关于我国地质岩心钻机发展方向的分析

 

(中国地质调查局,北京100037

  :文章对立轴式钻机和全液压动力头钻机进行了全面的对比分析,重点对两种钻机进行了技术经济对比。结果表明,动力头钻机不仅在搬迁和运移性方面要优于立轴式钻机,而且在钻进施工的技术经济指标方面也要优于立轴式钻机。钻孔深度加大后,动力头钻机在钻进施工效率方面的对比优势会逐渐减弱,应该考虑采取加大钻杆立根长度,从而加大起下钻速度的措施。

关键词:岩心钻机;技术经济学;对比

Analysis on the Development Trend of Geological Core Drill in China

ZHANG Wei

China Geological SurveyBeijing 100037

Abstract: A comprehensive analysis on and comparison between spindle core drill and hydraulic top-drive core drill is made in this article. Special concern is focused on the technical economics in the drilling operation of the two types of the core drills. The result shows that hydraulic top-drive core drill is superior over spindle core drill not only in its light weight and portability, but also in its excellent drilling performance. With the increase of borehole depth, the comparative advantage of hydraulic top-drive core drill decreases. In this case, the length of drill rod stand should be increased to improve efficiency of round-trip operation.

Key words: geological core drill; technical economics; comparison

 

1  引言

目前以及在可以预见的将来,在地质钻探施工中得到应用的岩心钻机主要有两种,一种是立轴式岩心钻机,另一种是全液压动力头岩心钻机。立轴式岩心钻机在我国于上世纪六十年代研制成功,至今仍是我国地质钻探的主要机型。全液压动力头钻机以其优良的技术性能,自上世纪七十年代出世以来,发展迅速,后来居上,目前在世界上发达国家已经基本全部取代了立轴式钻机。我国的钻探技术人员在上世纪80年代~90年代也尝试过研制全液压动力头钻机,并做出了样机。由于当时我国的液压技术水平低,导致钻机性能不佳,没能进一步推广。本世纪开始以来,我国的钻机研制单位开始了新一轮全液压动力头钻机研制攻关。2006年,在国家科技攻关项目和地质大调查项目的联合支持下,勘探技术研究所率先在国内推出具有实用水平的YDX-31000m全液压动力头钻机。钻机一经问世,在市场上受到了广泛的关注和欢迎,至今已销售几十台,还出口到澳大利亚、俄罗斯和伊朗等国家。此后,山东探矿机械厂、黄海探矿机械厂、张家口探矿机械厂、衡阳探矿机械厂等也纷纷推出了全液压动力头钻机产品,还有许多单位正在研制具有不同钻深能力的全液压动力头钻机。尽管全液压动力头钻机的研制和应用表现出一种良好的势头,但这种钻机目前在我国地质钻探市场上的使用份额比立轴式钻机要小得多。从长远来看,我国到底应该是发展立轴式钻机,还是全液压动力头钻机?对于这个问题,目前有着两种不同的看法:一种认为经过改进后的立轴式钻机是我国地质钻机的发展方向;另一种认为全液压动力头钻机是发展方向。这个问题对于地质钻探界来说是一件大事,一方面它影响到我们钻探技术研发和推广工作的布局,另一方面钻机的使用效果将直接影响地质勘探工作的效率、质量和成本。

本人拟采用对比分析的方法,来尝试寻求对此问题的答案,并愿意与地质钻探界的同仁们共同来探讨这个问题。

 

2  地质岩心钻机的世界发展趋势

20世纪二十年代,出现了螺旋给进钻机。20世纪三四十年代,液压技术开始用于钻机给进系统,液压式立轴钻机进入地质钻探市场。除了液压式立轴钻机之外,曾经还有手把式钻机和转盘式岩心钻机。这些钻机由于在技术性能和对钻进工艺的适应性方面不如立轴钻机,而逐渐被淘汰。在全液压动力头钻机问世之前,液压式立轴钻机是地质岩心钻机市场的主角。

