| 标题 | 绳索取芯钻进工艺关键技术 |
| 范文 | 摘要：绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势【1】。经过在武汉后湖地区的断裂带钻探工作的实践表明，绳索取芯钻进满足断裂带钻探工作的要求，且能够较好完成断层钻探的技术要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 关键词：绳索取芯；断裂带；钻探 前言 地震是一种强烈破坏性地质灾害，特别是断层控制的构造地震，一旦发震，给人民生命财产带来危害。特别是在汶川地震、玉树地震发生后，国家加大对孕育构造地震的断层的研究，特别是深大的潜伏断裂带。横穿湖北省中部有一条重要的深大断裂，就是襄樊-广济断裂带【2】。该断裂带西至四川省，相接于城口断裂，东至安徽省，交汇于北北东向郯庐断裂带的南端，由郯庐断裂带、麻城-团风断裂带、襄樊-广济断裂带和近东西向桐柏-大别山北麓断裂带围限切割的大别断块隆起，是江淮之间中强震最频繁地区，其构造互动作用是控震-孕震的主要因素之一【3】。 为此由武汉地震工程研究院牵头，中国地质大学（武汉）工程学院项目工作人员在襄樊-广济断裂带武汉后湖地区进行了钻探工作。为了能够较为准确的研究该断裂带，必须保证良好的取芯率，为此本项目采用绳索取芯。 1绳索取芯 绳索取芯钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩芯管后，不需要提钻取芯，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中储存在岩心管中的岩心提升到孔外的取芯钻进方法【4】，这种方法具有机具结构简单、钻进效率高、岩芯质量好、岩芯浸泡时间最短、劳动强度低等特点，具有很大的推广应用价值。 （1）绳索取芯钻具 绳索取芯钻具结构有两部分组成，分别是绳索取芯双层岩心管和打捞器，双层岩心管部分包括外管总成和内管总成，绳索取芯钻具见图1。 图1 绳索取芯钻具 本工程中使用的使用的绳索取心钻具型号为Φ95mm，具体规格见下表 表1 钻具规格 钻头 扩孔器外径/mm 内岩心管 外岩心管 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 95.5 63 16.25 96 73 67 3 89 79 5 （2）工作原理 在钻孔内钻进时，绳索取芯钻具的外管和钻头一起同钻速钻进，而内管保持不转动，在绳索取芯的时候，先将打捞器固定在主卷扬上，然后把打捞器下入到钻孔内，与外管内径结合，最后提出打捞器，同时带出内管和岩芯，取出岩芯后，再用主卷扬或者副卷扬把内管放入外管内径放到孔底。 2绳索取芯关键技术 2.1钻探设备选择 设备的选择原则主要考虑一是要满足断层探测孔钻进能力要求；二是根据经费投入尽量选先进设备，以保证断层探测孔的质量；三是要满足断层探层孔的技术要求。 2.1.1钻机 本项目在综合考虑以上原则之后选用较为先进的全液压CSD1300L型岩心钻机。该钻机采用全液压动力，履带式底盘，能够自由行走，最大钻进深度1300m，满足本工程钻探孔施工的各项技术要求。详细的钻机性能见表2。 表2 CSD1300L型岩心钻机性能表 动力头最大扭矩 4257Nm 主卷扬最大提升力 68kN 最大通孔直径 117mm 提升速度 28m/min 转速 0-1182r/min 副卷扬最大提升力 11kN 给进行程 3500mm 提升速度 120m/min 最大给进力 50kN 柴油机型号 CumminsGBTA5.9 最大起拔力 127kN 功率 132KW@2500r/min 钻进角度 45°- 90° 外形尺寸 5100*2350*2600mm 行走速度 2km/h 钻机质量 8500kg 2.1.2泥浆泵 选择厂家配套在CSD1300L型岩心钻机上的泥浆泵，性能稳定，能满足断层探测孔的钻进要求。 