中深孔鉆進繩索鉆具的研究開發及應用

■胡芳根（湖南省地質礦產勘查開發局四〇九隊湖南永州425000）

中深孔鉆進繩索鉆具的研究開發及應用

■胡芳根
（湖南省地質礦產勘查開發局四〇九隊湖南永州425000）

繩索取心鉆進技術實際上融合了兩種先進的鉆探技術，即金剛石鉆進碎巖技術和不提取外鉆桿由其中心通道獲取巖心的技術。基于對全世界地質探測的情況來看，淺層地表或較易找到礦產資源已被探測到或已被開采，未來發展動向無疑將指向更為深層次的資源區域的探測與開發。由此而知，中深孔鉆進施工將是重頭戲，采取繩索取心鉆進技術將有效提升生產效率、減少勞動投入，具有十分利好的意義。

繩索取心鉆進接頭打撈器

1　繩索取心鉆具研究及應用存在的問題

繩索取心鉆進中深孔的鉆進施工主要面臨以下三個問題：（1）鉆桿與接頭機械強度不高和耐磨性較差的問題；（2）繩索取心鉆桿擰卸難的問題；（3）現在市場上提供的打撈器，工作時有時還不是很可靠。本研究主要就是針對這些內容進行研發改進。

2　中深孔鉆進繩索鉆具的研究開發及應用

2.1繩索取心鉆桿及接頭的改進研究

鉆桿與接頭裝置是整個繩索取心鉆進技術的關鍵要素，中深孔鉆進采取繩索取心鉆進技術中鉆桿與接頭裝置無疑是成本效益和生產效率的主導要件，而為什么國外發達國家普遍應用繩索取心鉆進技術，且能夠廣泛適用的重要原因在于國外繩索取心鉆桿產品的可靠性很高。筆者按照中深孔繩索取心鉆進技術鉆桿與接頭裝置在鉆孔內的受力情況，并結合中深孔鉆進對于各類性能的要求，主要對鉆桿的材質參數、裝置結構、和熱處理加工等多個方面進行改進并完善，從而可以滿足繩索取心鉆進施工對于鉆桿與接頭裝置可靠性的要求，并實現良好的經濟成本效益。下面主要針對材質和本體尺寸參數做論述。

（1）在鉆桿及接頭的材質方面。在中深孔鉆進過程中，由于鉆桿工作條件極為復雜，鉆桿及接頭應采用高質量的優質鋼材制造，材料應滿足下列性能：屈服強度高，不易彎曲、變形；沖擊韌性好，不易發生脆性斷裂；表面硬度高，耐磨性好。國內采用45MnMoB和30CrMnSiA生產鉆桿和接頭，鋼級并不低于國外用于繩索取心鉆桿體的鋼級，但我國繩索取心鉆桿和接頭的強度和壽命卻沒有國外高，根本的原因除了加工沒有達到設計要求外，主要就是鉆桿及接頭的材質沒有真正達到材料本身應該達到的性能，雜質超標。針對這種情況，我們采取與國內大型特鋼廠家（如江西新余鋼廠、浙江新紀元鋼管等）協議生產的方式，嚴格控制了有害成分的含量，改善了鋼的純凈度，通過Mo、V、Nb和B等元素的加入，有效防止了高溫回脆，提高了鋼的淬透性。鉆桿材料采用45MnMoB，接頭采用30CrMnSiA，較好地滿足了使用要求。對于一些更大深度的孔，接頭采用更高級別的鋼42CrMoA，由浙江新紀元鋼管公司生產，所用坯料是專供出口的高品質石油鉆桿接頭用鋼，鋼中S、P有害元素和As、Sn、Sb、Pb、Bi五害元素含量控制極嚴，該種鋼大幅度提高了鉆桿螺紋副的疲勞壽命。

（2）在鉆桿及接頭的本體尺寸參數方面。我們對鉆桿及接頭的結構參數進行了調整，調整后的鉆桿及接頭技術參數如下：材質：鉆桿體采用45MnMoB，接頭選用30CrMnSiA；鉆桿尺寸：鉆桿體Φ71×5.5,兩端鐓粗外加厚到Φ74mm,內加厚到Φ58mm；接頭尺寸：外徑Φ74mm，內徑Φ58mm；螺紋深度：1mm,長度：50mm；這里，我們選擇中頻感應電阻爐加熱的方式，對鉆桿體兩端加熱，再利用液壓鐓管機對鉆桿體兩端進行鐓粗加厚，使其外徑增大，內徑減小。普通鉆桿及接頭的技術參數如下：材質：鉆桿體采用45MnMoB，接頭選用30CrMnSiA；鉆桿尺寸：鉆桿體Φ71×5,兩端不鐓粗；接頭尺寸：外徑Φ73mm，內徑Φ60.3mm；螺紋深度：0.75mm,長度：42mm；下面對鉆桿體和接頭受力后容易發生斷裂的部位進行分析和強度校核，據現場使用經驗，接頭的斷裂位置在公螺紋根部第二扣，這里是切削螺紋的退刀點，螺紋從這里開始由正常深度變為非正常深度，這里的螺紋根部環形截面尺寸為Φ66.3mm～Φ58mm，鉆桿接頭的材料為30CrMnSiA，材料的抗拉強度δb=1100Mpa。鉆桿體公螺紋第二扣根部環形截面尺寸為Φ66.3mm～Φ60mm，材料為45MnMoB，抗拉強度δb=980MPa。鉆桿公接頭第二扣處能力計算：

