绳索取心钻探及孔内事故处理技术

绳索取心钻探及孔内事故处理
1 国产绳索取心钻具的性能
我国绳索取心钻探技术从上世纪1975年鉴定到现在已有36年的时间了，1981年用国产绳索取心钻具在江西德兴铜矿施工的1500m最深的钻孔，2007年到现在相继有15余口1500m以上的钻孔完工，其中2000m以上的钻孔已超过10个。

2010年3月10日山东第六地质大队采用国产钻机和S75绳索取心钻具又施工了一个2401.12m钻孔。

再次刷新了国产绳索取心钻具岩心钻探全国钻孔最深纪录。

2010年4月由勘探所牵头的863重点项目2000m地质岩心钻探装备与技术集成示范工程，涉及了设备、工艺器具、钻头、钻参仪、泥浆及固控等多项先进技术，在山东进行配套试验，终孔深度达到2212.80m。

30多年的发展，绳索取心钻探技术已经是深部地质找矿首选的工艺方法。

就绳索取心钻具的结构、性能而言，完全能满足深部地质找矿的需要，近几年施工的1500m以上的钻孔完全是用国产绳索取心钻具完成的，所以说没有必要花费大量外汇进口绳索取心钻具。

而且我国绳索取心钻具的发展在某些方面已超过了国际水平，有大幅度提高时效，减少岩心堵塞的绳索取心、液动锤二合一钻具。

有钻杆不回转，利用孔底马达驱动钻头的绳索取心、螺杆马达二合一钻具。

有利用绳索取心不提钻取心、利用液动锤提高时效，减少岩心堵塞、利用螺杆马达做动力的优越性研制成功的三合一钻具。

标准绳索取心钻具
改型绳索取心钻具
2 绳索取心钻杆的结构形式
粘接式钻杆（常规或加厚钻杆）：是目前应用较多的一种，这种钻杆的优点是接头可以采用调质性能好的刚材进行各种处理如调质、渗氮、螺纹表面高频淬火、镀铬等，而且可以适当加厚，还有一优点，接头或螺纹磨损后或折断后可以更换，最大的缺点是螺纹数量多，增加了在孔内折断的机率。

粘接式钻杆
焊接钻杆（等离子弧焊接、摩擦焊）：不管是等离子弧焊接钻杆还是摩擦焊钻杆，强度均高于粘接式钻杆，连接点少，使用方便，最大的缺点是螺纹损坏后或钻杆折断后因无法更换而报废，使用成本高，这是焊接钻杆推广不开的主要原因。

等离子弧焊接钻杆
接头加厚杆端镦粗钻杆：这种钻杆可以内外镦粗，是为了弥补我国钻杆材质、热处理技术、加工水平等不足而设计的，为适应深孔钻进没办法的办法，目前应用较多。

这种钻杆虽然提高了钻杆的强度，但也增加了钻头唇面壁厚，降低了时效。

其实我国钻杆的加工水平比前多少年提高了不少，现大部分都用数控车床加工，就是数控车床成型刀成本高，为了降低成本，钻杆体的螺纹还用普通车床加工，
无接头钻杆：无接头钻杆是在敦粗钻杆体两端直接加工公母螺纹，这种钻杆除了有以上两种钻杆的优缺点外，还有提高钻杆螺纹强度的措施较少。

无接头钻杆
3 深孔绳索取心钻进中注意的问题
3.1 钻孔结构
深孔钻孔结构一定要留有余地，要有备用口径,863项目示范孔设计孔深2000m，终孔深度2212.80。

下Φ146表层套管；用Φ121口径钻进到400m左右，Φ114钻杆作为套管；用Φ96（超径钻头Φ97）口径钻进到1461m，下入Φ91套管；最后用Φ76（Φ77）口径终孔。

最坏的情况下可用Φ60口径终孔。

由于循环压力大，在上级套管内经允许的情况下，尽量加大钻头外径。

3.2 如何增大提钻间隔
3.2.1 防止钻杆结泥皮（泥浆质量、机械
转速）
绳索取心钻进对泥浆质量要求高，超过
600转将结泥皮，使打捞、投放困难，所以
在使用优质泥浆的同时、不要以高转速追求
高时效。

3.2.2 确保到位防止打单管现象，目前绳
索取心钻具唯一存在的问题
到位报信国内外都没有好的办法，阀体
报信不灵敏现场都已去掉、钢球报信钻进时
泵压损失大、环状过水面积报信泵压不明显，只有靠经验多加几分钟时间来判断。

为了确保内管总成到位可以采用测算的办法，在浅孔到位后能听到声音，可测算出每分钟下降多少米，在深孔可以用每分钟下降多少米来计算。

为了确保到位可以适当延长10min左右，但一定要保证钻杆内经畅通，负责就会出现单管现
象。

有时工人利用打捞器送到孔底，确保内管到位。

如果在钻参议能解决这一问题，那将节约不少的打捞辅助时间。

但如果使用绳冲钻具，到位后液动锤工作、泵压明显升高、高压胶管振动明显。

3.2.3 杜绝打懒钻（造成卡簧座倒扣提大
钻、卡簧进入内管、烧钻）
等事故）岩心堵塞后就应及时打捞，有时为了
在孔底解除采取了好些措施，结果造成卡簧座
倒扣，内管总成上下顶死而打捞失败、内管弯
曲或卡簧进入内管等。

