软弱夹层绳索取心钻探技术.docx

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软弱夹层绳索取心钻探技术

软弱夹层的绳索取心钻探技术（曾鹏九）

［摘要］绳索取心用于深孔有显著的优越性，浅孔很少应用，但对坝址区软弱夹层勘探浅孔，同样有着显著的优越性。

软弱夹层的采取率为普通双管的266%。

文章分析了水电应用绳索取心的可行性、钻具的结构性能以及工艺特点。

指出水利水电工程的坝址软弱夹层区推广绳索取心钻探的必要性。

［关键词］软弱夹层WR－75钻具镀铬半合管工艺

1概述

绳索取心工艺是1951年美国长年公司发明的，并最先用在固体矿床勘探。

在美国、加拿大和澳大利亚等国绳索取心的工作量已占总的岩心钻探工作量的90%以上。

俄罗斯在深度>600m的钻孔已大多采用绳索取心钻探，绳索取心的钻孔小到Φ36mm，大到Φ130mm，最大深度已达5000m。

在国内，该技术在国土资源、冶金、煤炭等部门的推广面已达60%~80%，但在水利水电勘探中应用很少。

因为不般认为绳索取心只对深孔有利，而水利水电工程的勘探孔多数较浅。

这种认识只看到了该技术在提高生产效率方面的作用，忽视了对质量的影响。

绳索取心在质量上的提高也有其特殊意义，前面已经分析到，由于钻探的振动与冲洗液的水蚀，以及内管单动性的不良引发的岩心对磨，是随钻进时间的延长，对软弱夹层岩心的影响愈严重，也就是说，钻探回次愈长，软弱夹层的取样品质愈低。

如果说将钻探回次的长度缩短到0.5m，则可能对软弱夹层岩心的采取可能最优。

但是这种频繁的起下钻，会增加操作者很大的劳动强度，可能超越劳动者的承受能力。

如果采用绳索取心，这个缺陷就能被克服。

水利水电工程地质水文地质勘探一般孔深都不大，大多为坝高的1~1.5倍，就是说100m左右的孔深为常见，是无需采用绳索取心的。

但应该指出，水利水电工程地质水文地质勘探对勘探质量要求比较高，任何地层都要求得到所有的地质信息。

所以，很多情况下地质总是提出回次进尺长度的限制。

钻进中遇软弱夹层的钻孔，钻井液的回水颜色会发生变化，钻井液的压力会发生变化，钻进的时效会发生变化，如果采用绳索取心，则操作者可根据这些变化，判断是软弱夹层，可立即进行岩心的绳索打捞。

东北院于上世纪90年代在大藤峡坝址勘探，发现软弱夹层。

为获得正确的地质数据，进行了各种对比试验（如表1、表2），普通金刚石钻探打丢软弱夹层的机率非常大。

证明绳索取心钻探技术在勘探软弱夹层中很有优势。

这种优势的取得就是由于绳索取心可以根据钻进情况，随时打捞岩心，使软弱夹层不至长时间的受到振动与水蚀的影响，破坏软弱夹层的原始状态。

2绳索取心钻具

2.1地矿系统绳索取心钻具

地矿系统（现国土资源部）是我国最早推广绳索取心钻探的，1974年勘探技术研究所与有关单位协作，开始研制绳索取心钻具。

至今已有两大类，七种规格的定型产品（表3）。

一类为打捞钩捞取弹卡头，即“母捞公”型（如图1），

另一类为打捞矛捞取弹卡钩头，即“公捞母”型（如图2）。

钻具结构如图3。

2.2冶金系统绳索取心钻具

冶金系统也相继对绳索取心进行了研制，研制的绳索取心钻具与地矿系统的基本相同，只是一开始它们就有报信机构与悬挂机构改革。

其规格与地矿有所不同，如表4。

2.3水利水电绳索取心钻具

水利水电工程勘探孔较浅，要求取心有较高的准确性与质量，尤其是复杂地层。

以取得岩心为首任。

除主要部件与地质通用，便于采购（降低成本）外。

水利水电系统所用绳索取心钻具的结构应当与地质冶金有所不同，最主要的区别是悬挂机构与报信机构。

水利水电WR　75金刚石绳索取心钻具结构包括以下4部份（如图4）：

1）内管总成

绳索取心内管总成是一个很重要的部件，对钻探质量有着重要的影响。

岩心进入内管后，要得到它的保护。

要求内管具有性能很好的单动性，岩心进入内管后，仍能与基岩一体，静止不动，只有这样，才能使岩心不发生对磨。

因此，要求内外管的平直度不得超过0.20‰，内外管弯曲度过大，会使其内外管相贴，影响内管的单动性。

内管不得座落在钻头内唇面上，因为内管座落到钻头内唇面上，会影响内管的单动性，同时容易引发内管总成的卸扣，将内管胀死在外管总成内，使内管无法打捞。

WR型绳索取心钻具有下弹卡装置，悬挂着内管总成于钻头内唇面之上，而不采用悬挂环的方式，因为悬挂环改变水路信道，而设置的报信机构，使内管总成的结构变得很复杂，水阻也比较大。

