第七章绳索取心

第七章 绳索取心钻进
本章主要内容:
1、绳索取心钻进的定义
钻 探 工 艺 学
2、绳索取心钻进的优缺点及应用范围 3、绳索取心钻具的原理 4、绳索取心钻进的其他设备 5、钻进参数及工艺过程
2014-12-24
中国地质大学勘查教研室
第六章 绳索取心钻进
钻 探 工 艺 学
绳索取心钻进是指在钻进过程中，当岩心充满 岩心管后，不需提钻取岩心，而是以钻杆内孔为通 道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮
存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法。
由于这种方法不需要将钻杆提升到孔外，所以
极大地减少了起下钻具的时间。据统计，在金刚石 岩心钻进过程中，升降钻具工序约占全部生产时间
的30％～40％，而且机械化程度低，劳动强度大。
为了增加纯钻进时间，提高钻进效率，采用绳索取 心钻进是最有效的途径之一。
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钻 第一节 绳索取心钻进的优缺点及应用范围
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一、优 点
1、钻进效率高 绳索取心钻头的壁厚比普通取心钻头厚，机械钻速略低于普通 钻头。但由于减少了辅助作业时间，所以总的钻进效率仍比普通钻 头高，且这种趋势随孔深的增大而增大。 2、地质效果好 绳索取心钻具打捞岩心速度快，提升平稳以及岩心堵塞后能即 时报警等特点。因此，当岩心堵塞时，可立即处理，减少岩矿心的 损耗。所以绳索取心钻进岩心采取率高，完整度和纯洁性好。 3、钻头寿命长 由于减少了提钻次数，减少了钻头在升降过程中的拧卸、碰撞 和扫孔时的磨损。同时，钻杆与孔壁间隙小，钻头回转平稳，也可 提高钻头寿命。通常，绳索取心钻头比普通钻头寿命高一倍左右。
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4、有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作 减少了提钻次数，因而缩短了孔壁的裸露时间，也减少 了升降钻具对孔壁的破坏。同时钻杆还可以起到套管的作 用，有利于护壁，也使下放测斜仪器更加方便敏捷。 5、减轻劳动强度 由于起下钻具次数少，因此减轻了劳动强度。孔越深， 钻具越长，这个优点越明显。 6、降低钻探成本 由于绳索取心钻进效率高、钻头管材以及动力消耗比较 小，因此，钻进成本可大幅度下降。据有关资料统计，使 用绳索取心钻进成本降低30％一40％。
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工 艺 学
二、缺 点 钻杆的内径大而管壁薄，连接强度要求高。钻头壁较厚， 切削孔底岩石的面积较大，因此，钻进时碎岩功率消耗较大。 三、应用范围
绳索取心钻进方法已广泛应用于地质勘探、水文地质和工
程勘察等多种钻进工程中。然而，在一个具体的工程中是否 采取绳索取心，还必须考虑地层条件、钻孔深度、钻头寿命 以及绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大等因素， 以便综合权衡其使用的合理性。
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第一节 绳索取心钻进的优缺点及应用范围
1、地质条件
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可用于钻进各种地层，在6～9级中硬岩层中效果最好。 通常技术条件下，一般不宜钻进10～12级岩石，尤其是组
织致密、颗粒细小无研磨性的极坚硬岩石；或研磨性很强
的硬、脆、碎岩石。因为钻进上述岩石时，钻头极易磨损， 钻进效率极低，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。但 绳索取心钻进与液动冲击器相配合，钻进此类地层有良好 的前景。
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第一节 绳索取心钻进的优缺点及应用范围
2、钻孔深度
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绳索取心一般在中深孔(＞600m)和深孔中采用。通常 钻孔越深其经济技术效果越好,但绳索取心钻进的最大深
度受钻杆强度制约。
3、钻头寿命 采用绳索取心钻进，若钻头寿命短，钻进过程中经常 提钻更换钻头，那么便失去了采用绳索取心钻进的意义。
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第二节 绳索取心钻具
一、绳索取心钻具的技术要求
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1、内管总成下到外管预定位置时，能即时发出到位信 号，且内、外管之间的相对位置能够确定。钻进中，内管
