深孔大口径绳索取芯钻进设备与机具

贾长城，刘春生，秦　沛

（北京市地质工程设计研究院，北京101500）

深孔大口径绳索取芯钻进设备与机具

贾长城*，刘春生，秦沛

（北京市地质工程设计研究院，北京101500）

为了开展汶川地震断裂带科学钻探工作，在WFSD科钻中心的组织协调下进行了钻探设备、施工机具、泥浆处理设备的研制与配套工作，在不到1年的时间里完成了KZ3000型钻机及配套设备的研制和生产。整套设备实现了转盘钻进与绳索钻进2种工作模式；研制与配套了大口径绳索钻进所需的成套泥浆处理设备；完成了3000m级别的大口径绳索钻进钻杆与机具的研制，试验了较大环状间隙、较高泥浆密度条件下的绳索取芯工艺。该套设备主要以液压泵站为动力源，实现卷扬机、钻进回转无级变速。该套设备为后期的科学钻探工作提供了坚实的物质基础。

科学钻探；钻机；绳索钻具；泥浆设备

1　概述

为了完成汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）项目WFSD－2孔的施工任务，项目组专门开展了施工设备和机具的研制工作。WFSD－2孔最初设计孔深为3000m，实际完钻深度2383.56m。该钻孔的技术要求为：开孔直径444.5mm，终孔直径150mm，全孔取芯；采用先取芯，后扩孔，悬挂技术套管护壁的方法进行施工。该钻孔地层的突出特点是膨胀缩径、破碎、坍塌、掉块。施工工艺和地层特点要求钻探设备、机具有较强的适应性。施工中采用新研制的KZ3000型全液压钻机。该钻机采取顶驱式动力头和转盘复合的钻进模式，采用S150绳索取芯钻具及配套辅助工具，在泥浆系统方面研制了BW280/30型高压泥浆泵，配套了两级泥浆处理设备。整套设备机具经过实践检验、改进，基本上适应了在复杂的地震断裂带开展大口径绳索取芯钻进的需要。

2　钻塔的配置

由于WFSD-2钻孔的技术指标已经超过了现有地质岩芯钻探设备的最大能力，在钻塔的配置上采用在较成熟的石油钻井用K31型钻塔的基础上进行改装。

WFSD-2工程的应急特性要求钻塔必须具备以下技术条件:

（1）钻塔的塔基座必须尽可能的小。施工现场的尺寸为南北长76m，东西宽18.8m。钻塔要能进行中途起落，同时摆放各类钻杆、套管、测井设备、泥浆材料、泵站，并满足大型车辆进出需要。

（2）大钩的负载能力不应低于950kN，满足S150型绳索钻杆3000m的强力起拔和回转的需要。

（3）钻塔要具备容纳S150型绳索钻杆3000m的平台空间，同时不影响液压大钳、气动绞车、B型吊钳、绳索绞车、液压锚头的工作。要有满足人员连续施工的工作环境和空间。

（4）钻塔要适合HXY-8B型钻机的安装操作，还要适应KZ3000型钻机的安装操作和添减10m钻杆单根的需要。

为了满足以上要求，在K31型钻塔的基础上进行了以下几方面的改进：

（1）提高一层平台高度到4m，为加装液压泵站、主卷扬机、转盘液动装置提供空间。平台改造后，后半场安装电器开关柜，前半场安装动力头导轨架、气动绞车、液动钳等辅助工具。改造后，一层工作平台机人员活动空间较大，操作场地平整。司钻操作钻机、观察孔口视野良好，大大减轻钻工的工作环境压力。

（2）加装了液压动力头导向架，悬挂了2根行程为10m的减压钻进用液压油缸。该项改进提供了长行程不倒杆的钻进能力，提高回次进尺数，减少了对岩芯的扰动，同时为孔口拧卸钻具提供了宽敞的空间，便于液压大钳等工具的使用。

