地浸砂巖型鈾礦松散巖層單動雙管取心鉆具的研制與試驗

李博，劉曉陽，王琳，鄧氚軍，楊愛軍

（1.核工業北京地質研究院，北京 100029；2.中國核工業地質局，北京 100013；3.核工業二四三大隊，內蒙古 赤峰 024000；4.核工業二〇八大隊，內蒙古 包頭 014010）

地浸砂巖型鈾礦取心鉆探普遍采用投球式單管取心方法，單管鉆具結構簡單，退心操作便捷［1-4］，在松散砂巖地層取心時，采用小泵量或無泵取心鉆進，可獲取較高的巖心采取率和巖心質量［5-7］。隨著近年來地浸砂巖型鈾礦勘查鉆探工作量逐步提升，鉆探深度逐步加深，投球式單管取心方法的不足凸顯，包括深部取心效率低、松散巖層回次進尺短、操作要求高、作業強度高和易發生孔內事故等。特別是在深部松散巖層采用無泵取心工藝方法，要求操作者具有很高的操作技術，同時需要較大能力的鉆探設備和強度較高的鉆桿柱，鉆探材料成本高，孔內事故率較高。

單動雙管鉆具是外管轉動而內管不轉，內管隔水可有效降低水流對巖心的沖刷，降低鉆頭振動對巖心的擾動，可避免強力規程的無泵取心方法，降低取心難度，減少鉆頭消耗。中國核工業地質局曾組織多家單位對雙管鉆具開展系列研究，研制了HD-216 型投球式單動雙管鉆具、HD-89/71 多功能半合管單動雙管鉆具、孔底反循環取心鉆具、射流式取心雙管鉆具和新型投球式雙動雙管鉆具等［8-10］，對巖心采取率和鉆探工程質量的提高發揮了積極有效的作用。但相比單管鉆具，單動雙管鉆具結構相對復雜，退心操作時的拆卸組裝工序多，時間長，影響了單動雙管鉆具的推廣應用。

隨著地浸砂巖型鈾礦勘查鉆孔深度向1 000 m突破，深部松散巖層取心難度增加，特別是對于部分勘查程度較高的礦區，僅目的層或礦層取心，取心工作量減少，取心質量要求提高。面對單管鉆具取心工藝方法在深部目的層/礦層等松散巖層取心中存在的不足，為進一步提高單動雙管鉆具的應用便捷度，提高雙管鉆具退心效率，研制了可液力退心式單動雙管鉆具和快拆式單動雙管鉆具，其中，可液力退心式單動雙管鉆具在免拆內管的情況下實現地表快速液力退心；快拆式單動雙管鉆具可快速拆裝單動機構與內管，提高鉆具拆裝效率［11］。

1 設計思路與參數

1.1 設計思路

對于常規單動雙管鉆具在實際應用中存在的不足，為提高其操作便捷性和適用性，需優化單動雙管鉆具結構，簡化其退心時的拆裝操作程序，主要從兩個方面開展研究工作。

1）在不拆內管的情況下，利用液流直接將巖心從內管推出，實現液力退心功能；鉆具單動機構中心通道具有沖孔和退心的功能，可實現單/雙管模式切換。

2）設計單動機構與內管的連接方式，避免絲扣連接，實現內管與單動機構的快速拆裝。

1.2 設計參數

1）基于Φ110 mm 鉆孔口徑［12］，鉆頭外徑可適當增大至Φ112～120 mm；

2）巖心直徑≥66 mm［13］，盡量選擇較大巖心直徑，以保證巖心強度；

3）外管直徑Φ108 mm，壁厚4.5 mm；

4）內管直徑Φ89 mm，壁厚3 mm 或4.5 mm；

5）巖心直徑與巖心管內壁環空間隙≥2.0 mm；

6）單動機構潤滑采用封閉方式。

2 鉆具設計

2.1 尺寸規格

單動雙管鉆具尺寸設計需考慮能獲取較大的巖心直徑。巖心進入鉆具過程中會受到一定程度的磨蝕和擾動。同樣巖性，巖心直徑越大，橫截面積越大，所能承受的橫向剪切力越大，即抵抗鉆具擾動的能力越強，巖心不易散亂，有利于單回次取得更長的巖心；同時更大直徑的巖心也有利于地質人員獲取信息。