（1）打捞速度：深孔打捞速度不宜过快，
也容易对钻孔形成抽吸。

（2）打捞时要拧上孔口护丝：打捞时钢
丝绳不可能在钻杆中心上下，钻杆母扣与钢丝
绳磨损严重，钢丝绳很容易受损而拉断或钻杆丝扣、漏水、断裂而提钻。

3.2.4 要有高效长寿命钻头
长寿命金刚石钻头是提高提钻间隔的关键，863项目新研制的超高胎体金刚石钻头在2000米示范孔施工中取得了很好的效果，为大幅度提高钻头寿命奠定了基础。

一般地质钻探金刚石钻头，金刚石层为5~8mm，超高胎体钻头金刚石层为10~20mm。

超高胎体金刚石钻头
3.3 绳索取心钻进技术的局限性
绳索取心钻进虽然有满眼钻进、提钻次数少，有利于穿过复杂地层的优点，但在地层特复杂的情况下或操作不熟练、内管总成没到位、钻头寿命低以及绳索取心钻进技术本身的缺陷等问题，使得绳索取心钻进的效率远赶不上普通钻进方法，经常产生无法钻进的情况。

（1）绳索取心钻进时外环间隙小, 虽能得到高的钻进效率和较大的岩心直径，但循环压力高，容易造成循环漏失，压垮孔壁；频繁的提钻对钻孔的抽吸、本来比较稳定的地层，反而不稳定。

（2）绳索取心钻进时对泥浆质量要求高，又不能添加一些惰性材料，对于漏失较严重的地层随钻堵漏效果不明显，需要专门堵漏，而用普通钻进方法，泥浆中的固相含量或惰性材料可进入地层裂隙起到堵漏效果。

（3）复杂地层钻杆折断频繁，虽然采用了加厚绳索取心钻杆，但在孔内大肚子孔段，照样折断。

如果用普通钻进方法，Φ50或Φ54钻杆的强度远大于绳索取心钻杆，可大大减少钻杆折断的次数。

所以在特复杂地层，可以暂时采用普通金刚石钻探，有利于孔壁稳定，提钻时可用拧管机，等过了破碎带后再改用绳索取心钻进。

Φ54外平钻杆
4 绳索取心、液动锤、螺杆马达三合一钻具
三合一钻具是在金刚石钻探技术的基础上，将绳索取心钻具、液动潜孔锤与孔底动力有机的结合为一体，形成了新的组合钻探技术。

由于减少了提钻的次数，
增加了钻头在孔底的钻进时间、并利用液动潜孔锤给予钻头施以一定能量的高频振动，增加钻进效率及回次进尺长、劳动强度小。

利用螺杆马达作为孔底动力，不回转的钻柱减少了与孔壁的摩察力及对孔壁的敲击，减少了孔内事故发生的几率，因而有纯钻时间长、钻进效率高、孔内事故少的优点。

三合一钻具在中国大陆科学钻探工程中试验，取得了良好的技术效果并获国家发明专利。

4.1 三合一钻具工作原理
4.1.1 扭矩与反扭矩的传递机构
钻进时，孔底动力由螺杆马达的输出轴通过传扭板传递到花键套。

在回转钻进的同时螺杆马达的定子承受着大小相等方向相反的反扭矩，通过悬挂接头4、绳索弹卡3传递到外管花键套2上，使反扭矩消除。

4.1.2 外管总成的单动机构
采用螺杆马达作为孔底动力，带动钻杆下部外岩心管回转，上部不回转。

其单动主要由主压力轴承、副压力轴承、滚针轴承和花键套、心管实现单动。

4.1.3 冲洗液分流机构
由分流接头及喷嘴组成。

由于螺杆马达与液动潜孔锤对冲洗液的需求量差别
较大，从螺杆马达排出的流量，在进入液动潜孔锤之前通过分流接头分流一定比例的冲洗液至内外管环状间隙，剩余部分确保液动潜孔锤正常工作。

4.1.4 内管到位补偿机构
由滑动接头、弹簧组成，其作用是在内管总成投放下降过程中绳索取心悬挂到位与液动潜孔锤传功板到位时互不影响而设计的。

内管总成投放到位后，液动潜孔锤传功板先与传功环接触，上部靠其重量继续下行，压缩弹簧，直至绳索取心悬挂接头悬挂在悬挂环5上，既使液动潜孔锤正常传递冲击功，又使内管总成起到良好的密封。

4.1.5 冲击功的传递
主要由传功板、传功环、花键接头组成。

液动潜孔锤的冲击功通过传功板，传递到传功环及外管花键接头上，给外管及钻头以冲击震动，增加钻进效率。

4.2 三合一钻具在中国大陆科学钻探试验孔中的试验
三合一钻具在中国大陆科学钻探主孔自5125.86m至5129.36m进行了试验，共进尺3.5m，下图是在5129.36m处取出的岩心。

