SYZX75 繩索取心液動沖擊器在白楊河地區的應用

蔡順山

（核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

引言

根據近年白楊河礦區鉆探施工綜合效率統計，區內主要巖石特點為“硬、脆、碎”，屬易發生孔內事故的復雜地層，臺月效率低、小時效率低和回次進尺少，鉆進工作施工難度較大，造成鉆探施工生產效率低、鉆探生產成本高。為保證施工區鉆探生產安全、高效、高質量，有必要對鉆探施工工藝進行提升改進。針對以上問題，為攻克硬、脆、碎地層鉆進難關，2009-2010 年核工業二一六大隊在施工區內開展《硬、脆、碎地層金剛石鉆進技術研究》科研項目，通過優化選擇金剛石鉆頭和試驗SYZX75 繩索取心液動沖擊器，鉆頭平均壽命顯著提高，且在小時鉆進效率和臺月效率方面有一定的提升。但由于后期客觀條件影響，試驗和推廣情況未能持續開展。白楊河礦區于2019 年繼續開展了SYZX75 繩索取心液動沖擊器的試驗工作，繩索取心液動沖擊器很好地利用繩索取心技術和液動沖擊器，通過對8 個鉆孔數據的統計和對比，結果表明繩索取心液動沖擊器在提高回次進尺和鉆進效率，解決破碎地層的巖心堵塞問題方面有顯著效果[1]，而且沖擊器能夠有效降低施工人員勞動強度和鉆探生產成本。

1 施工區主要概況

工作區內出露地層為第四系、新近系、石炭系和泥盆系，其中泥盆系地層主要分布于工作區北部，大致呈北東-南西向展布，其上與石炭系地層不整合接觸或斷層接觸。

鉆探工作區位于新疆準噶爾盆地的西北部，屬山前丘陵地帶，施工區內存在多個背斜與向斜。施工區主要的巖石以花崗巖、火山巖、火山碎屑巖、含礫泥質砂巖、角礫巖、硅質巖和第四系堆積物為主。其中花崗巖和火山巖為工作區內主力巖石，巖性多為酸性和中基性，強度較大，硬度多為硬、堅硬等級，研磨性較強。除灰巖和凝灰巖外，其余巖石可鉆性等級均在七級以上，其中微晶質花崗斑巖、閃長巖、正長斑巖可鉆性等級在8～10 級，石英斑巖可鉆性等級達到了10～11，屬較高等級。鉆探施工區內發育有多處斷裂構造，其形態各不相同、類型復雜多變、規模不一，施工區存在的較多的破碎帶地層復雜、巖石異常破碎，施工過程中易造成鉆孔坍塌。

2 SYZX75 繩索取心液動沖擊器簡介

SYZX75 型繩索取心液動沖擊器是一款常規繩索取心鉆具結合雙噴嘴復合式液動沖擊器而成的鉆具（如圖1 所示），主要包括外管總成和內管總成。液動沖擊器的工作原理是容積式，能夠有效減少沖程阻力，從而大幅提高鉆具的沖擊功[1]。

圖1 SYZX75 總體結構示意圖

SYZX75 型繩索取心液動沖擊器鉆具的主要性能參數見表1。

表1 SYZX75 鉆具性能參數表

該鉆具結合了常規繩索取心鉆具與沖擊回轉鉆進的多處優勢，在施工破碎地層時能有效解決巖心堵塞問題、提高回次進尺、降低勞動強度，尤其是在破碎地層及9 級以上的堅硬、致密“打滑”地層中鉆進，可有效提高鉆進施工效率[2]。其特點是：

（1） 容積式原理提高沖擊功，能量利用率高；

（2） 配套簡單，操作方便，啟動靈活；

（3） 操作簡單、易維修，費用低；

（4） 鉆具壽命長，無易損件[3]；

（5） 參數可調范圍大，工藝適應性強，經濟效率顯著。

3 SYZX75 型繩索取心液動沖擊器的實際應用

3.1 設備和鉆具選型

鉆機：CSD-1800A 全液壓鉆機2 臺、CSD1800X 和YDX-3L 全液壓鉆機各一臺；

泥漿泵：BW-350 型泥漿泵3 臺、BW-160 型泥漿泵1 臺；

鉆具：S75 繩索取心鉆桿若干；SYZX75型繩索取液動沖擊器2 套。

3.2 鉆進參數選擇

繩索取心液動沖擊回轉鉆進所選用的鉆頭一般均為金剛石，依據沖擊回轉鉆進破碎巖石的物理特性，在實際使用過程中鉆壓和轉速應低于常規繩索取心金剛石鉆進，因此參數一般為：鉆壓8～10 kN，轉速400～600 r/min[4]。

