深部找矿钻探动力头钻机与立轴钻机综合特性对比研究

王 德

（河北省煤田地质局第二地质队（河北省干热岩研究中心），河北 邢台 054001）

深部找矿钻探设备，即深孔钻探设备是实施深部找矿钻探的前提条件，也是必备条件。设备的性能直接决定着深孔钻探是否能够正常实施，以及钻探工作的先进性和经济性。深部找矿钻探设备主要包括深孔钻机、泥浆泵、钻塔以及动力机、搅拌机等。本文对新型动力头钻机和传统立轴钻机进行研究。

1 动力头钻机钻机与立轴钻机

从钻探工作的市场来看，顶驱式动力头钻机的产量和市场占有率呈明显增长的趋势可以说它将主宰地质钻机制造业的未来；但另一方面又必须看到，在固体矿产钻探这一重要领域，不仅目前市场占有的主要机型仍为立轴式钻机，而且从西方一些公司生产的不同类型钻机来看，国外学者认为立轴式钻机在该领域内的有效使用至少仍要保持15-20年。可以说，目前在发达国家立轴式岩心钻机已经被动力头钻机所取代，各大钻机公司各种宣传媒介上已经看不见立轴式岩心钻机的踪影。

纵观我国近代钻探技术发展的历史，钻探技术的发展方向基本上与西方发达国家是相同的，但这并不意味着我国地质岩心钻机的发展方向一定与西方国家一样[1]。我们应该客观地分析世界上地质岩心钻机发展的趋势，探究在西方国家立轴钻机被动力头钻机取代的真正原因，并以此为基础，根据我国的国情和发展态势，制定适合我国的地质岩心钻机发展战略。

1.1 综合性能要求分析

深孔钻探，孔内钻具长，重量大，摩擦阻力大，要求钻机升降系统必须要有足够大的提升能力。为了能够平稳操作和减少消耗，钻机升降系统要配备水刹车装置。随着孔深的增加，钻具回转阻力不断增大，要求钻机回转系统要有足够大的扭矩。为满足多种工艺钻进要求，回转器通孔直径要大，并具有较大的变速范围，以无级变速为佳，以适应不同钻进工艺、不同转速钻进的要求。深孔钻探，减少提钻及打捞内管次数至关重要[2]。对钻机来讲，要求具有较大的给进行程，能保证连续、稳定地给进，从而减少因停钻倒杆引起的岩心堵塞，延长回次进尺和钻头寿命，从而有效提高钻探效率。

1.2 动力头钻机

动力头钻机是20世纪60年代国外迅速发展起来的一种新型钻机。近年来，国内陆续研制开发了以XD、YDX系列为代表的岩心钻探动力头钻机，动力头钻机采取动力头回转、链条给进、全液压控制，结构紧凑，具有下列主要优点：①给进行程长，可平稳连续给进；②无级变速，工作平稳；③易于实现斜孔钻进；④加接钻杆方便，钻具不提离孔底；⑤钻进工艺适应性好；⑥搬迁、安装方便；⑦操作控制集中、方便，易于实现远程遥控及自动化控制。

动力头钻机的主要缺点：①提下钻辅助时间长；②传动效率较低，功率消耗大；③处理事故能力较差；④液压系统密封件寿命较短；⑤维修较复杂，费用高；⑥制造成本高。

1.3 立轴钻机

立轴钻机是我国地质岩心钻探目前应用最广泛的主导型钻机。经过30多年的不断研究开发和改进、完善，已形成从100m到2000m甚至3000m的系列化产品，在钻机、泥浆泵、钻塔、钻具（包括钻杆、取心钻具、钻头）等方面形成配套齐全的钻探设备、钻具体系，在我国地质岩心钻探中已经并且还在发挥着重要作用。该钻机采取机械传动、液压控制、立轴给进，具有以下优点：①传动效率较高，消耗功率低；②提下钻辅助时间较短；③处理事故能力较强；④可靠性高，实用性强；⑤维修方便，对操作技能要求较低；⑥制造成本较低。但立轴钻机也存在明显的缺点：

