第七章繩索取心鉆進

本章主要內容:

1、繩索取心鉆進的定義

2、繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍

3、繩索取心鉆具的原理

4、繩索取心鉆進的其他設備

5、鉆進參數及工藝過程2023/12/3第七章繩索取心第六章繩索取心鉆進

繩索取心鉆進是指在鉆進過程中，當巖心充滿巖心管后，不需提鉆取巖心，而是以鉆桿內孔為通道，借助于繩索和專用打撈工具，把鉆進過程中貯存于內巖心管中的巖心提升到孔外的取心鉆進方法。

由于這種方法不需要將鉆桿提升到孔外，所以極大地減少了起下鉆具的時間。據統計，在金剛石巖心鉆進過程中，升降鉆具工序約占全部生產時間的30％～40％，而且機械化程度低，勞動強度大。為了增加純鉆進時間，提高鉆進效率，采用繩索取心鉆進是最有效的途徑之一。2023/12/3第七章繩索取心第一節繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍

一、優點

1、鉆進效率高繩索取心鉆頭的壁厚比普通取心鉆頭厚，機械鉆速略低于普通鉆頭。但由于減少了輔助作業時間，所以總的鉆進效率仍比普通鉆頭高，且這種趨勢隨孔深的增大而增大。

2、地質效果好

繩索取心鉆具打撈巖心速度快，提升平穩以及巖心堵塞后能即時報警等特點。因此，當巖心堵塞時，可立即處理，減少巖礦心的損耗。所以繩索取心鉆進巖心采取率高，完整度和純潔性好。

3、鉆頭壽命長

由于減少了提鉆次數，減少了鉆頭在升降過程中的擰卸、碰撞和掃孔時的磨損。同時，鉆桿與孔壁間隙小，鉆頭回轉平穩，也可提高鉆頭壽命。通常，繩索取心鉆頭比普通鉆頭壽命高一倍左右。2023/12/3第七章繩索取心第一節繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍

4、有利于復雜地層鉆進、孔內安全和便于測斜工作減少了提鉆次數，因而縮短了孔壁的裸露時間，也減少了升降鉆具對孔壁的破壞。同時鉆桿還可以起到套管的作用，有利于護壁，也使下放測斜儀器更加方便敏捷。

5、減輕勞動強度由于起下鉆具次數少，因此減輕了勞動強度。孔越深，鉆具越長，這個優點越明顯。

6、降低鉆探成本由于繩索取心鉆進效率高、鉆頭管材以及動力消耗比較小，因此，鉆進成本可大幅度下降。據有關資料統計，使用繩索取心鉆進成本降低30％一40％。2023/12/3第七章繩索取心第一節繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍

二、缺點

鉆桿的內徑大而管壁薄，連接強度要求高。鉆頭壁較厚，切削孔底巖石的面積較大，因此，鉆進時碎巖功率消耗較大。三、應用范圍繩索取心鉆進方法已廣泛應用于地質勘探、水文地質和工程勘察等多種鉆進工程中。然而，在一個具體的工程中是否采取繩索取心，還必須考慮地層條件、鉆孔深度、鉆頭壽命以及繩索取心鉆具配套設備較多，一次性投資較大等因素，以便綜合權衡其使用的合理性。2023/12/3第七章繩索取心第一節繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍1、地質條件

可用于鉆進各種地層，在6～9級中硬巖層中效果最好。通常技術條件下，一般不宜鉆進10～12級巖石，尤其是組織致密、顆粒細小無研磨性的極堅硬巖石；或研磨性很強的硬、脆、碎巖石。因為鉆進上述巖石時，鉆頭極易磨損，鉆進效率極低，不能充分發揮繩索取心鉆進的優越性。但繩索取心鉆進與液動沖擊器相配合，鉆進此類地層有良好的前景。2023/12/3第七章繩索取心第一節繩索取心鉆進的優缺點及應用范圍2、鉆孔深度繩索取心一般在中深孔(＞600m)和深孔中采用。通常鉆孔越深其經濟技術效果越好,但繩索取心鉆進的最大深度受鉆桿強度制約。

3、鉆頭壽命采用繩索取心鉆進，若鉆頭壽命短，鉆進過程中經常提鉆更換鉆頭，那么便失去了采用繩索取心鉆進的意義。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

