张吉祥：绳索取芯钻探工艺在复杂地层中的应用 |
| 2012-11-28 11:21 作者：张吉祥 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月28日文】据《科技与生活》杂志2012年第17期刊文，绳索取芯钻探工艺是一种不提钻而从钻杆内捞取岩芯的钻进工艺，其特点是在钻探过程中提取岩芯时不用提升全套钻杆，而是通过绞车和钢丝绳将打捞器下放到孔内，将容纳岩芯的内管连同岩芯一同提至地表，然后将空管投放孔内，继续钻进，具有钻进高效率、钻孔质量好、公认平均劳动强度低等优势，所以在业内的应用非常的广泛。本文结合笔者研究实践，简要分析了绳索取芯钻探工艺在复杂地层中的应用。
1煤田勘探的钻探工程
煤田勘探工程目前主要分布在我国的附件、云南、贵州、四川等地区。主要的岩层有泥岩、粉砂岩、细粉岩和中粒砂岩。云南、贵州、四川主要含煤地层是二叠系上统龙潭组，主要岩性以粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩、粉质泥岩为主，而覆盖其上部的三叠系个旧、永宁镇组以灰岩为主。在煤田勘探的钻探工程有以下几个特点：1）煤系中煤层多，一般钻孔都可见煤层十几层，煤层有块煤、粉煤两种。粉煤取芯难度大，若操作不当往往造成采取率达不到要求致使钻孔质量降级。2）钻孔漏失严重为主要特点。特别是永宁镇组、个旧组中的石灰岩溶洞发育，溶洞最大达20米。童子岩组的风化带和断层破碎带也是主要漏失区，属裂隙裂缝性，有时也出现小溶洞，并有地下水活动。另外，由于绳钻工艺环空间隙小，泵压损失大，容易导致地层失去平衡以致诱发漏失。
2绳索取芯工艺在复杂地层中的操作措施
绳索取芯钻进是一种先进的岩芯钻探工艺。自从引进了绳索取芯钻探工艺之后，经过几年的发展，在地质钻探，取得了一些经验，收到了很好的效果，获得了良好的经济效益和社会效益。复杂地层钻探的问题主要包括：缩径、湧水、漏水等。针对复杂地层目前主要有以下几种措施。1）采用合金与金刚石混合钻进多级成孔方法。钻孔结构要根据钻孔设计深度和岩层的复杂程度来确定，在某矿区设计深度500米左右的钻孔施工中，开孔口径91毫米，采用合金钻进20米，下入89毫米井口套管，然后换甲绳钻钻至孔深300米左右，当穿越复杂地层后再用60毫米绳钻钻至终孔。2）使用加大外径钻头。使用加大外径的钻头，就是为了增大钻具与孔壁的环状间隙，减小孔壁阻力及有效地排出岩粉。为保证钻头外径加大后钻头底面积不增大，可以适当地增加水口数量。实践证明，在使用加大钻头之后，泵压会明显降低并保持正常稳定工作。3）选择优质低固相泥桨钻进，钻进复杂地层，使用优质低固相泥浆至关重要。如果泥浆净化不好，会吸附岩粉变成劣质泥浆，使固相含量增大，粘度升高，钻杆内壁结皮，影响打捞内管。这种泥浆的性能参数一般情况是这样的，粘度：20s~25s；比重：1.06g/cm3~1.10g/cm3,；失水量：8~10ml/30s；含沙量：小于2%；PH值：8~9。综上所述，为达到好的效果，必须按配方配制泥浆并严格管理。泥浆配方见表1。
名称 数量 掺入比例
清水 1m3
钠膨润土 30~80kg 3%~8%
广谱护壁剂 1~30kg 1%~3%
腐植酸钾 10~25kg 1%~2.5%
皂化油 1kg 0.1%
烧碱 1~3kg 0.1%~0.3%
表1泥浆配方表
3关于绳索取芯金刚石钻头
3.1关于钻孔结构的选择
钻孔结构属于如何合理选择钻杆与钻孔、套管内径彼此间隙的级配问题。面对这个问题需要非常谨慎，因为这与钻孔能否达到设计要求及钻杆的损坏问题。由于钻杆在轴向压力和回转力的双重作用下，会产生弯曲应力。钻杆柱所产生弯曲应力的大小与钻杆和孔壁间隙有很大的关系。这个应力的存在是损坏套管、钻杆、破坏孔壁的重要原因。选择钻孔结构如下:第一，如果开孔为致密岩石，则只需要下一层108毫米孔口管，深度以5至10米为最好，S75钻具至终孔。第二，如果开孔为表土层和风化层，除下127毫米套管外，还需要下108毫米、89毫米技术套管，其中，127套管必须座入基岩，孔口需要用水泥封闭固定,89技术套管孔口不需要固定，如果在作业中，孔内出现坍塌掉块现象，那么必须要拔出技术套管，扩孔到破碎地层以下3至5米，然后重新下入，S75钻具至终孔。
3.2钻头选择
钻头是整个钻进过程中最核心的工具，钻头的质量直接影响钻进的效率。因此钻头的选择十分重要。在选择时要注意以下几点：1）要选择质量过硬的箭头，金刚石钻头的制作方法比较多，工艺复杂，所以质量尤其重要。2）选择钻头内径和外径的公称尺寸，误差要在允许的范围之内。3）胎体部分绝对不能有裂纹，横纹和竖纹都不能有，特别是横纹，它会导致在钻进的过程中，胎体掉块。4）金刚石钻头的种类非常多，要根据本单位的底层情况，设备条件以及工艺水平来决定。
3.3参数选择
参数选择以鸡西矿区为例。鸡西矿区的岩层属于中研磨性，岩石可钻性为至~7级，其中，煤系地层较软，岩石可钻性4至5级，结合地层实际情况，以此来控制时效。为了提高钻头寿命，所以要进行合理的选择钻进参数。钻压:孕镶钻头、钻头底唇面积每平方厘米为40至60千克，天然表镶钻头每粒1.5千克。转数：孕镶钻头圆周线速度选择1.5m/s,表镶钻头圆周线速度选择1m/s至2m/s。泵量：要按实际经验公式Q=KD确定，式中Q-泵量(L/min)；D-钻头外径(mm)，K-5~8(经验系数)。具体钻进参数如表2。
钻头类型 钻压/kg 转数/r•min-1 泵量/L•min-1
天然表镶 1000~1200 380~470 40~60
人造孕镶 900~1300 470~655 40~60
表2钻进参数表
4结束语
综上所述，绳索取芯钻头的壁厚要比普通取芯钻头厚度大，从理论上老说钻进时的机械转速要稍微低于普通钻头，但是由于钻杆与孔壁间隙小，弯曲度不大，钻头在孔内工作相对平稳，钻杆柱可适当的提高转速，从而让钻头的碎岩效率得到“补偿”。
除此之外，由于减少了辅助作业时间，增大了纯钻进时间，所以总的钻进效率仍然要比普通钻头高，且这种优势随孔深增大而增大。尽管如此，绳索取芯工艺目前依旧存在一些问题，比如由于内外径限制，导致钻杆壁薄、强度低、钻具结构复杂等特点，处理事故较为复杂，所以要在使用前仔细考虑。笔者认为，金刚石绳索取芯钻进技术本身是一门科学，在推广应用过程中必须以严谨的科学态度处理其中的一切，只有这样才能巩固和发展。
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