一種新型全孔繩索取心鉆具的方案設計與成本分析

孫成明 易亞東

摘 要：隨著我國人均GDP的快速增長，勞動密集型單管鉆進工藝面臨的成本壓力日益增大。在工資水平較低的條件下，資本密集型的繩索取心鉆進工藝效益優勢常常體現在深孔段，而如今，隨著工資的飛漲，繩索取心工藝的效益優勢逐漸在中深孔段和淺孔段有所體現。現提出既不同于地質標準系列，也不同于Boart Longyear Q系列（下文簡稱“Q系列”），鉆桿之間以接頭連接的三級全孔繩索取心鉆具;而后基于成本核算，分別對三種方案進行最優經濟適用區間的評價;評價結果表明，接頭式三級全孔繩索取心鉆進方案更適合目前我國的國情。

關鍵詞：全孔繩索取心;鉆具級配;鉆探經濟性

0? ? 引言

在我國處于低收入水平的較長時間內，勞動力成本低，淺孔段和中深孔段鉆進以勞動密集、簡單可靠、價格低廉的單管鉆具為主，而采用繩索取心鉆具的高鉆速在當時難以體現為經濟效益，以終孔孔段普遍使用75S繩索系列為主[1]。

近年來，勞動力價格飛漲，勞動密集型的鉆進方法逐漸面臨巨大的成本壓力。因此，在中深孔段和淺孔段鉆進的過程中，提高資本密集度、降低勞動密集度迫在眉睫。

1? ? 幾種常見標準的鉆具對比

如表1所示，本文對典型的繩索取心鉆進技術選擇進行對比。Q系列鉆進工藝為直連式全孔繩索取心，其鉆速快、工時低，但對加工工藝要求高、損耗成本大、維修不便，其在北美、澳大利亞等資本密集型經濟體取得了廣泛的市場成功[2]。

考慮目前國內地質巖心鉆探行業面臨的以資本要素代替勞動要素的壓力，并提高地質巖心鉆機的存量產能利用率，本文提出基于接頭連接的全孔繩索取心鉆進的尺寸級配方案，并進行鉆進效益測算和優化。

2? ? 基于接頭連接的全孔繩索取心級配設計

以目前最常用、產能存量最大的XY-4立軸式地質巖心鉆機為動力，終孔使用75S繩索取心鉆具，如表2所示，設計三級全孔重型繩索取心鉆具。考慮對主要地層的適應性以及與?127套管的內通過性兼容，一開使用?110×5.2 mm冷拔合金結構鋼繩索取心鉆桿。

考慮到對一開繩索取心鉆桿的內通過性以及對終孔用地質標準75S繩索取心鉆具的外通過性，二開使用?92×5.2 mm繩索取心鉆桿。

終孔使用GB/T 16951—1997標準?71×5.0 mm系列繩索取心鉆桿。

3? ? 成本分析

對比以下三種鉆探工藝方案：方案一為沿用地質系列標準的鉆進方法，方案二為本文提出的接頭式全孔繩索取心方法，方案三為使用Q系列全孔繩索取心方法。

單孔鉆探成本核算公式如式（1）所示：

y=α1+α2+α3+α4+k1（β1+β2）+k2 β3（1+β4）? ?（1）

以典型的一開100 m表面覆蓋層、二開300 m不穩定地層、三開?75 mm終孔700 m的地質巖心鉆孔為例。α1為踏勘和論證成本，三個方案的成本大體相當;α2為進出場成本，三種方案相差不大;α3為鉆井事故處理成本，具有較大的隨機性，難以有確定值;α4為設備固定折損成本;k1為日固定工資，按照三班倒班制，每班1名機長+2名鉆工，按日固定工資的經驗簡化標準，為12k11，k11為鉆工日固定工資;β1為鉆進準備工作工時，β2為全孔回次鉆進時間;k2為單位米數的進尺支出指數，以鉆工的進尺提成工資k2 β3為基準，通常由于實際情況的差異，與k1之間存在著k1=（80～120）k2的對應關系，不妨取k1=100k2;β3為進尺米數，在本次計算中為給定值，k2 β3為鉆工進尺總工資;β4為單位進尺米數的損耗指數，包括鉆探機具的損耗、鉆機的損耗和折舊等，k2 β4為單位鉆進米數的鉆探材料消耗成本，k2 β3 β4為總鉆探材料消耗成本[3]。

一開成本為式（2），二開成本為式（3），終孔成本為式（4）：

y1=100k2 β2+100k2（1+β4）? ? （2）

y2=100k2 β2+200k2（1+β4）? ?（3）

y3=100k2 β2+400k2（1+β4）? ?（4）

設α=α1+α2+α3，則式（1）可以簡化為式（5）：

y=α+α4+100k2（β1+β2）+k2 β3（1+β4）? ? （5）

根據對吉林省地礦局歷史鉆探數據的調研，方案一、二、三的α4分別為5 000、6 400、9 500，β1分別為2.0、2.0、1.5。方案一的β2為2.5（一開）、5.0（二開）、8.0（終孔），方案二分別為1.5（一開）、3.0（二開）、8.0（終孔），方案三分別為1.25（一開）、2.0（二開）、6.0（終孔）。方案一的k2 β4為30（一開）、40（二開）、50（終孔），方案二分別為30（一開）、45（二開）、50（終孔），方案三分別為40（一開）、55（二開）、60（終孔）。

對于方案一，得出不考慮前期勘查成本、隨機成本和補償成本的設備折損和準備工作的成本的總鉆探成本y與鉆工日固定工資k11的線性關系為y=294k11+36 000;對于方案二，對應關系為y=258k11+38 400;對于方案三，對應關系為y=213k11+48 500。

以總鉆探成本最小化為目標，當鉆工日固定工資為66元（約合鉆工月總工資4 000元、班長月總工資8 000元）以下時，方案一的成本最小;當鉆工的日固定工資介于66元到224元（約合鉆工月總工資4 000～13 500元、班長月總工資8 000～27 000元）時，方案二的成本最小;當鉆工日固定工資為224元（約合鉆工月總工資13 500元、班長月總工資27 000元）以上時，方案三的成本最小。

4? ? 結論

（1）在我國處于中低收入發展區間的較長時間內，勞動密集型的地質標準系列鉆進工藝取得了良好的經濟效益。

（2）對于目前處于中等收入區間的我國，勞動密集型的地質系列標準日益面臨巨大的成本壓力，而資本密集、高鉆進效率的Q系列鉆具現階段的鉆探經濟性仍然不高。

（3）使用本文提出的接頭連接式三級全孔繩索取心解決方案，在我國目前的發展階段，與上述兩種方案相比，其鉆進成本最低、鉆探經濟性最好。

[參考文獻]

[1] 吳書亮.談深部探礦鉆探特點及技術[J].山西建筑，2015（1）：88-89.

[2] 孫建華，張永勤，梁健，等.深孔繩索取心鉆探技術現狀及研發工作思路[J].地質裝備，2011，12（4）：11-14.

[3] 張偉.取心鉆進的技術經濟學研究[D].武漢：中國地質大學（武漢），2006.

收稿日期：2020-03-31

作者簡介：孫成明（1991—），男，吉林梅河口人，在讀碩士研究生，研究方向：地質工程。