2.2钻头 钻进的重要工具和先决条件是钻头，特别是对于绳索取芯钻进来说，钻头的质量的要求更加严格。钻头的寿命是钻头选择的重要参考参数，如果在钻进过程中经常需要更换钻头，那么绳索取芯钻进也就没有意思了。为保证钻头的寿命必须从以下两个方面把握： 一是钻头的加工质量。由于有较多的金刚石钻头的制作方法和工艺复杂质量指标多，所以必须严格按照制作方法进行制作并且严格控制各项指标在误差允许中。对于达不到要求的钻头，一律不使用。 二是选择适合的钻头。为了能够较好地完成任务，选择时必须依据项目的地层情况、设备配套条件和工艺水平来选择金刚石钻头。 本项目根据场区地层条件及钻探技术要求，选用适应强风化及中风化砂岩地层钻进的金刚石复合片钻头。 2.3泥浆 绳索取芯钻进系统有较小的钻具与井壁的外环空间隙和钻杆内壁与内管或打捞器的内环间隙，且高速转动，都容易能使钻杆内壁结泥垢，缩小了钻杆内径，打捞和内管总成的升降就比较困难，进而导致捞取岩心困难甚至失败【5】。泥垢往往出现在靠近孔口2～4根立根处，其厚度由上至下逐渐变薄。为了较好的完成研究任务，在配制泥浆时，主要采取了以下措施：一是减少固相在泥浆中的含量；二是更加充分的搅拌固相与液相。 3绳索取芯技术成果 在物探综合分析的结果上，分别在断裂带的上下两盘进行钻进工作。为了能更好地了解绳索取芯技术的优势，在断裂带上盘的1号孔的钻进使用绳索取芯，下盘的2号孔的钻进使用普通硬质合金钻进。通过对比，说明绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势。 （1）地质效果好 具有双管单动钻进，岩芯堵塞报信机构是绳索取芯钻进的优点，它比硬质合金钻进时岩芯采取率高，并且采取出来的岩石完整性很好，且具有良好的纯洁性。1号孔的岩芯采取率高达89%，且岩芯较完整，地质代表性较好。而2号孔的采取率为78%，岩芯较破碎。 （2）钻进效率高 当绳索取芯钻进采取岩芯的时候，只需要用打捞器打捞出内管，这样就可以大幅度减少升降钻具的次数和时间，1号孔进尺110m，扣除人为原因等非正常上提钻因素外，只提钻4次，平均每27.5m才提钻一次，增加了纯钻进时间，比2号孔提前10天完成，提高了钻进效率。 （3）减少了孔内事故 绳索取芯钻具和孔壁之间的间隙小，减弱了钻杆对孔壁的扰动程度，同时，由于提升钻具的次数少，减少了泥浆的抽吸作用，减少了钻孔事故的发生。特别是在断裂带这种破碎地层，减少提钻次数显得尤为重要。1号孔除操作不当引起的孔内事故外，无其他事故发生。 4总结 断裂带的钻探工作有自己独有的特点，煤炭等钻探行业的技术、设备相对先进很多，但由于要求不同，工作环境不同，勘探要达到的目的也不同，在其他领域运用很好地钻探技术、设备不一定能有效的运用到断裂带的钻探工作中来。经实践检验绳索取心钻进技术在断裂带的钻探工作中取得了良好的钻进效果。特别是能够较好完成断层钻探的岩芯采取率要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 参考文献 [1]汤风林.岩芯钻探学[M].湖北武汉：中国地质人学出版社，1997. [2]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京：地质出版社，1990. [3]陈磷.襄樊一广济断裂湖北段构造特征研究[J].石油实验地质，2009，31（2）：186-191. [4]张吉路.绳索取心钻进工艺在山西吉县煤层气参数井的应用[J].中国煤炭地质，2010，22（增）：134-137. [5]汤松然.绳索取芯钻探冲洗液[J].北京：地矿部探矿工程所，1990. 作者简介：孙超杰，男，1990年4月出生，中国地质大学（武汉）在读研究生，研究方向为地质工程。 