一、繩索取心鉆具的技術要求

1、內管總成下到外管預定位置時，能即時發出到位信號，且內、外管之間的相對位置能夠確定。鉆進中，內管不上竄、下滑；內、外管之間能保證有良好的通水性。

2、鉆進中，巖心充滿內管時，能及時發出堵塞信號。

3、雙管結構應保持內、外管的同心度，使巖心順利進入內管。在提取巖心時能防止內管因受力過大而損壞。

4、應保證打撈器順利下入，并將內管總成安全抓提到地面。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具二、繩索取心鉆具的規格和型號2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具三、繩索取心鉆具的結構和工作原理繩索取心鉆具的型式很多，基本結構大同小異。以我國最常用的S—75型鉆具為例，整套鉆具分為單動雙層巖心管和打撈器兩大部分。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

雙層巖心管部分由外管總成和內管總成組成；外管總成包括：彈卡擋頭1、彈卡室7、穩定接頭23(上擴孔器)、外管46、下擴孔器和鉆頭52組成；

內管總成：由撈矛頭2、彈卡6、懸掛環21、到位報訊、巖心堵塞報警、單動、內管保護、調節、扶正、內管、巖心卡取等機構組成。

2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

打撈器一般由打撈機構和安全脫卡機構組成。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

繩索取心鉆具的組成機構有：絞鏈式矛頭機構、彈卡定位機構、懸掛機構、到位報信機構、巖心堵塞報警機構、單動機構、內管保護機構、調節機構、扶正機構、打撈機構、安全脫卡機構。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

1、絞鏈式矛頭機構

由撈矛頭、定位卡塊、撈矛座等組成。撈矛頭可在其轉動平面內0～土90o內轉動，便于地表吊掛打撈器與內管總成時卸巖心、變換位置，防止撈矛頭脫鉤。

2、彈卡定位機構由彈卡擋頭、彈卡板、張簧、彈卡室等零件組成。當內管總成在鉆桿柱內下降時，張簧5使彈卡板6向外張開一定角度，并沿鉆桿內壁向下滑動。當內管總成到達外管總成中的彈卡室7部位時，彈卡板在張簧的作用下繼續向外張開，使兩翼貼附在彈卡室的內壁上。由于彈卡室內徑較大，而其上端的彈卡擋頭內徑較小，所以在鉆進過程中可防止內管總成上串，達到定位作用。

2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具3、懸掛機構由內管總成中的懸掛環21和外管總成中的座環22組成。懸掛環的外徑稍大于座環的內徑(一般相差0.5～1.0mm)。當內管總成下降到外管總成的彈卡室位置時，懸掛環21座落在座環上，使內管總成下端的卡簧座51與鉆頭52內臺階保持2—4mm的間隙，以防止損壞卡簧座和鉆頭，并保證內管的單動性能和通水性能。

4、巖心堵塞報警機構由滑套25、軸26、蝶簧27等零件組成。鉆進過程中，當發生巖心堵塞或巖心裝滿內管時，巖心對內管產生的頂推力壓縮蝶簧，使滑套上移到懸掛接頭38的臺階處，將通水孔堵塞，從而造成泵壓升高，告誡操作者應停止鉆進、撈取巖心。

5、單動機構它由兩付推力軸承29、31實現鉆具單動內管。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具6、到位報信機構由復位簧12、閥體13、定位簧14、彈簧19、調節螺堵20、閥堵39、調節圈等組成。當內管總成在鉆桿柱內由沖洗液向下壓送時，沖洗液由內管總成和鉆桿柱的環狀間隙流通，如果內管到達外管中的預定位置，懸掛環座落在外管中的座環上，沖洗液的通道堵塞，沖洗液向下推動閥堵，壓縮彈簧，閥體粗徑臺階移出定位簧，閥堵打開，沖洗液流向改變，此時，泵壓表的壓力明顯升高(約升高5—10atm)，即表明內管總成已到達預定位置，可以開始掃孔鉆進。由于定位彈簧的作用，可以防止閥堵自動關閉。所以，在鉆進過程中，沖洗液流經此處幾乎不消耗泵壓。根據鉆孔深度的不同，通過調節螺堵20，可以改變彈簧的預緊力，以調節泵壓的變化范圍。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具