根據繩索取心液動沖擊器的工作原理，在選取泥漿泵的泵量時應綜合考慮沖擊器的工作特性。當泵量過大時，破碎地層施工過程中容易導致鉆孔孔壁失穩發生孔內事故，而且過大的泵量也會導致沖擊器磨損較快，降低使用壽命。而泵量過小的情況下，沖擊器可能會無法正常工作或工作效率較低。因此在泵量選擇時一般將最大泵量設定為沖擊器的最大輸入流量，將最小泵量設定為沖擊器的啟動流量。一般情況下沖擊器的工作泵壓為0.5～2.0 MPa，工作泵量為52～90 L/min。

鉆頭選擇方面，為了保障試驗數據的一致性和可靠性，選用胎體硬度HRC25～35，金剛石粒度60～80目，金剛石濃度100%，底唇形狀為階梯型或齒輪型的鉆頭[5]。

3.3 應用情況

表2 第一批次繩索取心液動沖擊器鉆進工藝與常規繩索取心鉆進工藝試驗技術指標對比表

表3 第二批次繩索取心液動沖擊器鉆進工藝與常規繩索取心鉆進工藝試驗技術指標對比表

3.3.1 第一批次試驗

第一次試驗共選取鉆孔3 個，其中ZK5336 鉆進至試驗目的層位孔深16.94 m 處開展了SYZX75 繩索取心液動沖擊器的試驗使用工作，ZK9134 和ZK4128作為參照孔使用普通繩索取心鉆探工藝進行施工。

第一批次對比試驗結果（見圖2）表明：平均回次進尺由1.67 m 提高至2.83 m，提高近69.46%，臺月效率并沒有明顯提高，主要的原因是ZK5336 設備維修時間為48 h。

圖2 第一批次試驗結果對比圖

3.3.2 第二批次試驗

從第二批鉆孔中選取ZK4104、ZK5922、ZK5316、ZK7736 和ZK5320開展試驗，其中ZK7736、ZK5922 和ZK5316 作為繩索取心液動沖擊器試驗孔，ZK4104 和ZK5320 作為參照孔使用普通繩索取心工藝。

第二批次對比試驗結果（見圖3）表明：平均回次進尺由1.49 m 提高至2.91 m，提高近95.3%，臺月效率也有明顯的提高。

圖3 第二批次試驗結果對比圖

3.3.3 綜合對比情況

綜合對比白楊河礦區2019 年的鉆孔經濟技術指標可以看出，采用繩索取心液動沖擊回轉鉆進工藝與采用常規繩索取心鉆進工藝相比，繩索取心液動沖擊器可以將臺月效率平均提高27%以上，且在在堅硬打滑地層鉆進時鉆進效率提高更加明顯。采用繩索取心液動沖擊器工藝時回次長度平均提高50.31%，施工區的巖礦心采取率平均提高了5.27%（見表4）。

從表4 和圖4 中可以看出，使用繩索取心液動沖擊器后，主要取得以下效果：

圖4 試驗結果對比圖

表4 常規繩索取心鉆進與繩索取心液動沖擊回轉鉆進試驗技術指標對比表

內管打撈和投放的操作次數明顯減少，且單孔的平均回次進尺由1.11 m 左右提高至2.84 m。

臺月效率提高27%左右。主要原因是繩索取心液動沖擊器在原有的常規繩索取心鉆具上增加了軸向沖擊作用，在鉆進過程中使鉆壓能夠有效作用于鉆頭，減少破碎地層的巖心堵塞。同時金剛石鉆頭在回轉過程中對堅硬地層產生一定的微沖擊體積破碎作用，增加了金剛石顆粒在相同給定鉆壓情況下壓入巖石的深度，提高碎巖量[5]，因此能夠有效提高小時鉆進效率，提高機械鉆速和施工效率。

由于巖心不易堵塞在卡簧座前段，因此有效提高了巖心采取率，避免了補心情況的發生，提高了鉆孔質量。

當鉆進效率有效提高時，鉆探生產成本明顯降低。

由于沖擊器解決了堵心問題，內管總成的打撈成功率和投放到位率明顯提高，最大限度地解決了破碎地層內管打撈和投放困難的問題[1]。

4 存在問題及建議

通過2019 年在白楊河礦區4 個鉆孔破碎地層的試驗認為，繩采用索取心液動沖擊器能夠大幅提高白楊河地區破碎地層的回次進尺和鉆進效率，并且能夠克服破碎地層的巖心堵塞問題，提高破碎地層巖心采取率，有效提高臺月效率、回次進尺和小時效率，可在今后白楊河礦區破碎巖層中推廣應用。

SYZX75 液動沖擊器由于有沖擊功的存在，對現有使用的金剛石鉆頭磨損和損壞較為嚴重，且鉆具的沖錘和砧子易損壞。如果在今后的試驗中能夠有效解決易損件和鉆頭的優化選擇問題，SYZX75 液動沖擊器對于白楊河礦區鉆探生產將起到推動和提高作用。