钻探工艺技术_第六章_岩(矿)心采取.ppt

第六章岩 矿 心采取 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求第二节影响岩 矿 心采取质量的因素第三节采取岩 矿 心的一般方法第四节双层岩心管取心第五节绳索取心 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求 一 岩 矿 心在地质勘探中的意义采取岩 矿 心是岩心钻探的主要目的 是检验钻孔质量的一项重要指标 通过对岩 矿 心的观察 鉴定 化验和分析 可以了解矿体的埋藏深度 厚度 产状 分布规律 矿物组成 矿石品位 化学成分 矿物与岩石的结构构造 矿石的选冶性能和水文地质特性等 由此可见 岩 矿 心采取数量的多少 品质的好坏 直接影响判断地质构造 评价矿产资源 提交矿产储量和矿山开采设计的准确性和可靠性 因此 在钻探施工中 不仅要求提高钻进效率 而且要求重视采心质量 力求准确地从钻孔中采取能够全面代表相应孔段岩 矿 层的岩 矿 心 在数量上要有足够的体积 在质量上能够保持原生结构和含矿品位 即保证取上的岩 矿 心具有最大的代表性 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求 二 地质勘探对岩 矿 心的基本要求岩心钻探中 为了正确反映岩 矿 心的代表性 对岩 矿 心质量有如下基本要求 一 采取率取出的岩 矿 心长度与对应孔段实际进尺长度的百分比称为岩 矿 心采取率 根据普查 勘探程序不同 及钻进矿层 岩层的不同 按要求各自有一定的岩 矿 心采取率 才能保证得到足够数量的岩 矿 样品 以满足分析 鉴定和研究的要求 岩 矿 心采取率的一般要求 岩心采取率不低于65 矿心采取率 按可采层计算 分层不低于75 由于矿床类型和各矿种的具体要求不同 其采取率的标准应根据情况由地质 钻探 水文地质等部门共同商订 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求 二 完整度采取的岩 矿 心要保持天然的结构和构造 如矿物颗粒形状 大小 胶结状态 孔隙度 层理 片理 原始接触界面等 以反映矿物 岩石的真实性 便于划分矿石类型 观察原生矿物结构与共生关系 因此 为便于实地进行观察必须防止人为的破坏 扰动 颠倒 三 纯洁性要求取出的岩 矿 心不受外来物质的侵蚀 污染和渗进 以免影响矿石的品位和品级 或影响矿物的物理性质 如煤心中混入粘土后 灰份增加 滑石中混入泥浆后 二氧化硅提高 孔壁掉块 可能形成假心等 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求 四 避免选择性磨损钻取的矿心应尽量避免内在物质成份发生变化 选择性磨损往往使矿心人为贫化 富集或变质 从而歪曲原来的品位和品级 如 钼 石墨 云母 石棉等矿石 由于质量轻 呈鳞片状 纤维状 薄片状 很容易流失 造成人为贫化 金 铜 黄铁矿 铅锌 汞等矿石 因比重大 呈结晶状 颗粒状 易于残留 造成人为富集 钾盐 岩盐 芒硝等矿石 遇水溶解 易于淋蚀 造成品位下降 而煤心烧灼变质则会使其品级降低 第一节对岩 矿 心采取质量的基本要求 五 取心部位准确要求取出岩 矿 心的位置准确 是为了得到岩 矿 层准确的埋藏深度 厚度和产状 以准确地计算矿产储量和确定地质构造 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 为了提高岩 矿 心采取率和岩 矿 心品质 就必须全面地了解影响岩 矿 心采取质量的因素 根据岩 矿 层的具体特性 找出一定的规律 采取相应的措施 影响岩 矿 心采取数量与质量的因素很多 但归纳起来不外乎地质方面的 客观的 因素和技术与组织方面的 主观的 因素 现分别叙述如下 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 一 地质因素钻进完整 坚硬 致密 均匀 稳定而又不怕冲洗液冲刷 不怕钻具振动的岩 矿 层时 采取岩 矿 心比较容易 而且岩 矿 心多呈柱状 易于得到完整的 代表性高的岩 矿 心 但是 钻进节理发育 松散 破碎 经过构造错动 风化破坏 胶结性差或岩质酥脆的岩 矿 层时 岩 矿 心易被冲毁 搅碎 磨细 淋蚀和污染 岩 矿 心往往呈块状 粒状 片状 粉状 甚至淋蚀和流失 这类岩 矿 层不易获得有足够代表性的岩 矿 心 甚至取不到岩 矿 心 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 地质条件是客观因素 可以通过不断研究它 认识它 掌握和利用它们的规律和特点 选用适应地质条件的取心方法和工具 改进操作技术 减少或消除客观因素的影响 不断提高岩 矿 