1 SC11地表取心鉆機(jī)

在今年的PDAC上,美國(guó)寶長(zhǎng)年公司推出了其最新研制的SC11飛運(yùn)式輕便鉆機(jī)。據(jù)稱,該鉆機(jī)的最大扭矩為5456N·m,可以使用PQ鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)。

SC11鉆機(jī)是一種地表勘探取心鉆機(jī),使用NQ鉆桿的鉆進(jìn)深度可達(dá)1300～1500m,并且可以拆卸成幾個(gè)易于處理的模塊。根據(jù)該公司固定設(shè)備全球產(chǎn)品經(jīng)理Craig Mayman介紹,SC11鉆機(jī)是根據(jù)寶長(zhǎng)年公司成熟的LM技術(shù)研制,主要用于難進(jìn)入地區(qū)和鉆進(jìn)場(chǎng)地受限制的地表勘探作業(yè)。鉆機(jī)的適應(yīng)性強(qiáng),可以方便地組裝或拆卸成緊湊的飛運(yùn)模塊。在寒冷的地區(qū),由于結(jié)構(gòu)緊湊,因此可在鉆棚內(nèi)進(jìn)行鉆探作業(yè)。

SC11鉆機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(John Deere 4045HF485)驅(qū)動(dòng),額定功率為128kW,動(dòng)力強(qiáng)勁。因此,鉆機(jī)具有鉆進(jìn)大直徑深孔的能力,提升能力為132kN,可用PQ尺寸的鉆桿。鉆機(jī)的特點(diǎn)在于一個(gè)可變速馬達(dá),低速回轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力頭扭矩可達(dá)5456N·m,用于牙輪鉆進(jìn);而高速(1230r/min)回轉(zhuǎn)時(shí)用于金剛石鉆進(jìn)。

鉆機(jī)還可用液壓處理系統(tǒng)進(jìn)行鉆桿接頭的連接和擰卸,并安全地輸送鉆桿。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制鉆機(jī)的鉆桿處理裝置在三維上移動(dòng)。鉆桿處理裝置配備有接近傳感器,以保護(hù)在附近的操作人員免受鉆桿落下時(shí)的傷害。

固定在助手和鉆桿處理裝置控制面板之間的激光系統(tǒng)在鉆工進(jìn)入工作區(qū)間時(shí)可停止移動(dòng)。一旦激光束中斷,鉆桿處理裝置就立即停止工作,只有當(dāng)鉆工重新設(shè)置后,才可以重新啟動(dòng)。

該鉆機(jī)使用寶長(zhǎng)年公司特有的充氮卡盤,其充氣彈簧驅(qū)使卡爪夾緊鉆桿,以提供故障保護(hù)?？刂泼姘宀僮魇直奶攸c(diǎn)是采用“提起換檔”的方式啟動(dòng)回轉(zhuǎn)和給進(jìn),以防止意外啟動(dòng)。

圖1 SC11飛運(yùn)式輕便鉆機(jī)

圖2 鉆機(jī)的后視圖和側(cè)視圖

SC11鉆機(jī)可以拆卸成幾個(gè)飛運(yùn)模塊,最大重量為680kg。根據(jù)鉆機(jī)的配置情況,可以分9次或11次(增加滑座和鉆桿處理裝置)運(yùn)輸。提升點(diǎn)設(shè)在模塊的重心位置,以使載荷平衡?？焖龠B接的液壓接頭可使裝配和拆卸的時(shí)間大大加快,并且可防止油溢。所有的模塊均標(biāo)有明顯的引導(dǎo)線,以幫助操作人員快速對(duì)齊,并裝配鉆機(jī),加快鉆機(jī)的布置進(jìn)程。輕按一下帶有公母接頭的引導(dǎo)架構(gòu)可使各模塊進(jìn)入預(yù)定位置,再輕按一下非常明顯的頂起點(diǎn)和提升點(diǎn)便可安全、方便地進(jìn)行鉆機(jī)的組裝和拆卸。SC11鉆機(jī)在寶長(zhǎng)年公司位于西澳大利亞帕斯的工廠制造,并在新西蘭和印度尼西亞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖3 鉆桿夾持器