目前地浸砂巖型鈾礦鉆探主要采用單管取心鉆進，鉆孔口徑以Φ113 mm為主，鉆具組合為：Φ113 mm/72 mm 鉆頭+Φ89 mm/6.5 mm 巖心管+Φ60 mm 外絲鉆桿。為考慮試驗的便捷性和與現有常規單管取心鉆具組合的適配性，雙管鉆具配套鉆頭外徑尺寸依然為Φ 113 mm。根據地質巖心鉆具標準和市場地質管材規格，并考慮鉆具級配關系，選擇外管Φ108 mm/4.5 mm，內管Φ89 mm/3 mm，巖心與巖心內管內徑間隙為2 mm，鉆頭內徑（巖心直徑）選擇為Φ79 mm，大于現有單管取心鉆頭內徑。

2.2 單動機構

2.2.1軸承潤滑方式

地浸砂巖型鈾礦鉆探沖洗液以膨潤土泥漿為主，固相含量極易受砂巖、泥巖等地層影響而迅速增高；同時在松軟破碎巖層取心鉆進時，鉆速不高，軸承工作時產生的熱量有限，正常單回次鉆進時間（0.5～2 h）內不會對軸承的正常運轉產生大的影響。因此，取心鉆具單動機構中采用了全密封的潤滑方式。使用軸承套配合Y 型密封圈的方式將推力球軸承密封，避免泥漿中粉砂巖屑等固相對軸承的磨損和沖蝕，降低了軸承故障率。

2.2.2緩沖彈簧選擇

為保護內管，避免其在提撈巖心時直接受巖心拉力，設計了多片碟形彈簧的緩沖結構；一方面，碟形彈簧可調整單動機構軸向安裝間隙；另一方面，與螺旋彈簧相比，可以最大程度減少單動機構部件長度。在同長度外管條件下，可增長內管長度，增加回次進尺長度。

2.3 斷心結構

在花崗巖和火山巖等可鉆性級別較高的巖石鉆探中，常用單動雙管鉆具或繩索取心鉆具中的內管保護機構多采用螺旋彈簧，內管與卡簧座以絲扣連接。拉斷巖心時，彈簧壓縮，內管和卡簧座下移至鉆頭內臺階，使得拉斷巖心的力由內管傳至外管，保護內管不受損壞［14］?？紤]沉積巖地層巖心強度低，拔斷巖心所需的力較小，斷心時可不需外管受力；同時，為安裝和退心方便，鉆具內管與卡簧座采用插接方式連接，在提拉巖心時，內管與緩沖彈簧受力即可滿足要求（圖1）。

圖1 內管與卡簧座連接方式Fig.1 Connection way of inner tube and core lifter case

2.4 可液力退心式單動雙管鉆具

2.4.1液力退心機構

液力退心機構的設計思路在于不拆卸內管的情況下實現液力推出巖心，則鉆具上接頭需和內管聯通，有液流通道；但正常鉆進時，上接頭與內管間的通道是閉合狀態，兼顧內管上方應有球閥機構。設計的液力退心機構如圖2 所示，上接頭側面有液流通道連接內外管環狀空間，單動機構芯軸采用中空設計，連通上接頭和內管。

圖2 SD 型單動雙管鉆具液力退心機構Fig.2 Hydraulically-driven core-outting structure of SD double tube core barrel

1）沖孔狀態：鉆具下放至孔底后，單動機構芯軸連通內管，便于使用較大泵量實施沖孔。

2）鉆進狀態：從孔口鉆桿內投入鋼球，鋼球落在單動芯軸上方位置，擋住芯軸中心通道，沖洗液從上接頭側面通道流走，不沖刷巖心，同時起到鉆具球閥作用（圖2a）。

3）退心狀態：待鉆具提至地表后，拆下鉆頭和卡簧，使用工具將鋼球從單動芯軸上方取出，使鉆具內部中心流道從上到下完全貫通；塞入退心隔水管至上接頭抵住單動芯軸，退心隔水管斷開了上接頭中心通道與側向流道的通路，將泥漿泵或其他液力泵管路與上接頭連接，沖洗液自上接頭進入鉆具，經退心隔水管和單動芯軸中心通道進入內管，將內管中的巖心從鉆具底部推出（圖2b）。