心的采取质量 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 二 工艺技术因素工艺技术因素是人为的因素 它对岩 矿 心采取质量起着决定性的作用 影响岩 矿 心采取率与品质的工艺技术因素有如下几方面 一 钻进方法同一种岩 矿 层 采用的钻进方法不同 其岩 矿 心采取质量也不相同 金刚石钻进 效率高 岩 矿 心光滑完整 所以能获得比任何其它钻进方法都高的采取率 而且岩 矿 心的代表性也好 就是在硬 脆 碎地层中 采用金刚石双管钻进 也可获得足够的采取率和较好的完整度 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 硬质合金钻进 克取岩石比较平稳 孔壁间隙也较小 振动较轻 岩 矿 心直径较粗 抗破碎能力较强 易成柱状或大块状 易于卡取 采取率和代表性都比较好 但用硬质合金钻进钨矿和钴矿 切削研磨材料在一定程度上会影响矿石的品位 钢粒钻进 钻具振动剧烈 钻头克取岩石的环状面积较大 岩 矿 心较细 容易折断呈块状 若是岩性酥脆 软硬不均或软硬变化频繁 则容易产生选择性磨损 且用来钻进铁矿时 其切削研磨材料在一定程度上也会影响矿石的品位 因此 钢粒钻进从岩 矿 心采取角度看不如其他钻进方法好 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 由于钢粒钻进对岩 矿 心的破坏作用较大 硬质合金钻进较轻 金刚石钻进最小 因此 必须根据矿区的地层条件和岩 矿 层的物理机械性质来选用相应的钻进方法 在条件允许的情况下应尽量选用金刚石钻进 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 二 钻头结构钻头直径对岩 矿 心采取质量有很大影响 钻头直径愈大 则岩 矿 心直径愈粗 抗破碎强度也愈大 易于保持完整度 也便于卡取 但是 钻头直径愈大 孔底克取面积大 所需孔底压力增加 钻进时钻具振动加剧 对岩 矿 心的破坏作用也大 同时 克取面积大 在设备条件受限的条件下钻速必然降低 从而增加了岩 矿 心在孔底的破坏时间 因此 不能片面地用大口径的办法来提高岩 矿 心的采取质量 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 近年来 广泛采用金刚石和硬质合金小口径钻进的经验表明 钻孔口径59mm 采用双管钻进取出的岩 矿 心 与大口径钻进取出的岩 矿 心对比 矿石品位不但没有降低 而且还稍有提高 但是 钢粒钻进必须采用大口径 否则岩 矿 心采取质量不易保证 钢粒钻进终孔口径规定不小于75mm 就是这个道理 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 钻头加工和镶焊质量对岩 矿 心的采取质量也有很大影响 金刚石钻头和硬质合金钻头的结构要素与所钻进的岩 矿 层性质相适应 可以加快钻进速度 缩短岩 矿 心在管内的破坏时间 有利于提高采取率和完整度 钻头加工质量愈好 钻头与岩心管同心度愈高 则钻具回转时愈平稳 愈会减轻对岩 矿 心的破坏作用 钻头内上端锥度适当 既利于岩 矿 心进人岩心管 也利于放置各种式样的岩心提断器和投卡料后卡住岩 矿 心 钻头水口的大小不仅对清除孔底岩粉 提高钻进效率和冷却钻头有密切关系 而且对保护岩 矿 心 减少其破坏程度等也具有一定的作用 尤其是钢粒钻进破碎岩层时 钻头水口不宜过大 钻头体的长度也应适当缩短 否则会影响岩 矿 心的采取 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 三 取心工具结构岩 矿 层的类别不同 其物理机械性质也不同 所采用的取心工具结构也应灵活多样 这样才能最大限度地保证岩 矿 心的采取质量 根据岩 矿 层怕冲 淋蚀 振动 磨损 污染 脱落等不同特点 应选用具有隔水 避振 减磨 防污 卡心牢固等不同的取心工具 此外 金刚石钻进 取心卡簧的规格要合乎要求 才能可靠地卡住和提取岩 矿 心 否则也对提高采取率不利 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 四 钻进技术参数采用不同的钻进技术参数 对提高岩 矿 心质量有极大的影响 孔底压力过大 钻进过快或不均匀 对松散 粘性大的岩 矿 层 则易糊钻 堵塞或烧钻 对硬岩 则易使钻头变形 引起岩 矿 心破碎 同时 压力过大还加剧了钻具的弯曲和振动 从而使岩 矿 心受到强烈的机械破坏 孔底压力不足 则进尺缓慢 增长了岩 矿 心受破坏作用的时间 转速过高 钻具受离心力作用大 其振动 摆动也大 对岩 矿 心破坏作用加剧 转速过低 则钻速也低 岩 矿 心受破碎作用的时间延长 