圖4 鉆桿處理裝置

1.1 SC11鉆機(jī)的主要特點(diǎn)

(1)性能優(yōu)越

采用LM地下鉆機(jī)技術(shù)和力士樂(lè)M 4液壓閥使鉆桿的處理更加容易;1800mm的給進(jìn)行程和132kN的提升能力保證了較大的鉆深能力;回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭采用空心主軸和4檔轉(zhuǎn)速;充氮卡盤的夾持力達(dá)222kN;鉆桿夾持器采用彈簧關(guān)、液壓開(kāi)模式,故障少。

(2)動(dòng)力強(qiáng)大

該鉆機(jī)集成了寶長(zhǎng)年公司許多成熟的地表和地下鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn),是同類鉆機(jī)中唯一可以采用 PQ大直徑鉆桿鉆進(jìn)的飛運(yùn)鉆機(jī),使用NQ鉆桿的鉆進(jìn)深度可達(dá)1500m。

(3)結(jié)構(gòu)輕便

鉆機(jī)按照輕便、模塊式設(shè)計(jì),由9個(gè)或11個(gè)易于管理的飛運(yùn)模塊組成,最重模塊的重量為680kg;起吊點(diǎn)易于識(shí)別,并且布置在使載荷平衡的位置上;快速連接接頭可保證鉆機(jī)的安裝和拆卸迅速、可靠。

(4)安全可靠

鉆機(jī)配備自動(dòng)故障防護(hù)功能的充氮卡盤和LM系列鉆桿處理裝置(選配件),可大大減少人工鉆桿處理工作量,并且在不能保證安全操作時(shí)其激光系統(tǒng)可自動(dòng)使鉆機(jī)停機(jī);控制模塊使用“提起換檔”的操作桿,可防止意外啟動(dòng)。此外,高壓軟管均使用防爆套管保護(hù)。

1.2 SC11鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)

鉆進(jìn)深度BQ 2128 m

NQ 1547 m

HQ 899 m

PQ 436 m

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) John Deere 4045HF485

發(fā)動(dòng)機(jī)功率 128 kW

動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速和扭矩 轉(zhuǎn)速(r/min) 扭矩(N·m)

119～196 5456～3904

240～395 2714～1640

427～703 1527～922

747～1230 874～529

液壓系統(tǒng)壓力 310 bar

最大排量 200 L/min

給進(jìn)行程 1800mm

最大加壓力/提升力 66kN/132kN

繩索取心絞車提升力11.77 kN(光鼓)

4.51 kN(滿鼓)

提升速度 0～254m/min

鋼絲繩直徑 5mm,6mm,1/4"

容繩量 1400m,1000m,895m

鉆進(jìn)角度 45～90°

飛運(yùn)模塊數(shù) 9或11(增加2個(gè)選配件)

最大重量 680kg

鉆桿夾持器最大口徑125mm

最大夾持力 130kN

1.3 飛運(yùn)模塊

(1)泵組模塊642kg

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)模塊676kg

(3)散熱器模塊228kg

(4)控制模塊603kg

(5)定位器678kg

(6)絞車和鉆桿夾持器415kg

(7)給進(jìn)架677kg

(8)回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭676kg

(9)上桅桿和水泵315+253kg

(10)滑座(選配)578kg

(11)鉆桿處理裝置(選配)660kg

2 XP系列和Stage系列取心鉆頭

寶長(zhǎng)年公司最近還成功開(kāi)發(fā)了兩個(gè)系列的金剛石取心鉆頭。

2.1 XP系列表鑲金剛石取心鉆頭

表鑲鉆頭在軟巖地層非常有效。寶長(zhǎng)年公司除了擁有傳統(tǒng)的金剛石表鑲鉆頭,最近還開(kāi)發(fā)一種新的XP系列孕表鑲金剛石取心鉆頭。

圖5 XP系列孕表鑲金剛石取心鉆頭

新的XP系列表鑲金剛石鉆頭包含了11項(xiàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使用壽命是傳統(tǒng)表鑲金剛石鉆頭的3倍,并且在破碎地層中不必更換鉆頭,這些鉆頭在煤田勘探中具有較大的市場(chǎng)。

據(jù)寶長(zhǎng)年公司取心產(chǎn)品經(jīng)理Monika Po rtaman先生介紹,“我們的目標(biāo)是重新定義表鑲金剛石鉆頭,并且提出在軟的沉積地層中新的產(chǎn)品衡量標(biāo)準(zhǔn)。XP孕表鑲金剛石鉆頭試驗(yàn)驗(yàn)證了鉆頭的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和開(kāi)發(fā)鉆頭所使用的新技術(shù)。”