（3）增加前台板的宽度和钻杆盒的容量，改进后的钻杆盒可以容纳2000m的绳索钻杆，为2000m以内孔深的提下钻提供方便，减少拆卸钻杆的辅助时间，同时为气动绞车、液压大钳提供操作空间。

（4）在一层台板下设计了泥浆罐、振动筛、除泥机，有效地减少了场地占用，增加了钻机的稳定性。改造后的一层平台尺寸为16490mm×9132mm×4000mm。

改造后的K31-135型井架的基本参数：最大钩载为1350kN(6×5轮系)；井架有效高度31m；井架顶部开挡（正面/侧面）：1.6m；塔腿铰链跨度7.5m；立根容量2000m（5″钻杆）。改造后的钻塔基本满足施工要求，但改造后仍有不足，主要表现为一层平台整体升高后，横梁至一层平台的距离降低为4250mm，塔腿铰链跨度7.5m，在使用KZ3000型钻机时液动大钳等工具的悬挂空间不足。改造后的平台见图1、图2。

图1　钻塔右侧面

图2　钻塔正面

3　泥浆系统的配置

该钻孔的施工采用多种工艺，不同的施工工艺对泥浆有着不同的要求。取芯钻进要求采用优质泥浆、无固相泥浆，对于泥浆的固相含量和固体颗粒的粒径要求较高，在采用绳索取芯时泥皮的厚度会影响绳索打捞的成功率。进行扩孔钻进和牙轮钻进时泥浆的比重有较大。同时2种泥浆都要面对地层涌水与漏失的考验。

3.12种工艺要求采用不同的泥浆泵

扩孔钻进和牙轮钻进时采用BW1200/7B型煤田系列泥浆泵；绳索取芯时采用新研制的BW280/30型泥浆泵。BW1200/7B型泥浆泵是地热井施工最常使用的泥浆泵，满足3000m深度的水井施工要求，在施工中采用双泵配置，通过换向阀进行切换。BW280/30型泥浆泵是在BW-600/10型泥浆泵的基础上改造的，主要针对该泵的动力、离合器、泵头结构、进排水阀进行改造。经过改造，BW280/30型泥浆泵采用柱塞结构，具有5种流量和5种压力，最大压力30MPa，最大流量280L/min，流量变化范围广、输出压力较高，满足3000m深度S150型绳索钻进所需的高压力，小排量的技术要求。

3.2泥浆净化设备

根据钻进工艺要求，配置了两级固控系统，即一级振动筛、二级除泥机，同时利用钻塔的底座设置了循环泥浆池和备浆池。

牙轮全面钻进和扩孔时需要处理颗粒较大的岩屑，现场选用HS240-3P型振动筛作为一级泥浆处理设备。该型号为直线振动筛，采用双电机，振动频率为24.3，振幅为5.8，选用80目或100目的筛网。对于优质泥浆的处理适用性较好，能够满足清除1200L/min流量泥浆的岩屑。

金刚石钻进时，特别是膨胀地层施工时，泥浆中的细小固体颗粒较多，现场前期采用了TGLW350-692型离心机，后期改为HM-100×4-C型除泥清洁器，用来除去泥浆中粒径为20～40μm的有害固相颗粒。除泥清洁器采用水力旋流锥筒结构，采用4只4″的旋流器，达到80m3/h的泥浆处理量，同时配备150～200目的筛网。泥浆循环池采用钻机底座的空间，在一层平台下部两侧分别设置制浆罐和循环罐，容积均为17m3，在循环罐中间采用隔板又分出5m3沉淀池和12m3循环池。

上述泥浆设备和循环系统的设置存在较多的问题，主要表现为泥浆池容积小，泥浆的循环线路短，泥浆不能进行有效的自然沉淀。泥浆泵的进水管位置过低，泥浆中的细粒度岩粉未充分沉淀又参与新的循环中去，在采用BW1200/7B型泥浆泵时活塞磨损较快。第二，泥浆净化设备级数较少，在采用加重泥浆时，重晶石也会被分离出去；在采用绳索钻进时，地层造浆使得泥浆的密度、粘度、泥皮厚度都有所增加，影响绳索打捞内管。改造后的BW280/30型泥浆泵的泵压满足技术要求，但是泵量明显不足，在钻进三叠系地层特别是断层泥地层时，泥浆不能将钻头刻取的岩粉充分携带出钻孔，造成严重的糊钻头现象。