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 冲洗液量过大 流速增加 冲刷力也大 会加剧岩 矿 心被冲毁和磨耗的破坏作用 循环方式的不合理 也会造成岩 矿 心被冲刷破坏和重复磨损 冲洗液中的某些成分对有的矿种岩 矿 心有污染作用 采用清水和普通泥浆钻进盐类矿床时 矿心会受到淋滤与溶蚀 钢粒钻进 投砂量过多 钢粒直径过大 易扩大孔径和磨细岩 矿 心 加大钻具振动幅度 加剧岩 矿 心的破坏 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 回次时间和回次长度对岩 矿 心的破坏都有影响 一般来说 回次时间越长 回次进尺越多 则岩 矿 心被破坏 磨损 分选和污染的机会也就越多 相应会降低岩 矿 心的采取率 完整度和纯洁性 增加选择性磨损 尤其是硬 脆 碎地层 影响更大 总之 不同的钻进技术参数对岩 矿 心采取质量有很大的影响 因此 对钻进技术参数选择 既要考虑提高钻进速度的要求也要考虑取心的需要 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 五 操作技术钻进操作不当 或操作方法不正确 也会造成岩 矿 心破坏 降低取心质量 例如 1 钻进中提动钻具次数过多 过高 促使岩 矿 心破坏 岩 矿 心脱出岩心管掉入孔底 会造成重复破碎 或者引起岩心堵塞 形成自磨 降低采取率和品质 2 盲目追求进尺 延长回次时间 会增加对岩 矿 心的自磨和钻具振动破坏的时间 3 采心方法不当 或卡取不牢 或提钻过猛 会造成孔内残留岩心过多或中途脱落 再次套取时受到重复破碎 干钻掌握不当 使岩 矿 心受到严重挤压 或烧灼变质 第二节影响岩 矿 心采取质量的因素 4 下钻过猛 直插孔底 将孔内岩粉 掉块挤入岩心管造成假岩心 5 退心时 过分敲打 岩心紊乱 造成岩 矿 心的人为破碎和上下顺序颠倒 影响了岩 矿 心的完整度 歪曲了岩 矿 心层次 第三节采取岩 矿 心的一般方法 对于完整的或容易保证取心质量的岩 矿 层 一般采用普通单管钻具钻进 并根据岩 矿 心性质的不同 采用以下几种方法卡取岩 矿 心 第三节采取岩 矿 心的一般方法 一 卡料卡取法卡料卡取岩 矿 心是现场最常用的最简单的一种方法 它适用于硬质合金和钢粒钻进中硬和硬的岩 矿 层 按照卡料的种类不同 可分为卡石卡取法和铅丝卡取法 第三节采取岩 矿 心的一般方法 一 卡石卡取法 卡石卡取岩 矿 心 通常用于硬质合金钻进可钻性4 7级的岩 矿 层 常用卡石材料是硬石块 碎瓷块 碎玻璃等 卡料硬度应与岩 矿 心相适应 硬度太大易挤碎岩 矿 心 硬度太小会被岩 矿 心磨损而卡不住岩 矿 心 卡石大小应根据钻头与岩 矿 心之间的实际环状间隙来选择 一般是2 5mm且粒径不等 投入量约为100cm3左右 在投卡石采心时 先将钻具提离孔底70 100mm 再把卡石按小 中 大颗粒的顺序从水接头中投下 为了防止中途堵塞 必须一边慢投 一边用铁锤不断敲打孔口钻杆 卡石投完后 再开泵用小水量冲 待水流畅通后 再逐渐加大水量 静等几分钟后 将钻具放到孔底 如泵压增高 并有蹩水现象 证明卡石已到钻头部分 此时停泵开车数转 即可扭断岩 矿 心 第三节采取岩 矿 心的一般方法 每次采心后 应立即试验采取效果 方法是 把钻具提离孔底1 2m 再慢慢下降 如能顺利落到孔底 证明岩 矿 心已全部采上 如放不到孔底 则证明下部为残留岩 矿 心阻挡 残留岩 矿 心太多 应立即重采 残留岩 矿 心较少 则可留到下一回次采取 为了防止岩 矿 心中途脱落 提钻时应做到轻刹车 轻回绳 轻插垫叉 轻卸管 严禁猛墩 猛提钻具 第三节采取岩 矿 心的一般方法 二 铅丝卡取法 此法适用于中硬和硬的岩 矿 层 尤其适用于钢粒钻进卡心 一般用8 12号铅丝 根据钻头与岩 矿 心之间的间隙大小 可采用单股和多股拧成麻花形 为了顺利通过钻杆通孔 铅丝的两端应锤尖 其长度应为岩心管内径两倍左右 为了卡取可靠 单股和多股可同时使用 先投单股 后投多股 当钢粒钻进较破碎的岩 矿 层时 还可补些钢粒或投以卡石与铅丝混合卡取更为可靠 卡料投到底后 再送水同时开车进行钻进 直到发现蹩水或钻进有阻力 即岩心堵塞 证明已采上岩 矿 心 即可提钻 第三节采取岩 矿 心的一般方法 二 卡簧卡取法金刚石钻进和针状合金钻进时 由于钻头上的出刃很小 无法使用卡料 特别是使用双管钻具时 根本不能投入卡料 通常使用卡簧卡心 第三节采取岩 矿 心的一般方法 一 卡簧卡心原理卡簧卡取法也叫提断器卡取法 它由卡簧与卡簧座所组成 卡簧为开口环形 与卡簧座锥体配合 卡簧上移则张开 下移则缩闭 钻进过程中 随着岩 矿 心进人 卡簧被带到卡簧座上部内径最大位置 钻进终了稍一上提钻具 由于卡簧内径和岩心的摩擦阻力 卡簧相对下移而收缩 以致把岩心卡死而提断 用这个方法卡取岩 