改進XY-5鉆機卡夾機構在處理鉆孔事故中的應用

2015-12-19 05:58:33張祖海王維堯

西部探礦工程 2015年8期

張祖海，王維堯，王飛

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆烏魯木齊830091）

張祖海*，王維堯，王飛

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆烏魯木齊830091）

孔內事故頻發和難處理會嚴重影響鉆進效率，常用的事故處理手段在招遠玲瓏金礦區勘探中具有勞動強度大、經濟費用高、效果不顯著等特點，制約工程的進度和工程質量。在認真總結分析該礦區地層特點和研究XY-5型鉆機結構的基礎上，對鉆機的卡夾機構進行改進，把?65mm卡瓦換成?73mm卡瓦，同時加工上卡頭扁方，把扁方上的二方加工成圓形等措施。通過實例，發現改進后的鉆機處理事故的能力增加，尤其在處理深部孔內事故時，效果更加明顯。改進措施具有一定的生產經驗和經濟效益，值得推廣。

巖芯鉆探；卡夾機構；改進措施；扁方；事故處理

目前國內鉆探業大量采用XY-5巖芯鉆機，該鉆機具有立軸轉速高、調速范圍廣、鉆機底座寬、重心低、鉆進穩定性好等特點，可滿足多種鉆探工藝施工要求。2013年我隊與山東省第三地質礦產勘察院合作，通過工程實踐，我們發現由于XY-5鉆機的卡頭部分采用?65mm口徑扁方主動鉆桿，所以?71mm口徑繩索取芯鉆桿無法通過立軸通孔，特別是遇到孔內事故，當機上余尺不合適，又無法加減單根情況下，XY-5鉆機的性能大大降低。為此，本文以溫泉縣地熱孔AKT1-1孔的施工為例，對施工期間出現的鉆孔燒鉆事故及其誘發事故，已有技術措施適用的局限性和經濟性，以及設備改進后的鉆機處理事故能力的情況等加以闡述。

1 工程概況

1.1 地層地質情況

區內出露地層主要為新太古代膠東巖群郭格莊巖組（Ar3jg）和新生代第四系（Q）。膠東巖群郭格莊巖組巖性以黑云變粒巖及斜長角閃巖為主，夾磁鐵石英巖。第四系零星分布于山坡、沖溝及河谷中，形成殘坡積層、沖積層和洪積層。殘坡積層主要為砂質粘土及大量棱角狀巖石碎塊；沖積層主要由河砂、礫石及粘土、亞粘土組成；洪積層主要為礫石、砂及粘土組成，分選性差。

礦區內巖脈種類繁多，其展布方向、產出形態受斷裂構造的控制。以閃長玢巖、煌斑巖、輝綠玢巖為主，以閃長玢巖脈最為發育。礦脈主要表現為沿斷裂破碎帶充填交帶形成的蝕變帶。蝕變帶厚度可達350～450m，巖石組合為（黃鐵）絹英巖質碎裂巖、絹英巖、絹英巖化碎裂狀花崗巖等。風化帶巖石破碎、松散、裂隙發育，力學強度低。

1.2 影響鉆探施工的因素

地層中巖石的硬度一般2～10級，地層結構復雜，第四系殘坡積層具有松散、富水、易變性、怕沖蝕等特點，鉆進粘土時鉆孔縮徑嚴重，孔壁不穩定，取芯效果不好；裂隙發育嚴重，破碎強烈，容易導致鉆井液的漏失，塌孔埋鉆現象時有發生；鉆遇斜長角閃巖層，巖石硬度很高，研磨性強，鉆頭磨損嚴重，提下鉆換鉆頭次數增加，正常鉆進時間降低。

