钻探工艺技术_第六章_岩矿心采取.doc

第六章 岩(矿)心采取第一节 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。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。(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。(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。(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：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。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。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。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。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。(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。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。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。(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。(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。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。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。(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。(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。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。(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47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25mm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70100mm，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。每次采心后，应立即试验采取效果。方法是：把钻具提离孔底12m，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。(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812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。图 01 卡簧卡心原理1扩孔器；2卡簧；3钻头；4提取岩心；5残留岩心卡料投到底后，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。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。(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。卡簧卡心原理如图 01所示。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。(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HRC4550。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。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23种尺寸的卡簧以供选用。每两种的内径以相差0.3mm为宜。(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。如图 62所示。图 02 岩心卡簧的种类a内槽式；b外槽式；c切槽式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。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100200mm。图 03 投球式异径接头1球阀座；2小卡；3小卡弹簧；4小卡堵丝；5弹簧座；6弹簧；7排水孔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 03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。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1020min。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。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。比较理想的单动双管钻具除使用维护方便、加工制造容易外，在结构上应满足以下的要求：(1)防冲钻进时要避免冲洗液对岩(矿)心的直接冲刷，提钻时要免除钻具内液柱对岩(矿)心的压力。为此，在单动双管钻具中往往采用单流止水阀，正差距内外钻头，超前压入式内管，钻头侧孔通水，小水口钻头等措施解决防冲问题。(2)防振钻进中应最大限度地减少钻具对岩(矿)心的机械振动，不破坏岩(矿)心的原始结构，为此，各类单动装置，如滚珠轴承、滚柱轴承、球支撑等必须性能良好、灵活可靠、盘数多、盘距大、润滑方便、密封性能好；内、外管必须同心；有些单动双管还增设避震弹簧室、内管扶正环、内管充填软泥等措施，减少振动和摆动。(3)减磨、防堵岩(矿)心进入内管时和进入以后，都要尽量减小摩擦和堵塞。为此，要求钻头结构合理，内管内璧光滑平直，最好镀铬，或涂敷软肥皂。有些单动双管还装置衬管、半合管等岩心容纳管，以起到减摩、防堵作用，这样也便于退出岩(矿)心，防止人为破碎。(4)防污对于某些矿种，如滑石、石墨等，要防止泥浆和其它杂质污染。为此，在单动双管钻具的内管中增加活塞等部件。活塞在钻进时起隔浆、刮浆的作用，保持岩(矿)心纯洁性。(5)冲孔下钻时能冲洗钻孔，一方面保持孔内清洁，有利于取心钻具可靠的工作，另一方面可消除残留岩心、钻粉和掉块所造成的假象岩(矿)心。为此，可采用投入式单流阀，即下钻冲孔后再投入止水球阀，保证正常钻进时隔水。(6)采心容易，卡心牢固采取岩(矿)心时必须操作容易，扭断可靠，卡心牢固不致中途脱落。为此，在单动双管中可采用爪簧、压卡器、卡簧提断器等装置，以保证岩(矿)心能够采上和卡牢。对金刚石单动双管结构的要求，除上述几方面外，还应根据口径小的特点考虑以下几点：(1)钻具结构应力求简化，以便于加工、维修和保养。(2)水路设计要合理，除应有足够的通水断面之外，各接头的通水孔应尽量采用斜孔，以减小水流阻力。(3)内管下端与钻头内台阶间隙应能够调整。以适应不同岩(矿)层钻进需要，并扩大钻具的适用范围。(4)内外管同心度要好，以利予保护岩(矿)心。为此，接头与心轴应尽量设计成整体，或增设定位器。(5)管壁尽可能薄，以保证较大通水断面和获得较粗的岩(矿)心。为此，管壁应采用物理力学性能较高的材料。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 64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）。2、工作原理金刚石钻进所用的双管钻具均属单动双管钻具，虽然在结构上有所不同，但其工作原理却大致相同。钻进时的回转力和轴向压力均是由钻杆通过异径接头、外管、扩孔器传递给钻头，内管部分一般都坐在推力滚球轴承上，由于内管与岩心有一定的摩擦，所以一般不会跟着外管转动，使岩心在内管里处于比较静止的状态。送下去的冲洗液是通过内外管的间隙流到钻头底部冲不到岩心。内管里面原有的冲洗液在岩心的推动下，可顶开钢球排到内外管的间隙里去。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。图 04 金刚石钻进单动双管取心钻具结构1-上接头; 2-耐磨稳定环; 3-外管接头; 4-单动部分; 5-心轴(调节螺杆); 6-锁紧螺母; 7-内管接头;8-外管; 9-内管; 10-扩孔器; 11-短节; 12-卡簧; 13-卡簧座; 14-钻头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。3、操作技术(1)双管管料比单管薄，特别是内管壁厚只有1.52mm，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。(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。绳索取心钻具的应用范围很广，它不受钻孔深度的影响，从几十米的浅孔直至超万米的超深孔均可使用，而且钻孔越深其优越性越能显著；可以钻进任意方向的钻孔和钻进各种地层，在级中等硬度的岩层中效果尤为显著；针对不同的地层，该钻具既可用清水，又可用优质泥浆，还可采用泡沫等作为冲洗介质。绳索取心钻探技术最初用于石油、天然气钻探。1947年美国长年公司(Longyear Co.)研究用于金刚石地质岩心钻探，到50年代形成系列，目前已成为世界范围内应用最广的一种岩心钻探方法。绳索取心既用于地表岩心钻探，也用于坑道内岩心钻探，并发展用于海底钻探取样。绳索取心钻探世界最深钻孔为5424米(1988)。美国长年公司系列绳索取心钻探钻孔直径分为：AQ(48mm)、BQ(60mm)、NQ(75.7mm)、HQ(96mm)、PQ(122.6mm)、SQ(145.3mm)等规格，即所谓Q系列,为欧美国家广泛仿制与采用。美国的绳索取心钻具在70年代又开发了CQ系列（接头与钻杆采用焊接方式连接）；80年代进一步开发了重型绳索取心钻具系列，如CHD-76、CHD-101和CHD-134等，以专门用于深孔、超深孔条件下实现绳索取心。1972年，中国地质矿产部开始研究绳索取心钻探技术。到目前为止，已研制出系列钻具：S46mm、S59mm、S75mm、S91mm和水文水井钻探用S130mm的绳索取心钻具。此外，还有用于坑道钻探的KS-46和KS-59绳索取心钻具。为了进一步提高钻速，已成功地研制了带液动冲击器的绳索取心钻具。绳索取心钻探现已在地质、冶金、有色金属、煤炭、化工、核工业和建材等系统的钻探部门推广。仅地质矿产部系统截至1987年，用绳索取心钻探累计进尺已达170万米,钻探钾盐的孔深已达2505米。钻孔愈深，绳索取心钻探的技术经济效益愈显著。绳索取心钻进原理如图 65所示。图 05 绳索取心钻进原理一、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。(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。