勘探鉆機和鉆具的升級

1 SC11地表取心鉆機

在今年的PDAC上,美國寶長年公司推出了其最新研制的SC11飛運式輕便鉆機。據稱,該鉆機的最大扭矩為5456N·m,可以使用PQ鉆桿進行鉆進。

SC11鉆機是一種地表勘探取心鉆機,使用NQ鉆桿的鉆進深度可達1300～1500m,并且可以拆卸成幾個易于處理的模塊。根據該公司固定設備全球產品經理Craig Mayman介紹,SC11鉆機是根據寶長年公司成熟的LM技術研制,主要用于難進入地區和鉆進場地受限制的地表勘探作業。鉆機的適應性強,可以方便地組裝或拆卸成緊湊的飛運模塊。在寒冷的地區,由于結構緊湊,因此可在鉆棚內進行鉆探作業。

SC11鉆機采用柴油發動機(John Deere 4045HF485)驅動,額定功率為128kW,動力強勁。因此,鉆機具有鉆進大直徑深孔的能力,提升能力為132kN,可用PQ尺寸的鉆桿。鉆機的特點在于一個可變速馬達,低速回轉時的動力頭扭矩可達5456N·m,用于牙輪鉆進;而高速(1230r/min)回轉時用于金剛石鉆進。

鉆機還可用液壓處理系統進行鉆桿接頭的連接和擰卸,并安全地輸送鉆桿。液壓執行機構控制鉆機的鉆桿處理裝置在三維上移動。鉆桿處理裝置配備有接近傳感器,以保護在附近的操作人員免受鉆桿落下時的傷害。

固定在助手和鉆桿處理裝置控制面板之間的激光系統在鉆工進入工作區間時可停止移動。一旦激光束中斷,鉆桿處理裝置就立即停止工作,只有當鉆工重新設置后,才可以重新啟動。

該鉆機使用寶長年公司特有的充氮卡盤,其充氣彈簧驅使卡爪夾緊鉆桿,以提供故障保護。控制面板操作手柄的特點是采用“提起換檔”的方式啟動回轉和給進,以防止意外啟動。

圖1 SC11飛運式輕便鉆機

圖2 鉆機的后視圖和側視圖

SC11鉆機可以拆卸成幾個飛運模塊,最大重量為680kg。根據鉆機的配置情況,可以分9次或11次(增加滑座和鉆桿處理裝置)運輸。提升點設在模塊的重心位置,以使載荷平衡。快速連接的液壓接頭可使裝配和拆卸的時間大大加快,并且可防止油溢。所有的模塊均標有明顯的引導線,以幫助操作人員快速對齊,并裝配鉆機,加快鉆機的布置進程。輕按一下帶有公母接頭的引導架構可使各模塊進入預定位置,再輕按一下非常明顯的頂起點和提升點便可安全、方便地進行鉆機的組裝和拆卸。SC11鉆機在寶長年公司位于西澳大利亞帕斯的工廠制造,并在新西蘭和印度尼西亞進行現場試驗。

圖3 鉆桿夾持器

圖4 鉆桿處理裝置

1.1 SC11鉆機的主要特點

(1)性能優越

采用LM地下鉆機技術和力士樂M 4液壓閥使鉆桿的處理更加容易;1800mm的給進行程和132kN的提升能力保證了較大的鉆深能力;回轉動力頭采用空心主軸和4檔轉速;充氮卡盤的夾持力達222kN;鉆桿夾持器采用彈簧關、液壓開模式,故障少。

(2)動力強大

該鉆機集成了寶長年公司許多成熟的地表和地下鉆機的優點,是同類鉆機中唯一可以采用 PQ大直徑鉆桿鉆進的飛運鉆機,使用NQ鉆桿的鉆進深度可達1500m。

(3)結構輕便

鉆機按照輕便、模塊式設計,由9個或11個易于管理的飛運模塊組成,最重模塊的重量為680kg;起吊點易于識別,并且布置在使載荷平衡的位置上;快速連接接頭可保證鉆機的安裝和拆卸迅速、可靠。

(4)安全可靠

鉆機配備自動故障防護功能的充氮卡盤和LM系列鉆桿處理裝置(選配件),可大大減少人工鉆桿處理工作量,并且在不能保證安全操作時其激光系統可自動使鉆機停機;控制模塊使用“提起換檔”的操作桿,可防止意外啟動。此外,高壓軟管均使用防爆套管保護。

