當前巖心鉆探設備進行更新與技術的實踐

唐宇 尹德政

摘 要：隨著國內外巖心鉆探技術的不斷發展，國內對巖心鉆探設備也有了新的研究，比如全液壓巖心鉆機的問世，這在業界是一個創新，對巖心鉆探設備的研發和實踐。文章將針對目前的巖心鉆探設備的分析研究，為新技術的實踐性工作做進一步的探討，對鉆機的研發創新有一定的意義。

關鍵詞：巖心鉆探；設備更新；技術；工作原理

1 研究背景

鉆孔裝備制造，在深孔巖心鉆探設備領域具有較強競爭優勢。據相關資料研究顯示，某鉆孔裝備制造企業，2011年公司共銷售各類鉆機達2，014臺，新型高效巖土鉆機技術改造項目總投資額為23，024萬元，本項目達產后，預計每年將新增營業收入34，166.50萬元，利潤總額8，855.85萬元，凈利6，641.89萬元。項目總投資收益率為31.4%，所得稅前的內部收益率為31.60%，所得稅前的投資回收期為5.16年（含2年建設期）。鉆桿生產技術改造項目總投資額為15，045萬元，項目達產后，預計每年將新增營業收入23，496.00萬元，利潤總額4，440.35萬元，凈利3，330.26萬元，生產的全液壓巖心鉆機不僅可以替代進口，在國際國內市場上同樣具有一定的優勢。

2 巖心鉆探設備工作原理分析

巖心鉆探設備是一種液壓給進鉆機，有著寬廣的應用范圍，廣泛用于地質普查，工程勘探等鉆孔，災害治理，它除了可用硬質合金鉆頭，還可用金剛石鉆進工程，以XY-1B型鉆探設備為例，其主要是在XY-1型鉆機的基礎上設計而成的，具體的參數如下所示：

表1 XY-1B型鉆機主要技術參數

另外液壓管結構主要由內膠層、內膠保護層、中膠層、鋼絲纏繞層和外膠層組成，在實際應用中，最為主要的用途用于油田固井、修井及石油地質勘探、小型鉆機和水利采煤、輸送泥漿及常溫水等流體介質，其在設計量，嚴格執行標準：API Spec 7K SY5469 ISO6807，取得良好的應用效果。

3 技術改進與更新

3.1 XY-4巖心鉆機

XY-4型巖芯鉆機主要適用于固體礦床的金剛石、硬質合金勘探鉆進，也可用于工程地質與水下勘探；淺層石油和天然氣開采，以及礦山坑道的通風、排水等鉆孔，具有較高的轉速和較合理的轉速范圍，轉速級數較多，低速扭矩大，適合小口徑金剛石巖心鉆進，也能滿足大口徑硬質合金巖心鉆進和各種工程鉆孔的要求；拆解性較好。可分解成九個整體部件具體的參數如下所示：

另外，改進后，由于管路在耐壓、抗油，抗耐腐蝕參數值的提高，給鉆機在轉速、輸出扭矩的提升起到了關鍵的作用，還可以將管道功能擴展到海底天然氣、石油等介質的輸送。

3.2 便攜式地質淺層取樣鉆機

便攜式地質淺層取樣鉆機是一種主要適用于山嶺、交通和能源不便地區的小型輕便化取樣鉆孔設備。采用該鉆機取樣可代替傳統的人工挖掘、槽探和井探等取樣。它不僅能加快取樣工作速度，而且能大量減少植被的破壞，保護環境。是區域地質填圖、物化探取樣、古地磁取樣、地質災害預防等淺層地質勘查工作中不可缺少的技術手段。

