深孔钻探配套钻机及其应用

张荣，刘涛

(1.连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222000； 2.中国人民解放军68612部队，宁夏 银川 750021)

深孔钻探配套钻机及其应用

张荣1，刘涛2

(1.连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222000； 2.中国人民解放军68612部队，宁夏 银川 750021)

根据我国深部找矿要求，设计开发了几种新型深孔岩心勘探技术装备，主要适用于地质、冶金、煤炭、水文、工程等行业，以金刚石和硬质合金钻进为主的钻探施工，也适用于工程地质勘探、地质科探特殊孔勘探，浅、中层石油和天然气开采、矿山坑道通风、排水、水文水井钻进以及大口径基础桩工程施工等。本文主要介绍了几种钻机的技术特点、主要参数、以及应用情况。

深孔；钻探；立轴式；岩心钻机；应用

0 引言

随着浅层矿藏的枯竭，向地球深处勘探资源成为地质勘探的趋势，钻探工艺所要求的深度在不断的加深，钻探设备的性能也在相应的提高，钻机的钻进深度也在不断调整。近年来,我公司自主设计并制造的几种立轴式岩心钻机，可满足2000m以上深层岩心钻进的需要，其孔径大，结构合理，性能广泛，可靠性强，标准化通用化程度高，使用范围广，广泛用于以合金、金刚石为主进行岩心钻探，也可用于工程地质勘察、水文水井钻进，浅层石油和天然气开采、矿山坑道通风、排水以及大口径基础工程施工,满足了深孔的钻探工艺需要。

深孔的钻探工艺要求对钻机的性能提出了较高的要求。首先，要有较高的提升力，其卷扬机单绳最大提升力在130kN以上；立轴最大提升力在300kN以上；其次，需要大扭矩，立轴低速最大扭矩在9440N·m以上，同时转速要有多挡变化(一般十级)，对孔内变化的适应性更高；最后要使用方便，能够及时的对钻机进行各种调整，以应对孔内复杂的情况。

下面分别介绍我公司深孔用立轴岩心钻机的技术特点和主要应用领域。

1 技术特点

1.1 HXY-8型岩心钻机

HXY-8型钻机是为满足用户的迫切要求在严格贯彻执行国家规定的标准设计而成的一种大孔径的深孔岩心钻机。

主要具有以下特点：

(1)钻机具有10级转速级别。

(2)设计功率大。采用东风标准变速器和离合器，换挡轻巧、容易，噪音低，配件易购，维护方便。

(3)采用脚踩式离合操纵装置，具有操控轻便，可靠性高等特点。

(4)立轴通径大，双油缸给进，行程长。

(5)卡盘夹持力大，钻机采用双联齿轮油泵组合供油，适应多种钻进工艺，有利于提高钻进效率。

(6)卷扬机横置设计，方便排绳，提升力大，并配有防振仪表。

(7)具有加压、减压钻进和称重的功能。

HXY-8型岩心钻机主要技术参数参见表1。

1.2 HXY-8B型岩心钻机

该钻机以HXY-8型钻机为原型，配备大通径转盘，可实现深孔大扭矩传动。该转盘还配有与石油钻卡瓦、钻铤相通用的半传扭套，可直接使用三片式或多片式卡瓦。该机型大部分零部件与HXY-8机型通用，寿命长且配件更换方便，既可以满足常规钻探需要，又可以使用转盘，进行大通径的钻探。其他技术特点与HXY-8型钻机相同，主要技术参数参见表2。

表1 HXY-8型钻机的主要技术参数

表2 HXY-8B型钻机的主要技术参数

1.3 HXY-9型岩心钻机

该钻机为满足更深层钻探需要，突破传统设计思维，通过机、液、气的组合使用，扩宽了产品的实用性，提高了产品的可靠性。钻机既适合以合金、金刚石岩心钻进，也可用于工程地质勘察、水文水井钻进、基础桩工程施工，可拆性强。全机可分解成多个整体部件，便于运输和搬迁，适用于多种复杂环境下工作。

图1 HXY-9型岩心钻机

主要具有以下特点：

(1)钻机具有较多的转速级数和合理的转速范围，在钻进时选择速度更合理，更符合钻探工艺的要求。

(2)设计功率大，采用法士特车用离合器及变速箱，扭矩大，操纵轻巧，维护方便。

(3)立轴低速扭矩大，立轴通径大，双油缸给进，卡盘采用大碟簧卡紧、液压松开、三卡瓦自动定心式卡盘，夹持力大，双液压卡盘。

(4)采用双联齿轮油泵组合供油，适应多种钻进工艺，有利于提高钻进效率。

(5)卷扬机横置设计，方便排绳，提升力大，并配有防振仪表。卷扬机操作机构采用杠杆气动制动与杠杆手动刹车相结合，提升靠快速气动制动，刹车靠杠杆手动制动。

(6)具有加压、减压钻进和称重的功能。

(7)卷扬机装有水刹车装置，水刹车上设有排水阀，控制水量流出的大小，可使水刹车产生不同的制动力矩，控制卷扬机的急速转动，从而调节钻具下降的速度，使下钻平稳安全，防止事故的发生，并延长刹车带的寿命。