摘要：绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势【1】。经过在武汉后湖地区的断裂带钻探工作的实践表明，绳索取芯钻进满足断裂带钻探工作的要求，且能够较好完成断层钻探的技术要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 关键词：绳索取芯；断裂带；钻探 前言 地震是一种强烈破坏性地质灾害，特别是断层控制的构造地震，一旦发震，给人民生命财产带来危害。特别是在汶川地震、玉树地震发生后，国家加大对孕育构造地震的断层的研究，特别是深大的潜伏断裂带。横穿湖北省中部有一条重要的深大断裂，就是襄樊-广济断裂带【2】。该断裂带西至四川省，相接于城口断裂，东至安徽省，交汇于北北东向郯庐断裂带的南端，由郯庐断裂带、麻城-团风断裂带、襄樊-广济断裂带和近东西向桐柏-大别山北麓断裂带围限切割的大别断块隆起，是江淮之间中强震最频繁地区，其构造互动作用是控震-孕震的主要因素之一【3】。 为此由武汉地震工程研究院牵头，中国地质大学（武汉）工程学院项目工作人员在襄樊-广济断裂带武汉后湖地区进行了钻探工作。为了能够较为准确的研究该断裂带，必须保证良好的取芯率，为此本项目采用绳索取芯。 1绳索取芯 绳索取芯钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩芯管后，不需要提钻取芯，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中储存在岩心管中的岩心提升到孔外的取芯钻进方法【4】，这种方法具有机具结构简单、钻进效率高、岩芯质量好、岩芯浸泡时间最短、劳动强度低等特点，具有很大的推广应用价值。 （1）绳索取芯钻具 绳索取芯钻具结构有两部分组成，分别是绳索取芯双层岩心管和打捞器，双层岩心管部分包括外管总成和内管总成，绳索取芯钻具见图1。 图1 绳索取芯钻具 本工程中使用的使用的绳索取心钻具型号为Φ95mm，具体规格见下表 表1 钻具规格 钻头 扩孔器外径/mm 内岩心管 外岩心管 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 95.5 63 16.25 96 73 67 3 89 79 5 （2）工作原理 在钻孔内钻进时，绳索取芯钻具的外管和钻头一起同钻速钻进，而内管保持不转动，在绳索取芯的时候，先将打捞器固定在主卷扬上，然后把打捞器下入到钻孔内，与外管内径结合，最后提出打捞器，同时带出内管和岩芯，取出岩芯后，再用主卷扬或者副卷扬把内管放入外管内径放到孔底。 2绳索取芯关键技术 2.1钻探设备选择 设备的选择原则主要考虑一是要满足断层探测孔钻进能力要求；二是根据经费投入尽量选先进设备，以保证断层探测孔的质量；三是要满足断层探层孔的技术要求。 2.1.1钻机 本项目在综合考虑以上原则之后选用较为先进的全液压CSD1300L型岩心钻机。该钻机采用全液压动力，履带式底盘，能够自由行走，最大钻进深度1300m，满足本工程钻探孔施工的各项技术要求。详细的钻机性能见表2。 表2 CSD1300L型岩心钻机性能表 动力头最大扭矩 4257Nm 主卷扬最大提升力 68kN 最大通孔直径 117mm 提升速度 28m/min 转速 0-1182r/min 副卷扬最大提升力 11kN 给进行程 3500mm 提升速度 120m/min 最大给进力 50kN 柴油机型号 CumminsGBTA5.9 最大起拔力 127kN 功率 132KW@2500r/min 钻进角度 45°- 90° 外形尺寸 5100*2350*2600mm 行走速度 2km/h 钻机质量 8500kg 2.1.2泥浆泵 选择厂家配套在CSD1300L型岩心钻机上的泥浆泵，性能稳定，能满足断层探测孔的钻进要求。 