矿 心既安全又方便可靠 它无需卡心工序 既节省了卡料 又缩短了卡心时间 第三节采取岩 矿 心的一般方法 二 对卡簧及卡心操作的要求1 卡簧应具有足够的强度和弹性 一般需用弹簧钢65锰及调碳钢40铬加工 并具有硬度HRC45 50 如用40号钢加工代替 经热处理 达到相应机械性能时 也可用于生产 但使用寿命要短 2 卡簧的自由内径与钻头内径必须合理配合 卡簧的自由内径应比钻头内径小0 3mm左右 卡簧自由内径过大 则取不上或卡不牢岩心 造成中途脱落或残留岩心过多 卡簧自由内径过小 易造成岩心堵塞 因此 每次下钻前要注意检查钻头与卡簧的配合尺寸 在不更换钻头时 其检查方法是 将卡簧套在岩心上 卡簧对岩心既有一定的抱紧力 又能在岩心上被轻轻推动 即为合格 推动费力则为过小 停留不住则为过大 第三节采取岩 矿 心的一般方法 3 为了减少残留岩心 设计卡簧安放位置时 应尽量靠近钻头 4 在正常钻进时 不能提动钻具 否则会过早提断岩心 造成岩心堵塞 5 机场应备2 3种尺寸的卡簧以供选用 每两种的内径以相差0 3mm为宜 第三节采取岩 矿 心的一般方法 三 卡簧的种类目前常用而效果较好的大体有内槽式 外槽式及切槽式三种 1 内槽式卡簧此种是比较常用的卡簧 但加工时要有专门胎具 多用于普通单管和双层岩心管 2 外槽式卡簧亦用于单层和双层岩心管钻进的一种卡簧 加工比前一种简单些 3 切槽式卡簧此种是绳索取心钻具配套的一种岩心卡簧 也可用于双层岩心管 其优点是 1 能有效地卡取岩心 由于设计锥度合理 同时与岩心接触面积较大 故卡取岩心牢固 2 增长了卡簧寿命 由于增加了摩擦面积 同时采用合金钢并进行热处理 弹性好 3 比较容易加工 由于内管 内外侧无须加工槽子 其上下切口可用砂轮切割 第三节采取岩 矿 心的一般方法 三 干钻卡取法硬质合金钻进软岩或有粘性岩层时 用干钻法采心能得到很好效果 干钻法取心 即在回次终了前 停止送水 干钻一小段 使岩心自行卡紧而扭断 采用干钻取心法 应注意干钻的长度 过短挤塞不牢 取不上岩 矿 心 过长虽然挤塞牢靠 但易烧灼岩 矿 心 严重时发生烧钻事故 因此 要根据岩 矿 层性质和干钻难易程度掌握干钻长度 一般为100 200mm 第三节采取岩 矿 心的一般方法 为了防止提钻时钻杆内水柱压力压掉岩 矿 心 并避免拧卸钻杆时冲洗液四处喷射 最好使用投球式异径接头 如图6 3所示 提钻前向钻杆内投入球阀 开泵后 在水柱压力下钢球迫使阀座1下降 当超过异径接头右侧小卡2后 小卡在弹簧3的压力下伸入球阀座空腔 将球阀座挡住 使其不能上升 则钻杆柱中的冲洗液即从排水孔7流出 第三节采取岩 矿 心的一般方法 四 沉淀卡取法此法适用于反循环钻进 在回次终了停止冲洗液循环 利用岩心管内悬浮岩屑粉的沉淀 挤塞卡牢岩 矿 心 它适合于松软 脆碎的岩 矿 层中使用 采用沉淀取心法的关键在于沉淀时间 沉淀时间要根据岩粉颗粒大小 多少 比重及冲洗液的粘度等而定 一般为10 20min 沉淀法常与干钻法同时结合使用 第四节双层岩心管取心 具有内外两层岩心管的钻具叫双层岩心管钻具 双层岩心管钻具是目前提高岩 矿 心采取率和采取品质的重要工具 在复杂地层和金刚石钻进中应用较为普遍 双层岩心管钻具的种类繁多 但基本上可分为双动双管钻具和单动双管钻具两类 具有内外两层岩心管的钻具叫双层岩心管钻具 双层岩心管钻具是目前提高岩 矿 心采取率和采取品质的重要工具 在复杂地层和金刚石钻进中应用较为普遍 双层岩心管钻具的种类繁多 但基本上可分为双动双管钻具和单动双管钻具两类 目前使用较多的是单动双管取心钻具 下面重点介绍单动双管取心钻具 第四节双层岩心管取心 一 单动双管钻具的特点单动双管钻具的特点是 钻进中外管转动 内管不转动 这样除了防冲刷外 又可以避免振动 摆动 摩擦等机械力对岩 矿 心的破坏作用 另外 有些单动双管在结构上增设有防振 防污 防脱和退心方便的装置 因此 岩 矿 心的采取率 完整度 纯洁性等都有较大提高 代表性也更好 第四节双层岩心管取心 二 金刚石钻进单动双管取心钻具1 钻具结构金刚石钻进单动双管取心钻具结构如图6 4所示 主要由上接头 单动部分 调节心轴 内 外管 卡心装置和钻头组成 其中单动部分常用下述三种形式 球单盘推力球轴承式 代号Q 单盘推力球轴承式 代号D 双盘推力球轴承式 代号S 第四节双层岩心管取心 二 金刚石钻进单动双管取心钻具1 钻具结构金刚石钻进单动双管取心钻具结构如图6 4所示 主要由上接头 单动部分 调节心轴 内 外管 卡心装置和钻头组成 其中单动部分常用下述三种形式 球单盘推力球轴承式 代号Q 单盘推力球轴承式 代号D 双盘推力球轴承式 代号S 第四节双层岩心管取心 在内管的下部依次插有内管短接和卡簧座 卡簧放在卡簧座中 钻进时 随着进尺的增加 岩心从钻头内口进入卡簧座 穿过卡簧 又经内管短接进入内管 若要采心 