    在第二次世界大战结束前后,国民党政府曾从美国沙利文公司购买了一批液压式立轴钻机。20世纪五十年代,我国分别从前苏联和瑞典进口过液压式立轴钻机[1]

    20世纪六七十年代起,随着液压技术的发展和液压元件质量的提高,出现了液压驱动和控制的顶驱式动力头钻机,瑞典阿特拉斯公司率先推出了泰美克系列钻机,宣告岩心钻机新时代的到来。全液压动力头钻机以其所具有的一些独特优点,自问世以来很快得到地质钻机市场的青睐,明显地撼动了液压立轴式钻机的王者宝座。宋翔雁[2]1992年发表的关于地质岩心钻机发展趋势调研分析报告说到:“从钻探工作的大市场来看,顶驱式动力头钻机的产量和市场占有率呈明显增长的趋势仍在继续,可以说它将主宰地质钻机制造业的未来;但另一方面又必须看到,在固体矿产钻探这一重要领域,不仅目前市场占有的主要机型仍为立轴式钻机,而且从西方一些公司生产的不同类型钻机更新年限的统计资料看,国外学者认为立轴式钻机在该领域内的有效使用至少仍要保持15~20年。”可以说,宋翔雁和国外学者对地质钻机发展趋势的预测是准确的,目前在发达国家立轴式岩心钻机已经被全液压动力头钻机所取代,各大钻机公司各种宣传媒介上已经看不见立轴式岩心钻机的踪影。

    纵观我国近代钻探技术发展的历史,我国钻探技术的发展方向基本上与西方发达国家是相同的。我国钻探技术的发展一般滞后于西方国家,我们在很多方面学习了西方国家的经验,这是因为我国的科学技术水平落后于西方国家。但这并不意味着,按此逻辑,我国地质岩心钻机的发展方向一定与西方国家一样。这样做是盲从,是不可取的。我们应该客观地分析世界上地质岩心钻机发展的趋势,探究在西方国家立轴式钻机被全液压动力头钻机取代的真正原因。以此为基础,根据我国的国情和发展态势,制定适合我国的地质岩心钻机发展战略。

 

3  立轴式钻机和全液压动力头钻机的主要特性对比

评价钻机性能的优劣,应该有一套标准,其所包含的基本要素为:

l   施工效率、

l   施工质量、

l   施工成本、

l   钻机适应性。

3.1  施工效率对比

由于采用钻塔,立轴式钻机可实现长立根(12~18m)起下钻,起下钻速度比动力头钻机(立根长度一般为6m)要高得多。在钻进施工中,起下钻是一种经常的作业,起下钻速度对施工效率有明显的影响作用。

动力头钻机相比立轴式钻机具有以下突出的优点:

1)给进行程长,一般为3m左右,比立轴式钻机的0.5~0.6m要长得多。对于3m进尺,动力头钻机可一气呵成,而立轴式钻机至少倒杆4次。每次倒杆不仅需多耗时间,还可能造成岩心断裂,使得倒杆后重新钻进速度慢,并加大了岩心堵塞的机率。在破碎地层,以上因素的影响尤为明显。因此动力头钻机在机械钻速、钻头寿命、回次长度和提钻间隔方面都要优于立轴式钻机。这些因素对钻进施工效率都有直接的影响作用。

    (2)不用钻塔,可明显节省施工时间并降低人工成本,在交通不便地区尤为突出。动力头钻机搬迁一般只需要1~2天时间。立轴式钻机搬迁一次一般需要4~7天。

    对两种钻机施工效率的定性比较列于表1。

1  液压动力头钻机与立轴式钻机施工效率的比较

 