2.4.2SD110 型液力退心式單動雙管鉆具

在以上鉆具尺寸規格、單動機構、斷心機構和液力退心機構的基礎上，設計了SD110 型可液力退心式單動雙管取心鉆具（圖3）。

圖3 SD110 液力退心式單動雙管取心鉆具結構圖Fig.3 Structure of SD110 double tube core barrel with hydraulically-driven core-outting mechanism

SD110 型液力退心式單動雙管鉆具結構如圖3所示。其使用操作方式為：鉆具下入孔底后，先大泵量沖孔，后從鉆桿中心通道投入鋼球，連接主動鉆桿，開泵送鋼球至鉆具上接頭內單動芯軸上方；根據內管的長度規格不同，正常鉆進3～6 m 后，停泵，鉆具加壓0.2～1.5 t，慢速回轉鉆具3～5 圈后提鉆；鉆具提至地面后，卸掉鉆頭和內管卡簧座，使用專用工具將單動芯軸上方鋼球掏出，從鉆具上接頭處或變絲接手處塞入專用退心隔水管至單動芯軸上方，連接泥漿泵回水膠管，開泵進行液力退心；退心完成后，取出隔水管，安裝卡簧座和鉆頭，下鉆進行下一回次鉆進。

SD110 型液力退心式單動雙管鉆具在下入孔底后可滿足大泵量沖孔的需求。退心時不需要拆卸上部單動機構，只需取下鉆頭和卡簧座后，下入隔水管即可進行退心操作，整個退心流程步驟簡潔，操作快速方便。

2.5 快拆式單動雙管取心鉆具

2.5.1快拆式連接機構

常規單動雙管鉆具在退心時，需從鉆具內將內管拉出。由于內管長度較長，同時內管內部裝有巖心樣，使得內管、內管接頭和單動機構等部件連接組成的內管總成縱向尺寸較長，重量也較重。在從外管中向外拉動內管時，占地面積較大，并且在將內管與內管接頭分離和組裝時，擰動連接螺紋操作均比較困難。

為簡化單動雙管鉆具拆裝流程，提高操作便捷性，設計了內管快拆式連接機構（圖4）?？觳饳C構包括卡口槽和卡頭，卡頭與內管接頭為一體結構，卡頭與卡口槽沿徑向插接，且沿軸向彼此卡合。這樣的連接方式可以稱之為卡口式快拆連接機構?？诜绞筋愃沏@機提引器連接方式，但卡口與被卡內管接頭配合面間隙更緊密，避免過大的橫向活動空間引起振動，造成內管不穩定；同時卡口限位套上部采用軸用鋼絲擋圈作為上限位。限位套內部有限位內槽，配合定位鋼球，作為卡口快拆機構連接后的限位套固定機構，避免限位套在鉆進過程中移動造成卡口機構脫開。

圖4 卡口式快拆連接機構Fig.4 Bayonet-type connection structure

2.5.2SDKC110 快拆式單動雙管取心鉆具

SDKC110 快拆式單動雙管取心鉆具單動機構和內管接頭采用卡口式快拆連接機構（圖5）。其退心操作方式為：快拆式鉆具可以包括多組內管和內管接頭，利用一組內管和內管接頭在鉆孔取心后需要退心時，可以將鉆具提至地面，卸開上接頭與外管的螺紋連接，通過拉動上接頭從外管中向外拉動內管，當露出快拆機構時，將內管接頭與快拆機構分離，再從外管中抽出內管接頭和內管，之后可快速安裝另一內管和內管接頭，組裝好鉆具后再次下放至孔底進行取心作業。同時，拆下的內管和內管接頭可以進行退心作業，實現平行作業操作，節省時間，減少輔助時間，提高鉆探整體施工效率。

圖5 SDKC110 快拆式單動雙管取心鉆具結構圖Fig.5 Structure of SDKC110 double tube core barrel with quick release connector