2.2钻头 钻进的重要工具和先决条件是钻头，特别是对于绳索取芯钻进来说，钻头的质量的要求更加严格。钻头的寿命是钻头选择的重要参考参数，如果在钻进过程中经常需要更换钻头，那么绳索取芯钻进也就没有意思了。为保证钻头的寿命必须从以下两个方面把握： 一是钻头的加工质量。由于有较多的金刚石钻头的制作方法和工艺复杂质量指标多，所以必须严格按照制作方法进行制作并且严格控制各项指标在误差允许中。对于达不到要求的钻头，一律不使用。 二是选择适合的钻头。为了能够较好地完成任务，选择时必须依据项目的地层情况、设备配套条件和工艺水平来选择金刚石钻头。 本项目根据场区地层条件及钻探技术要求，选用适应强风化及中风化砂岩地层钻进的金刚石复合片钻头。 2.3泥浆 绳索取芯钻进系统有较小的钻具与井壁的外环空间隙和钻杆内壁与内管或打捞器的内环间隙，且高速转动，都容易能使钻杆内壁结泥垢，缩小了钻杆内径，打捞和内管总成的升降就比较困难，进而导致捞取岩心困难甚至失败【5】。泥垢往往出现在靠近孔口2～4根立根处，其厚度由上至下逐渐变薄。为了较好的完成研究任务，在配制泥浆时，主要采取了以下措施：一是减少固相在泥浆中的含量；二是更加充分的搅拌固相与液相。 3绳索取芯技术成果 在物探综合分析的结果上，分别在断裂带的上下两盘进行钻进工作。为了能更好地了解绳索取芯技术的优势，在断裂带上盘的1号孔的钻进使用绳索取芯，下盘的2号孔的钻进使用普通硬质合金钻进。通过对比，说明绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势。 （1）地质效果好 具有双管单动钻进，岩芯堵塞报信机构是绳索取芯钻进的优点，它比硬质合金钻进时岩芯采取率高，并且采取出来的岩石完整性很好，且具有良好的纯洁性。1号孔的岩芯采取率高达89%，且岩芯较完整，地质代表性较好。而2号孔的采取率为78%，岩芯较破碎。 （2）钻进效率高 当绳索取芯钻进采取岩芯的时候，只需要用打捞器打捞出内管，这样就可以大幅度减少升降钻具的次数和时间，1号孔进尺110m，扣除人为原因等非正常上提钻因素外，只提钻4次，平均每27.5m才提钻一次，增加了纯钻进时间，比2号孔提前10天完成，提高了钻进效率。 （3）减少了孔内事故 绳索取芯钻具和孔壁之间的间隙小，减弱了钻杆对孔壁的扰动程度，同时，由于提升钻具的次数少，减少了泥浆的抽吸作用，减少了钻孔事故的发生。特别是在断裂带这种破碎地层，减少提钻次数显得尤为重要。1号孔除操作不当引起的孔内事故外，无其他事故发生。 4总结 断裂带的钻探工作有自己独有的特点，煤炭等钻探行业的技术、设备相对先进很多，但由于要求不同，工作环境不同，勘探要达到的目的也不同，在其他领域运用很好地钻探技术、设备不一定能有效的运用到断裂带的钻探工作中来。经实践检验绳索取心钻进技术在断裂带的钻探工作中取得了良好的钻进效果。特别是能够较好完成断层钻探的岩芯采取率要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 参考文献 [1]汤风林.岩芯钻探学[M].湖北武汉：中国地质人学出版社，1997. [2]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京：地质出版社，1990. [3]陈磷.襄樊一广济断裂湖北段构造特征研究[J].石油实验地质，2009，31（2）：186-191. [4]张吉路.绳索取心钻进工艺在山西吉县煤层气参数井的应用[J].中国煤炭地质，2010，22（增）：134-137. [5]汤松然.绳索取芯钻探冲洗液[J].北京：地矿部探矿工程所，1990. 作者简介：孙超杰，男，1990年4月出生，中国地质大学（武汉）在读研究生，研究方向为地质工程。 