液压动力头钻机

立轴式钻机

给进行程 

是立轴钻机的5倍

较短

机械钻速

较高

较低

回次长度  

较长

较短

钻头寿命

较长

较短

起钻间隔

较长

较短

起下钻速度

较慢

是动力头钻机的2-3倍

平机台时间

较短

较长

运输时间

较短

较长

设备安装时间

较短

较长

接单根时间

较短

较长

倒杆时间

    根据以上定性分析的结果,两种钻机在施工效率方面各有优势,从表面看动力头钻机的优势要更大一些。那么,到底哪一种钻机的钻进施工效率更高呢?岩石可钻性和孔深条件对这种施工效率的对比关系又有多大影响呢?此处,将通过进行技术经济学对比分析,来求得对此问题的解答。

    对比方法是:将两种钻机可能获得的钻探技术指标代入钻进时间计算公式(笔者在《探矿工程》20077期的“取心钻进工艺方法的技术经济学分析——施工时间分析”一文中给出的公式[3])进行计算,对计算结果进行对比分析。

    考虑到岩石可钻性对钻探施工的技术指标有显著影响并会影响两种钻机施工效率的对比关系,这里同时给出了两种钻机在软岩和硬岩两种地层条件下技术经济指标。

两种钻机在软岩和硬岩中施工1000m钻孔的所需的钻进时间(钻机搬迁时间不计在内),分别列于表2和表3。两种钻机在软岩和硬岩中施工2000m以内不同深度的钻孔所需要的时间的对比情况分别列于表4和表5

2  两种岩心钻机钻进软岩的技术经济性对比(孔深1000m)

 

动力头钻机

立轴式钻机

机械钻速        (m/h)

1.8

1.5

回次长度         (m)  

2.8

2.5

起钻间隔         (m)  

50

45

起下钻速度      (m/h) 

170

510

钻进总时间       (h)

556

667

起下钻总时间     (h)

124

45

捞岩心总时间     (h)

177

197

额外倒杆总时间   (h)

0

133

钻进施工时间     (h)

857

1042

液压动力头钻机比立轴式钻机节省钻进施工时间21.6%

3  两种岩心钻机钻进硬岩的技术经济性对比(孔深1000m)

 

动力头钻机

立轴式钻机

机械钻速        (m/h)

1.3

1.1

回次长度         (m)  

2.8

2.5

起钻间隔         (m)  

30

27

起下钻速度      (m/h) 

170

510

钻进总时间       (h)

769

909

起下钻总时间     (h)

208

74

捞岩心总时间     (h)

175

196

额外倒杆总时间   (h)

0

133

钻进施工时间     (h)

52

2

液压动力头钻机比立轴式钻机节省钻进施工时间13.9%

                   表5  两种钻机在软岩中施工不同深度钻孔的施工时间比较

钻孔深度(m)

钻进施工时间(h)

动力头钻机比立轴式钻机节省时间

动力头钻机

立轴式钻机

500

382

492

28.7%

1000

856

1046

22.2%

1500

1421

1657

16.6%

2000

2079

2326

11.9%

6  两种钻机在硬岩中施工不同深度钻孔的施工时间比较

钻孔深度(m)

钻进施工时间(h)

动力头钻机比立轴式钻机节省时间

动力头钻机

立轴式钻机

500

510

554

21.7%

1000

1154

1180

13.8%

1500

1916

1882

8.7%

2000

2825

2652

3.3%

比较表2至表5的数据,可得出以下结论:

1)施工时间分解的数据表明,立轴式钻机只是起下钻时间比动力头钻机少,其他所有施工需要的时间均比动力头钻机要多。

    2)施工2000m以内的钻孔,无论是钻进软岩还是硬岩,动力头钻机的钻进施工时间总是少于立轴式钻机。在软岩中动力头钻机节省时间要更多一些,因为在软岩中钻头寿命更长,提钻间隔更大,提钻总时间更少,使动力头钻机提钻慢的弱点得到弱化。

    3)随着孔深加大,动力头钻机相对于立轴式钻机的时间节省相应减少,这是因为孔变深后起下钻时间的比例相对加大的原因。

    以上只是对两种钻机的钻进施工效率进行了对比,如果再考虑钻机搬迁时间的对比,可认为动力头钻机比立轴式钻机施工效率明显要高,钻孔较浅(1000m以内)时,二者的差别更大。以下两个施工实例可很好地证明这一点。