而上下弹卡结构水流通畅，实用而简单。

其部件与上弹卡通用。

内管下部（扩孔器处）安装有扶正环，它可以防止由于内管过长，旋转离心力摆动带来的振动与单动性减弱。

实践证明，安装了扶正环的绳索取心钻具对软弱夹层的采取率能提高3%~5%。

以上为常规双管绳索取心钻具的内管结构，为提高质量，也可根据情况，在内管总成上进行一些改进。

如：

（1）内管镀处理

内管的里径虽然比岩心大1~1.5mm，但岩心不是总与基岩连成一体的，会因岩层的节理裂隙、破碎带、软弱夹层等自然状态而断开。

也可能因为钻具的振动、钻孔的弯曲，人为的使岩心断开。

断开的岩心要靠内管壁上，如果内管壁粗糙，，则会带动岩心与内管一起转动，造成岩心对磨。

如果将内管内壁通过打磨抛光，并镀以硬度铬，则内管壁与岩心的摩擦系数要降低很多。

对钻进毫米级的夹泥层是应该争取将所有的不利因素降到最小的。

（2）三层半合管

无论什么双管钻具，采集岩心均是在卸掉卡簧后，用橡皮锤击打振动，使岩心脱出。

脱出的岩心零散的散落地上（如图5），对采集软弱夹层样是极不利的。

三层半合管的内管可改善此状况。

第三层管是半合的，安装在第二层内管里（图6），可以使用水压或者机械的方法推出，只需揭开半合管，就可清晰的看到软弱夹层的情况（如图7）。

图5锤击内管收集岩心

图6绳索取心三层半合管

图7三层半合管取出的软弱夹层样

（3）必要时单动装置可采用双级轴承，使内管的单动性能更优。

2）外管总成

外管总成包括：

回收管；弹卡窒；外管；扩孔器；扶正环；钻头等。

结构单一，布局合理。

3）报信机构

地矿与冶金的绳索取心钻具报信机构类似。

岩心卡塞将内管顶起，堵住冲洗液通孔，使泵压升高而得报信。

事实上，岩心破碎引起岩心堵塞并不一定能顶起内管，因为顶起内管需一定的力量，内管顶不上去，岩心却在不停地对磨，对钻进软弱夹层不适用。

报信机构还有一个作用，是内管到位报信。

打深孔时，内管的投放降落费时很多，为宿短时间，采用压水投放，当内管投放到位时，水压会升高，表明内管已准确到位。

水利水电工程地质勘探孔孔深一般在100m左右，根本无需压水投放内管。

所以，水利水电无需此报信机构。

所谓岩心卡塞报信是岩心在内管中堵塞，使随之进尺的岩心不能进入内管，将内管顶起，钻井液的压力升高，给操作者以报信。

但钻进软弱夹层，如果应用这样的报信原理，软弱夹层恐就被对磨光。

在冲洗液回路上安装电接点压力表，在电接点回路安装电铃，设定好泵压，给与0.5%~1.5%电接点的变化副度，当泵压变化，指针接通回路时，电铃声给人以强烈的信号，操作者便可立即采取措施。

这对钻进薄软弱夹层非常重要。

作者于1985年在红水河大藤峡水电站用此报信机构绳索取心钻具施工14号孔，孔深33.55m，取出25层薄软弱夹层（均为毫米级），对地质情况的分析判断起了重要作用。