摘要：绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势【1】。经过在武汉后湖地区的断裂带钻探工作的实践表明，绳索取芯钻进满足断裂带钻探工作的要求，且能够较好完成断层钻探的技术要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 关键词：绳索取芯；断裂带；钻探 前言 地震是一种强烈破坏性地质灾害，特别是断层控制的构造地震，一旦发震，给人民生命财产带来危害。特别是在汶川地震、玉树地震发生后，国家加大对孕育构造地震的断层的研究，特别是深大的潜伏断裂带。横穿湖北省中部有一条重要的深大断裂，就是襄樊-广济断裂带【2】。该断裂带西至四川省，相接于城口断裂，东至安徽省，交汇于北北东向郯庐断裂带的南端，由郯庐断裂带、麻城-团风断裂带、襄樊-广济断裂带和近东西向桐柏-大别山北麓断裂带围限切割的大别断块隆起，是江淮之间中强震最频繁地区，其构造互动作用是控震-孕震的主要因素之一【3】。 为此由武汉地震工程研究院牵头，中国地质大学（武汉）工程学院项目工作人员在襄樊-广济断裂带武汉后湖地区进行了钻探工作。为了能够较为准确的研究该断裂带，必须保证良好的取芯率，为此本项目采用绳索取芯。 1绳索取芯 绳索取芯钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩芯管后，不需要提钻取芯，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中储存在岩心管中的岩心提升到孔外的取芯钻进方法【4】，这种方法具有机具结构简单、钻进效率高、岩芯质量好、岩芯浸泡时间最短、劳动强度低等特点，具有很大的推广应用价值。 （1）绳索取芯钻具 绳索取芯钻具结构有两部分组成，分别是绳索取芯双层岩心管和打捞器，双层岩心管部分包括外管总成和内管总成，绳索取芯钻具见图1。 图1 绳索取芯钻具 本工程中使用的使用的绳索取心钻具型号为Φ95mm，具体规格见下表 表1 钻具规格 钻头 扩孔器外径/mm 内岩心管 外岩心管 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 外径/mm 内径/mm 壁厚/mm 95.5 63 16.25 96 73 67 3 89 79 5 （2）工作原理 在钻孔内钻进时，绳索取芯钻具的外管和钻头一起同钻速钻进，而内管保持不转动，在绳索取芯的时候，先将打捞器固定在主卷扬上，然后把打捞器下入到钻孔内，与外管内径结合，最后提出打捞器，同时带出内管和岩芯，取出岩芯后，再用主卷扬或者副卷扬把内管放入外管内径放到孔底。 2绳索取芯关键技术 2.1钻探设备选择 设备的选择原则主要考虑一是要满足断层探测孔钻进能力要求；二是根据经费投入尽量选先进设备，以保证断层探测孔的质量；三是要满足断层探层孔的技术要求。 2.1.1钻机 本项目在综合考虑以上原则之后选用较为先进的全液压CSD1300L型岩心钻机。该钻机采用全液压动力，履带式底盘，能够自由行走，最大钻进深度1300m，满足本工程钻探孔施工的各项技术要求。详细的钻机性能见表2。 表2 CSD1300L型岩心钻机性能表 动力头最大扭矩 4257Nm 主卷扬最大提升力 68kN 最大通孔直径 117mm 提升速度 28m/min 转速 0-1182r/min 副卷扬最大提升力 11kN 给进行程 3500mm 提升速度 120m/min 最大给进力 50kN 柴油机型号 CumminsGBTA5.9 最大起拔力 127kN 功率 132KW@2500r/min 钻进角度 45°- 90° 外形尺寸 5100*2350*2600mm 行走速度 2km/h 钻机质量 8500kg 2.1.2泥浆泵 选择厂家配套在CSD1300L型岩心钻机上的泥浆泵，性能稳定，能满足断层探测孔的钻进要求。 