SDKC110 快拆式單動雙管鉆具可實現內管總成的上部分與內管總成的下部分快拆與快裝，避免了內管總成在長尺寸、大重量情況下拆卸螺紋的繁鎖操作，提高了拆卸鉆具、退心操作效率以及鉆探作業的整體效率，縮小了作業空間，提高了作業安全度。

3 鉆進試驗

鉆具在內蒙古鄂爾多斯地區和通遼地區進行了取心試驗。

3.1 內蒙古鄂爾多斯地區試驗

SDKC110 型單動雙管鉆具在內蒙古鄂爾多斯地區ZKC15-0 鉆孔中8.5～21.9 m 孔段進行了取心鉆進試驗。各回次取心試驗數據見表1所示。

表1 SDKC110 型單動雙管鉆具在ZKC15-0 鉆孔中試驗數據Table 1 Test data of SDKC110 double tube core barrel in hole of ZKC15-0

結果表明，淺層砂礫鉆進中SDKC110 型單動雙管鉆具取心率達到100%，特別礫石層，可以有效獲取原狀巖心結構（圖6，圖7）。

圖6 ZKC15-0 鉆孔淺部砂礫層巖心Fig.6 Sandy gravel core of ZKC15-0 hole

圖7 ZKC15-0 鉆孔淺部礫石層巖心Fig.7 Gravel core of ZKC15-0 hole

3.2 內蒙古通遼地區試驗

在通遼市寶龍山鎮白興吐地區采用兩種鉆具分別在JM-1、JM-2、JM-3、JM-4 和JM-5 鉆孔中進行了取心試驗（表2）。

表2 SD110 系列鉆具在通遼地區試驗數據Table 2 Test data of SD110 series drill tools in Tongliao area

JM-1 鉆孔中，分別應用了SDKC110 快拆式單動雙管取心鉆具、常規Φ89 mm 單管鉆具和常規雙管鉆具進行取心操作。該孔中常規Φ89 mm 單管鉆具平均取心回次長度為2.45 m，SDKC110 型雙管鉆具平均取心回次長度為4.36 m；該孔中常規Φ89 mm單管鉆具平均機械鉆速為6.99 m/h，SDKC110 型雙管鉆具平均機械鉆速為9.95 m/h。兩類雙管鉆具試驗段巖心采取率分別達到91.37%和92.51%。

JM-2 鉆孔中，取心段全部應用SD110 液力退心式單動雙管鉆具進行取心，試驗孔段323.39～351.54 m，巖心采取率為97.51%，平均回次長度為4.02 m，平均機械鉆速為7.57 m/h。

JM-3 鉆孔中，分別應用了SD110 液力退心式單動雙管鉆具和常規Φ89 mm 單管鉆具進行取心操作。SD110 液力退心式單動雙管鉆具取心孔段為320.00～339.06 m，Φ89 mm 單管鉆具取心孔段為339.06～350.34 m；該孔中常規Φ89 mm 單管鉆具平均取心回次長度為3.76 m，SD110 型雙管鉆具平均取心回次長度為3.81 m；常規Φ89 mm 單管鉆具平均機械鉆速為8.42 m/h，SD110 型雙管鉆具平均機械鉆速9.63 m/h；常規Φ89 mm 單管鉆具巖心采取率為91.93%，SD110 型雙管鉆具巖心采取率95.12%。

JM-4 鉆孔中，3～8 回次應用了常規Φ89 mm 單管鉆具進行取心操作。平均回次長度為3.31 m，平均機械鉆速為5.82 m/h，巖心采取率94.35%。

JM-5 鉆孔中，分別試驗應用了SD110 液力退心式單動雙管鉆具和SDKC110 快拆式單動雙管取心鉆具進行取心操作。該孔中SD110 型雙管鉆具平均取心回次長度為4.23 m，SDKC110 型雙管鉆具平均取心回次長度為4.23 m；SD110 型雙管鉆具平均機械鉆速4.46 m/h，SDKC110 型雙管鉆具平均機械鉆速為7.65 m/h；SD110 型雙管鉆具巖心采取率90.96%，SDKC110型雙管鉆具巖心采取率為87.05%。

