深部钻探作业关键设备选择原则与配置优化

吉胜军

（山西煤炭运销集团沁水峪煌煤业有限公司，山西晋城 048200）

近几年来，随着深部钻探工作的不断加深，该类项目呈现井喷式增长。钻探工艺的实施需建立在钻探设备的基础之上，因此，如何对钻探设备的配置与选择进行优化，对整个项目来说至关重要，特别是深部钻探条件，工程的成败在很大程度上都是由其进行决定。

1 关键设备选择原则

（1）“大马拉小车”的理念一直被深孔钻探装备所遵循。由于在进行深部钻探时，孔深需达几千米，且施工周期较长，孔内的地层状况和钻孔复杂多变。因此，若所选装备无法实现所需输出，那么将会在很大程度上难以进行异常情况的及时处理，从而导致重大事故的发生[1]。

（2）通过对地质岩心钻探特点的分析，所选钻机需要具备高强度的能力，并且其变速范围较宽，扭矩和主动钻杆的杆通孔相对较大，以此来进行不同口径的钻进。符合此要求的钻机主要有两种，一种是动力头式，而另一种是液压立轴式。通常情况下，孔径或是孔深的1.3～1.5倍即为钻机的能力。

（3）在选择时需查看冲洗液的上返流速度、泥浆泵的泵压以及额定流量，使其分别在0.4 m/s、10 MPa以及300 L/min之上。

（4）对于钻塔而言，需要具备足够承载力，从理论上来讲，钻塔所需承载的负荷在设计孔径或孔深时所用钻具重量的2倍以上，且钻塔的高度要超过20 m。

（5）由于进行深孔钻探时，所需功率较大，需选择工业电网进行驱动；在无工业电网时，也可通过燃料发电机组进行设备的驱动；着重避免利用柴油机直连式动力[2]。

（6）从理论上来讲，需为设备配备钻进参数一小，以此来实现对钻探参数，如电压、电流、泵量、转速以及钻压等数据的可视化和自动检测。

2 设备配置对钻探工效的影响

深孔地质岩新钻探在施工过程中不仅需要较高的成本和较长的工作周期，还具有较大的风险，因此在施工过程中钻探工效不仅受工艺技术的影响，合理的设备配置也是保证钻探工效的关键[3]。

2.1 钻机给进行程与工效的关系

钻机在工作时需要进行换档、调速、加压以及倒杆等工序，由于工序相对较多，因此容易造成岩心堵塞与岩心断裂，若地层相对破碎，会对绳索取芯进提间隔与回次尺寸造成一定影响。从相关资料中可知，当地层破碎超过30%时，在倒杆时对回次进尺造成影响的概率为10%～30%，对体钻间隔产生影响的概率为10%。

深度不同处进行内管打捞投放（提下钻）在钻孔通道中经过的总长度除以内管打捞投放速度（提下钻速度）得到的结果即为消耗的总时间，根据等差数列求和公式便能将钻孔经过通道的长度求出，推导公式后便可得到下述影响工效的式子：

T=（H2+GH）/（Gv）

式中：v为内管投放、打捞速度（提下钻速度），m/h；G为回次尺寸（提钻间隔），m；H为孔深，m；T为消耗总时间，h。

体钻间隔在钻机的影响下消耗时间增加量如表1所示，二者影响关系的曲线如图1所示。

表1 给进行程影响提钻间隔所多消耗的时间

图1 给进行程影响提钻间隔所多消耗的时间关系曲线

回次进尺在钻机的影响下消耗时间的增加量如表2所示，二者关系曲线如图2表示。

从表1中可以看出，行程为4.5 m时，将体钻时间间隔设置为30 m、60 m以及100 m，其中体钻间隔受到钻进过程影响的概率为10%；行程为0.6 m时，将体钻间隔设置为27 m、54 m以及90 m。从图1与表1可知，提钻间隔受到钻机影响的程度与孔深有关，当孔深度增加时需要消耗的时间也会随之增加，此时体钻间隔有所减少，但时间的消耗量明显增加[4]。