XP系列表鑲金剛石取心鉆頭的特點(diǎn)是,含多層金剛石的胎體可大大提高鉆頭的使用壽命。與傳統(tǒng)的僅含有單層金剛石的表鑲鉆頭相比,獲得專利的超級(jí)胎體(U ltraM atrix)在切削過(guò)程中始終保持含有大顆粒的人造金剛石,在軟地層中鉆進(jìn)效率更高,并且鉆頭壽命可提高200%。

由于具有更好的切削性能和更深的鉆進(jìn)能力,這種鉆頭的胎體設(shè)計(jì)還可以減少鉆頭不切削的停機(jī)時(shí)間。如果地層隨深度而變化時(shí),硬的礦層經(jīng)常會(huì)損壞傳統(tǒng)的表鑲鉆頭,因而迫使操作人員提出鉆桿柱以更換鉆頭。

該鉆頭的RazerCut唇面設(shè)計(jì)可使孕鑲的金剛石更快地出露,因而進(jìn)一步提高了鉆進(jìn)的效率。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)使鉆頭具有自銳的性能,一旦暴露切削面就可立即進(jìn)行鉆進(jìn),而且在鉆進(jìn)過(guò)程中具有良好的導(dǎo)向性,使鉆孔始終保持直線性。

據(jù)介紹,與傳統(tǒng)的表鑲金剛石鉆頭相比,由于XP系列孕表鑲金剛石鉆頭的適用性更廣,無(wú)論是軟地層還是硬礦體,無(wú)論是深孔還是淺孔,其鉆進(jìn)速度更快、使用壽命更長(zhǎng)、使用成本更低。

此外,鉆工不需要根據(jù)唇面造型、金剛石的品級(jí)粒度來(lái)選擇鉆頭,簡(jiǎn)化了鉆頭的訂購(gòu)程序。

2.2 Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭

孕鑲金剛石鉆頭一般用于鉆進(jìn)中硬到極硬地層。鉆頭胎體由金屬粉末和金剛石制成,在鉆進(jìn)過(guò)程中隨著胎體的逐漸磨損而露出新的金剛石層,形成新的切削點(diǎn)。金剛石和專有胎體的組合使寶長(zhǎng)年公司的孕鑲金剛石取心鉆頭具有最佳的鉆進(jìn)性能。

寶長(zhǎng)年公司曾經(jīng)由于在Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭的水路設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新而著稱,并且研制了業(yè)內(nèi)最大胎體高度的鉆頭。最近,該公司又針對(duì)用戶的反饋意見(jiàn),對(duì)Stage系列鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)充,以使鉆頭的純鉆進(jìn)時(shí)間更長(zhǎng),而花在起下鉆桿上的非鉆進(jìn)時(shí)間更短,從而提高了鉆進(jìn)效率。

新的Stage系列鉆頭有三項(xiàng)改進(jìn),一是水路設(shè)計(jì)升級(jí)為 Stage3,二是增加了一種胎體高度為16mm的鉆頭,三是增加了一種底面沖洗的鉆頭。據(jù)Monika Portaman先生介紹,自2007年推出以來(lái),Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭一直是業(yè)內(nèi)胎體高度最大的鉆頭,最大高度超過(guò)25mm。獲得專利的設(shè)計(jì)使鉆頭的鉆速更快,在孔內(nèi)的有效鉆進(jìn)時(shí)間更長(zhǎng),起下鉆桿的次數(shù)更少,因而提高了鉆頭的班次進(jìn)尺和總鉆進(jìn)深度。

Stage鉆頭在水路設(shè)計(jì)上的改進(jìn)包括具有圓角的水口,提高了強(qiáng)度,使用壽命更長(zhǎng)。新的水口設(shè)計(jì)提高了在破碎地層鉆進(jìn)時(shí)碎屑的磨損阻力。

水口設(shè)計(jì)的另一個(gè)特點(diǎn)是采用雙錐形設(shè)計(jì)。向內(nèi)變小可在水口的內(nèi)徑方向更加結(jié)實(shí),從而提高了強(qiáng)度,延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。錐形的水口可在內(nèi)部形成更高的鉆井液速度,使鉆井液的沖洗性能更佳。

此外,Stage鉆頭還改進(jìn)了水口的布置,進(jìn)一步提高了鉆頭的強(qiáng)度,并改進(jìn)了鉆頭在各類地層的鉆進(jìn)性能;采用了獲得專利的 Razo rCut唇面設(shè)計(jì),提高了鉆進(jìn)效率。