2 鉆探技術措施

2.1 井身結構

根據找礦需要，為探明區域內礦體空間分布狀況，圈定礦體，了解其品位和厚度變化。ZK136-10孔設計鉆孔深度1500m，終孔孔深1510.50m，鉆孔頂角0°。鉆孔開孔直徑110mm，下入20～30m套管；?91mm金剛石鉆頭鉆至250～300m，下入?89mm套管；換?75mm鉆頭一徑到底。實際鉆進過程中鉆壓保持在6～10kN、泵量40～60L/min，轉速134～610r/min。

2.2 鉆進方法

開孔段采用金剛石單管鉆進；20.10～275.40m孔段，采用S95繩索取芯鉆進；275.40m至終孔，采用S75繩索取芯鉆進。

2.3 鉆探設備的選擇

根據鉆孔設計深度、鉆孔設計傾角、地質條件、鉆進方法及鉆孔設計結構選擇主要鉆探設備有：XY-5型巖芯鉆機、BW-160泥漿泵、A-13型鉆塔、45kW電動機、120kW濰柴發電機組。

圖1 鉆孔結構

3 事故發生及其處理

3.1 事故發生時的情況

鉆進至777m時，動力機聲音發生變化，負荷增加，孔內發出叭叭聲響，高壓水管激烈跳動，泵壓驟然升高，返水較少；鉆進過程中，水泵壓力表表針突然下降，從孔內返水流暢無攜帶巖屑現象，懷疑沖洗液已不從孔底返回。于是停止鉆進，向上提拉鉆具，但鉆具只發生細微的伸縮變化，底部鉆頭提拉不動，孔內發生燒鉆事故。最初采用推磨消滅辦法處理，在處理過程中，在297m處鉆桿呈麻花狀扭斷，有一鉆桿接箍又脫落在孔內，使鉆具被卡。鉆具輕輕回轉可上提2m，受機上余尺的限制，主動鉆桿提離孔口后，僅采用主卷揚上提不動孔內鉆桿。決定采用吊錘敲打處理，處理時鉆桿在299m處斷裂，吃公錐后繼續打吊錘，上提9m之后上提不動，下放困難，而且回轉不動，繼續打吊錘，公錐斷，鉆桿突然墜落孔底。繼續采用反絲鉆桿將斷裂的公錐絲扣處理上來。

過多的處理手段可能致使其他更多的鉆探事故的發生，因此有必要根據實際情況，針對該類事故的處理提出更有效的解決方案。

3.2 事故原因分析

(1)小口徑金剛石鉆進采用快速鉆進技術，立軸轉速高，當泵量供應達不到標準，導致鉆頭連續輕燒，鉆頭磨損加劇，鉆頭壽命顯著下降最終引起燒鉆事故；

(2)進行該孔作業的鉆機泵壓表出現故障，不靈敏，表針所指示的數值不是真實情況的反映，使得泵壓變化時沒能及時發現，由此引起輕微燒鉆事故或重燒事故；

(3)在進行深孔作業時，鉆桿絲扣部位力學強度低，因過度磨損或連接不嚴導致斷裂，導致泥漿從裂口處流出，孔底循環沖洗液量減少，供應不足導致燒鉆事故，我們發現從事故孔內取出來的鉆桿柱有這類現象；

(4)夜間施工，場地光線強度不夠，沒有及時發現孔內未返泥漿，造成干鉆；

(5)鉆進采用的泥漿粘度較低，事故發生后，中間間隔時間久，孔內巖屑發生沉降，造成二次埋鉆事故。

3.3 對卡夾機構中的扁方進行改進

作者在據已有的鉆孔地質資料、鉆探班表和拆卸研究鉆機的結構等方面的基礎上，提出對XY-5型鉆機的卡夾機構進行改進。

由于該孔使用墩粗鉆桿，墩粗鉆桿外徑?71mm，墩粗鉆桿的接箍外徑?73.4mm，XY-5鉆機使用?65mm墩粗二方形圓主動鉆桿。將上卡頭扁方拆下，把上、下卡頭卡緊螺桿松至最大，用墩粗接箍通徑，能通過立軸（通不過扁方）。只要把?65mm卡瓦換成?73mm卡瓦，同時加工上卡頭扁方，使扁方內徑能通過墩粗鉆桿和接箍即可，由于更換?73mm卡瓦比較簡單，討論后決定把扁方上的二方加工成圓形，內徑擴徑加工成?74mm圓形（見圖2），鉆桿跟接箍均能順利通過該孔徑，且安裝?73mm卡瓦后能卡緊鉆桿。