4 新技術推動鉆機創新

現在，隨著地質市場的拓展，鉆探技術競爭愈加激烈，體現在鉆探裝備的技術改進上，液壓技術開始大量引進了其他裝備行業的液壓控制技術，已經成為一種趨勢，如電液控制中開始引入先進的傳感器、GPR定位系統、PID、PLC、變頻控制技術，使得液壓鉆機更加智能化，輕量化，精準化。使其在操作上，更加人性化。當電機作為鉆機輸入動力時，為了提升能源利用率，減少能耗，采用電流傳感器采樣給PID，（或者PLC），PID控制變頻器節能技術，在鉆進的不同工作負荷的條件下，改變電機的工作頻率而實現節能。采用GPR定位技術，準確地定位技術，能精準的控制目標靶位，減少鉆進靶位不準的巨大浪費。

但是這些技術在勘察液壓鉆機上應用，還需要一定的時日，我國鉆機行業已做好了充分的技術儲備，隨著技術進步，這些先進技術引進到鉆機研發中來，是一定會出現的，我們期待這一天早日到來。

動力供油方式是電機帶動泵供油，液壓馬達動力頭輸出軸旋轉；另一路供油實現動力頭推進、夾持器夾緊、卡盤松緊以及主機調整傾角。旋轉傳動系統采用定量齒輪泵與定量低速大轉矩液壓擺線馬達；推進傳動系統采用單液壓油缸直接推進，串聯節流調速。采用組合式液壓卡盤和液壓夾持器，滿足加減鉆桿，提高工作效率。

4.1 液壓卡盤結構分析

組合式液壓卡盤由外置油缸、防塵套組件、蝶型彈簧、圓錐滾子軸承、外殼體、卡瓦套及卡瓦等組成，見圖1。

外置油缸尾部與動力頭箱體連接，夾緊鉆桿時，高壓油注入兩側外置油缸無桿腔，油缸與蝶型彈簧共同推動卡瓦套向右移動，卡瓦套上的T型斜面槽帶動卡瓦徑向向內移動從而夾緊卡瓦。設計分配夾緊力源時，蝶型彈簧承擔主要夾緊力，外置油缸起輔助夾緊作用；卡瓦和鉆桿磨損后，可調節夾緊油壓，補償蝶型彈簧夾緊力的損失；松開鉆桿時，高壓油注入兩側外置油缸有桿腔，迫使蝶型彈簧壓縮，卡瓦套向左移動，帶動卡瓦徑向向外移動，從而松開鉆桿。

4.2 液壓卡盤主要力學設計

碟型彈簧的主要破壞形式是疲勞斷裂，蝶型的設計對于卡盤的工作可靠性來說比較重要，根據設計手冊里的蝶型彈簧彈力計算公式：

調整蝶型彈簧的基本參數，核算出了蝶型彈簧的最終參數，蝶型彈簧受力曲線圖見圖2。

按照鉆機工作要求，計算出蝶型彈簧和外置油缸需要提供的推力F1為180.9kN，故2只外置油缸提供的液壓力至少應達到：

F夾≥180.9-111.2=69.76kN

油缸夾持壓力為5MPa，兩只油缸提供的推力為78.5kN，大于69.76kN，滿足設計要求。

4.3 液壓卡盤工作特性

1）夾緊力大，卡瓦和鉆桿磨損后，夾緊力可調，調節夾緊油壓，即可補償蝶型彈簧夾緊力的損失。

2）夾緊鉆桿后，對主軸受力而言，蝶型彈簧產生的軸向作用與反作用力相互抵消，改善了主軸軸承的受力狀況。

5 結束語

巖心鉆探裝備優劣在地質探查工作中起到基礎先決作用，加強對巖心鉆探設備的研究一直以來都是我國地質勘探領域的重點部分。伴隨我國裝備技術的進步，經過我國地質勘探科技的不斷發展，對鉆探設備的不斷創新，會不斷誕生出更加好的鉆機，滿足我國地質勘探創新工作的飛速發展，使我國的地質勘探事業達到一個更高的目標。

參考文獻

[1]張金昌. 地質巖心鉆探技術及其在資源勘探中的應用[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，（08）.

[2]張永勤. 我國地質找礦取心（樣）鉆探設備現狀及提高效能的分析研究[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2006，（08）.