7、內管保護機構由滑動接頭24、彈簧等組成，又稱緩沖機構。采取巖心時，拔斷巖心的力使滑動接頭壓縮彈簧32向下移動，內管及卡簧座下移至鉆頭臺階上，拔斷力由鉆頭傳遞到外管，以保護內管不損壞。

8、調節機構由調節螺母44、接頭45、調節心軸等組成。內外管組裝時，如果卡簧座與鉆頭內臺階的間隙不合適，可以旋調心軸和接頭的螺紋(調節范圍0～30mm)，滿足要求后，用調節螺母鎖緊，以防松動。

9、扶正機構外管總成下部的扶正環48，用于內管的導向，使內、外管保持同軸，便于巖(礦)心進入卡簧座51和內管47。2023/12/3第七章繩索取心第二節繩索取心鉆具10、打撈機構由打撈鉤1、撈鉤架3、重錘7和鋼絲繩接頭組成。取心時鋼絲繩懸吊打撈器放入鉆桿柱內，打撈鉤靠重錘以1.5～2.0m／s的速度快速下降。由于撈鉤架為圓筒狀，故導向性好，當它達到內管總成上端時，能準確鉤住撈矛頭，把內管總成提升上來。

11、安全脫卡機構采用一根長為1m、內徑比重錘稍大的套管進行安全脫卡。套管壁上開有一斜口。當需要安全脫卡時，將此套管從斜口處套入鋼絲繩上，然后下放，套管靠自重下降；行至打撈器穿過鋼絲繩]接頭和重錘，撞擊和罩住打撈鉤尾部，使其張開脫離。2023/12/3第七章繩索取心第三節鉆桿、附屬設備及工具

一、鉆桿繩索取心鉆進用的鉆桿，不僅可以傳遞動力，而且還是輸送內管和打撈器的通道。為適應多功能的要求，鉆桿應具有質優、壁薄和內平連接的特點。為此，應選用高強度優質管材，選擇合理的連接方式和螺紋類型并重視螺紋連接部位的加工與處理。目前國內外所采用的繩索取心鉆桿有3種基本結構：

1、鉆桿兩端直接加工內、外螺紋，鉆桿與鉆桿直接連接。這種鉆桿的螺紋加工量小且同心度好。2023/12/3第七章繩索取心第三節鉆桿、附屬設備及工具2、螺紋粘接內、外接頭鉆桿：鉆桿兩端車成公螺紋，兩段分別粘接過度接頭。粘接劑可采用有機粘接劑(環氧樹脂)或無機粘接劑。3、等離子弧焊接內、外接頭鉆桿：在鉆桿兩端采用等離子弧焊接兩個接頭。由于等離子弧焊具有焊接溫度高，焊接速度快，焊縫成型好，所以焊接鉆桿強度高。2023/12/3第七章繩索取心第三節鉆桿、附屬設備及工具二、繩索取心絞車

繩索取心絞車專用于下放打撈器和打撈巖心管，其基本類型有2種：絞車由動力機單獨驅動。絞車可在機場任意位置安裝；另一種是裝在鉆機上，由鉆機動力驅動，具有結構簡單、安裝緊湊、不需專用動力和使用方便等特點。

S56J—1型絞車的主要技術規格見表:2023/12/3第七章繩索取心第三節鉆桿、附屬設備及工具

三、鉆桿夾持器

用于夾持外平的繩索取心鉆桿的夾持器有兩種型式；腳踏夾持器(木馬夾持器)和球卡夾持器。2023/12/3第七章繩索取心第三節鉆桿、附屬設備及工具

四、提引器提引器分手搓式和球卡兩種:手搓提引器結構簡單，其下端有與鉆桿螺紋相同的接頭，采用接頭螺紋連接鉆桿的方法。這種提引器工作可靠，但操作麻煩，比較費時。球卡提引器是利用鉆具自重閉鎖原理提引鉆具的裝置。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

一、鉆進參數的選擇

1、鉆壓繩索取心鉆頭的底唇面積比普通金剛石鉆頭的唇面大（約比普通金剛石取心鉆頭大1/4）。所需鉆壓相應增大25％。

2、轉速與普通金剛石鉆頭鉆進的圓周速度(表鑲鉆頭0.5～2m/s；孕鑲鉆頭1.5～4m/s)基本相同。

3、泵量繩索取心鉆具環狀間隙小，鉆頭底唇面積大，所以按鉆頭底唇單位面積上沖洗液消耗量計算泵量，比普通金剛石鉆進的泵量略大。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