3.4 改進后處理燒鉆事故效果

采用一根普通短鉆桿做主動鉆桿，將上下卡頭卡緊，同時用主卷揚提引短“主動鉆桿”，主要借助于下卡頭的夾持力上頂立軸和主卷揚的提拉帶動立軸和孔內鉆桿上提。將短“主動鉆桿”與孔內鉆桿連接，通過鉆桿與孔壁的間隙往孔內送水，同時啟動鉆機，采用低轉速回轉鉆桿，緩慢上頂立軸和制動卷揚帶動孔內鉆桿上提，提引力小于8t，通過鉆機聲音與電流變化判斷孔內阻力，使電流盡可能保持在90～100A。保持孔內較低扭矩，使鉆桿與孔內滯留接箍產生微干燒，盡可能將接箍磨薄或者使之掉到孔底。由于通過孔壁間隙注水冷卻，且鉆具與鉆頭不接觸孔底，不會產生燒鉆事故。

通過長時間的回轉，慢慢倒桿上提鉆桿，在返了180m后，無需回轉，用主卷揚將孔內所有鉆桿提出，接箍碎片隨鉆具帶出孔外。

圖2 改進扁方示意圖

4 應用效益分析及幾點體會

改進后的XY-5鉆機，能提供足夠穩定的夾持力，以保證鉆桿與卡瓦之間不產生相對滑動，且能夠保證夾緊鉆桿不會對其表面造成嚴重損傷。我們僅用了2d時間就處理了這次事故，大大降低了鉆孔報廢的概率，減少了不必要經濟損失，恢復了鉆孔的正常施工。同常規鉆機相比，改進后的XY-5鉆機避免了打吊錘的危險，工人的勞動強度降低，工作條件安全輕松，有效降低鉆探成本，實現節能降耗；同時避免了事故疊事故的發生，其優越性能顯著。

針對燒鉆事故的預防要做到以下幾點：

（1）做好鉆具的維護，經常對適用的鉆具進行檢查，對已破裂或者強度不夠容易產生裂紋的鉆具進行更換。

（2）鉆進過程中，要時刻留意孔內情況，不可麻痹大意；注意觀察泥漿泵泵壓表的活動情況，發現異況時，需要立即停止鉆具回轉，再用升降機提起鉆具。

（3）合理控制鉆進技術參數，鉆壓施加要均勻適宜，不能盲目加壓以追求進尺。

（4）保證水泵和儀表的正常工作，水泵配抗震或使用緩沖器的壓力表。

（5）加強對項目部人員安全生產培訓意識，掌握常規鉆探技術，樹立精益求精的工作態度，總結經驗，吸取教訓，避免同類事故重復發生；同時，實行崗位問責制，發現問題，及時上報，及時處理。

隨著固體礦產勘查逐步向深部和復雜地區發展，在不斷加強隊伍自身技術扎實性和熟練性的同時，還要不斷探索研究，將新思維、新技術應用于國家的深部找礦事業，做到低耗能高效率。

[1]趙大軍，索忠偉.巖芯鉆鑿設備[M].長春:吉林大學出版社，2004.

[2]楊惠民.鉆探設備[M].北京:地質出版社，1998.

[3]武漢地質學院.巖心鉆探設備及設計原理[M].北京:地質出版社，1980.

[4]勵美恒.探礦工程學概論[M].武漢：中國地質大學出版社，1995.

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