1.2 SC11鉆機的技術參數

鉆進深度BQ 2128 m

NQ 1547 m

HQ 899 m

PQ 436 m

柴油發動機型號 John Deere 4045HF485

發動機功率 128 kW

動力頭轉速和扭矩 轉速(r/min) 扭矩(N·m)

119～196 5456～3904

240～395 2714～1640

427～703 1527～922

747～1230 874～529

液壓系統壓力 310 bar

最大排量 200 L/min

給進行程 1800mm

最大加壓力/提升力 66kN/132kN

繩索取心絞車提升力11.77 kN(光鼓)

4.51 kN(滿鼓)

提升速度 0～254m/min

鋼絲繩直徑 5mm,6mm,1/4"

容繩量 1400m,1000m,895m

鉆進角度 45～90°

飛運模塊數 9或11(增加2個選配件)

最大重量 680kg

鉆桿夾持器最大口徑125mm

最大夾持力 130kN

1.3 飛運模塊

(1)泵組模塊642kg

(2)發動機模塊676kg

(3)散熱器模塊228kg

(4)控制模塊603kg

(5)定位器678kg

(6)絞車和鉆桿夾持器415kg

(7)給進架677kg

(8)回轉動力頭676kg

(9)上桅桿和水泵315+253kg

(10)滑座(選配)578kg

(11)鉆桿處理裝置(選配)660kg

2 XP系列和Stage系列取心鉆頭

寶長年公司最近還成功開發了兩個系列的金剛石取心鉆頭。

2.1 XP系列表鑲金剛石取心鉆頭

表鑲鉆頭在軟巖地層非常有效。寶長年公司除了擁有傳統的金剛石表鑲鉆頭,最近還開發一種新的XP系列孕表鑲金剛石取心鉆頭。

圖5 XP系列孕表鑲金剛石取心鉆頭

新的XP系列表鑲金剛石鉆頭包含了11項新的結構設計,使用壽命是傳統表鑲金剛石鉆頭的3倍,并且在破碎地層中不必更換鉆頭,這些鉆頭在煤田勘探中具有較大的市場。

據寶長年公司取心產品經理Monika Po rtaman先生介紹,“我們的目標是重新定義表鑲金剛石鉆頭,并且提出在軟的沉積地層中新的產品衡量標準。XP孕表鑲金剛石鉆頭試驗驗證了鉆頭的設計強度和開發鉆頭所使用的新技術。”

XP系列表鑲金剛石取心鉆頭的特點是,含多層金剛石的胎體可大大提高鉆頭的使用壽命。與傳統的僅含有單層金剛石的表鑲鉆頭相比,獲得專利的超級胎體(U ltraM atrix)在切削過程中始終保持含有大顆粒的人造金剛石,在軟地層中鉆進效率更高,并且鉆頭壽命可提高200%。

由于具有更好的切削性能和更深的鉆進能力,這種鉆頭的胎體設計還可以減少鉆頭不切削的停機時間。如果地層隨深度而變化時,硬的礦層經常會損壞傳統的表鑲鉆頭,因而迫使操作人員提出鉆桿柱以更換鉆頭。

該鉆頭的RazerCut唇面設計可使孕鑲的金剛石更快地出露,因而進一步提高了鉆進的效率。因為這種設計使鉆頭具有自銳的性能,一旦暴露切削面就可立即進行鉆進,而且在鉆進過程中具有良好的導向性,使鉆孔始終保持直線性。

據介紹,與傳統的表鑲金剛石鉆頭相比,由于XP系列孕表鑲金剛石鉆頭的適用性更廣,無論是軟地層還是硬礦體,無論是深孔還是淺孔,其鉆進速度更快、使用壽命更長、使用成本更低。

此外,鉆工不需要根據唇面造型、金剛石的品級粒度來選擇鉆頭,簡化了鉆頭的訂購程序。

2.2 Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭

孕鑲金剛石鉆頭一般用于鉆進中硬到極硬地層。鉆頭胎體由金屬粉末和金剛石制成,在鉆進過程中隨著胎體的逐漸磨損而露出新的金剛石層,形成新的切削點。金剛石和專有胎體的組合使寶長年公司的孕鑲金剛石取心鉆頭具有最佳的鉆進性能。