4　钻机的选择与研制

4.1HXY-8B型钻机的情况

出于应急施工的需要，项目部在进场时首先采用HXY-8B型钻机进行施工，HXY-8B型钻机具备绳索钻进工艺和扩孔钻进施工能力。该钻机完成了该孔838.66m之前的施工，由于液压卡盘的卡盘油缸和轴向轴承的负荷能力较小，转盘的强度不足，卷扬机的提升能力较低，继续钻进困难。

4.2KZ3000型钻机的基本情况与技术特点

KZ3000型钻机是针对WFSD-2孔的技术要求设计的，WFSD-2孔的技术要求主要包括：

（1）钻孔深度：3000m；

（2）终孔直径：150mm；

（3）全孔连续取芯钻进，全孔岩芯采取率不小于85%，岩芯保持原状；

（4）岩芯直径：85mm；

（5）孔斜率：钻孔顶角不大于15°，最大“狗腿”度2°/30m；

KZ3000型钻机在2010年7月9日完成组装，经过2个月的使用检验基本满足了施工的需要。

（1）顶驱与长行程减压油缸组合，实现绳索钻进回次进尺10m不倒杆的技术条件。

钻机的顶驱采用4组柱塞泵分别驱动4个恒星小齿轮，小齿轮与中心大齿轮啮合带动六方主动钻杆旋转，将回转动力传达给钻杆完成钻进回转动作。柱塞泵动力源可以实现驱动力的均衡，回转平稳。钻杆的全部重量通过六方主动钻杆传递给大齿轮空心轴，由空心轴通过轴向轴承传递给动力头箱体，再传递给悬挂减压钻进油缸。顶驱的液压驱动实现了无级变速，钻杆传递过来的冲击力通过柱塞泵的液力缓冲避免了齿轮箱齿轮的相互冲击，钻进平稳，为绳索钻进提供了一个良好的工况条件。

顶驱箱体在悬挂油缸的带动下实现了长行程的送钻工艺。KZ3000型钻机设计了2根悬挂油缸，采用铰接的方式，通过悬挂杆吊挂在K31型钻塔的天车底座下面。顶驱箱体通过导向架与导轨进行结合，实现垂直运动。悬挂油缸的行程达到10m，可以顺利加减任何尺寸的石油钻杆、绳索钻杆，其提升力达到1000kN，完全满足3000m绳索钻杆的减压钻进需要。在液压控制系统的操控下，悬挂油缸实现了钻压调节精度小于3kN的能力，使金刚石钻进的钻头压力控制得到保证。

（2）采用液力驱动的ZP175型转盘与液力驱动的主卷扬机配合实现回转钻进和精确的送钻工艺。

转盘选用石油系列成熟的ZP175型转盘。该转盘最大静载荷2700kN，通孔直径444.5mm，最高转数300r/min。转盘动力采用2组柱塞泵，各驱动一组小齿轮共同带动大齿轮旋转，通过万向轴驱动转盘输入轴。选用液力驱动为提钻取芯提供了一个良好的工况条件，转盘带动主动钻杆回转时力矩稳定，避免钻具受到冲击，使岩芯管内的岩芯不受扰动。

主卷扬机设置在转盘变速箱的后部，一层台板之下，不占平台面积。主卷扬机主要是配合转盘进行扩孔施工，不参与绳索施工。主卷扬机采用2个变量柱塞泵进行驱动，柱塞泵的排量由电位计进行控制，实现提升的调速。为提高安全性能，主卷扬增加了刹带制动器，实现卷扬机静止状态时制动器抱死，调整卷扬机手柄时制动器才打开，延时0.5s，对应的主泵和主阀M7开始供油；主卷扬动作回零后，柱塞泵停止工作，制动器抱死。主卷扬在配合送钻时靠钻具自重加压，通过送钻加压电位器来调节步进间隔时间，通过设定送钻加压的频率，通过调整控制程序控制刹车打开的程度，三者配合实现理想的孔底压力。

