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摘要：本文作者对绳索取芯钻杆可靠性及增加动力消耗进行了对比分析，探讨了长寿命钻头的开发与应用和新型高效节能岩芯钻机的开发与应用，供大家参考借鉴。
关键词：地质钻探技术；分析
1 绳索取芯钻杆可靠性及增加动力消耗的对比分析
目前，绳索取芯钻探技术被全球地质及钻探界认为是最佳综合地质效果的钻探技术方法。我国绳索取芯钻探技术完成钻探工作量的比例在55%左右，还有相当大的推广应用空间。如果我国地质岩芯钻探施工全部采用绳索取芯钻探技术，其综合经济及技术效益将大幅提高。从目前我国地质钻杆管材的供应渠道、厂家、技术标准等实际情况看，提高地质管材的质量及性能的难度较大，因为涉及钢材厂家的材料成分、加工设备、模具等。所以比较可行办法就是采用增加钻杆接头螺纹根部的壁厚，提高钻杆接头螺纹根部的强度。目前，我国绳索取芯钻杆发生折断的部位，98%以上在钻杆接头螺纹根部。增加钻杆接头的厚度会带来钻杆重量的增加及钻头刻取面积的增加，从而增加动力的消耗。虽然增加绳索取芯钻杆螺纹强度和可靠性及寿命是以多消耗动力为代价的，但与采用普通提钻取芯钻探技术所多消耗的动力及辅助时间相比，增加绳索取芯钻杆螺纹强度，仍然比采用普通提钻取芯钻探技术在效率、时间、动力消耗、钻孔稳定、经济效益等方面，有十分明显的益处。
2 长寿命钻头的开发与应用
除了绳索取芯钻杆的可靠性外，影响绳索取芯钻探技术优点的另一因素是钻头的寿命，钻孔越深、钻头寿命越长，就越能体现出绳索取芯钻探技术自身的优点。按照目前我国金刚石绳索取芯钻头的平均寿命为60m、平均孔深为600m，按钻杆立根长度12 m、提出一个立根的时间1. 5 min、下入一根铲根时间lmin，以目前国内立轴岩芯钻机及配备相应的钻塔为例，分析提高钻头寿命的意义。如果能将钻头的平均寿命提高到90 m，可以获得如下综合效果：平均钻头寿命60 m，600 m钻孔的提、下钻次数为10次，提、下钻时间约为1 250 min；平均钻头寿命提高到90 m，提、下钻次数为7次，提、下钻时间875 min，按照目前立轴钻机平均配备动力37 kW，提下钻时动力消耗为配备动力的60%，提、下钻消耗功率22. 2 kW，每千瓦小时消耗柴油200 g。从以上数据可计算出，当钻头寿命提高到90 m时，每个钻孔可节省提、下钻辅助时间6. 25 h，节省燃料28 kg。
从孕镶金刚石取芯钻头的制造工艺及工作特性曲线看，提高孕镶取芯钻头的寿命是完全可能的。首先，孕鑲金刚石钻头在工作过程就像砂轮，一旦钻头出刃后，其钻进速度基本保持不变，直至钻头胎体磨完。因此，增加孕镶金刚石钻头的胎体高度，可以大幅度提高钻头的寿命，而且也是较容易实现的，关键是如何设法保证钻头的内、外径。关于钻头保径，除了长寿命的保径材料外，应根据钻头孔底的工况，通过将钻头的内、外径设计成“锥度”结构，即钻头钻进时内、外径采取“分层”保径，钻头的内径向上逐渐“变大”，而钻头外径逐渐“变小”，开始正常钻进时，让第一层内、外保径材料起到保径作用。随着钻进及胎体磨损，到一定高度时，第二层保径开始工作。可以根据钻头的结构、地层情况等将钻头设计成多层保径结构。为了保证岩芯进入岩芯管及下步更换的新钻头能够下入孔内，还要考虑将岩芯卡簧座的内锥面加长，即卡簧具有更大的径向变化范围，同时钻头要排队使用，这就既可以提高钻头寿命，又可以解决钻头保径问题。
3 新型高效节能岩芯钻机的开发与应用
在没有开发出比全液压动力头钻机更好的岩芯钻机之前，液压驱动的动力头钻机在给进行程、斜孔钻进、操作、加接杆过程等方面，确实具有机械传动立轴岩芯钻机无法比拟的优点。但从全液压钻机的能量利用率、提下钻速度、制造及维修成本方面分析对比，其综合效能并不如机械传动的立轴钻机高。