只要往上提动钻具 使钻头离开孔底一定的高度 卡簧就会借助同岩心的摩擦力而相对下移 因卡簧外壁是锥形的 所以它又带着卡簧座下移 使卡簧座顶到钻头内沿上 同时 它本身也将岩心越卡越紧 随着钻具的回转而将岩心扭断 第四节双层岩心管取心 内管短接同内管之间以及卡簧座同内管短接之间不用丝扣连接 而采用插入法相联 这样 可以减轻由于内管的摆动以及在特殊情况下内管转动对岩心的影响 因此可以更好地保护岩心 使内管下部少受磨损 在采心时 内管亦不受轴向拉力的影响 有助于延长内管的使用寿命 好安装 掏岩心也比较方便 第四节双层岩心管取心 3 操作技术 1 双管管料比单管薄 特别是内管壁厚只有1 5 2mm 强度要差一些 容易压弯 在钻进中不能采用大的钻压 2 双管卡簧在卡簧座内上下活动范围很小 约12mm 只要稍微提动钻具就能提断岩心 不须专门操作 3 在特殊情况下 双管钻进如发生岩心堵塞 可降低压力和减小泵量 适当增加转速来处理 不得强力处理 若处理无效应及时提钻查原因 4 在钻进过程中 不要提动钻具 以免提断岩心 造成堵塞 影响进尺 5 对旧的双管钻头要注意检查内径 如果内径比原来磨大1mm 就不能再用 如用磨大的内径钻头钻进 岩心进不到内管 容易损坏内管零件 又影响效率 第四节双层岩心管取心 6 在卸双管钻头时 应用木锤把丝扣部分敲松再卸 因双管钻头壁薄 如不敲松 容易卸偏钻头 7 在需要从内管把岩心敲出来时 应用橡胶锤和木锤 不要用铁锤 8 每次下钻前 应检查单动性能是否良好 内外管是否直 9 要定期检查各部分丝扣松动情况 轴承的灵活程度 密封圈 螺帽锁紧圈是否磨损及水孔是否堵塞 钢球有无锈死等 10 双管如较长时间停用 应对各部零件及内外管清洗涂机油或黄油保护 在存放或运输中 不要在双管上压放重物 第五节绳索取心 绳索取心钻具是一种不提钻取心的钻进装置 即在钻进过程中 当内岩心管装满岩心或岩心堵塞时 不需要把孔内全部钻杆柱提升到地表 而是借用专用的打捞工具和钢丝绳把内岩心管从钻杆柱内捞取上来 只有当钻头被磨损需要检查或更换时 才提升全部钻杆柱 第五节绳索取心 8 减小钻孔弯曲度 提高钻孔质量 9 有利于钻穿复杂地层 避免孔壁坍塌掉块 10 可以利用取心绞车钢丝绳在钻杆内下放测斜仪 进行测斜 总之 由于绳索取心的上述优点 因此可保证岩 矿 心质量 大大降低钻进成本 绳索取心也存在一些缺点和问题 例如 要求钻杆的材质要好 加工精度要高 使钻杆的成本昂贵 钻杆柱与孔壁的间隙小 增加了钻杆柱的磨损 也使冲洗液循环阻力增大 绳索取心钻头壁较厚 钻进坚硬岩石时 效果差些 另外 回转粗径的钻杆柱阻力大 因此其动力消耗大 在深孔中影响开高转速等等 第五节绳索取心 一 绳索取心钻进的优缺点和应用范围1 绳索取心钻进的优缺点 1 减少起下钻的辅助时间 增加纯钻时间 钻孔愈深经济技术效果愈显著 2 岩心堵塞立即捞取岩心 提高岩心采取率 3 减少岩心扫孔磨损 拧卸及与孔壁碰撞机会 延长钻头寿命 4 减轻工人体力劳动 5 延长钻杆螺纹寿命 降低钻杆消耗 6 减少冲洗液抽吸和孔壁压力失去平衡机会 从而减少孔内事故 7 减少起下钻机械磨损和钢绳消耗 第五节绳索取心 2 绳索取心钻进的应用范围绳索取心目前已成为金属 非金属 煤田及某些水文地质和工程地质钻探取心的主要方法之一 其应用范围可分述如下 1 绳索取心钻进的钻孔深度可以自几十米的浅孔直至千米以上的深孔 2 绳索取心钻进的钻孔角度可以从0 360 即可钻进任意方向的钻孔 3 用绳索取心法可以钻进各种地层 既可采用清水 亦可采用优质泥浆作为冲洗液 对于回次进尺不长的岩矿层 取心困难的岩矿层 矿心易受污染或溶蚀的矿层 易坍塌掉块地层 若采用绳索取心钻进更为有利 第五节绳索取心 二 绳索取心钻具 一 绳索取心钻具的结构和工作原理现以S75绳索取心钻具为例 其结构如图6 6所示 整套绳索取心心钻具分为单动双层岩心管和打捞器两大部分 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 下扩孔器和钻头组成 内管总成由捞矛头 2 弹卡定位 8 7 悬挂 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 第五节绳索取心 打捞器一般由打捞机构和安全脱卡机构组成 各机构的工作原理如下 1 绞链式矛头机构由捞矛头 定位卡块 捞矛座等组成 由于捞矛头可在其转动平面内转动180 因此 在提捞内管总成到地表面后 打捞器与内管总成可在0 90 内转动 变换位置 这样 在倒 取岩矿心时 内管总成不必放倒而可直接用打捞器吊着 使内管总成倾斜即可将岩 矿 心倒出 此外 在放倒内管时 本机构还可防止捞矛头从打捞器的捞钩中脱出 以免摔坏内管和弄弯内管 注 S75型钻具无此机构 第五节绳索取心 