4.3 三合一钻具存在的问题
三合一钻具在试验钻孔、主孔都取得了良好的技术效果，但在地质岩心钻探中应用还有一定的困难，其一，由于口径越小空间有限，单动机构越困难。

其二、小口径的螺杆马达不太过关，影响了钻具的寿命。

但是随着小口径螺杆马达性能的提高，三合一钻具一定能在深孔地质找矿中得到应用。

5 绳索取心钻进孔内事故预防与处理
绳索取心钻进孔内事故的处理方法较单一，但处理过程较复杂，因内有内管总成，外环间隙小，如处理不当，会越处理越复杂。

所以绳索取心钻进孔内事故要以预防为主。

（1）套管事故的预防：在深孔中，套管如果已下到位，可像石油钻井一样，进行套管底部固井，上部与孔口板固定，不让他有上串下掉的间隙，防止套管搓动或倒扣，终孔后套管底部可用割刀割断。

如果还有扩孔的可能，套管以后还可能要往下跟，可以下在较坚固的地层，套管根部要用黄泥等封住，投入粘泥后可用绳索取心钻具双管总成倒实，在卡簧座内焊接一实心棒，能从钻头内径通过，倒实后将内管总成打捞出来，换成新的卡簧座，就可投下去取心钻进了。

但实心棒不能伸出钻头过长，以防将内管压弯。

如下图所示。

套管底部捣实工具
在钻进过程中如果套管有往下跑的迹象，不需将套管拔出扩孔，可用水压扩孔器将套管底部扩大，使套管坐在较坚硬的岩石上。

套管扩孔器
深孔套管可选择高强度、大螺距的非标反扣套管。

套管的起拔可用多级深孔套管打捞矛下入较深孔段起拔，由于套管数量多，用公锥起拔容易滑扣，该打捞矛利用锥面卡住套管内壁，承受的起拔力大，如果起拔不上来可进行倒扣，将捞矛留在孔内，再用别的方法处理。

多级深孔套管打捞矛
（2）测井换浆工作：钻孔终孔后的测斜，为了保证测斜仪的安全，一般都在钻杆内进行，除了测影响钻孔质量的方位与顶角外，还有自然电位、电阻率、放射性等内容较多，大约用3～4h，钻具长时间在孔内是非常不安全的，孔内泥浆杂质及岩粉容易沉淀发生埋钻事故，煤系地层缩径容易将钻杆抱死而发生孔内事故，所以一定要将孔内泥浆彻底换成优质泥浆。

（3）绳索取心钻进事故大部为钻杆折断事故，不管什么原因的停钻或发生什么事故，首先打捞出内管总成，防止发生新的事故或使事故复杂化。

但钻杆折断后千万不能打捞内管总成，防止打捞器下入事故钻杆外边。

简单的钻杆折断可用公锥或用倒扣捞矛进行打捞，如果在大肚子孔段，事故头不容易找到，可用偏水眼公锥进行打捞，使公锥偏向一边，如下图所示。

倒扣捞矛
如果大肚子特大还无法找到事故头可用偏心接头连接普通公锥进行打捞，偏心接头在大肚子孔段可较大角度弯曲，偏心接头如下图所示。

偏心接头
（4）如果弹卡挡头折断，在里边公锥无法打捞，如果地层完整，可用打捞器捞出内管总成，如果捞矛头处可能有掉块，这是绳索取心钻进最难处理的事故，也要想方设法捞出内管总成，事故钻具如下图所示。

事故断头示意图
在这种情况下可加工一变丝接头与打捞器的打捞架连接，用钻杆下入孔内抓住捞矛头，一般情况下可将内管总成打捞上来。

或用三球打捞桶与钻杆相连进行打捞。

钩式打捞桶
三球打捞桶
（5）强磁打捞器
如果发生烧钻事故，内管总成和钻头、岩
石烧结在一起，强力起拔也无法排除，就要考
虑反出钻杆，到弹卡档头处使用三球打捞桶强
力打捞出内管总成，然后再反外管。

如果打捞
不上来，可在矛头薄弱处脱开，然后用铣切钻
头消灭内外管总成。

最后用磁力打捞器和磨孔
钻头将孔底磨、吸干净。

强磁打捞器（6）钻杆反管器
在没有反丝钻杆的情况下，可以利用反管器连接反丝公锥反出孔内钻杆。

反管器
（7）如果是烧钻或卡钻事故，也可以用下一口径的钻杆连接机械式内割刀或水力式内割刀在钻杆卡钻处或孔底处进行切割，然后处理孔底剩余部分。

水力内割刀
机械式内割刀
（8）稠水泥灌注器
稠水泥灌注器主要用于孔底严重漏失，用水泥浆堵漏时，不使水泥浆被稀释，将该工具下入孔底，在钻杆内灌满水泥浆，上部压一木塞，然后用水泵压送，使水泥浆进入漏失地段，起到堵漏效果。

该关注工具可自行加工。

稠水泥灌注器
绳索取心钻进其实也是一门熟练技术，只要熟练掌握了这门技术会越打越顺利的。