因此，将全液压动力头钻机与立轴钻机的优点结合起来，以现有机械传动立轴钻机为基础，以机械作为主传动，按照全液压动力头钻机给进、取芯及加杆工作过程，并增加不停车倒杆功能，实现全液压动力头钻机的功能、机械立轴钻机的价格、高于全液压动力头钻机综合效能的最终目的。上述传动控制方式，应该成为我国未来新一代地质岩芯钻机的发展方向，乃至世界地质岩芯钻机的发展方向。新一代立轴岩芯钻机与全液压动力头钻机的性能对比及优点如下：
3.1 在钻进过程中实现不停机倒杆。该新型立轴钻机采用上、下2个液压卡盘，在加接好新的钻杆之后，上卡盘移至上始点，钻进过程中，当上卡盘从上始点开始向下钻进到下止点的同时，下卡盘夹紧并继续回转，上卡盘自动松开并上移到上始点，然后自动夹紧，与此同时下卡盘松开，上卡盘向下给进钻进，这种动作及程序连续不断地重复下去，实现了不停止回转倒杆钻进。
3.2 立轴钻机回转器的通孔直径加大。采用同现在的全液压动力头钻机一样的液压卡盘和通孔直径，不采用主动钻杆，水龙头直接同钻杆连接，在钻进完一根钻杆需要加接钻杆时，无需退机让开孔口、无需将钻头提离孔底，只需将水龙头与钻杆卸开，从立轴上部投放打捞器将内管总成提出，然后将水龙头同新钻杆连接上，卷扬机提起水龙头和新钻杆，再同立轴上的钻杆连接上，继续重复上述钻进过程。
3.3 钻塔及斜孔钻进。全液压动力头钻机全部采用整体式钻塔或桅杆，便于快速安装。而新一代立轴式岩芯钻机，完全可以配备同液压动力头钻机一样的整体分段式钻塔，并能随立轴回转器转动相应的角度而实现大角度斜孔钻进。目前设计的斜孔钻塔不仅可钻进60°斜孔，而且可以钻进水平孔。
3.4 传动效率及动力配备。液压传动效率要比机械传动低得多，这是一个难以改变的科学事实。目前1 000 m钻深能力的全液压动力头钻机配备的动力是132 kW，而机械传动的立轴钻机配备的动力是30～37 kW，考虑水泵的动力等总动力也不超过60 kW。
3.5 使用成本。按相同钻深能力，全液压动力头钻机配备的动力是l32 kW，机械传动立轴钻机配备动力75 kW，全液压钻机的动力比立轴钻机动力多76%。根据柴油机的动力消耗技术参数，一般柴油消耗为200 g/（kW·h），按照理想状态计算，钻进1 000 m的钻孔，按时效2. 5 m/h估算，全液压动力头钻机完成1 000 m的钻孔消耗柴油为10. 65，t立轴钻机消耗柴油6，t完成1 000m的孔，仅油料消耗全液压钻机就多4. 65，t按每吨柴油5 000元计算，成本增加23 250元。
3.6 维修及成本。液压系统的净洁对液压机械的可靠性及寿命非常关键，如果钻机液压系统发生故障在野外施工现场拆卸，而且不能保持净洁，液压系统将来出现问题的机会更多。而新一代立轴钻机的主传动采用机械方式，辅助动作采用液压方式，出现故障的几率较低，即使发生故障，现场操作人员多数情况能够维修。
参考文献：
[1] 房建华.地质钻探工艺技术初步研究[J].科技与企业，2012，（03）.
[2] 杨经绥，许志琴，汤中立等.大陆科学钻探选址与钻探实验[J].地球学报，2011，（z1）.
[3] 林达明，尚彦军，吴锋波等.基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用[J].岩石力学与工程学报，2010，（04）.
[4] 赵文津.地质力学、深部地质、科学钻探三项工程揭开了中国地学史上研究的新篇章--庆祝中国地质科学院成立50周年[J].地球学报，2011，（05）.