表2 给进行程影响回次进尺所多消耗的时间

图2 给进行程影响回次进尺所多消耗的时间关系曲线

从表2中可以看出，行程为4.5 m时，将回次进尺分别设置为2 m、3 m以及4.5 m，因为回次进尺受到倒杆的影响，所以按20%进行计算；当行程为0.6 m时，回次进尺分别为1.6 m、2.4 m以及3.6 m。从表2和图2可知，当孔深增加时，回次进尺受到的钻机影响越大，时间消耗也会有所提升，并且回次进尺越短时间的消耗量越多。

从图中能够看出，回次进尺长度以及体钻间隔和钻探工时均受到钻机给进行程的影响。并且钻孔深度增加时其影响功效也随之增大。所以在进行此类工作时长行程钻机相对更适合。

2.2 钻塔高度对工效的影响

钻杆立根的长度由钻塔高度所决定，同时对提下钻速度也有直接影响。首先对绳索取心钻探进行分析，其立根长度有6 m、9 m以及18 m 3种长度，而体钻间隔是50 m，与之相对的起下钻速度分别为200 m/h、300 m/h以及500 m/h。将孔深不同时的工时消耗计算出来，如表3所示，工效受到的影响如图3所示[5]。

从表3中能够看出，当体钻间隔是50 m，孔深是1 000 m时，在50 m、100 m、…、950 m以及1 000 m时均需提下钻，次数共计为20次，当12 min、24 min、…、228 min以及240 min时用立根长度为18 m的进行提下钻，共计需要42 h。从图3中可看出，当孔深增加时，钻杆立杆长度也会随之增加，从而影响工效，当孔深较浅时影响相对较小。所以若孔深大于1 500 m时，高钻塔更为适合。

表3 不同立根长度对起下钻耗时的影响关系 h

图3 不同立根长度对工效的影响关系曲线

2.3 设备驱动方式与传动效率

燃料机（电动机）的液压马达驱动与直接驱动是钻探设备的主要驱动方式。前者在工作时还能较大且传动效率较低，例如在2 500 m孔深下工作时，其总功率为200 kW，而后者仅需120 kW。因此耗能会受到驱动方式的影响，当孔深较深时其成本会明显提升。

3 主要设备优化配置

钻探成本与效率直接受设备选择的影响，因此优化深孔岩心钻探设备具有一定的必要性。在选择设备时，环境条件、施工工艺以及钻孔结构与孔深均是主要的影响因素，因此要选择最为适合的设备可提高钻探效率与经济效益[6]。

通过分析设备性能与工效关系以及钻探岩心的实践，并从钻探设备的多方面进行考虑，对其设备选优建议如表4所示。

在进行钻探深孔岩心时，设备的选型需考虑可行性、适用性以及效率，并注意以下几点。

表4 深孔岩心钻探设备优化选择推荐

（1）在场地较差区域施工时，通常选择分体塔式全液压动力头和立轴式两种钻机。

（2）当施工孔深在1 500～2 500 m时，其场地道路状况良好，则选全液压动力头桅杆整体式钻机。

（3）当施工孔深在1 500～2 500 m时，选用立轴式或分体塔式动力头两类钻机。

（4）当施工孔深需超过2 500 m时，首选顶驱钻机，其次考虑立轴式钻机。

（5）在施工区电量不足或是无电状况下，用选取立轴式钻机。

（6）在进行无岩心的深孔钻探时，通常选择全液压动力头或是顶驱两种钻机。

（7）在进行复杂地层的钻探时，通常选择立轴式钻机进行[7]。

（8）在利用泥浆泵时，需选择变量泵，其流量上限和泵压分别超过了300 L/min和10 MPa。

（9）当所需钻孔深度超过2 000 m时，需选四角和A型钻塔，且高度和承载力分别超过20 m和500 kN；因山区场地较小，故而利用四角塔便于装卸。

（10）设备动力的选择，优选发电机组或是工业电网，避免使用柴油机直联式。若所选设备为液压动力头钻机时，需为其配备分体式动力，以此来实现动力消耗的降低[8]。

4 结语

在选择深部钻探装备时，首先需考虑设备是否符合四大原则，这四大原则分别是前瞻性、先进行、适用性及合理性。接下来在进行配置的选择，在选择过程中需依照地质特点和钻探的钻进方式、孔径以及孔深等多方面条件进行。由于设备配置的差异，常会出现进行不同孔深的钻探时造成不一样的影响。再进行设备选择时，需对多方面因素进行考虑，以此来保证设备能够获取最佳的钻探效率和经济效益。