寶長年公司曾經由于在Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭的水路設計上的創新而著稱,并且研制了業內最大胎體高度的鉆頭。最近,該公司又針對用戶的反饋意見,對Stage系列鉆頭進行了改進和擴充,以使鉆頭的純鉆進時間更長,而花在起下鉆桿上的非鉆進時間更短,從而提高了鉆進效率。

新的Stage系列鉆頭有三項改進,一是水路設計升級為 Stage3,二是增加了一種胎體高度為16mm的鉆頭,三是增加了一種底面沖洗的鉆頭。據Monika Portaman先生介紹,自2007年推出以來,Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭一直是業內胎體高度最大的鉆頭,最大高度超過25mm。獲得專利的設計使鉆頭的鉆速更快,在孔內的有效鉆進時間更長,起下鉆桿的次數更少,因而提高了鉆頭的班次進尺和總鉆進深度。

Stage鉆頭在水路設計上的改進包括具有圓角的水口,提高了強度,使用壽命更長。新的水口設計提高了在破碎地層鉆進時碎屑的磨損阻力。

水口設計的另一個特點是采用雙錐形設計。向內變小可在水口的內徑方向更加結實,從而提高了強度,延長了鉆頭的使用壽命。錐形的水口可在內部形成更高的鉆井液速度,使鉆井液的沖洗性能更佳。

此外,Stage鉆頭還改進了水口的布置,進一步提高了鉆頭的強度,并改進了鉆頭在各類地層的鉆進性能;采用了獲得專利的 Razo rCut唇面設計,提高了鉆進效率。

除了設計上的改進,Stage鉆頭的胎體高度有16mm和25mm兩種可供選擇,前者專門用于淺孔鉆進。在鉆進極軟地層和破碎地層時,用戶還可以選擇底面排水的鉆頭。

圖6 Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭

3 Excore系列金剛石取心鉆頭

勘探鉆工的生活取決于鉆探設備的效率,巖心的多少決定了鉆探公司的收入和鉆工的報酬。這就是為什么鉆工要尋找鉆進速度快、使用壽命長的金剛石鉆頭的原因。

為了不在技術上被競爭對手超過,瑞典阿特拉斯·科普柯(A tlas Copco)公司在 PDAC上也推出了新的金剛石取心鉆頭系列——Exco re。該系列鉆頭除了具有以前成功鉆頭的所有特點外,還具有一些新的特點以達到在設計和冶金學上的最佳平衡。根據該公司介紹,新鉆頭的推出之前進行了嚴格的試驗,在6個不同的應用領域,不同的地層條件下鉆進了1萬多米。

設計Excore鉆頭的一個主要目的是提高鉆進速度。在復雜的破碎地層鉆進時,鉆孔易于偏斜,巖心的采取率低,鉆工通常需要決定是減少鉆頭壓力,還是保持鉆進速度。

鉆壓低易于鉆直孔,而且巖心的采取率高,同時還可以減少鉆桿柱的磨損。但是在鉆進巖層時,往往要求鉆工增加鉆壓以提高鉆進速度,這就要求選擇合適的鉆頭型式,以適應所鉆進的地層。

圖7 Excore系列金剛石取心鉆頭

Exco re系列鉆頭可使鉆工在任何地層條件下使鉆進速度和鉆壓最佳化,因而可獲得最佳的鉆進效果。因為每個鉆頭所適用的地層較廣,對給定的鉆進工地所需要庫存的鉆頭類型較少,也簡化了鉆頭的選擇。

3.1 為什么選擇 Excore鉆頭

(1)使用壽命長

現場試驗表明,在大多數地層條件下,Excore鉆頭的使用壽命均有了較大提高,因而起下鉆桿的次數少,節省了大量起下鉆桿的時間。在極端條件下,其使用壽命是以前所用鉆頭的5～6倍。