二、鉆進工藝過程

繩索取心鉆進的基本工藝過程：地表組配鉆具——檢查卡簧、卡簧座和鉆頭內徑的配合——下鉆（內管總成可以不隨鉆具下入）——送水沖孔——投入內管總成——鉆進——卡斷巖心——下入打撈器打撈內管總成——提出內管總成、取巖心——檢查內管總成——從鉆桿內孔中投入（或下入）內管總成——繼續鉆進——‥‥‥2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

二、鉆進工藝過程鉆進工藝過程中應注意以下幾點：

1、當巖心充滿巖心管或巖心堵塞時，應立即打撈巖心。使用裝有堵塞報警機構的鉆具鉆進時，當巖心堵塞或巖心充滿后，泵壓驟然上升。

2、將鉆具提離孔底一小段距離，卡斷巖心，擰開機上鉆桿，鉆機退離孔口。

3、從孔口鉆桿中下入打撈器。打撈器在沖洗液中下降速度約為1.5～2m/s。由此，可根據孔深估算到達孔底的時間。一般在1000m孔深范圍內，可聽到打撈器到底的輕微撞擊聲。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程4、當打撈器到達孔底，可緩慢地提動鋼絲繩。若因提動鋼絲繩而造成沖洗液由鉆桿中溢出時，說明打撈可能成功，否則需再次下放打撈器。

5、當從所取巖心中判明外管和鉆桿內無巖心時，將另一套備用巖心管從孔口下入鉆桿內。此時可開動鉆機緩慢轉動并開泵沖送，加快內管下降速度及防止在鉆桿中卡塞。

6、若打撈成功，則用繩索將內管提出，否則應提鉆處理。

7、內管提出后，應緩慢放下擺平，以免將調節螺桿墩彎。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程8、在干孔中，不能直接把內管投入鉆桿中，應采用打撈器送入，或在鉆桿柱內注入沖洗液，然后迅速將內管投入。

9、通過鉆具到底報信機構的顯示或根據下降時間判斷確認內管已經到位時，慢慢開始掃孔鉆進。

10、在易斜巖層中鉆進時要注意防斜。盡管繩索取心鉆桿與孔徑配合比較合理，有利于防斜，但繩索取心鉆桿的壁較薄(一般4．5mm)，而鉆壓又較大，所以操作不當極易造成鉆孔彎曲。因此，在易產生孔斜的地層中鉆進時，應適當控制鉆壓和轉速。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

三、鉆進沖洗液

1、沖洗液的選擇

由于繩索取心鉆具與孔壁之間的環隙較小，且內管需通過鉆桿柱中心孔下投等原因。因此，在地層條件許可的情況下，應盡量采用清水加潤滑劑作為沖洗液。如：聚丙烯酰胺沖洗液、水玻璃沖洗液等無固相沖洗液。這不僅有利于內巖心管在鉆桿內的升降，也可使鉆桿的旋轉阻力減低。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

2、泥漿鉆進當所鉆地層不能采用清水做沖洗液時，繩索取心鉆進仍需采用泥漿做沖洗液。根據繩索取心鉆進的特點，鉆進時所采用的泥漿應具有粘度低、相對密度小、沉砂快、流動性好及有防坍性能等特性。一般必須采用低固相細分散泥漿。這種泥漿基本性能指標如下表所列:

2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

繩索取心鉆進使用泥漿時，靠近孔口的鉆桿內壁上往往形成一層很致密的泥皮。鉆桿內壁結泥皮的原因，通常認為是泥漿中固相含量大，地表泥漿凈化質量差、鉆桿柱轉速高，產生的離心力致使粘土顆粒粘附在鉆桿內壁上，形成泥皮。

防止鉆桿內壁結泥皮的主要措施:(1)采用機械方式攪拌，使粘土與處理劑混合均勻；

(2)加長泥漿槽的長度，一般不小于15m；沉淀箱不小于兩個并及時清碴和更換泥漿；

(3)采用除砂器凈化泥漿，如旋流除砂器等。2023/12/3第七章繩索取心第四節鉆進參數及工藝過程

四、操作注意事項

1、合理確定內管長度。