    实例1:新疆黄山铜镍矿区钻探项目

    2006年新疆地质六队哈密大地工程勘察有限责任公司在黄山铜镍矿区施工了19个钻孔,设计最深钻孔1400m、最浅600m、平均孔深905m,总进尺17162m。钻进的岩石为闪角辉长岩,角闪橄榄岩,橄榄辉石岩,糜棱岩,滑石绿泥岩等。岩石可钻性大多在五级左右,部分达七级,地层蚀变较强,钻探施工常遇到孔壁坍塌、超径造成的埋、卡钻事故。

施工中采用了3种钻机,即从国外进口的LF-90型全液压动力头钻机和国产的YDX-3型全液压动力头钻机以及XY-44XY-5型立轴式钻机。几种钻机的进尺及其钻进施工技术经济指标列于表7[4]。由表列的数据可得出结论:全液压动力头钻机的机械钻速、台月效率和孔内事故时间等指标都要明显优于立轴式钻机。尽管YDX-3钻机是刚刚推出的产品,还远未达到成熟,设备维修时间还较多,但也还是获得了较好的技术经济指标,显示出很好的发展潜力。

7   新疆黄山铜镍矿区不同钻机施工效率比较

 钻机

总进尺

(m)

平均孔深(m)

台月效率(m/台月)

平均时效(m/h)

纯钻  时间

辅助  时间

孔内事

故时间

设备维修时间

LF-90

4694.50

938.90

770.35

2.48

43.2%

51.0%

5.2%

0.6%

YDX-3

5955.51

744.44

636.95

1.86

47.5%

45.9%

1.0%

5.6%

立轴式钻机

6512.59

930.37

518.10

1.73

41.6%

45.7%

11.2%

1.5%

    实例2:山东探矿机械厂XD-3钻机试验项目

    山东探矿机械厂研制的XD-3钻机2006年在山东省莱西市寺庄矿区进行生产试验。钻进的地层主要为钾化花岗岩,可钻性7~9级。主要采用75金刚石绳索取心钻具,钻至668.49m终孔。获得的技术指标:平均台月效率770m,平均时效2.45m,分别比同矿区其他型号钻机提高28.5%22.5%[4]

3.2  施工质量对比

动力头钻机是长行程给进,一个回次钻进过程中工作平稳。而立轴式钻机立轴式钻机在一个回次中要倒杆4~5次。倒杆时可能造成岩心断裂,加大岩心堵塞的机率,岩心采取率会因此受到影响。在破碎地层,以上因素的影响尤为明显。因此动力头钻机的岩心采取率和岩心质量要优于立轴式钻机。

不倒杆还会降低破碎地层钻进的事故率。此外,动力头钻机的施工过程更加平稳,对改善施工质量会更加有利。

3.3  施工成本对比

    钻进施工成本是一个受多方面因素影响的复杂问题。动力头钻机的购置成本比立轴式钻机的高得多,进行成本计算时其设备折旧费也相应高得多。但由于动力头钻机施工效率比立轴式钻机要高,因此又可带来施工成本下降。通过定性分析可以得出结论:动力头钻机在购进后的一段时间内,其钻进施工成本要高于立轴式钻机,但在使用一段时间、钻进一定进尺之后,其钻进成本可达到与立轴式钻机钻进成本相当或更低的水平。

通过以下的计算,可以证明这一点。

    购置一套1000m立轴式岩心钻探设备大约需要40万元;购置具有同样深度能力的动力头钻机需要130万元。即购置动力头钻机需要多花90万元。假设立轴式钻机的台月效率为500m,动力头钻机的台月效率比立轴式钻机高25%,为625m,每月比立轴式钻机多钻125m。按每年8个台月算,采用动力头钻机每年比立轴式钻机多施工1000m进尺。按每米进尺费用500-600元算,采用动力头钻机每年比立轴式钻机多挣50-60万元。再考虑动力头钻机的维护成本比立轴式钻机高一些。两年之内就可补齐购置和使用动力头钻机的差价。