主卷扬机的上述功能设计实现了单绳0～1.5～5s/s的可变绳速，操控台手柄操作，精确自动送钻（压力调整精度达到3～5kN），常闭式刹车。卷扬机的设计为操作者提供了安全的操作条件，使送钻控制达到了自动化的水平，在目前的地质取芯钻探中实现了技术突破。

（3）“电液操作系统”改变了传统的液压与机械操作模式，使操控条件、环境、精确度有了质的提高。

KZ3000型钻机设计了独立的钻机操控室，位于动力头和偏房之间。钻机操控台上设计了手动操作调整面板和屏幕操控显示面板2部分。屏幕操控显示面板可以提供钻机的实时运行情况和参数，所有的运转参数通过计算机进行程序设定，手动操作调整。KZ3000型钻机采用博世—力士乐公司的BODAS可编程专业液压控制微处理器实现比例电磁铁精确电流控制、电磁铁开关控制、数字和传感器信号输入、数据通讯等功能，使各部件控制精确可靠。

在屏幕操控显示面板上提供了一级选择菜单，设计了顶驱取芯、转盘扩孔、工作模式、错误报告4个可选窗口，在选择了一个功能窗口后，可以进入下一级菜单，通过手动操作完成运行参数设定

KZ3000型钻机的操作系统界面相对简单，但是功能齐全，具备钻探高级工资格的司钻人员通过短期的理论和实操培训均能进行操作，符合野外地质队司钻的人员现状。

5　S150型绳索取芯机具的研制

WFSD-2孔的地层特点要求绳索钻具首先要适应地层软硬变化；其次，要能够和多种类型的泥浆配合施工，特别是加重泥浆；第三，要有足够的强度、扭矩、抗冲击性能；第四，要满足岩芯直径不小于85mm的要求；第五，要能够和成熟的石油井下工具、孔口工具相配合，尽可能的保证通用性。

经过技术优化，最终确定采用Ø127mm内平外台阶绳索钻杆，Ø142mm加重钻杆，Ø150mm绳索钻具。经过技术攻关，确定钻探材质采用XJY950，其屈服强度达到Rp0.2为975MPa,抗拉强度Rm为1080MPa,断后延长率为19%。钻杆的杆体尺寸确定为Ø127mm× 6.35mm，接头外径Ø142mm，设计90°角平台肩，满足吊卡的使用条件。钻杆接头外径与孔壁的环状间隙达到8mm，能够适应膨胀性泥岩钻进，给高比重、较高黏度的泥浆留出循环空间，得到合理的循环压降和上返速度。钻杆之间的连接形式为整体自接式，接头最大上紧力矩为32kN·m，双头螺纹接头连接，密封性能良好，耐压大于30MPa，接头在屈服极限下的张力负荷需达到2000kN。钻具具备普通内管和半合管2种内管形式，设计半合管时考虑到地层膨胀性的影响，钻具采用通用工具可以方便进行拆卸、组装。在钻具的悬挂机构上采用双弹卡结构,钻具到位悬挂准确，泥浆循环通畅。

6　附属工具——液压绳索取芯绞车

为了配合绳索取芯专门设计了带有张力测试装置和自动排绳的4000m液压绞车。该绞车通过柱塞马达驱动，运行平稳，可以自由增减速度；张力监测装置可以用于判断打捞内管的工况。

7　HXY-8B、KZ3000型钻机与各种钻具的试验效果

在WFSD-2孔的上部孔段分别进行了全面钻进、普通提钻取芯、绳索取芯等钻进工艺,具体指标见表1。在894.17m以上的钻进取芯中，几种工艺都在试验磨合中，其中普双半合管取芯试验了241.47m，时效在0.60m/h，绳索取芯试验了55.51m，时效为0.56m/h。普双半合管取芯先后采用了唐山金石、成都理工和现场改进的钻具，绳索钻具采用了无锡钻探工具厂、地调局勘探所的钻具，各种钻具都在使用中进行了改动，表1中的数据为试验和改造中的数据。

