绳索取芯钻探技术浅析
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【摘 要】“绳钻”技术，被广泛应用于岩芯钻探。随地质勘探钻孔深度的不断增加，以及起下钻占辅助作业时间的逐渐增大，严重影响整体钻进效率。因此，绳钻技术在地质勘探中得到广泛应用。
引言
随着我国国民经济的发展，矿产资源供需形势严峻。全国开展了新一轮地质矿区勘察工作。钻探是深部找矿最基本的重要手段和技术方法。
所谓绳索取芯钻探，是不提钻而由钻杆内捞取岩心的先进钻进方法。具有结构简单，钻进效率高，岩芯质量好，岩芯浸泡时间最短，钻头寿命长，劳动强度低等特点。对于地质构造多变、地层条件复杂的钻孔，施工中常遇漏失、涌水、水敏性地层与矿层的坍塌等问题，严重影响绳索取芯钻进工艺性能的发挥。
1 设备选择
1.1 配套三级绳索取芯钻具
地质勘探中，搞好绳索取芯钻具三级配套，是解决地质勘探过程中复杂水敏性地层严重塌掉块、涌水、漏失等问题，实现安全高效钻进最有效的方法。三级配套，是指S95钻具、S75钻具、S59钻具配套使用。在钻进矿区地层之前，用S95钻具穿过复杂层下Φ89 mm技术套管（扣型为反扣，套管为外丝，接头为内丝），换S75+2绳索取芯钻具钻进至终孔。如S75+2绳索取芯钻具再遇较大漏失或坍塌难以处理时，则以Φ71mm为套管换S59绳索取芯钻具钻进至终孔。
1.2 附属机具配置
由于绳索取芯钻进是满眼钻具环状间隙小，对冲洗液的质量有较高要求，所以，现场必须配泥浆搅拌机，且能在钻孔漏失情况下，满足不停止钻进配置泥浆的需要。深孔或超深孔（1000～1500m以上）施工，应采用新钻杆或加强型钻杆以提高钻杆的密封性与强度；采用加强型夹持器和双滑车系统与其配套，以达到预防与减少孔内事故，实现安全高效钻进目的。各类机械配件及泥浆材料等为钻机提供可靠后勤保障，减少停待料时间提高生产效率。
2 钻进工艺及参数选择
2.1 钻孔结构的设计
应根据钻孔目的、孔内岩层及可能遇见的复杂情况、钻孔深度和终孔孔径等因素来设计钻孔的孔身结构。如果开孔直径偏小，施工一定深度后，发生孔内复杂情况难以往下施工时，将没有改变孔径的余地，需重新拔套管扩孔再下套管。此过程中有时会发生套管拔不动和套管折断事故，同时，反复的下套管和处理套管事故占用了大量的时间，严重影响钻进效率。如果开孔直径过大，必须下合理级配的套管来确保绳钻钻具高转速下的稳定性，以防钻杆折断事故。但是，这会增大工作量。
总结以前在某矿区施工的经验，将钻孔结构设计分为两类：普通钻孔采用两级孔径，Φ130mm开孔至完整基岩下入Φ127mm井口管或110mm开孔至完整基岩下入108mm井口管；最后用S75+2钻具钻至终孔。复杂钻孔采用五级口径150mm开孔至完整基岩下146mm井口管；中间下127mm、108mm，89mm技术套管；用S75+2钻至终孔。以上两类钻孔，无论是哪种结构井口管与主动钻杆的间隙都不易过大，否则易导致钻杆折断，直接影响绳索取芯钻进工艺高转速钻进的发挥。
2.2 钻头的选择