1.4 动力头钻机与立轴钻机主要特性对比

对钻探施工来讲，钻机的主要特性体现在以下方面：钻探效率、钻探质量、施工经济性、施工安全性等，以下逐一分析对比。

1.4.1 钻探效率

（1）钻机给进行程对钻探效率的影响。动力头钻机给进行程长，一般为3m左右，而立轴钻机一般为0.5-0.6m。钻进过程中，加接单根钻杆（一般3m）后，动力头钻机可连续平稳给进，一气呵成，完成3m进尺；而立轴钻机至少要倒杆3次，且每次倒杆都须停车（钻机回转器停止转动），不仅增加了辅助时间，而且倒杆后重新启动时，钻头在很短的时间内经历从静止到高速转动的变化过程，钻进技术参数在一段时间内难以达到最优。同时由于立轴钻机停车、开车是靠离合器控制，启动不够平稳。这一停一开，易使岩心产生机械性破坏，发生断裂、破碎而造成岩心堵塞，影响了钻探效率和钻头寿命。这些现象和问题，在破碎地层会更加突出。因此，动力头钻机在机械钻速、钻头寿命、回次进尺和提下钻间隔等方向都优于立轴钻机。这些对钻探效率有着直接影响，而且对深孔钻探的影响会更加明显。

（2）加接单根对钻探效率的影响。动力头钻机加接单根时，可直接在机上加接，不需将钻头提离孔底和移动钻机。而普通立轴钻机在加接单根时，必须先将主动钻杆提出孔外并移开钻机后才能加接，既增加了辅助时间，又增加了岩心堵塞的概率。当遇破碎等复杂地层时，还会出现加不上单根和钻具不能直接下到孔底的现象，此时必须进行扫孔才能下到孔底；若岩心堵塞，则缩短回次进尺，增加打捞岩心次数，这样会大大增加辅助时间，又降低钻头的使用寿命，在深孔钻进中尤为突出，在一定程度上影响钻探效率。

（3）提下钻速度对钻探效率的影响。提下钻是钻探施工过程中一项主要工作，由于受钻头寿命的限制，岩石越硬、可钻性越高，钻头寿命越短，提钻次数越多（不提钻换钻头技术还不成熟，故除外），因此，提下钻速度对钻探效率有着重要的影响，而且随着钻孔的加深，影响会更加显著。动力头钻机一般不采用钻塔，受桅塔高度的限制，立根长度一般为6m，提下钻速度慢；而立轴钻机采用钻塔，立根长度长，一般为9m～18m，提下钻速度远远超过动力头钻机。所以说动力头钻机在提下钻速度方面明显不如立轴钻机，特别在深孔钻探中对钻探效率有着更加明显的影响。

（4）其它辅助工作的影响。动力头钻机搬迁、安装方便，占用地盘小，减少平整地盘和搬迁、安装时间。动力头钻机搬迁、安装时间一般只需要1-2d，立轴钻机则需要4-6d。

1.4.2 钻探质量

动力头钻机给进行程长，操作简单、轻便，运转平稳，一个回次钻进中可实现长行程平稳给进，减少岩心堵塞，延长回次进尺。而立轴钻进在一个回次中至少要倒杆4-5次。每次倒杆需停车、开车，加之启动不稳，会造成岩心断裂，易发生岩心堵塞，不仅减少了回次进尺，而且会造成岩心破损，影响岩心采取率，尤其在破碎地层会更加明显。因此，动力头钻机的岩心采取率较高，岩心质量较好，施工质量一般优于立轴钻机。

1.4.3 施工安全性

与立轴钻机相比动力头钻机设备安装简便，无高空作业，可有效避免设备安装过程中的机械和安全事故；工作过程中，动力头钻机启动柔和，运转平稳，可有效地减少孔内和机械事故；动力头钻机能长行程连续作业，不用倒杆，可有效减少岩心堵塞、卡钻等孔内事故，这在破碎地层中，尤为明显；另外工作中无须塔上作业，避免了塔上作业的风险。

1.4.4 其它

与立轴钻机相比，动力头钻机的转速范围宽，能够进行无级调速，且动力头通孔直径大，桅塔角度调节方便等，能够较好地满足多种钻进工艺的要求，如既能满足金刚石钻进高转速要求，也能满足液动锤冲击回转低转速要求，还能满足连续取心、以及不同倾角钻孔安装调节的要求。此外，动力头钻机还有利于实现远程监测和控制。

2 深孔钻探技术经济分析

从以上定性分析对比看，这两种钻机在钻探效率方面各有所长。直观地看，动力头钻机的优势因素更多，除提下钻速度较慢外，其它均优于立轴钻机，因此，一般来说在提高钻探效率方面具有更大的优势。但是，提下钻作业是钻探施工的主要环节之一，对钻探施工效率的影响很大，特别是深孔钻进，钻遇坚硬、破碎等可钻性高的地层，提下钻的影响就更加突出。那么到底哪一种钻机更适合用于深孔钻进？在不同地层条件下又该如何选择？要回答这个问题，不仅要考虑钻探效率，而且要考虑钻探施工的经济效益，因为不同性能的钻机，投入不同、效率不同，但投入的结果最终要考虑经济效益，因此，这既不是一个纯技术问题，也不是一个纯经济问题，而是一个技术经济问题。

