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一种新型全孔绳索取心钻具的方案设计与成本分析

孙成明 易亚东

摘 要：随着我国人均GDP的快速增长，劳动密集型单管钻进工艺面临的成本压力日益增大。在工资水平较低的条件下，资本密集型的绳索取心钻进工艺效益优势常常体现在深孔段，而如今，随着工资的飞涨，绳索取心工艺的效益优势逐渐在中深孔段和浅孔段有所体现。现提出既不同于地质标准系列，也不同于Boart Longyear Q系列（下文简称“Q系列”），钻杆之间以接头连接的三级全孔绳索取心钻具;而后基于成本核算，分别对三种方案进行最优经济适用区间的评价;评价结果表明，接头式三级全孔绳索取心钻进方案更适合目前我国的国情。
关键词：全孔绳索取心;钻具级配;钻探经济性
0    引言
在我国处于低收入水平的较长时间内，劳动力成本低，浅孔段和中深孔段钻进以劳动密集、简单可靠、价格低廉的单管钻具为主，而采用绳索取心钻具的高钻速在当时难以体现为经济效益，以终孔孔段普遍使用75S绳索系列为主[1]。
近年来，劳动力价格飞涨，劳动密集型的钻进方法逐渐面临巨大的成本压力。因此，在中深孔段和浅孔段钻进的过程中，提高资本密集度、降低劳动密集度迫在眉睫。
1    几种常见标准的钻具对比
如表1所示，本文对典型的绳索取心钻进技术选择进行对比。Q系列钻进工艺为直连式全孔绳索取心，其钻速快、工时低，但对加工工艺要求高、损耗成本大、维修不便，其在北美、澳大利亚等资本密集型经济体取得了广泛的市场成功[2]。
考虑目前国内地质岩心钻探行业面临的以资本要素代替劳动要素的压力，并提高地质岩心钻机的存量产能利用率，本文提出基于接头连接的全孔绳索取心钻进的尺寸级配方案，并进行钻进效益测算和优化。
2    基于接头连接的全孔绳索取心级配设计
以目前最常用、产能存量最大的XY-4立轴式地质岩心钻机为动力，终孔使用75S绳索取心钻具，如表2所示，设计三级全孔重型绳索取心钻具。考虑对主要地层的适应性以及与?127套管的内通过性兼容，一开使用?110×5.2 mm冷拔合金结构钢绳索取心钻杆。
考虑到对一开绳索取心钻杆的内通过性以及对终孔用地质标准75S绳索取心钻具的外通过性，二开使用?92×5.2 mm绳索取心钻杆。
终孔使用GB/T 16951—1997标准?71×5.0 mm系列绳索取心钻杆。
3    成本分析
对比以下三种钻探工艺方案：方案一为沿用地质系列标准的钻进方法，方案二为本文提出的接头式全孔绳索取心方法，方案三为使用Q系列全孔绳索取心方法。
单孔钻探成本核算公式如式（1）所示：
y=α1+α2+α3+α4+k1（β1+β2）+k2 β3（1+β4）   （1）
以典型的一开100 m表面覆盖层、二开300 m不稳定地层、三开?75 mm终孔700 m的地质岩心钻孔为例。α1为踏勘和论证成本，三个方案的成本大体相当;α2为进出场成本，三种方案相差不大;α3为钻井事故处理成本，具有较大的随机性，难以有确定值;α4为设备固定折损成本;k1为日固定工资，按照三班倒班制，每班1名机长+2名钻工，按日固定工资的经验简化标准，为12k11，k11为钻工日固定工资;β1为钻进准备工作工时，β2为全孔回次钻进时间;k2为单位米数的进尺支出指数，以钻工的进尺提成工资k2 β3为基准，通常由于实际情况的差异，与k1之间存在着k1=（80～120）k2的对应关系，不妨取k1=100k2;β3为进尺米数，在本次计算中为给定值，k2 β3为钻工进尺总工资;β4为单位进尺米数的损耗指数，包括钻探机具的损耗、钻机的损耗和折旧等，k2 β4为单位钻进米数的钻探材料消耗成本，k2 β3 β4为总钻探材料消耗成本[3]。
一开成本为式（2），二开成本为式（3），终孔成本为式（4）：
y1=100k2 β2+100k2（1+β4）    （2）
y2=100k2 β2+200k2（1+β4）   （3）
y3=100k2 β2+400k2（1+β4）   （4）
設α=α1+α2+α3，则式（1）可以简化为式（5）：
y=α+α4+100k2（β1+β2）+k2 β3（1+β4）    （5）
根据对吉林省地矿局历史钻探数据的调研，方案一、二、三的α4分别为5 000、6 400、9 500，β1分别为2.0、2.0、1.5。方案一的β2为2.5（一开）、5.0（二开）、8.0（终孔），方案二分别为1.5（一开）、3.0（二开）、8.0（终孔），方案三分别为1.25（一开）、2.0（二开）、6.0（终孔）。方案一的k2 β4为30（一开）、40（二开）、50（终孔），方案二分别为30（一开）、45（二开）、50（终孔），方案三分别为40（一开）、55（二开）、60（终孔）。
对于方案一，得出不考虑前期勘查成本、随机成本和补偿成本的设备折损和准备工作的成本的总钻探成本y与钻工日固定工资k11的线性关系为y=294k11+36 000;对于方案二，对应关系为y=258k11+38 400;对于方案三，对应关系为y=213k11+48 500。
以总钻探成本最小化为目标，当钻工日固定工资为66元（约合钻工月总工资4 000元、班长月总工资8 000元）以下时，方案一的成本最小;当钻工的日固定工资介于66元到224元（约合钻工月总工资4 000～13 500元、班长月总工资8 000～27 000元）时，方案二的成本最小;当钻工日固定工资为224元（约合钻工月总工资13 500元、班长月总工资27 000元）以上时，方案三的成本最小。
4    结论
（1）在我国处于中低收入发展区间的较长时间内，劳动密集型的地质标准系列钻进工艺取得了良好的经济效益。
（2）对于目前处于中等收入区间的我国，劳动密集型的地质系列标准日益面临巨大的成本压力，而资本密集、高钻进效率的Q系列钻具现阶段的钻探经济性仍然不高。
（3）使用本文提出的接头连接式三级全孔绳索取心解决方案，在我国目前的发展阶段，与上述两种方案相比，其钻进成本最低、钻探经济性最好。
[Reference]
[1] 吴书亮.谈深部探矿钻探特点及技术[J].山西建筑，2015（1）：88-89.
[2] 孙建华，张永勤，梁健，等.深孔绳索取心钻探技术现状及研发工作思路[J].地质装备，2011，12（4）：11-14.
[3] 张伟.取心钻进的技术经济学研究[D].武汉：中国地质大学（武汉），2006.

-全文完-