不上窜、下滑；内、外管之间能保证有良好的通水性。
2、钻进中，岩心充满内管时，能及时发出堵塞信号。 3、双管结构应保持内、外管的同心度，使岩心顺利进 入内管。在提取岩心时能防止内管因受力过大而损坏。 4、应保证打捞器顺利下入，并将内管总成安全抓提到
地面。
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第二节 绳索取心钻具
二、绳索取心钻具的规格和型号
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第二节 绳索取心钻具
三、绳索取心钻具的结构和工作原理
钻 探 工 艺 学
绳索取心钻具的型式很多，基本结构大同小异。以我国最常用的S— 75型钻具为例，整套钻具分为单动双层岩心管和打捞器两大部分。
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第二节 绳索取心钻具
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双层岩心管部分由外管总成和内管总成组成；外管总成包括：弹卡挡 头1、弹卡室7、稳定接头23(上扩孔器)、外管46、下扩孔器和钻头52组 成； 内管总成：由捞矛头2、弹卡6、悬挂环21、到位报讯、岩心堵塞报 警、单动、内管保护、调节、扶正、内管、岩心卡取等机构组成。
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打捞器一般由打捞机构和安全脱卡机构组成。
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第二节 绳索取心钻具
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绳索取心钻具的组成机构有：绞链式矛头机构、弹卡定位机构、悬 挂机构、到位报信机构、岩心堵塞报警机构、单动机构、内管保护机 构、调节机构、扶正机构、打捞机构、安全脱卡机构。
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第二节 绳索取心钻具
1、绞链式矛头机构
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由捞矛头、定位卡块、捞矛座等组成。捞矛头可在其转动平面 内0～土90º 内转动，便于地表吊挂打捞器与内管总成时卸岩心、
变换位置，防止捞矛头脱钩。
2、弹卡定位机构 由弹卡挡头、弹卡板、张簧、弹卡室等零件组成。当内管总成
在钻杆柱内下降时，张簧5使弹卡板6向外张开一定角度，并沿钻
杆内壁向下滑动。当内管总成到达外管总成中的弹卡室7部位时， 弹卡板在张簧的作用下继续向外张开，使两翼贴附在弹卡室的内
壁上。由于弹卡室内径较大，而其上端的弹卡挡头内径较小，所
以在钻进过程中可防止内管总成上串，达到定位作用。
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第二节 绳索取心钻具
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第二节 绳索取心钻具
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3、悬挂机构 由内管总成中的悬挂环21和外管总成中的座环22组成。悬挂环 的外径稍大于座环的内径(一般相差0.5～1.0mm)。当内管总成下降 到外管总成的弹卡室位置时，悬挂环21座落在座环上，使内管总 成下端的卡簧座51与钻头52内台阶保持2—4mm的间隙，以防止 损坏卡簧座和钻头，并保证内管的单动性能和通水性能。 4、岩心堵塞报警机构 由滑套25、轴26、蝶簧27等零件组成。钻进过程中，当发生岩 心堵塞或岩心装满内管时，岩心对内管产生的顶推力压缩蝶簧，使 滑套上移到悬挂接头38的台阶处，将通水孔堵塞，从而造成泵压 升高，告诫操作者应停止钻进、捞取岩心。 5、单动机构 它由两付推力轴承29、31实现钻具单动内管。
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第二节 绳索取心钻具
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6、到位报信机构 由复位簧12、阀体13、定位簧14、弹簧19、调节螺堵20、阀 堵39、调节圈等组成。当内管总成在钻杆柱内由冲洗液向下压送 时，冲洗液由内管总成和钻杆柱的环状间隙流通，如果内管到达外 管中的预定位置，悬挂环座落在外管中的座环上，冲洗液的通道堵 塞，冲洗液向下推动阀堵，压缩弹簧，阀体粗径台阶移出定位簧， 阀堵打开，冲洗液流向改变，此时，泵压表的压力明显升高(约升 高5—10atm)，即表明内管总成已到达预定位置，可以开始扫孔 钻进。由于定位弹簧的作用，可以防止阀堵自动关闭。所以，在钻 进过程中，冲洗液流经此处几乎不消耗泵压。 根据钻孔深度的不同，通过调节螺堵20，可以改变弹簧的预紧 力，以调节泵压的变化范围。