除了設(shè)計(jì)上的改進(jìn),Stage鉆頭的胎體高度有16mm和25mm兩種可供選擇,前者專門用于淺孔鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)極軟地層和破碎地層時(shí),用戶還可以選擇底面排水的鉆頭。

圖6 Stage系列孕鑲金剛石取心鉆頭

3 Excore系列金剛石取心鉆頭

勘探鉆工的生活取決于鉆探設(shè)備的效率,巖心的多少?zèng)Q定了鉆探公司的收入和鉆工的報(bào)酬。這就是為什么鉆工要尋找鉆進(jìn)速度快、使用壽命長(zhǎng)的金剛石鉆頭的原因。

為了不在技術(shù)上被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手超過(guò),瑞典阿特拉斯·科普柯(A tlas Copco)公司在 PDAC上也推出了新的金剛石取心鉆頭系列——Exco re。該系列鉆頭除了具有以前成功鉆頭的所有特點(diǎn)外,還具有一些新的特點(diǎn)以達(dá)到在設(shè)計(jì)和冶金學(xué)上的最佳平衡。根據(jù)該公司介紹,新鉆頭的推出之前進(jìn)行了嚴(yán)格的試驗(yàn),在6個(gè)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,不同的地層條件下鉆進(jìn)了1萬(wàn)多米。

設(shè)計(jì)Excore鉆頭的一個(gè)主要目的是提高鉆進(jìn)速度。在復(fù)雜的破碎地層鉆進(jìn)時(shí),鉆孔易于偏斜,巖心的采取率低,鉆工通常需要決定是減少鉆頭壓力,還是保持鉆進(jìn)速度。

鉆壓低易于鉆直孔,而且?guī)r心的采取率高,同時(shí)還可以減少鉆桿柱的磨損。但是在鉆進(jìn)巖層時(shí),往往要求鉆工增加鉆壓以提高鉆進(jìn)速度,這就要求選擇合適的鉆頭型式,以適應(yīng)所鉆進(jìn)的地層。

圖7 Excore系列金剛石取心鉆頭

Exco re系列鉆頭可使鉆工在任何地層條件下使鉆進(jìn)速度和鉆壓最佳化,因而可獲得最佳的鉆進(jìn)效果。因?yàn)槊總€(gè)鉆頭所適用的地層較廣,對(duì)給定的鉆進(jìn)工地所需要庫(kù)存的鉆頭類型較少,也簡(jiǎn)化了鉆頭的選擇。

3.1 為什么選擇 Excore鉆頭

(1)使用壽命長(zhǎng)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,在大多數(shù)地層條件下,Excore鉆頭的使用壽命均有了較大提高,因而起下鉆桿的次數(shù)少,節(jié)省了大量起下鉆桿的時(shí)間。在極端條件下,其使用壽命是以前所用鉆頭的5～6倍。

(2)鉆進(jìn)效率高

由于改進(jìn)了鉆頭的切削能力,Excore鉆頭的鉆進(jìn)速度比普通鉆頭可提高80%,而且可在較低的鉆壓下進(jìn)行鉆進(jìn),即使是在極硬的巖層。

(3)使用范圍廣

一種鉆頭類型可適應(yīng)不同的地層,不需要經(jīng)常更換鉆頭以適應(yīng)地層的變化,既簡(jiǎn)化了鉆頭的選擇,也提高了鉆進(jìn)效率。

3.2 如何選擇 Exco re鉆頭

按鉆頭的用途不同,可將 Exco re鉆頭分為三類:

第一類:適用于軟到中硬巖層,具有強(qiáng)研磨性的破碎到穩(wěn)定地層,胎體系列為1～4;

第二類:適用于中硬到硬巖層,具有弱研磨性的破碎地層到穩(wěn)定的層,胎體系列為5～8;

第三類:適用于硬到極硬的穩(wěn)定巖層,胎體系列為9和10。

每一種Excore鉆頭型式具有不同的唇面造型,包括用于破碎地層到致密地層的深水槽(ECF),獲得專利的用于在致密地層中快速切削的噴射型;以及用于極破碎地層和三層取心筒的底面沖洗(FD)結(jié)構(gòu)。