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 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璧上 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 另外 弹卡沿钻杆壁向下滑动时 张开一定角度 具有向内下放的倾斜面 如遇阻碍 钻具重量和向下运动的惯性力使弹卡向内压缩张簧 从而使钻具顺利通过 弹卡挡头下端设有拨叉 带动弹卡随外钻具一起转动 防止弹卡磨损 第五节绳索取心 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 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 调节圈等零件组成 第五节绳索取心 5 岩心堵塞报警机构由滑套 25 轴 26 蝶簧 21 等零件组成 钻进过程中 当发生岩 矿 心堵塞或岩 矿 心装满内管时 岩心对内管产生的顶推力压缩蝶簧 使滑套向上移动到悬挂接头 38 的台阶处 将通水孔堵塞 从而造成泵压升高 遂告诫操作者应停止钻进 捞取岩心 根据钻进地层软硬程度的不同 可以改变蝶簧 27 的排列形式 并调节蝶簧的弹力 使其既不影响正常钻进 又能在岩 矿 心堵塞时准确报信 第五节绳索取心 6 单动机构由两副推力轴承 29 31 8203 8204 实现钻具的单动 使内管在钻进时不作旋转 7 内管保护机构由滑动接头 键 弹簧等件组成 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 内管及卡簧座随之下移至钻头内台阶上 从而拔断岩心的力由钻头传递到外管 以保护内管不受损坏 第五节绳索取心 8 调节机构由调节螺母 44 接头 45 调节心轴等组成 内外管组装在一起时 如果卡簧座与钻头内台阶之间的间隙不合适 则可以通过调节心轴和接头的相互移动进行调节 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 第五节绳索取心 10 打捞机构由打捞钩 1 打捞钩架 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 见图6 11 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 及至打捞器穿过钢丝绳接头和重锤 撞图6 11安全脱卡套管击和罩住打捞钩尾部 迫使其尾部向内收缩 端部张开 从而使打捞器与内管总成脱离 第五节绳索取心 二 钻具的组装首先 应按照装配图分别组装好内 外管总成和打捞器 并对钻具的主要零部件进行认真检查 然后 把内管总成装入外管总成中 调整内 外管的长度配合 并用打捞器试捞内管总成 经确认合乎技术要求后 方能下孔使用 组装好内 外管总成后 再应组装一套外管总成和两套内管总成作为备用 第五节绳索取心 三 钻具的维护保养为了保证正常使用钻具 必须经常检查钻具 并作好平时经常性的维修保养工作 1 检查弹卡磨损情况和张簧是否变形 弹卡处于张开状态时 两翼最大间距应比弹卡挡头内径大1 5mm 否则应及时更换 为了保证弹卡动作灵活 应经常用机油润滑 2 单动轴承应定期注入黄油 一般每提升一次即应擦净和注入黄油 如单动不灵活 必须拆开检查 轴承损坏要更换 进入岩粉颗粒或其它污物 应进行彻底清洗 3 内管弯曲变形超过0 5mm m时 必须进行矫直 局部产生凹坑而妨碍岩心进人的内管 则应更换新的 第五节绳索取心 4 若弹卡挡头有拨叉 则每次提钻应检查拨叉的磨损情况 发现磨出圆角时要用钢锉修平 检查出变形或有断裂现象时 则须更换 5 悬挂环 座环及扶正环因磨损变形影响打捞时 须及时修理或更换 6 到位报信机构的弹簧若产生疲劳永久变形 应及时更换 7 岩心堵塞报警机构的蝶簧经多次使用 由于疲劳损坏或减小了弹性 应增加蝶簧片数或更换变形蝶簧 8 使用带有水口的卡簧座时 其水口深度应保持在4mm 若发现磨损 应及时加深至4mm 卡簧座发生变形要及时更换 9 每次捞取岩心前 应检查打捞钩头部和尾部弹簧的磨损情况 若已磨损和变形严重 要及时更换 第五节绳索取心 三 附属设备及工具绳索取心钻进由于所用的钻杆无切口 故起下钻时不能使用通常的垫叉和提引器 需要配用特制的夹持器和提引器 并且其钻杆亦有不同之处 下面将逐个介绍 第五节绳索取心 一 夹持器夹持器用于夹持外平的绳索取心钻杆 代替垫叉的作用 夹持器分为 人力操作夹持器和液压夹持器两类 下面主要介绍木马夹持器 它由偏心座 卡瓦 曲柄 连杆 等组成 第五节绳索取心 二 提引器提引器用于升降钻杆 有两种提引器 球卡提引器和手搓提引器 球卡提引器如图6 13所示 它由卡球 4 卡瓦 3 卡套 5 弹簧 7 拨叉 12 扳手 