斷面最大抗拉能力：

斷面最大抗扭能力：

鉆桿體公螺紋第二扣處能力計算：

斷面最大抗扭能力：

下面對比下普通鉆桿及接頭的抗拉和抗扭能力。

普通鉆桿接頭螺紋根部截面尺寸為Φ66mm～Φ61mm，鉆桿接頭的材料為30CrMnSiA，材料的抗拉強度δb=1100Mpa。鉆桿體公螺紋第二扣根部截面尺寸為Φ66mm～Φ60.3mm，材料為45Mn-MoB，抗拉強度δb=980MPa。

鉆桿公接頭第二扣處能力計算：

斷面最大抗拉能力：

斷面最大抗扭能力：

鉆桿體公螺紋第二扣處能力計算：

斷面最大抗扭能力：

從上可以看出，參數經過優化后的鉆桿和鉆桿接頭與普通鉆桿及接頭相比，最大抗拉能力和最大抗扭能力分別有了大幅度提高，因此，可以明顯提高中深孔施工的可靠性。

2.2對鉆桿擰卸難問題的解決

普通繩索取心鉆進工藝中對于接頭的要求一般不附帶切口，鉆桿與接頭裝置全身呈光整平順狀，尤其要做好相應的耐磨性加強處理。由于鉆桿與接頭裝置表面的強度很大，鉆進過程中常常出現一些如打滑或咬不緊的情況。在中深孔鉆進施工中，下鉆時間較長，且生產強度非常大。因此，我們通過屢次試驗，根據普通鉆桿與接頭裝置以銑切口的方式在繩索取心鉆進接頭與鉆桿方面下深功夫，擴大接頭的外徑，并在接頭位置銑兩個切口，擰卸過程中通過與切口相對應的大扳叉予以擰卸，由此便可以解決以上問題。

2.3對打撈器改進的研究

繩索取心鉆進施工中，打撈器主要顯現打撈和輸送內管總成的作用。一般的打撈器通過孔口進行投放，并利用自重達到內管總成上端緊緊套牢矛頭，然后利用鋼絲繩索絞車將巖體與內管總成提取出鉆柱以此實現不提鉆的目的。然而，因現場地理環境較為復雜，且工作環境不佳，鉆孔內無水或少水，內管總成不可以通過孔口直接進行投放作業，這樣一來，內管總成的速度過快極容易造成外觀總成受損的情況，更有甚者，直接穿越座環并損毀鉆頭。為此，筆者認為打撈器的結構應該得到合理改進，保證打撈、投放和脫卡工作的順利進行，并確保打撈器和鋼絲繩索的完整性。

3　結束語

綜上所述，筆者結合我國中深孔鉆進施工技術的現狀，通過研究與改進，使金剛石繩索取心鉆桿結構、鉆具級配和工藝參數更加優化與合理，提高繩索取心鉆進技術在復雜地層鉆進應用的可靠性、效率以及深孔鉆進的鉆深能力。使鉆桿接頭壽命得到較大提高，可基本滿足于1500～2500m孔深鉆進要求，使繩索取心鉆進技術得到更進一步地推廣應用。

[1]沈克光.對繩索取心鉆桿螺紋手擰緊密距的看法[B].探礦工程-巖土鉆掘工程,2011 (04).

[2]駱建詩.S75繩索取心鉆桿壽命分析[J].探礦工程-巖土鉆掘工,2013(z1).

[3]宋金亭,姜光忍,王獻斌,高保娟,唐宇恒,徐新綠,石清榮.深部巖心鉆探用高強度繩索取心鉆桿的研制[J].地質裝備,2011(02).

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-119-2

胡芳根（1964～），男，1992年畢業于湘潭機電專科學校機械工程系機械制造工藝及裝備專業，機械工程師，研究方向為探礦機械及工具。