关于我国地质岩心钻机发展方向的分析

关于我国地质岩心钻机发展方向的分析张伟（中国地质调查局，北京100037）摘要：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AnalysisontheDevelopmentTrendofGeologicalCoreDrillinChinaZHANGWei（ChinaGeologicalSurvey，Beijing100037）Abstract:Acomprehensiveanalysisonandcomparisonbetweenspindlecoredrillandhydraulictop-drivecoredrillismadeinthisarticle.Specialconcernisfocusedonthetechnicaleconomicsinthedrillingoperationofthetwotypesofthecoredrills.Theresultshowsthathydraulictop-drivecoredrillissuperioroverspindlecoredrillnotonlyinitslightweightandportability,butalsoinitsexcellentdrillingperformance.Withtheincreaseofboreholedepth,thecomparativeadvantageofhydraulictop-drivecoredrilldecreases.Inthiscase,thelengthofdrillrodstandshouldbeincreasedtoimproveefficiencyofround-tripoperation.Keywords:geologicalcoredrill;technicaleconomics;comparison1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-3型1000m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]。自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]在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：施工效率、施工质量、施工成本、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。表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无有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》2007第7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。表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)1.81.5回次长度(m)2.82.5起钻间隔(m)5045起下钻速度(m/h)170510钻进总时间(h)556667起下钻总时间(h)12445捞岩心总时间(h)177197额外倒杆总时间(h)0133钻进施工时间(h)8571042液压动力头钻机比立轴式钻机节省钻进施工时间21.6%表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)1.31.1回次长度(m)2.82.5起钻间隔(m)3027起下钻速度(m/h)170510钻进总时间(h)769909起下钻总时间(h)20874捞岩心总时间(h)175196额外倒杆总时间(h)0133钻进施工时间(h)522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50038249228.7%1000856104622.2%15001421165716.6%20002079232611.9%表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50051055421.7%10001154118013.8%1500191618828.7%2000282526523.3%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-44、XY-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