14 提粱 8 等部件组成 如图6 13所示 提升钻杆时 借助弹簧力量向下推动卡套 使钢球沿着具有锥度的卡瓦向下滚动 此时 钢球向内突出卡住钻杆 而钻杆重量又带动钢球向下 从而把钻杆牢牢夹紧并提升上来 松开钻杆时 用力搬动拨叉扳手 使卡套压缩弹簧带动钢球向上运动 由于锥度作用 钢球向外移动 从而把卡紧的钻杆松开 第五节绳索取心 三 钻杆绳索取心钻杆除具有普通钻杆的功用外 还必须能在钻杆柱内升降打捞器和内管总成以获取岩 矿 心 所以 认真选用绳索取心钻杆是绳索取心钻进能否成功的关键因素 第五节绳索取心 2 绳索取心钻杆的规格绳索取心钻杆的规格应与绳索取心钻具规格相配合 目前地质系统常用的钻杆规格为 43 5 4 75 53 4 5 55 5 4 75 71 5 87 5 注 前面的数字为直径 后面的数字为壁厚 单位均为mm 3 钻杆螺纹由于圆锥梯型螺纹具有强度高 密封性好 拧卸方便等优点 所以目前我国绳索取心钻杆均采用圆锥梯型螺纹连接 第五节绳索取心 4 钻杆的合理使用 1 在柠卸过程中必须坚持使用丝扣油丝扣油具有润滑 减少螺纹磨损 提高螺纹密封性能等一系列优点 提 下钻杆时 应使用毛刷把丝扣油均匀地涂抹在每根立根的公螺纹上 其用量要适当 2 经常检查钻杆弯曲度和磨损量 如弯曲量超过2mm 3m 则应矫正后再继续使用 钻杆和接头单边磨损允许量为1mm 均匀磨损允许量为1 5mm 对磨损 出现裂纹和螺纹不合格的 丝扣旷动和明显变形 钻杆和接头 禁止使用 3 拧卸钻杆时 应使用多触点自由钳 第五节绳索取心 4 机场钻杆立根台应垫木板以保护螺纹 还应按立根长度设置合适的立根框架和中间支架 以免立根在摆放时发生弯曲 5 钻杆搬运时 应拧上护丝 运输中应轻拿轻放 绝不准扔摔 禁止在地面上拖拉钻杆 6 应将备用钻杆的丝扣刷净 涂上防锈油并套上护丝 放置于平地 下垫至少须有三处 以防止中间部分受力弯曲 钻杆上面严禁堆压重物 第五节绳索取心 四 绞车绞车用于打捞绳索取心钻具 取心时把绞车钢丝绳带着的打捞器放人钻杆内 利用打捞器自重下降 当打捞器捕捉住内管总成矛头后 开动绞车把装满岩心的内管提升上来 也可用于下放测试仪表 进行孔内测试 第五节绳索取心 四 绳索取心钻进规程和操作技术 一 钻头的选择和合理使用绳索取心钻头的选择原则基本上与普通双管钻头相同 选择时 要结合绳索取心钻头所具有的特点 特别注意以下几点 1 钻头的排队使用绳索取心钻头的特点是在孔底工作时间长 只有当钻头磨损到一定程度时才提钻检查更换 所以对绳索取心钻头排队使用更为重要 若不注意钻头排队使用 就容易造成跟换的新钻头下不到孔底 增加扩孔工作量 同理扩孔器也应排队使用 第五节绳索取心 2 新钻头下到孔底要初磨绳索取心钻头唇面壁厚而且具有多种唇面造型 为了使金刚石钻头唇面与孔底形状相吻合 防止因钻头唇面与孔底形状不一致而造成钻头的唇面受力不均 使表镶钻头金刚石崩刃或剥落 孕镶钻头产生非正常磨损或胎体掉块 同时使孕镶钻头磨出刃口 新钻头下孔后必须进行初磨 即采用轻压力 正常钻压的1 3以内 慢转速 200 300r min 钻进10分钟左右 然后再采用正常技术参数继续钻进 第五节绳索取心 3 确定合理的时效绳索取心钻进要求钻头不仅时效高 更重要的是提高钻头使用寿命 如果钻头时效很高 而钻头寿命很短 不得不经常提下钻更换钻头 这样将降低钻进效率 增加成本 不能充分发挥绳索取心钻进的优越性 所以必须根据具体岩层性质和实践经验 确定合理的时效 根据我国目前金刚石钻进技术条件和金刚石钻头质量水平 时效一般不要超过3m h为宜 在相同的条件下 绳索取心钻头和普通金刚石钻头相比 宁可时效控制稍低 而获得较长的钻头使用寿命也是值得的 第五节绳索取心 4 确定合理的提钻间隔绳索取心钻进的提钻间隔 不仅影响钻进效率 而且影响钻头寿命 提钻间隔越大 纯钻时间愈多 钻进效率愈高 但是盲目追求大的提钻间隔 往往使金刚石钻头磨损严重 增加金刚石消耗 所以应确定合理的提钻间隔 即合适的更换钻头时间 第五节绳索取心 5 防止烧钻事故绳索取心钻头唇面壁厚 钻进时产生的岩粉多 因此必须使冲洗液充分冷却钻头 及时排除岩粉 否则将造成烧钻事故 由于绳索取心钻具内外管总成比普通双管结构复杂 而且有些零部件经过了热处理 所以绳索取心发生烧钻事故不仅难以处理 而且处理烧钻事故将对薄壁钻杆造成严重损伤 因此 绳索取心钻进必须杜绝烧钻事故 第五节绳索取心 二 绳索取心钻进技术参数绳索取心钻进规程与普通双管钻进规程有所不同 但确定规程的方法基本相同 首先 由于绳索取心钻头唇面比普通钻头要厚 因此钻压比普通双管钻头要大 一般要大25 左右 转速同样是提高绳索取心钻速的主导因素 因此 只要其它条件允许 应高转速钻进 当然 要防止不分岩层是否完整 钻具和钻孔是否弯曲 以及超径等不利条件下盲目开高速 由于绳索取心钻杆柱较粗 