[5] 潘沛.我国地质找矿钻探技术应用与措施分析[J].建筑建材装饰，2011，（08）.
关键词：地质钻探技术；分析
1 绳索取芯钻杆可靠性及增加动力消耗的对比分析
目前，绳索取芯钻探技术被全球地质及钻探界认为是最佳综合地质效果的钻探技术方法。我国绳索取芯钻探技术完成钻探工作量的比例在55%左右，还有相当大的推广应用空间。如果我国地质岩芯钻探施工全部采用绳索取芯钻探技术，其综合经济及技术效益将大幅提高。从目前我国地质钻杆管材的供应渠道、厂家、技术标准等实际情况看，提高地质管材的质量及性能的难度较大，因为涉及钢材厂家的材料成分、加工设备、模具等。所以比较可行办法就是采用增加钻杆接头螺纹根部的壁厚，提高钻杆接头螺纹根部的强度。目前，我国绳索取芯钻杆发生折断的部位，98%以上在钻杆接头螺纹根部。增加钻杆接头的厚度会带来钻杆重量的增加及钻头刻取面积的增加，从而增加动力的消耗。虽然增加绳索取芯钻杆螺纹强度和可靠性及寿命是以多消耗动力为代价的，但与采用普通提钻取芯钻探技术所多消耗的动力及辅助时间相比，增加绳索取芯钻杆螺纹强度，仍然比采用普通提钻取芯钻探技术在效率、时间、动力消耗、钻孔稳定、经济效益等方面，有十分明显的益处。
2 长寿命钻头的开发与应用
除了绳索取芯钻杆的可靠性外，影响绳索取芯钻探技术优点的另一因素是钻头的寿命，钻孔越深、钻头寿命越长，就越能体现出绳索取芯钻探技术自身的优点。按照目前我国金刚石绳索取芯钻头的平均寿命为60m、平均孔深为600m，按钻杆立根长度12 m、提出一个立根的时间1. 5 min、下入一根铲根时间lmin，以目前国内立轴岩芯钻机及配备相应的钻塔为例，分析提高钻头寿命的意义。如果能将钻头的平均寿命提高到90 m，可以获得如下综合效果：平均钻头寿命60 m，600 m钻孔的提、下钻次数为10次，提、下钻时间约为1 250 min；平均钻头寿命提高到90 m，提、下钻次数为7次，提、下钻时间875 min，按照目前立轴钻机平均配备动力37 kW，提下钻时动力消耗为配备动力的60%，提、下钻消耗功率22. 2 kW，每千瓦小时消耗柴油200 g。从以上数据可计算出，当钻头寿命提高到90 m时，每个钻孔可节省提、下钻辅助时间6. 25 h，节省燃料28 kg。
从孕镶金刚石取芯钻头的制造工艺及工作特性曲线看，提高孕镶取芯钻头的寿命是完全可能的。首先，孕鑲金刚石钻头在工作过程就像砂轮，一旦钻头出刃后，其钻进速度基本保持不变，直至钻头胎体磨完。因此，增加孕镶金刚石钻头的胎体高度，可以大幅度提高钻头的寿命，而且也是较容易实现的，关键是如何设法保证钻头的内、外径。关于钻头保径，除了长寿命的保径材料外，应根据钻头孔底的工况，通过将钻头的内、外径设计成“锥度”结构，即钻头钻进时内、外径采取“分层”保径，钻头的内径向上逐渐“变大”，而钻头外径逐渐“变小”，开始正常钻进时，让第一层内、外保径材料起到保径作用。随着钻进及胎体磨损，到一定高度时，第二层保径开始工作。可以根据钻头的结构、地层情况等将钻头设计成多层保径结构。为了保证岩芯进入岩芯管及下步更换的新钻头能够下入孔内，还要考虑将岩芯卡簧座的内锥面加长，即卡簧具有更大的径向变化范围，同时钻头要排队使用，这就既可以提高钻头寿命，又可以解决钻头保径问题。
3 新型高效节能岩芯钻机的开发与应用
在没有开发出比全液压动力头钻机更好的岩芯钻机之前，液压驱动的动力头钻机在给进行程、斜孔钻进、操作、加接杆过程等方面，确实具有机械传动立轴岩芯钻机无法比拟的优点。但从全液压钻机的能量利用率、提下钻速度、制造及维修成本方面分析对比，其综合效能并不如机械传动的立轴钻机高。