3.4  钻机适应性对比

    不同的钻进工艺方法如金刚石取心钻进、反循环连续取心(取样)钻进、定向钻进等,对钻机的转速有着不同的要求。比较理想的情况是,钻机能满足各种钻进工艺方法的要求,并且能方便地对钻速进行调节。相比之下,动力头钻机是一种能较好满足以上要求的钻机。与立轴式钻机相比,动力头钻机的转速范围宽,能够进行无级调速,能较好地满足不同钻进工艺的要求。

    与立轴式钻机相比,动力头钻机需要的钻进场地更小;能更方便地施工不同倾角的钻孔;能更加容易地实现钻进参数监测和控制。

 

4  深孔动力头钻机的起下钻问题

    根据表5和表6的数据可看出,随着钻孔深度加大以及随着岩石可钻性变差,动力头钻机相对于立轴式钻机的优势在逐渐变小。这是因为动力头钻机提钻立根长度小,起下钻次数变多后,其起下钻速度慢的弱点就会变得突出。由表8的数据可看出,在钻孔深度不超过1000m时,立根长度对施工时间的影响是不明显的。孔深超过1000m以后,立根长度对施工时间的影响逐渐明显。孔深超过2000m后,影响非常明显。为了解决这个问题,对于钻孔较深时,应该考虑加大动力头钻机的立根长度。笔者认为:1000m以内的钻机可采用6m长的立根;1500钻机应采用9m长的立根;2000m以上的钻机,应采用更长的立根。对于深孔施工起下钻问题的解决,比较好的方案可能还是采用钻塔。采用钻塔不仅有利于长立根方案的实施,还可为钻探人员提供一个较好的施工操作环境,对施工安全和提高生产效率都有利。

8    采用不同立根长度时的起下钻时间对比       单位:天

钻孔深度

m

立根长18m

(510m/h)

立根长9m

(260m/h)

立根长6m

(170m/h)

500

0.58

1.17

1.79

1000

2.13

4.17

6.38

1500

4.83

9.50

14.54

2000

8.33

16.33

25.00

2500

17.5

34.3

52.5

                                         注:起钻间隔为40m

 

5  结论

    全液压动力头钻机在钻探技术经济指标、施工质量和适应性等方面都要优于立轴式钻机。随着我国现代化程度的提高,液压元件的成本会逐渐下降,而人力成本会逐渐提高。这些因素会进一步加大动力头钻机相对立轴式钻机的对比优势。根据文中所列举的理论计算和实际应用的结果可得出结论:全液压动力头钻机是一种兼具施工效率高、施工质量好、事故率低、钻机适应性强和轻便等优点的钻机,是我国地质岩心钻机的发展方向。

          

参考文献:

[1]  杜祥麟.地质钻探设备三十年.探矿工程,1982,(4).

[2]  宋翔雁.浅析地质岩心钻机发展趋势.探矿工程,1992,(6).

[3]  张伟.取心钻进工艺方法的技术经济学分析—施工时间分析.探矿工程(岩土钻掘工程),2007,34(7).

[4]  马德义,覃勋平,黄山铜镍矿钻探施工技术总结报告. 探矿工程,2008(8)

[5]  侯庆国.XD-3型全液压动力头式岩心钻机的研制与应用.探矿工程(岩土钻掘工程),2007,34(8).

——————————

    专家简介:张伟(1954-),男(汉族),湖北恩施人,中国地质调查局科技外事部新技术处处长、教授级高级工程师,探矿工程专业,博士,负责组织地质勘察技术的研究与开发和推广应用工作,北京市西城区阜外大街45号院,zhangwei@ccsd.cn
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