 胎体系列及其适用地层

表3 Excore金刚石取心钻头的唇面造型胎体高度

3.3 在瑞典的应用实例

Boliden矿业集团的一个地下矿山是瑞典最深的矿山之一,为了圈定矿体范围,需要在不同深度进行了取心钻机。

瑞典的钻探承办商 Protek Norr公司负责在850米深度进行取心钻探。在其中的一个矿区,地质条件多变,普通金刚石钻头的寿命大约在100m左右,因此钻进900m的勘探孔,为了更换钻头需要起下钻杆柱8次,为此要浪费大量的钻进时间。

为了提高钻进效率,减少起下钻杆的非钻进时间,很明显需要一种新的钻头。阿特拉斯·科普柯公司在该矿的销售工程师建议使用一种具有喷射结构的Excore钻头。第一个试验的Excore钻头的使用寿命就达到326m,在该矿区试验的 Excore钻头最长使用寿命为347.5m。总的来看,试验效果非常好,Excore钻头的平均使用寿命为324m,是以前在该矿区所使用普通钻头的3倍。每个钻孔仅需要起下钻杆2次,而不是以前的8次,因此消耗在起下钻杆柱柱上的时间大大减少了,提高了钻进效率。

3.4 在南非的应用实例

2009年,南非的钻探承包商Drillcorp公司在约翰内斯堡西部某金矿为期5个月的取心钻探过程中,也曾做过 Excore钻头试验。

在该矿区需要钻进了46个钻孔,总进尺为2万米。开始时,承包商使用与前一个钻探工地同样的钻头,但很快发现该矿区的地层极具挑战性。钻头不是象预期的那样切削硬岩而是研磨,增加钻压后反而会将钻机抬起。此外,地层十分破碎,经常卡钻。工程进行到一半时,承包商的班次进尺约为30m,钻头的平均使用寿命在60～70m之间。按照这个进度,除非增加钻机台数,否则就不可能按时完成任务。

阿特拉斯·科普柯公司的产品经理向Drillcorp公司建议使用新的钻头——Excore取心钻头。

Drillcorp公司在一个还剩250m即将完工的钻孔内开始第一个Excore钻头的试验。通常,钻工需要在那个钻孔更换三次以上钻头,起下钻杆柱最少需要6个小时。

然而,使用一个 Excore钻头就钻到孔底,因此不需要更换钻头,并且该钻头在另一个钻孔还继续钻进了52m。钻头的使用寿命长达302m,为该承包商以前所使用钻头的4到5倍。因此,Drillcorp公司立即订购了20个Excore钻头来完成剩余的1万米钻进任务。

试验结果是:前1万米的钻头平均寿命为60～70m,班次进尺为30m;后1万米的钻头平均寿命达280～300m,班次进尺为 54m。钻进速度提高了80%,钻头寿命提高了4倍。

(颜纯文选译自:AsiaMiner,Jan./Feb.2011)