因此，将全液压动力头钻机与立轴钻机的优点结合起来，以现有机械传动立轴钻机为基础，以机械作为主传动，按照全液压动力头钻机给进、取芯及加杆工作过程，并增加不停车倒杆功能，实现全液压动力头钻机的功能、机械立轴钻机的价格、高于全液压动力头钻机综合效能的最终目的。上述传动控制方式，应该成为我国未来新一代地质岩芯钻机的发展方向，乃至世界地质岩芯钻机的发展方向。新一代立轴岩芯钻机与全液压动力头钻机的性能对比及优点如下：
3.1 在钻进过程中实现不停机倒杆。该新型立轴钻机采用上、下2个液压卡盘，在加接好新的钻杆之后，上卡盘移至上始点，钻进过程中，当上卡盘从上始点开始向下钻进到下止点的同时，下卡盘夹紧并继续回转，上卡盘自动松开并上移到上始点，然后自动夹紧，与此同时下卡盘松开，上卡盘向下给进钻进，这种动作及程序连续不断地重复下去，实现了不停止回转倒杆钻进。
3.2 立轴钻机回转器的通孔直径加大。采用同现在的全液压动力头钻机一样的液压卡盘和通孔直径，不采用主动钻杆，水龙头直接同钻杆连接，在钻进完一根钻杆需要加接钻杆时，无需退机让开孔口、无需将钻头提离孔底，只需将水龙头与钻杆卸开，从立轴上部投放打捞器将内管总成提出，然后将水龙头同新钻杆连接上，卷扬机提起水龙头和新钻杆，再同立轴上的钻杆连接上，继续重复上述钻进过程。
3.3 钻塔及斜孔钻进。全液压动力头钻机全部采用整体式钻塔或桅杆，便于快速安装。而新一代立轴式岩芯钻机，完全可以配备同液压动力头钻机一样的整体分段式钻塔，并能随立轴回转器转动相应的角度而实现大角度斜孔钻进。目前设计的斜孔钻塔不仅可钻进60°斜孔，而且可以钻进水平孔。
3.4 传动效率及动力配备。液压传动效率要比机械传动低得多，这是一个难以改变的科学事实。目前1 000 m钻深能力的全液压动力头钻机配备的动力是132 kW，而机械传动的立轴钻机配备的动力是30～37 kW，考虑水泵的动力等总动力也不超过60 kW。
3.5 使用成本。按相同钻深能力，全液压动力头钻机配备的动力是l32 kW，机械传动立轴钻机配备动力75 kW，全液压钻机的动力比立轴钻机动力多76%。根据柴油机的动力消耗技术参数，一般柴油消耗为200 g/（kW·h），按照理想状态计算，钻进1 000 m的钻孔，按时效2. 5 m/h估算，全液压动力头钻机完成1 000 m的钻孔消耗柴油为10. 65，t立轴钻机消耗柴油6，t完成1 000m的孔，仅油料消耗全液压钻机就多4. 65，t按每吨柴油5 000元计算，成本增加23 250元。
3.6 维修及成本。液压系统的净洁对液压机械的可靠性及寿命非常关键，如果钻机液压系统发生故障在野外施工现场拆卸，而且不能保持净洁，液压系统将来出现问题的机会更多。而新一代立轴钻机的主传动采用机械方式，辅助动作采用液压方式，出现故障的几率较低，即使发生故障，现场操作人员多数情况能够维修。
参考文献：
[1] 房建华.地质钻探工艺技术初步研究[J].科技与企业，2012，（03）.
[2] 杨经绥，许志琴，汤中立等.大陆科学钻探选址与钻探实验[J].地球学报，2011，（z1）.
[3] 林达明，尚彦军，吴锋波等.基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用[J].岩石力学与工程学报，2010，（04）.
[4] 赵文津.地质力学、深部地质、科学钻探三项工程揭开了中国地学史上研究的新篇章--庆祝中国地质科学院成立50周年[J].地球学报，2011，（05）.
[5] 潘沛.我国地质找矿钻探技术应用与措施分析[J].建筑建材装饰，2011，（08）.