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0360，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。二、绳索取心钻具国产S系列绳索取心钻具规格见表 61。表 01 常规绳索取心钻具型号钻头(外径/内径)扩孔器(外径/内径)外管(外径/内径)内管(外径/内径)钻杆(外径/内径)接头(外径/内径)SC5656/3556.5/4454/4541/3753/4454/43S5959.5/3660/4758/4943/3855.5/4656.5/46S7575/4975.5/6273/6356/5171/6172/61S9595.5/6396/7889/7973/6789/7991/78(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 66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。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090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)。(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。图 06 S75型绳索取心双管结构1弹卡挡头；2捞矛头；3弹簧销；4回收管；5弹簧；6弹卡；7弹卡室；8、9弹卡销；10弹卡座；11弹卡架；12复位簧；13阀体；14定位簧；15螺钉；16定位套；17垫圈；I8固紧环；19弹簧；20调节螺堵；21悬挂环；22座环；23扩孔器；24接头；25滑套；26轴；27蝶簧；28调节螺栓；29、31轴承；30轴承座；32弹簧；33弹簧座；34垫圈；35螺母；36油杯；37垫圈；38悬挂接头；39阀堵；40螺母；41弹簧销；42开口销；43钢球；44调节螺母；45调节接头；46外管；47内管；48扶正环；49挡圈；50卡簧；51卡簧座；52钻头(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0.51.0mm)。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24 mm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。图 07 S75型绳索取心钻具打捞器结构1一打捞钩；2、8一弹簧销；3一捞钩架；4一弹簧；5一铆钉；6一脱卡管；7一重锤；9一安全销，10、20一定位销；11一接头；12一油杯；13一开口销，14一螺母；15一垫圈；16一轴承；17一压盖；18一连杆；19一套环；21一定位轴套当内管总成在钻杆柱内由冲洗液向下压送时，阀体的粗径台阶位于定位簧(10)内，弹簧处于正常状态，阀堵在关闭位置，冲洗液由内管总成和钻杆柱的环状间隙流通(如图 68所示)；如果内管到达外管中的预定位置，内管总成的悬挂环座落在外管中的座环上，把冲洗液通道完全堵塞，迫使冲洗液改变流向，压缩弹簧，向下推动阀堵，直至阀体的粗径台阶移出定位簧，使阀堵打开，(如图 69所示)。与此同时，泵压表的压力明显升高约升高510atm，即(510)101325Pa，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。捞取岩心时，打捞器通过捞矛头(2)，回收管(4)和弹性销向上提拉阀体，使阀体的粗径台阶克服定位簧的弹力进入定位簧，并继续向上运动，复位簧受压，直至阀堵超过关闭位置，给冲洗液打开一条下泄通道(如图 610所示)。这样，一部分冲洗液就可以由此下泄，从而减小冲洗液对孔壁的抽吸作用和打捞阻力。内管总成打捞到地表以后，由于复位簧(12)的作用，随着回收管的复位，则阀堵自动回到关闭位置。根据钻孔深度的不同，通过调节螺堵(20)和调节圈(37)，可以改变弹簧的预紧力，以调节泵压的变化范围。(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。(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。图 08 内管总成下降状态图 09 钻进状态图 010 打捞状态(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030mm)，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)。(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1.52.0m/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 611)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 011 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。(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。(1)外管总成的组装和检查要求如下：外管总成中有上、下两个扩孔器；上扩孔器主要起稳定作用；下扩孔器主要用于扩孔。所以，应检查上扩孔器外径是否略小于下扩孔器外径；装入座环和扶正环时，应放平摆正后用手推入。禁止用任何铁器敲击，以防损伤螺纹或使座环及扶正环变形，影响内管的升降；外管的弯曲度不应大干0.30mm/m，否则，应进行矫直。外管总成上所有螺纹连接处，要涂抹丝扣油并拧紧。(2)内管总成的组装和检查要求如下：首先，检查捞矛头，是否完整无缺，有无碎裂掉块现象；组装弹卡机构时，先将回收管(4)套于弹卡架(11)上；再通过回收管和弹卡架的槽，装入弹卡和张簧；最后，通过回收管的装配孔把弹性销打入。装入的弹卡动作应灵活，用手轻轻拉动捞矛头，回收管即可使弹卡缩回(两翼间距应小于或等于回收管直径)。