(2)鉆進效率高

由于改進了鉆頭的切削能力,Excore鉆頭的鉆進速度比普通鉆頭可提高80%,而且可在較低的鉆壓下進行鉆進,即使是在極硬的巖層。

(3)使用范圍廣

一種鉆頭類型可適應不同的地層,不需要經常更換鉆頭以適應地層的變化,既簡化了鉆頭的選擇,也提高了鉆進效率。

3.2 如何選擇 Exco re鉆頭

按鉆頭的用途不同,可將 Exco re鉆頭分為三類:

第一類:適用于軟到中硬巖層,具有強研磨性的破碎到穩定地層,胎體系列為1～4;

第二類:適用于中硬到硬巖層,具有弱研磨性的破碎地層到穩定的層,胎體系列為5～8;

第三類:適用于硬到極硬的穩定巖層,胎體系列為9和10。

每一種Excore鉆頭型式具有不同的唇面造型,包括用于破碎地層到致密地層的深水槽(ECF),獲得專利的用于在致密地層中快速切削的噴射型;以及用于極破碎地層和三層取心筒的底面沖洗(FD)結構。

由于這些特點,加上不同的胎體高度(10～16mm),意味著Exco re鉆頭可適用于各種用途的取心鉆進。

表1 Excore金剛石鉆頭的選擇

表2 胎體系列及其適用地層

表3 Excore金剛石取心鉆頭的唇面造型胎體高度

3.3 在瑞典的應用實例

Boliden礦業集團的一個地下礦山是瑞典最深的礦山之一,為了圈定礦體范圍,需要在不同深度進行了取心鉆機。

瑞典的鉆探承辦商 Protek Norr公司負責在850米深度進行取心鉆探。在其中的一個礦區,地質條件多變,普通金剛石鉆頭的壽命大約在100m左右,因此鉆進900m的勘探孔,為了更換鉆頭需要起下鉆桿柱8次,為此要浪費大量的鉆進時間。

為了提高鉆進效率,減少起下鉆桿的非鉆進時間,很明顯需要一種新的鉆頭。阿特拉斯·科普柯公司在該礦的銷售工程師建議使用一種具有噴射結構的Excore鉆頭。第一個試驗的Excore鉆頭的使用壽命就達到326m,在該礦區試驗的 Excore鉆頭最長使用壽命為347.5m。總的來看,試驗效果非常好,Excore鉆頭的平均使用壽命為324m,是以前在該礦區所使用普通鉆頭的3倍。每個鉆孔僅需要起下鉆桿2次,而不是以前的8次,因此消耗在起下鉆桿柱柱上的時間大大減少了,提高了鉆進效率。

3.4 在南非的應用實例

2009年,南非的鉆探承包商Drillcorp公司在約翰內斯堡西部某金礦為期5個月的取心鉆探過程中,也曾做過 Excore鉆頭試驗。

在該礦區需要鉆進了46個鉆孔,總進尺為2萬米。開始時,承包商使用與前一個鉆探工地同樣的鉆頭,但很快發現該礦區的地層極具挑戰性。鉆頭不是象預期的那樣切削硬巖而是研磨,增加鉆壓后反而會將鉆機抬起。此外,地層十分破碎,經常卡鉆。工程進行到一半時,承包商的班次進尺約為30m,鉆頭的平均使用壽命在60～70m之間。按照這個進度,除非增加鉆機臺數,否則就不可能按時完成任務。

阿特拉斯·科普柯公司的產品經理向Drillcorp公司建議使用新的鉆頭——Excore取心鉆頭。

Drillcorp公司在一個還剩250m即將完工的鉆孔內開始第一個Excore鉆頭的試驗。通常,鉆工需要在那個鉆孔更換三次以上鉆頭,起下鉆桿柱最少需要6個小時。

然而,使用一個 Excore鉆頭就鉆到孔底,因此不需要更換鉆頭,并且該鉆頭在另一個鉆孔還繼續鉆進了52m。鉆頭的使用壽命長達302m,為該承包商以前所使用鉆頭的4到5倍。因此,Drillcorp公司立即訂購了20個Excore鉆頭來完成剩余的1萬米鉆進任務。

試驗結果是:前1萬米的鉆頭平均壽命為60～70m,班次進尺為30m;后1萬米的鉆頭平均壽命達280～300m,班次進尺為 54m。鉆進速度提高了80%,鉆頭壽命提高了4倍。

(顏純文選譯自:AsiaMiner,Jan./Feb.2011)