取心技术论文：地质勘察中取心技术运用探究

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本文作者：李柏军宗绪永作者单位：核工业二四〇研究所

钻探施工工艺

1钻孔结构

根据地层情况，设计为三级钻孔结构，开孔使用φ110硬质合金钻头单管钻进，开孔钻至完整基岩，再下入φ108孔口管到位，用泥土填实再用钢夹板固定，之后使用φ91金刚石钻头单管钻进，钻至岩层4m，下入φ89套管，钻后更换S75金刚石绳索取心双管钻具进入正常钻进。以钻孔ZKⅡ－7－5为例，钻孔结构示意图如图1。

2现场布置及设备安装

现场布置：根据钻机型号规定的地盘面积154m2（14m×11m），由于地形复杂地盘面积适当缩小约为140m2，基台木、循环系统布置如图2、图3所示。设备：XY－44钻机，BW250／40泥浆泵，绳索取心绞车，30kW柴油机，64kW发电机组，拧管机等。设备安装：平整基台地基、钻孔定位，安装四角斜塔，钻塔底座与钻机采用重型工字钢联接以增强稳定性。用水准仪校正钻机的周正水平，安装天车时要求钢丝绳与滑轮上提引器下垂、钻机立轴中心、孔口中心在同一条铅垂线上。钻机卷扬的钢丝绳经过天车轮和打捞器连接，并向下垂直孔口中心。循环槽、沉淀池、水池、泥浆泵、高压管、机上钻杆，形成完整的吸排水循环系统。柴油机做泥浆泵、发电机组、照明灯、绞车、电焊机、磨光机的动力源。现场使用380伏电源、绝缘铜芯电缆线，电源制控箱分配电源。

3金刚石钻头的选择

该地区岩性主要有凝灰岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，适用金刚石钻进的可钻性、研磨性等级及硬度如表1。选用φ75的孕镶金刚石钻头，根据钻遇岩性，岩石中硬—硬，坚硬致密，中弱研磨性，钻遇完整地层时金刚石钻头易抛光、打滑，钻进效率低，宜采用高强度，浓度低，胎体硬度HRC15～30的人造孕镶金刚石钻头；钻遇岩层松散、破碎，宜采用浓度高，胎体硬度HRC35～40的人造孕镶金刚石钻头。

4钻进规程参数

压力较普通双管钻头大25％左右，转速差不多，泵量泵压都较普通双管钻进时大些。（1）钻压正常钻进直径75mm的孕镶金刚石钻头，要求钻头压力10～12kN，最大压力15kN。根据称重相应控制加、减压数量，以使孔底钻压与称重表所示钻压一致。钻孔的深度越大，钻杆柱中间受到的扭矩越大，易折断，钻压要随孔的加深适当减少。（2）转速孕镶金刚石钻头所用金刚石粒度很小，出刃量微小，主要靠转速来获取钻进效率，75mm孕镶钻头转速在400～850r／min，如果岩层较破碎、软硬不均、孔壁不稳定时宜选用下限转速，钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大时尽量选用高转速，反之亦然。（3）冲洗液泵量孕镶金刚石钻头唇面与岩面间只存在漫流区，主要靠多个水口循环，加之常以高转速钻进，因此宜用较大的泵量，以防止发生烧钻，泵量值40～60L／min为宜。为加强排粉能力、钻头冷却效果，减少重复破碎，冲洗液要适中，采用水解聚丙烯酰胺，包裹、絮凝岩屑并增加泥浆粘度，用量0．05～0．1％，使用前将干粉溶成1％浓度的水溶液。采用含基础油的乳化油类润滑剂，用量0．3～0．5％。

岩心采取

地质钻探施工中要求岩心采取率≥65％，岩矿心采取率≥85％，因此采取率的高低与钻孔质量休戚相关，每次下钻前要对钻具检查：（1）外管总成的组装及检查，从弹档头到钻头连接进行检查，钻头及扩孔器是否合适。（2）内管总成的组装及检查，捞矛头是否折弯和伸直要自如可靠，回管上下提拉要可靠，弹头收缩和张开要可靠、单动机构要灵活、各部件要拧紧、到位报信机构调整要合适、内管要平直、加注润滑油、卡簧与卡簧座的轴向及卡簧的弹性要合适。（3）打捞器组装及检查：打捞钩松紧、缩、伸张要自如，与捞矛头的配合尺寸要适合，轴承单动性要好，绳索要夹牢。（4）内外管总成装备及调试：将内外总成在地面放到外管总成内测量轴向长度，卡簧座下端离钻头内台阶要有3～4mm间隙，弹头挡头与弹卡嵌要有2～3mm间隙。

钻进技术要素

升降钻具不能太快，过快易使金刚石钻头受到冲击而损坏，钻杆与接手处由于壁薄易造成钻杆折断、拉断。钻具下到位后，开泥浆泵送冲洗液排出岩粉，有冲洗液从孔内返出时用小钻压、慢转速扫孔，离合器离合要轻，过猛易造成钻杆折断、脱扣，钻具到达孔底后采用正常钻进参数钻进。正常钻进时工作人员精神要高度集中，时刻注意进尺快慢，观察机械运转及倾听孔内钻进声音，如有异常及时采取相应的措施。如进尺过快，可减少钻压，适当增加泵量；如进尺过慢，可适当加大钻压，提高钻进效率；如不进尺，可通过称重判断钻杆是否折断，自重不变则可能是自卡，可采取提钻或者对金刚石钻头抛光、打滑。钻遇复杂地层应注意以下几项：（1）缩水、遇水膨胀的底层，钻进时应增大卡簧座与钻头的间隙（大于0．3mm），低泵量、低转速钻进，以提高岩心采取率，保护孔壁，待穿过该底层后恢复正常钻进参数。（2）孔内不进尺，岩心堵塞，泵压升高，此时需提钻以防止岩心自磨或者提不起内管。（3）如内管堵死，可尝试在钻杆柱悬空状态时重新高转速送水回转，将堵塞的岩心甩掉，或送水继续钻进，将堵塞的岩心自磨掉。（4）打滑导致进尺慢时，可投入一些碎石子，加快钻头金刚石颗粒的出露，从而加快进尺。（5）地层破碎，冲洗液漏失的地层，可灌注水泥浆液或聚丙烯酰胺浆液。（6）地层破碎以致上部钻孔坍塌的地层，可按二级钻孔孔径扩孔，穿过坍塌地层后下套管护壁，扩孔时泵量适当加大将岩粉虽泥浆携带出地表。

事故预防和处理

（1）在升降钻具过程中要预防跑管事故，可能造成钻杆与接手形成喇叭口，钻杆柱与孔壁摩擦阻力增大甚至造成钻孔报废。（2）不合理的钻进参数可以造成烧钻，同时冲洗液采用低固相、低粘度、低失水性的泥浆。（3）在松散破碎地层要严格控制除砂，防止钻杆内壁形成泥皮而造成提不出内管，如出现该事故可在钻杆中加入柴油与机油的混合油。（4）钻进中难免遇到钻杆或接手折断，可有丝锥将钻杆柱提出。（5）钻遇卡钻，可慢速转动同时上下串动，以将掉块磨损掉。

结论

钻孔ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5金刚石绳索取心钻进的施工方法和经验，充分显示了金刚石绳索取心钻进方法的优越性，工程质量高，钻进效率高，钻头寿命高，事故率低，劳动强度低，设备材料消耗小，取得了良好的经济效益。本文根据该工程总结了一些施工工艺和经验，绳索取心钻进工艺也将会在更多的地质工作中得到广泛应用。