WR绳索取心钻具在广西红水河大藤峡电站应用，取得了很大成功（见表5）。

软弱夹层的采取率为金刚石普通双管钻进的2.56倍。

3绳索取心钻进工艺

3.1内管准确到位

水电WR－75型绳索取心钻具是利用上下弹卡限位，保有卡簧座距金刚石钻头内唇面有3~5mm的间距，保证钻井液的正常通畅。

如果弹卡装置不灵，内管上行没有受到制约，随着岩心的进入内管上行，如同单管钻进，会严重影响质量。

3.2内管打捞不成功

内管卡死在外管总成内，打捞不成功时，有两种可能。

一是内管的连接部分松扣，伸长了内管总长，被涨死在外管内。

另一种情况是钻井液中有小颗粒，将弹卡装置卡死不能动作。

要避免以上情况，必须在钻具安装时，严格检查每一道工序。

对重复利用钻井液，必须按规范设置沉淀槽与沉淀池。

泥浆泵的吸水尨头应安装过滤装置，并提离池底应有0.5m以上的间距。

3.3提高时效

夹层的软弱性必须尽量减少在旋转钻具中的停留时间，提高时效是减少停留时间的有效措施。

可采取以下方法：

1）选择科学合理的钻进参数

金刚石作为磨料有较高的耐磨性、硬度高、抗压强度高等特点，要充分发挥金刚石的优越性，才可取得高时效。

绳索取心钻探由于钻头克取岩石的面积增大了10%以上，钻压要相应提高，但也要考虑绳索取心钻杆内外平的特殊性，接头部位是强度的薄弱点，容易引起断裂。

其压力应比普双金刚石钻头压力大10%。

钻头大小不同，转速不宜采用r/min表示，应以线速度m/sec表示。

金刚石钻进宜用2.8~3m/sec。

现实中，操作者由于不能掌握孔底岩石的情况，往往低于这个指标，时效达不到应有的高度。

绳索取心用钻井液的流量与泵压均比普通双管略低，因为绳索取心钻杆与孔壁间隙很小，钻井液上升速度得到了提高。

也可减弱水蚀作用。

2）钻头直径的选择

孔径不可过大，否则时效相应下降。

不过在勘探软弱夹层时，岩心愈粗，采集软弱夹层样的成功率愈大。

大藤峡坝址曾用不同直径绳索取心钻具进行了试验，在同一个地质构造单元的绳索取心钻孔，Φ75mm的绳索取心钻孔的软弱夹层数量比Φ56mm的绳索取心钻孔多一倍以上（如表6）

日本研究者曾推荐，勘探煤矿时，不宜采用Φ75mm以下钻具，最好采用Φ91mm直径钻具（见表7），它可保证较高的岩心采取率。

但是，勘探软弱夹层时，由于其顶底板是坚硬的岩石，采用Φ91mm以上的钻具，时效会显著下降，对软弱夹层的采集又非常不利。

必须全衡选择。

3）合理选择钻头

软弱夹层的顶底板多为坚硬的岩石，如细料石英砂岩、硅质石英砂岩等，多属于弱研磨性岩石，且绳索取心钻头唇面积又比较大，会经常遇到钻头打滑。

因此，必须合理的选择金刚石钻头。

如选择锯齿型钻头、多水口钻头等等。

3.4不得打懒钻

软弱夹层是最容易出现对磨的关建部位，岩心一旦出现对磨，钻头便不进尺，如果操作者不采取措施，任其自然，俗称打懒钻，懒钻将会使软弱夹层百分之百的对磨掉，甚至一点痕迹也不会留下。

因此，勘探软弱夹层时，绝对禁止打懒钻。

3.5钻井液

为减少钻进中的振动，保护岩心，不使用清水钻进是很有必要的，可采用无固相泥浆、SM植物胶钻进液、皂化油钻井液。

但水利水电工程的勘探均需做水文地质试验，就是说只能采用清水钻进，在这种情况下，可根据主要矛盾选用。

4绳索取心钻探软弱夹层的效果分析

大藤峡水利枢纽坝址是一个软弱夹层非常发育的地区，曾经围绕竖井四周进行了828.8m的试验钻孔，通过竖井、普双金刚石钻孔、绳索取心金刚石钻孔的对比试验得出（如表8）：

4.1能获得较高的软弱夹层采取率

表8显示，绳索取心钻孔所取得的软弱夹层数基本与竖井一致，为普通双管钻具的2.66倍，基本可以满足地质要求。

4.2提高了软弱夹层岩样的品质

绳索取心的岩心获得率一般可以达到96%~98%，较普通双管提高3%~8%，08号孔因钻具调整不当，缺乏代表性。

岩心对磨减少，提高了软弱夹层的完整性。

4.3降低了劳动强度

5结语

绳索取心虽早已是成熟的技术，但在水利水电系统还比较陌生，在科技创新的现代，不可自己束缚自已，也不可用地质冶金的拿来主义，要结合水利水电的特点，不但要让水电施工设计走到世界的前沿，也要让水利水电的工程地质勘探也走到世界的前沿。