由于有些矿区地层复杂，变化多样，因此，理想的钻头应能钻硬岩层又能钻软岩层。为此，必须根据岩石的硬度、强度、研磨性和完整均质程度等岩石的特性，综合选择钻头唇面形状和胎体硬度等。（1）钻头唇面应有利于破碎岩石，增加破碎自由面，提高时效；有利于钻头的稳定性，防止孔斜；有利于改善金刚石的分布状态，增加内外径的补强能力，提高钻头寿命；有利于冷却钻头和排除岩粉减少重复破碎；（2）胎体硬度的选择主要是依据岩石的研磨性、硬度而定。一般，对于研磨性强、硬度大的岩层，应选择较强胎体，如40°、35°胎体，以减小金刚石的不正常脱落；而在研磨性弱、硬度小的岩层，则选择较低硬度胎体如30°，或更低硬度胎体如20°、10°，以保证金刚石的正常出刃。在中、硬岩、互层及弱研磨性岩层，则选择高低锯齿钻头或锯齿钻头。因为该种唇面钻头与孔底接触面小，有效提高了钻头的轴向压力，从而提高时效；在坚硬打滑岩层中，采用单边凸起或粒状钻头。该种钻头可提高钻压增大切入深度而又减少崩齿；在破碎或较软的地层中钻进，采用平底或圆弧型钻头，其与孔底接触吻合，稳定性好；如钻进矿层及矿层顶底板，采用底喷式钻头，减少冲洗液对岩层的冲刷。
2.3 顶漏钻进
“见漏就堵，不返水不钻进”，是以往堵漏的误区。在矿区施工中，钻孔漏失是常见现象。一般不是一个点的漏失，往往是多个漏失点或是较长漏失段。因此，探索了“顶漏钻进”分段治漏的方法。顶漏钻进的基本前提：一是施工层段较稳定，水源充足；二是采用优质泥浆护孔能快速完工，较下套管更经济。
顶漏钻进过程中，因为不返水，所以开钻后要准确计算好时间，把泥浆送到底再开钻。做到不浪费泥浆，同时开钻前要保证充足的泥浆，并保证泥浆质量优良；另外，钻进的转速不宜太快，一般取300～450 r/min，水量50 L/min。
3 冲洗液的配制
绳索取芯金刚石钻进的特点是，环状间隙小、冲洗液上返速度快、泵压损失大、钻具转速高且易产生附加漏失。因此，冲洗液具有护孔、保芯、、防漏等多种功能。关于冲洗液类型选择，应考虑优异护壁性、实用性、技术经济性。
一类是无固相泥浆，二类是防塌低固相泥浆。一般均采用无固相泥浆。因为高分子量的聚丙烯酰胺（PHP）有较强絮凝效果（能对岩屑絮凝），又有很好性能。所以，均采用1600万分子量PHP作为无固相泥浆的主体，加量一般在800～1000 ppm。在遇漏失或坍塌地层，上部采用下套管快速处理，深部加入堵漏剂（惰性材料，如锯末、海带、稻草等经济性材料）与防塌剂材料。优选用植物胶、腐植酸钾作为防塌剂（植物胶有较强交联吸附效应、腐植酸钾产生晶格嵌固）。这两种材料不仅能使冲洗液的防塌效果大大增强，而且也具有降失水、堵漏效果。腐植酸钾的一般加量为0.4～0.5%，植物胶加量一般为0.5～0.8%。结合绳索取芯钻进的特点，并根据以前施工矿区特定的地质条件，在一般稳定地层或较稳定地层采用1号无固相冲洗液配方，在破碎易塌地层采用2号低固相防塌泥浆配方。
4 孔内事故的预防和处理
由于绳索取芯钻具内管总成的存在，大大增加了事故处理的复杂性。特别是发生深孔烧埋钻事故时，如何强拉内管总成是处理事故的关键。多次实验后发现，通过改进球内管总成打捞器，可一次成功将内管总成强拉上来，大大简化事故处理。虽然索取芯金刚石钻进技术工艺在技术及管理上不断成熟，但作为地质工作人员，应不断学习，努力提高自身的专业技术水平。
参考文献：
[1]李世忠.钻探工艺学（中册）[M].北京：地质出版社，1988.
[2]马效鸣，胡有陈，贺冰新，等.钻井液与岩土工程浆液[M].武汉：中国地质大学出版社，2002
作者简介：
高峰，男，吉林公主岭人，毕业于郑州煤田职工地质学院钻探工程专业，大专学历，钻探工程师，现于吉林东煤建筑基础工程公司公主岭分公司工作。