表1　各种钻进方法钻进效率统计表

8　KZ3000型钻机与S150型绳索取芯机具的特点、问题与建议

8.1KZ3000型钻机与S150型绳索取芯机具的优点

KZ3000型钻机是目前专门为大口径绳索取芯工艺而设计的一款全液压钻机，可以满足绳索取芯→扩孔→下套管→下悬挂套管→绳索取芯的工艺要求。该钻机可以实现直径150mm钻孔，钻深3000m的钻孔施工。全液压的动力系统实现了远程动力传输，并且各个运转部件的控制实现了自动化。散装的钻机各部件满足了运输的技术要求，现场安装比较方便。操控平台集中了大部分的操作功能，司钻的操作环境得到了极大的改善。现场所用设备大部分可以采用通用的设备，标准化程度高，便于采购集成。10m行程的减压钻进油缸实现了9m单根钻杆不倒杆的钻进能力，保证了岩芯的完整性，避免扰动。

S150型绳索取芯钻具与钻杆是目前为止国内口径最大，能力最深的。完成了孔口工具、绞车、打捞机具、提引器的系列配套。

8.2KZ3000型钻机与S150型绳索取芯机具存在的问题

KZ3000型钻机在整合现有资源的基础上进行的设计，仍存在一些缺陷。首先是钻塔的开档宽度不足，底座的前场面积不足，造成井口工具摆放过于紧凑。其次，泥浆循环系统级数不够，泥浆处理效果不好。第三，全液压钻机的效率低，功率损失大，液压元件和液压控制系统出现问题的现场维修困难。

S150型绳索钻具存在打捞失败现象，钻具的内管总成和悬挂、卡持机构的配合尺寸不合理，造成打捞范卡；其次，钻具各零部件的间隙不合理，泥浆循环不通畅；第三，泥浆泵的排量较小，钻头的水力结构不合理，存在钻头的排水孔道被堵住的现象，造成岩粉携带不及时，泥浆的固相含量增高，容易卡钻。

8.3KZ3000型钻机与S150型绳索取芯机具的改进建议

KZ3000型钻机是应急设计的成果，从使用角度考虑钻机应该改善转盘附近的操作空间，提高横梁至一层平台的高度，增加塔腿铰链的跨度，增加一层平台前台板的宽度。增加泥浆罐的容积，改善循环沉淀环境；提高泥浆处理设备的处理能力，使泥浆的固相含量得到及时控制；改造BW280/30型泥浆泵，提高泵量。液压绳索绞车的打捞钢丝绳的路径要进行改进，避免90°角换方向。

S150型绳索钻具可以在钻具总成和外管的间隙上进行进一步的优化，更方便泥浆的循环；钻具总成的各个台阶面应进行圆角化处理，减少打捞时的阻力，改进弹卡板的收张机构，避免卡死现象；从泥浆循环的需要出发，重点改进扩孔器的水槽，钻头的水口结构，设计针对不同地层需要的卡簧机构，解决岩芯卡持和堵塞钻头的问题；改进外管总成螺纹的设计，将弹卡挡头、弹卡室、座环尽可能做成一体，提高丝扣抗拉脱的能力。

KZ3000钻机与S150型绳索取芯机具在不到一年的时间里完成设计和制造，为大口径绳索取芯工艺的开展提供了良好的平台和基础。随着科技的进步，超深钻孔、科学钻探的需要，大口径绳索取芯工艺以其不提钻取芯的特性，在3000m这一深度范围内有着优异的技术、经济特性，具备了进一步开发、推广的基础。

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1004-5716(2016)11-0034-05

2015-12-16

2015-12-18

贾长城（1970-），男（汉族），北京人，高级工程师，现从事钻探工程技术工作。