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第二节 绳索取心钻具
7、内管保护机构
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由滑动接头24、弹簧等组成，又称缓冲机构。采取岩心时，拔 断岩心的力使滑动接头压缩弹簧32向下移动，内管及卡簧座下移 至钻头台阶上，拔断力由钻头传递到外管，以保护内管不损坏。 8、调节机构 由调节螺母44、接头45、调节心轴等组成。内外管组装时，如 果卡簧座与钻头内台阶的间隙不合适，可以旋调心轴和接头的螺纹 (调节范围0～30mm)，满足要求后，用调节螺母锁紧，以防松动。 9、扶正机构 外管总成下部的扶正环48，用于内管的导向，使内、外管保持 同轴，便于岩(矿)心进入卡簧座51和内管47。
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10、打捞机构
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由打捞钩1、捞钩架3、重锤7和钢丝绳接头组成。取心时钢丝 绳悬吊打捞器放入钻杆柱内，打捞钩靠重锤以1.5～2.0m／s的速
度快速下降。由于捞钩架为圆筒状，故导向性好，当它达到内管
总成上端时，能准确钩住捞矛头，把内管总成提升上来。 11、安全脱卡机构 采用一根长为1m、内径比重锤稍大的套管进行安全脱卡。套 管壁上开有一斜口。当需要安全脱卡时，将此套管从斜口处套入 钢丝绳上，然后下放，套管靠自重下降；行至打捞器穿过钢丝绳] 接头和重锤，撞击和罩住打捞钩尾部，使其张开脱离。
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第三节 钻杆、附属设备及工具
一、钻 杆
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绳索取心钻进用的钻杆，不仅可以传递动力，而且还是输 送内管和打捞器的通道。为适应多功能的要求，钻杆应具有 质优、壁薄和内平连接的特点。为此，应选用高强度优质管
材，选择合理的连接方式和螺纹类型并重视螺纹连接部位的
加工与处理。 目前国内外所采用的绳索取心钻杆有3种基本结构： 1、钻杆两端直接加工内、外螺纹，钻杆与钻杆直接连接。 这种钻杆的螺纹加工量小且同心度好。
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第三节 钻杆、附属设备及工具
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2、螺纹粘接内、外接头钻杆：钻杆两端车成公螺纹，两段分别粘
接过度接头。粘接剂可采用有机粘接剂(环氧树脂)或无机粘接剂。 3、等离子弧焊接内、外接头钻杆：在钻杆两端采用等离子弧焊接
两个接头。由于等离子弧焊具有焊接温度高，焊接速度快，焊缝成
型好，所以焊接钻杆强度高。
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第三节 钻杆、附属设备及工具
二、绳索取心绞车
绳索取心绞车专用于下放打捞器和打捞 岩心管，其基本类型有2种：绞车由动力机 单独驱动。绞车可在机场任意位置安装； 另一种是装在钻机上，由钻机动力驱动， 具有结构简单、安装紧凑、不需专用动力 和使用方便等特点。 S56J—1型绞车的主要技术规格见表:
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第三节 钻杆、附属设备及工具
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三、钻杆夹持器 用于夹持外平的绳索取心
钻杆的夹持器有两种型式；
脚踏夹持器(木马夹持器)和 球卡夹持器。
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第三节 钻杆、附属设备及工具
四、提引器
提引器分手搓式和球卡两种: 手搓提引器结构简单，其下端有与钻
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杆螺纹相同的接头，采用接头螺纹连接钻
杆的方法。这种提引器工作可靠，但操作 麻烦，比较费时。 球卡提引器是利用钻具自重闭锁原理 提引钻具的装置。
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第四节 钻进参数及工艺过程
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一、钻进参数的选择 1、钻 压 绳索取心钻头的底唇面积比普通金刚石钻头的唇面大（约 比普通金刚石取心钻头大1/4）。所需钻压相应增大25％。 2、转 速 与普通金刚石钻头钻进的圆周速度(表镶钻头0.5～2m/s； 孕镶钻头1.5～4m/s)基本相同。 3、泵 量 绳索取心钻具环状间隙小，钻头底唇面积大，所以按钻头 底唇单位面积上冲洗液消耗量计算泵量，比普通金刚石钻进 的泵量略大。