推下回收管，弹卡应立刻张开，其两翼间距大于弹卡室内径；涂沫润滑油，以减小弹卡活动时的摩擦力；所有弹簧轴销要装正，其开口方向都应一致朝下或朝上，以改善其受力状态。轴销需用锤子打入并装配紧实，不能有幌动现象；组装到位报信机构时，应根据钻孔深度调节工作弹簧的力量(一般浅孔预紧力要小)；缓冲弹簧的锁母需用开口销锁住，并使缓冲弹簧有一定的预紧度；拧紧调节机构的调节螺母，以防松(倒)扣，使内管总成伸长而导致其上、下顶死，在外管总成中发生故障；单动轴承装配时，要注意调配好弹子盘的间隙(不能过紧，亦不能过松)，以用手转动灵活，不幌动为好。轴承装配完毕后，应通过黄油嘴向轴承注油，轴承座内应装满黄油；卡簧座、内管和内管总成的上部连接，必须同轴；内管应光滑平直，不得有弯曲或局部出现凹坑等现象；拧紧卡簧座并配好卡簧，一般卡簧的自由内径应比钻头内径小0.20.3mm。(3)打捞器的组装和检查 打捞器与绳索取心绞车的钢丝绳相连接，并进行以下捡查：打捞钩要安装周正，不能向一侧偏斜；尾部弹簧应工作灵活可靠，头部张开距离以812mm为宜；试验脱卡管的作用把脱卡管套在打捞器上，用手向下轻轻推动脱卡管，即可罩住打捞钩的尾部，并能使其头部张开(张开距离应大于内管总成的捞矛头直径)。(4)内外管总成的装配与调整 把内管总成装入外管总成时，应认真调整如下间隙：弹卡与弹卡挡头的顶面应保持一定间隙。根据钻具规格尺寸的不同，一般为34mm。此间隙过小，使弹卡不能自由地出入弹卡室，使钻具在钻进时不能定位，若间隙过大，则在钻进过程中就会增大卡簧座与钻头内台阶的间隙，影响岩矿心的采取率；卡簧座与钻头内台阶之间应保持最优间隙。根据钻进地层的不同，该间隙一般为24mm。在保证冲洗液正常循环的前提下，应尽量减小此间隙，以减少冲洗液对岩(矿)心的冲蚀，提高岩(矿)心采取率。内管总成应牢固地卡住在外管总成中，不能自弹卡档头端自由倒出。只有当使用打捞器时，才能顺利捞出。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。(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。(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。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。(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。结构见图 612。图 012 夹持器1偏心座；2键；3轴；4卡瓦；5开口销；6柱销；7垫圈；8连杆；9曲柄；10键；11夹持板；12底座；13螺母；14螺栓；15脚踏板；16安全销其工作原理如下：夹持钻杆时，两个偏心座具有椭圆面的重头部分，具有向下的作用力，从而推动卡瓦4把钻杆夹紧，又由于钻杆的自重作用，进一步带动卡瓦4和椭圆重头向下移动，夹紧钻杆，钻杆重量越大夹持越紧。需要松开时，在提升钻杆的同时，脚踩偏心座的脚踏板15，使偏心座椭圆重头部分以支点为中心，向上转动，并通过曲柄9、连杆8使另一个偏心座椭圆重头部分也以支点为中心向上转动，从而使两个偏心座1中心间隔增大，卡瓦4向两边移动，把夹紧的钻杆松开。夹持器的夹持能力为57t，夹持规格有43mm、53mm、63mm和72mm四种。(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613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 613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。图 013 球卡提引器1底座；2壳体；3卡瓦；4卡球；5卡套；6穿钉；7弹簧；8提梁；9螺钉；10拨销；11自锁板；12拨叉；13弹性轴销；14板手；15销钉图 014 手搓提引器1吊环；2开口销；3螺母；4垫片；5挡盖；6轴承；7联轴；8提引接头实践证明：这种提引器具有工作性能可靠，操作方便，减轻劳动强度等优点。提升能力：57t提升规格：5055mm的钻杆；4045mm的钻杆；6065mm的钻杆7075mm的钻杆。手搓提引器，如图 014所示。它是最简单的提引器，由8个零件组成，即吊环1、开口销2、螺母3、垫圈4、挡盖5、轴承6、联轴7和提引器接头8。此种提引器进行升降钻具是采用螺纹连接的方法，把外平的钻杆连接起来即可。其优点是工作可靠，制作简单。缺点是每次都需要人工拧卸，因而劳动强度大。(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。1、绳索取心钻杆的特点(1)钻杆壁内外平(或基本内外平)，以保证冲洗液的正常循环和使内管总成在钻杆柱内升降畅通无阻。(2)钻杆内径大、壁薄，这样不仅可以增大内管总成与钻杆柱间的环隙，加快内管总成和打捞器在钻杆柱内的升降速度，而且还可增大岩心直径，减小钻头壁厚，降低金刚石消耗。(3)钻杆直径大，外表面与孔壁间隙小。因此，钻杆(尤其是螺纹连接部分)应耐磨损。(4)绳索取心钻头壁厚(约比普通双管钻头厚20)，钻进时需要压力较大。这样，钻杆必然承受更大的压扭应力，这对钻杆的材质要求就高。(5)钻杆螺纹应具有一定强度，且不易变形(尤其是公螺纹)，以免影响内管总成和打捞器的升降。(6)钻杆平直度和同轴(心)度要符合要求。这一方面便于内管总成的打捞；另一方面可防止钻杆的偏磨。(7)因钻杆与孔壁间隙小，使冲洗液循环阻力大，为此，要求泵压高。故而要求钻杆具有较好的密封性能。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：43.54.75、534.5、55.54.75、715、875(注：前面的数字为直径，后面的数字为壁厚，单位均为mm)。钻杆的连接结构的基本形式有三种：(1)直接加工公母螺纹(见图 615) 在钻杆体两端直接加工公母