2.2钻头 钻进的重要工具和先决条件是钻头，特别是对于绳索取芯钻进来说，钻头的质量的要求更加严格。钻头的寿命是钻头选择的重要参考参数，如果在钻进过程中经常需要更换钻头，那么绳索取芯钻进也就没有意思了。为保证钻头的寿命必须从以下两个方面把握： 一是钻头的加工质量。由于有较多的金刚石钻头的制作方法和工艺复杂质量指标多，所以必须严格按照制作方法进行制作并且严格控制各项指标在误差允许中。对于达不到要求的钻头，一律不使用。 二是选择适合的钻头。为了能够较好地完成任务，选择时必须依据项目的地层情况、设备配套条件和工艺水平来选择金刚石钻头。 本项目根据场区地层条件及钻探技术要求，选用适应强风化及中风化砂岩地层钻进的金刚石复合片钻头。 2.3泥浆 绳索取芯钻进系统有较小的钻具与井壁的外环空间隙和钻杆内壁与内管或打捞器的内环间隙，且高速转动，都容易能使钻杆内壁结泥垢，缩小了钻杆内径，打捞和内管总成的升降就比较困难，进而导致捞取岩心困难甚至失败【5】。泥垢往往出现在靠近孔口2～4根立根处，其厚度由上至下逐渐变薄。为了较好的完成研究任务，在配制泥浆时，主要采取了以下措施：一是减少固相在泥浆中的含量；二是更加充分的搅拌固相与液相。 3绳索取芯技术成果 在物探综合分析的结果上，分别在断裂带的上下两盘进行钻进工作。为了能更好地了解绳索取芯技术的优势，在断裂带上盘的1号孔的钻进使用绳索取芯，下盘的2号孔的钻进使用普通硬质合金钻进。通过对比，说明绳索取芯具有地质效果好，钻进效率高，孔内事故少等优势。 （1）地质效果好 具有双管单动钻进，岩芯堵塞报信机构是绳索取芯钻进的优点，它比硬质合金钻进时岩芯采取率高，并且采取出来的岩石完整性很好，且具有良好的纯洁性。1号孔的岩芯采取率高达89%，且岩芯较完整，地质代表性较好。而2号孔的采取率为78%，岩芯较破碎。 （2）钻进效率高 当绳索取芯钻进采取岩芯的时候，只需要用打捞器打捞出内管，这样就可以大幅度减少升降钻具的次数和时间，1号孔进尺110m，扣除人为原因等非正常上提钻因素外，只提钻4次，平均每27.5m才提钻一次，增加了纯钻进时间，比2号孔提前10天完成，提高了钻进效率。 （3）减少了孔内事故 绳索取芯钻具和孔壁之间的间隙小，减弱了钻杆对孔壁的扰动程度，同时，由于提升钻具的次数少，减少了泥浆的抽吸作用，减少了钻孔事故的发生。特别是在断裂带这种破碎地层，减少提钻次数显得尤为重要。1号孔除操作不当引起的孔内事故外，无其他事故发生。 4总结 断裂带的钻探工作有自己独有的特点，煤炭等钻探行业的技术、设备相对先进很多，但由于要求不同，工作环境不同，勘探要达到的目的也不同，在其他领域运用很好地钻探技术、设备不一定能有效的运用到断裂带的钻探工作中来。经实践检验绳索取心钻进技术在断裂带的钻探工作中取得了良好的钻进效果。特别是能够较好完成断层钻探的岩芯采取率要求，具有很强的优越性，可以在断裂带的钻探工作中推广。 参考文献 [1]汤风林.岩芯钻探学[M].湖北武汉：中国地质人学出版社，1997. [2]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京：地质出版社，1990. [3]陈磷.襄樊一广济断裂湖北段构造特征研究[J].石油实验地质，2009，31（2）：186-191. [4]张吉路.绳索取心钻进工艺在山西吉县煤层气参数井的应用[J].中国煤炭地质，2010，22（增）：134-137. [5]汤松然.绳索取芯钻探冲洗液[J].北京：地矿部探矿工程所，1990. 作者简介：孙超杰，男，1990年4月出生，中国地质大学（武汉）在读研究生，研究方向为地质工程。 |
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