影响钻探效率的因素主要有钻探设备、钻探方法、地层条件以及技术、管理水平等等。通过对这些影响因素的深入分析就会发现，这些因素对钻探效率的影响具体体现在各项钻探技术指标上，主要有机械钻速、提下钻速度、提下钻间隔、打捞岩心间隔等。对于金属矿产金刚石钻探而言，上述指标都有其一般变化范围和平均值。

动力头钻机与立轴钻机对比分析对于动力头钻机和立轴钻机来讲，其机械钻速、提钻间隔、打捞岩心间隔等都有所不同，而且这些指标又受岩石可钻性的显著影响。

（1）动力头钻机在机械钻速、回次进尺、钻头寿命和提钻间隔等方面都优于立轴钻速。不管深孔、浅孔、地层可钻性高低，除提下钻时间比立轴钻机多外，其它各工序所需时间均比立轴钻机要少。

（2）不论地层可钻性高低，施工较浅钻孔时，动力头钻机的钻探施工效率要高于立轴钻机，且优势明显。但随着钻孔的不断加深，动力头钻机的优势逐渐减小。这是由于钻孔变深后，提下钻时间增长幅度加大，所占比例增大，动力头钻机提下钻速度慢的弱点进一步显现。

（3）动力头钻机究竟适宜多大深度钻孔不能一概而论，仅就施工效率而言也要看地层可钻性条件。正常条件下，中等可钻性地层，施工深度1500m左右的钻孔时，动力头钻机的施工效率要高于立轴钻机，超过这个深度，动力头钻机将逐渐失去这一优势；施工可钻性较低的地层，直到3000m深孔，动力头钻机的施工效率还具有一定优势；而施工可钻性较高的地层时，1200m左右深孔动力头钻机的优势就消失，施工效率逐渐低于立轴钻机。这是由于随着钻孔的加深，提下钻行程增量双倍增加，提下钻总行程大大加长，提下钻的速度成为制约施工效率的重要因素。当钻进可钻性较低的地层，钻头寿命长，提下钻次数少，使得提下钻速度差距被弱化，在一定深度钻孔范围内没有显现出来。但是钻进可钻性中等以上的地层，钻头寿命大幅度缩短，提下钻次数大量增加，当钻孔超过一定深度，动力头钻机立根短、提下钻速度慢的弱点就逐渐显现，并转化为劣势。

3 深部找矿钻探技术方法分析研究

从钻探技术的工作原理及钻探效率分析，该项钻探技术符合我国正在实施的节约型经济及节能降耗的战略方针。

当然，该项技术目前应用深度受空压机和双壁钻杆额定压力的制约，应用深度还有限，还不能满足深孔钻探要求，但是在深孔钻探的上部孔段可采用水泵泡沫增压钻探方法.泡沫钻进技术是现代钻探技术条件下产生的新技术，是解决低压漏失和水敏性地层以及缺水干旱、沙漠地带以及寒冷甚至永冻层进行钻探施工难题的有效方法。

水泵泡沫增压钻探方法是利用水泵泡沫增压装置代替价格昂贵的高压空压机进行泡沫钻探的一种经济、实用的先进钻探方法。通过水泵泡沫增压装置，利用水泵的高压能力将低压空气和泡沫液二次增压至水泵的额定压力，并混合产生泡沫，从而实现深孔泡沫钻探。

泡沫作为一种特殊的冲洗介质，比重小，用水量少，排粉能力强。水泵泡沫增压钻探技术，证明具有以下几个方面的突出优点：

（1）岩心采取率高，地质效果好。泡沫与其它冲洗介质相比，对岩（矿）心的冲刷作用小，使岩（矿）心的延展性好。

（2）钻进效率高，钻头寿命长。由于泡沫的密度较低，孔内的冲洗介质的静液柱压力也较低，减少了在孔底形成岩粉垫，有利于提高钻进效率。同时由于泡沫是有结构的流体，其携粉能力强，孔内干净，避免了孔底岩屑的重复破碎，提高了钻头的寿命。

（3）在复杂地层钻进能保持孔壁稳定。在低压漏失地层钻进，由于泡沫的密度较低，可有效避免漏失；在水敏性地层钻进，泡沫能在孔壁上形成一层泡沫膜，避免了孔壁产生溶胀、坍塌、剥落、掉块；在永冻地层钻进，由于泡沫的导热性和热容量小，可防止永冻地层融化而造成孔内事故。