(8)压梁采用一级轴承油循环润滑，具有润滑效果好、增加轴承寿命、散热快等优点。

(9)采用脚踩式离合操纵装置，具有操控轻便，可靠性高等特点。

HXY-9型岩心钻机主要技术参数参见表3。

1.4 HXY-9B型岩心钻机

该钻机以HXY-9型钻机为原型，在深孔或大口径钻进时，为获得更大的扭矩设计了转盘部分，在转盘上部的孔口增加一个补心。另外，还带一组喇叭口补心，以备石油钻杆时用，立轴下部(去掉下卡盘)通过万向节与转盘联接。

该机型大部分零部件与HXY-9机型通用，寿命长且配件更换方便，既可以用于常规钻探需要，又可以使用转盘，满足大通径的钻探需求。

其他技术特点均与HXY-9型钻机相同，主要技术参数参见表4。

表3 HXY-9型钻机的主要技术参数

表4 HXY-9B型钻机的主要技术参数

3 施工案例

以上几种钻机在深孔钻探施工中因其方便灵活的操控性和可靠的性能得到了用户的认可。多种型号的钻机分别被用于国内深孔钻探施工工地，包括山东莱州科学钻探、四川汶川地震带断裂带科学钻探、甘肃金昌金川科学钻探等，在使用过程中用户也提出了一些可行的建议，如一些关键的零部件的使用寿命还有进一步提高的空间，为我公司进一步提高产品质量和产品性能指明的方向。

图2 HXY-8B型钻机在四川汶川地震带断裂带科学钻探施工工地

2.1 山东莱州科学钻探施工工地

山东黄金地勘公司为了研究三山岛金矿集区深部地质及成矿规律，开展了“胶西北金矿集区超深深部综合地质研究与资源预测”重大科研项目。为了配合该科研项目的实施，在山东莱州西岭金矿区设计了三个岩金勘探科学钻孔，其中ZK96-5孔设计孔深4000m，设计钻孔倾角90°，终孔口径75mm，是设计孔深最大的钻孔，堪称“中国岩金勘查第一深钻。工程于2010年9月18日开钻，历时985天，于2013年5月29日顺利终孔，终孔孔深为4006.17m，开创了国内固体矿产勘查小口径岩心深部钻探先河。

图3 HXY-9B型钻机在山东莱州科学钻探施工工地

该超深孔钻进选用了钻进能力为4200m的HXY-9B型。由于是我国的第一台设计能力超过4000m的立轴式岩心钻机，钻进过程中与山东省第三地质矿产勘查院合作，针对钻机在钻探生产中出现的问题，对钻机的一些部件进行了技术改进和优化，使其能适应小口径深孔钻进工艺。

2.2 甘肃金昌金川科学钻探施工工地

金川科学钻探所属的SinoProbe“大陆科学钻探选址与科学钻探实验”项目，要解决的关键问题之一就是对重要矿产资源集聚区的成矿背景、成矿条件和成矿前景进行研究。从这个方面来看，金川无疑是最佳钻探地点之一。

作为中国三大多金属共生矿之一，金川铜镍矿集区以镍矿为主，其硫化镍储量居世界第三位，并伴生有铜、铂、钴等18种有色和稀有金属。金川的镍、钴、铂产量居全国第一，是中国铂金属的主要产地。

此外，金川铜镍硫化物矿集区具有特殊的大地构造位置和地质背景，这使其成为了地球科学深部钻探试验最佳的天然场所。同时，该地地质应力场集中，岩石类型种类繁多，也是科学深部钻探技术与钻具试验的最佳场所。

从钻探项目正式启动前的2009年，大量工作就逐步展开，各合作机构各司其职。中国地质科学院负责开展地球物理工作，长安大学承担地质研究工作，而金川集团公司则负责浅部钻探。

在进行了大量研究之后，2011年4月，金川铜镍矿集区科学钻探选址现场论证会在金川召开，确定将在二矿区8行上盘开孔，钻孔深度范围控制在2000～2500m。

金川钻探项目由山东省第三地质矿产勘查院承担施工，选用HXY-9型钻机，2014年8月，项目顺利竣工并通过专家组的评审验收。钻探终孔孔深2185.56m，终孔顶角8°，岩心采取率为96.29%。

在1910m左右深处，研究人员发现了热液型黄铜矿、紫硫镍矿和磁黄铁矿。

金川钻探项目的顺利实施，对探查金川铜镍硫化物矿床的成矿深度及其深部和外围的资源潜力，并通过科学深钻研究建立具有我国理论知识体系和创新性的镁铁——超镁铁岩浆铜镍矿床的成矿机制、成矿过程以及成矿模式，具有重要的意义。

图4 HXY-9型钻机在甘肃金昌金川科学钻探施工工地

《地质装备》征稿启事

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2014-07-28

张荣(1988- )，男(汉族)，湖北荆州人，2010年毕业于鸡西大学(现黑龙江工业学院)机械设计制造及其自动化专业，连云港黄海机械股份有限公司工程师，从事立轴式岩心钻机、全液压式岩心钻机等地勘设备的研发工作，江苏省连云港市海州开发区新建东路1号，Tel：0518-85383040，13815664723，E-mail：zhangyun12369874@163.com。

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A

1009-282X(2015)05-0015-04