所以深孔因钻机的功率所限开高转速会受些影响 至于冲洗液量和泵压 因钻头壁厚 钻进时产生的岩粉多 所以选用冲洗液量稍比普通双管钻进时大 由于钻杆与孔壁间隙小 泵压比普通小口径钻进时高些 第五节绳索取心 三 在易斜岩层中钻进要注意防斜因绳索取心钻进采用粗径钻杆 与钻孔直径的配合关系比较合理 如钻 59mm的钻孔采用 55 5mm的钻杆 钻杆与孔壁之间的环状间隙小 只有1 75mm 因此钻杆不易弯曲 这一点十分有利于防斜 但值得注意的是 绳索取心钻杆的壁较薄 一般为4 5mm 轴压又比普通双管钻进时大25 左右 故钻杆的刚性差了 而传递的轴压反而大 所以容易弯曲 特别是孔内有坍塌空腔 钻杆更容易弯曲而导致孔斜 我国曾有地质队产生过这种情况 即由于孔斜严重而被迫停止使用 国外也有类似的资料报导 第五节绳索取心 四 泥浆钻进1 泥浆特点在地层条件允许的情况下 绳索取心钻进应尽量采用清水加润滑剂作为冲洗液 这不但便于内岩心管在钻杆内的升降 而且使钻杆旋转的阻力变小 有利于开高速 但是在钻进松软破碎 易于坍塌掉块的岩层中 则必须采用泥浆钻进 由于绳索取心钻进有一系列特点 例如钻杆与孔壁之间的环状间隙小 内管要在钻杆柱内下投等 故对泥浆就有一些特殊要求 即 泥浆粘度低 比重小 沉砂快 流动性好又具有防塌能力 第五节绳索取心 2 泥皮分析当绳索取心钻进中使用泥浆时 往往在靠近孔口3 5根立根处 钻杆内壁上形成一层很致密的泥皮 影响内管总成的上下 泥皮产生的原因有待进一步研究 一般认为 由于泥浆中固相含量多 含砂量大 地表净化工作差 因此较大的颗粒很容易在管壁结泥皮 绳索取心钻杆的半径大 泥浆中的固相颗粒随钻杆一起旋转 产生的离心力也大 容易甩至管壁 另外 通过对钻杆内泥浆的流态分析 按常用的泥浆流量和泥浆粘度计算雷诺数时 发现它小于2300 这就说明钻杆内的泥浆流动呈层流状态 而层流对管壁的冲刷能力差 也促使颗粒粘附在管壁上 第五节绳索取心 五 操作注意事项1 要避免打 单管 现象 即不在内管未到底就抢先钻进 绳索取心钻进一旦打 单管 就会打捞不上岩心 造成提钻后重新套扫 带来不少麻烦 例如 当孔内不干净 有残留岩心 则下外管时不能一下到底 否则残留岩心进入外管 内管总成就下不到预定位置 定位机构失灵 内管上窜 钻杆柱内有脱落岩心 钻杆和内管弯曲等 都会造成打 单管 为了确切判断内管是否座到底 除了根据钻具到底报信机构的报信外 还可根据经验数据估算 即泵送内管的速度每分钟约20m 或观察泵送内管到底产生蹩泵时 高压胶管和泵压表上的反映 第五节第五节绳索取心绳索取心 2 严防卡簧座和内管接头反扣 一旦反扣内管总成便顶死在弹卡室内 从而造成打捞失灵的后果 3 提钻时 应先打捞出内管总成以增加冲洗液的流通断面 以及减小抽吸作用和压力激动对孔壁的影响 提钻后重新下钻时 同样应先下外管 再投内管 以减小下降的冲击力 有利于孔壁稳定 4 绳索取心钻进时因环空间隙小 故上 下钻时引起的压力激动值大 特别是孔内的动水压力与提 下钻速度成正比 所以应合理控制提 下钻速度 当钻进复杂地层时 应放慢提 下钻速度 第五节绳索取心 5 提升钻具及打捞内管总成时 均须向孔内回灌一定量的冲洗液 避免因钻杆柱外的液柱下降 造成钻杆柱内外之间的压力差而致使孔壁坍塌 6 钻进时 严禁盲目加压 压力过大压弯双管 将带来不少不良后果 7 内管总成中调长螺杆处的强度较低 操作时 特别是当提拉内管总成时 要严防调长螺杆弯曲而造成内管弯曲 8 停钻时需及时打捞内管总成 9 若确认已发生烧钻 就应先将钻具提离孔底 然后用打捞器提升内管总成 最后提外管总成并进行检查 切勿内 外管一起提升 否则就有可能将内管留在孔内 使事故更复杂化 若遇到断钻杆事故 一般采用套管公锥去打捞 若遇卡 埋钻事故 则不能采用强拉或顶的办法 应用反丝钻杆来反 第五节绳索取心 六 取心操作技术当钻进到岩心快装满内管 进尺不准超过内管长度 或发生岩心堵塞时 应立即进行打捞岩心 停泵后先将钻具提离孔底 卡断岩心 提起机上钻杆 并在接头处卸开 钻机后退 拧上钻杆护丝 下放打捞器 打捞器在冲洗液中以1 5 2m s的速度下降 当确认打捞器捞钩已钩住捞矛头时 即可以开动绞车提升内管 当内管捞出孔口后 卸开捞钩 缓慢下放 以免调长螺杆部分被折弯 此时应检查岩心采取情况 确认钻杆柱内无岩心时 可将另一套备用内管由孔口投入钻杆内 并对上机上钻杆 开泵压送内管 以促使内管加速向下滑行 为避免在滑行过程中 被钻杆接头台阶部分顶住 可以适当开车幌动钻具 如孔内漏失变成干孔 则需用专用的干孔投放器下放内管 当确认内管已准确可靠的到达外管中时 方准缓慢扫孔及钻进 第五节绳索取心 捞取岩心后 若发现内管中无岩心或岩心欠缺时 应当判断原因 如岩心脱落在钻杆柱内时 应立即提钻处理 一旦发现钻杆折断 则不准下入打捞器进行捞取内管的工作 拧卸内管须用专用多触点自由钳