由于這些特點(diǎn),加上不同的胎體高度(10～16mm),意味著Exco re鉆頭可適用于各種用途的取心鉆進(jìn)。

表1 Excore金剛石鉆頭的選擇

表2 胎體系列及其適用地層

表3 Excore金剛石取心鉆頭的唇面造型胎體高度

3.3 在瑞典的應(yīng)用實(shí)例

Boliden礦業(yè)集團(tuán)的一個(gè)地下礦山是瑞典最深的礦山之一,為了圈定礦體范圍,需要在不同深度進(jìn)行了取心鉆機(jī)。

瑞典的鉆探承辦商 Protek Norr公司負(fù)責(zé)在850米深度進(jìn)行取心鉆探。在其中的一個(gè)礦區(qū),地質(zhì)條件多變,普通金剛石鉆頭的壽命大約在100m左右,因此鉆進(jìn)900m的勘探孔,為了更換鉆頭需要起下鉆桿柱8次,為此要浪費(fèi)大量的鉆進(jìn)時(shí)間。

為了提高鉆進(jìn)效率,減少起下鉆桿的非鉆進(jìn)時(shí)間,很明顯需要一種新的鉆頭。阿特拉斯·科普柯公司在該礦的銷售工程師建議使用一種具有噴射結(jié)構(gòu)的Excore鉆頭。第一個(gè)試驗(yàn)的Excore鉆頭的使用壽命就達(dá)到326m,在該礦區(qū)試驗(yàn)的 Excore鉆頭最長(zhǎng)使用壽命為347.5m?？偟膩?lái)看,試驗(yàn)效果非常好,Excore鉆頭的平均使用壽命為324m,是以前在該礦區(qū)所使用普通鉆頭的3倍。每個(gè)鉆孔僅需要起下鉆桿2次,而不是以前的8次,因此消耗在起下鉆桿柱柱上的時(shí)間大大減少了,提高了鉆進(jìn)效率。

3.4 在南非的應(yīng)用實(shí)例

2009年,南非的鉆探承包商Drillcorp公司在約翰內(nèi)斯堡西部某金礦為期5個(gè)月的取心鉆探過(guò)程中,也曾做過(guò) Excore鉆頭試驗(yàn)。

在該礦區(qū)需要鉆進(jìn)了46個(gè)鉆孔,總進(jìn)尺為2萬(wàn)米。開(kāi)始時(shí),承包商使用與前一個(gè)鉆探工地同樣的鉆頭,但很快發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)的地層極具挑戰(zhàn)性。鉆頭不是象預(yù)期的那樣切削硬巖而是研磨,增加鉆壓后反而會(huì)將鉆機(jī)抬起。此外,地層十分破碎,經(jīng)?？ㄣ@。工程進(jìn)行到一半時(shí),承包商的班次進(jìn)尺約為30m,鉆頭的平均使用壽命在60～70m之間。按照這個(gè)進(jìn)度,除非增加鉆機(jī)臺(tái)數(shù),否則就不可能按時(shí)完成任務(wù)。

阿特拉斯·科普柯公司的產(chǎn)品經(jīng)理向Drillcorp公司建議使用新的鉆頭——Excore取心鉆頭。

Drillcorp公司在一個(gè)還剩250m即將完工的鉆孔內(nèi)開(kāi)始第一個(gè)Excore鉆頭的試驗(yàn)。通常,鉆工需要在那個(gè)鉆孔更換三次以上鉆頭,起下鉆桿柱最少需要6個(gè)小時(shí)。

然而,使用一個(gè) Excore鉆頭就鉆到孔底,因此不需要更換鉆頭,并且該鉆頭在另一個(gè)鉆孔還繼續(xù)鉆進(jìn)了52m。鉆頭的使用壽命長(zhǎng)達(dá)302m,為該承包商以前所使用鉆頭的4到5倍。因此,Drillcorp公司立即訂購(gòu)了20個(gè)Excore鉆頭來(lái)完成剩余的1萬(wàn)米鉆進(jìn)任務(wù)。

試驗(yàn)結(jié)果是:前1萬(wàn)米的鉆頭平均壽命為60～70m,班次進(jìn)尺為30m;后1萬(wàn)米的鉆頭平均壽命達(dá)280～300m,班次進(jìn)尺為 54m。鉆進(jìn)速度提高了80%,鉆頭壽命提高了4倍。

(顏純文選譯自:AsiaMiner,Jan./Feb.2011)