3.3 單動雙管鉆具試驗評價

1）巖心質量方面，可液力退心式和快拆式單動雙管鉆具可獲取原狀程度較高的巖心。

單管取心工藝方法中，鉆具對巖心的擾動性強，一方面泥漿直接沖刷巖心，另一方面取心鉆具與鉆頭級配大，鉆具振動幅度大，影響巖心質量。單動雙管鉆具可有效降低水流對巖心的沖刷，鉆具外管外徑Φ108 mm，鉆頭外徑Φ113 mm，鉆具與鉆頭級配小，環空振動幅度小，可提高取心質量，例如ZKC15-0 鉆孔淺部松散層巖心。JM-1 至JM-5 鉆孔均為目的層取心，對巖心質量要求較高，以SDKC110 型雙管鉆具在通遼白興吐地區JM-1 鉆孔中316.40～338.19 m為例，該段巖心上部為一段極松軟的含水砂層（圖8）。單管鉆具在鉆遇此類地層時取心極為困難。

圖8 通遼地區JM-1 孔松軟砂層Fig.8 Sandstone core in hole JM-1 of Tongliao area

2）回次進尺長度方面，可液力退心式和快拆式單動雙管鉆具取心回次長度較穩定，受地層干擾性較小。

在松散巖層中，提鉆式單管取心采用無泵取心，取心回次較短，且不穩定。而單動雙管鉆具取心對巖心的擾動較小，操作簡單，可以獲得較長且穩定的回次進尺長度。SD 系列鉆具在通遼地區鉆孔試驗中共成功取心鉆進25 回次，平均回次長度3.82 m，平均機械鉆速7.40 m/h，平均巖心采取率92.97%，與單管鉆具相比，平均回次長度高出28.62%，巖心采取率基本相當（表3）。

表3 SD 系列雙管鉆具與單管鉆具鉆進效果對比Table 3 Comparison of drilling results between SD series double tube core barrel and single tube core barrel

3）取/退心效率方面，可液力退心式和快拆式單動雙管鉆具操作使用整體效率高。

取心效率方面，與單管鉆具相比，SD 系列單動雙管鉆具平均回次長度和平均機械轉速分別提高28.62%和11.61%（表3），單動雙管鉆具取心不需要無泵取心時的反復提拉操作，巖心滿管后即可提鉆取心；同時，較小鉆頭胎體厚度保證了較高的鉆進效率。退心效率方面，SD110型鉆具平均退心時間為0.33 h，SDKC110型鉆具平均退心時間為0.37 h，平均退心時間為0.35 h，比普通雙管鉆具退心時間降低了32.69%（表4）。

表4 SD 系列雙管鉆具與常規雙管鉆具退心時間對比Table 4 Comparison of core-outing time between SD series double tube core barrel and ordinary double tube drill tool

SDKC110 型具有快拆結構的雙管取心鉆具，可在鉆具提至孔口后采用更換內管方式，進行退心與鉆進平行作業，提高時間利用率，進而提高整體效率。經統計JM-1、JM-3 和JM-4 鉆孔中采用單管取心的回次中，每一回次中退心和擺心操作時間占整個回次時間的10.55%～25.32%，平均為17.92%。采用進行退心與鉆進平行作業后，該段時間即可節省，即每回次施工效率提高約17.92%（表5）。

表5 JM 鉆孔中單管取心鉆進各階段時長統計Table 5 Time statistics of stages of single tube core drilling in JM holes

4 結論

1）SD110 型單動雙管鉆具可在免拆內管的情況下實現地表快速液力退心，提高雙管鉆具退心效率；SDKC110 型鉆具采用快拆機構，可快速拆裝更換內管，利于實行退心和鉆進平行作業，提高時間利用率。

2）SD 系列單動雙管鉆具適用于在松散破碎地層和對取心質量要求較高的礦層等局部取心段，降低了沖洗液對巖心的沖刷和鉆具對巖心的擾動，可有效提高巖心采取效率和巖心質量；避免松散巖層單管無泵卡心工藝，提高了取心鉆進安全性。