（4）可降低钻探施工成本。在交通不便且缺水、干旱地区及高山供水困难地区施工，可大量节省供水费用。

（5）可节省大量投资。采用水泵泡沫增压装置代替了价格昂贵的空压机，在原水泵的基础上就可使用，投资少，见效快，经济、适用。虽然水泵泡沫增压钻探技术具有很多优点，但还存在着泡沫难以循环使用而污染环境，钻进工艺过程较复杂，钻进技术理论不成熟，泡沫剂成本较高等一些实际问题，需要进一步研究解决。

4 深部找矿钻探冲洗液性能研究

深部找矿钻探对冲洗液性能的要求：

深部找矿钻探，即第二找矿深度空间（2500m甚至3000m）的钻探施工来讲，按照一般地温梯度计算，温度不超过90℃，因此，温度对冲洗液性能没有实质性的影响，可不予考虑。冲洗液的性能应根据不同地层类型和钻孔实际情况，因地制宜，进行有针对性的选择。总体而言，深孔钻探对冲洗液性能的要求更高、更严。深孔钻探与冲洗液相关的突出问题：

（1）孔壁稳定难度大。深部找矿钻探所钻遇的地层类型多，往往会遇到不同类型的复杂地层。一是力学不稳定地层。这类地层一般受地质成因或经过多次复杂的地质构造运动，产生多向挤压作用，断层、节理和破碎带发育，结构松散。如果冲洗液护壁性能不强，钻进过程中会出现坍塌、掉块和扩径等问题。二是遇水不稳定地层（即水敏性地层）。这类地层遇水产生水解、水化作用，表现为遇水膨胀、分散、剥落等，主要为泥页岩地层，此外，金属矿产钻探中，还有存在于接触带、蚀变带的含粘土矿物和绿泥石、绿帘石等。若冲洗液性能不当，将会出现缩径、剥落和坍塌等现象，造成埋钻、卡钻、断钻杆等一系列复杂孔内事故。

（2）回转阻力大。深孔钻探，随孔深的增加，孔内钻杆增长，钻杆与孔壁的接触面积增大，若冲洗液润滑性能不良，钻杆与孔壁摩擦阻力就会明显增大，不仅钻机负荷增加，钻杆磨损加快，动力和材料消耗增大，而且转速难以提高，不能很好地满足金刚石钻进高转速的要求，影响钻进效率，还容易造成断钻杆等孔内事故。

（3）钻杆内壁结垢及环空压力大。泥浆在钻杆内平均流速一般为0.2m/s～0.5m/s，呈层流流动，为内壁结垢提供了有利条件。若泥浆固相含量高，流变性能差，在高速旋转的钻杆内壁上，由于强大的离心力作用而引起结垢，导致内管打捞困难；另外，钻杆与孔壁环状间隙很小，通常为1mm～3mm，会引起环空压力增高，压裂地层造成漏失，造成孔壁不稳定。

（4）冲洗液漏失。由于深部找矿钻探多在构造破碎带附近进行，并要钻穿多种类型的地层，漏失时有发生，这是深孔钻探经常遇到的问题，且情况复杂多变。对于一般渗透性漏失，堵漏比较容易；对于漏失严重的地层，堵漏则非常困难。

（5）粘附卡钻。深孔钻探，由于钻杆与接头基本齐平，钻杆与孔壁之间间隙很小，易与孔壁接触且面积大。若冲洗液处理不当，不能有效抑制水敏性地层吸水膨胀；或冲洗液滤失量大，泥皮质量差，润滑性能差，可能会造成粘附卡钻事故。而在浅孔钻探中发生的几率则很低。

5 结论

①深孔钻探技术方法，应具有高度的可靠性和高效性、经济性。②该钻探方法是目前深孔钻探最可靠、适用的高效钻探方法。在目前深部找矿空间范围内，将继续发挥重要作用。③液动锤钻探方法使钻探方法的优势得到进一步发挥，可有效提高机械钻速、回次进尺和钻头寿命并减轻孔斜，成为目前深孔取心钻探效率最高的钻探方法，虽然增加了部分配套费用，对冲洗液的要求也提高，但是仍然是值得进一步完善并大力推广的高效深孔钻探方法。④在特殊环境和地层条件下，结合实际组合应用定向钻探、气动锤和水泵泡沫增压等特种钻探技术，可发挥其独特的技术优势，有效解决钻探施工难题，取得良好的找矿效果和经济效益。