金刚石绳索取心钻探技术全解

金刚石取心钻探技术金刚石钻头、扩孔器金刚石绳索取心钻具金刚石钻进工艺金刚石绳索取心钻探技术绳索取心钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩心管后，不需提钻取岩心，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法。由于这种方法不需要将钻杆提升到孔外，所以极大地减少了起下钻具的时间。据统计，在金刚石岩心钻进过程中，升降钻具工序约占全部生产时间的30％～40％，而且机械化程度低，劳动强度大。为了增加纯钻进时间，提高钻进效率，采用绳索取心钻进是最有效的途径之一。绳索取心钻进的特点1、钻进效率高绳索取心钻头的壁厚比普通取心钻头厚，钻进时的机械钻速略低于普通钻头。但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比普通钻头高，且这种趋势随孔深的增大而增大。2、地质效果好绳索取心钻具具有打捞速度快，提升平稳以及岩心堵塞后能即时报警等特点。因此，当岩心堵塞时，便于立即处理，可以减少岩矿心的损耗。所以绳索取心钻进岩心采取率高，完整度和纯洁性好。3、钻头寿命长由于减少了提钻次数，因此钻头在升降过程中的拧卸、碰撞的机会及扫孔时的磨损减少。同时，钻杆与孔壁间隙小，钻头在孔内工作平稳，也可以提高钻头寿命。通常，绳索取心钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。4、有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作由于减少了提钻次数，因而缩短了孔壁的裸露时间，也减少了升降钻具时对孔壁的破坏。同时钻杆还可以起到套管的作用，有利于护壁，也使下放测斜仪器更加方便敏捷。5、减轻劳动强度由于起下钻具次数少，因此减轻了劳动强度。孔越深，钻具越长，这个优点越明显。6、降低钻探成本由于绳索取心钻进效率高、钻头管材以及动力消耗比较小，因此，钻进成本可大幅度下降。据有关资料统计，使用绳索取心钻进成本降低30％一40％。绳索取心钻进的应用范围绳索取心钻进方法已广泛应用于地质勘探、水文地质和工程勘察等多种钻进工程中。然而，在一个具体的工程中是否采取绳索取心，还必须考虑地层条件、钻孔深度、钻头寿命以及绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大等因素，以便综合权衡其使用的合理性。1、地质条件绳索取心钻进可用于钻进各种地层，在6～9级中硬岩层中效果最好。在目前的技术条件下，一般不宜钻进10～12级岩石，尤其是岩石的组织致密、颗粒细小无研磨性的极坚硬岩石，如石英闪长岩、石英砂砾岩、石英磁铁矿等，或研磨性很强的硬、脆、碎岩石。因为，钻进上述岩石时，钻头极易磨损，钻进效率极低，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。然而，绳索取心钻进与液动冲击器相配合，钻进此类地层有良好的前景。2、钻孔深度绳索取心一般可在浅孔(100～300m)和深孔中采用。通常，钻孔越深其经济技术效果越好。然而，绳索取心钻进的最大深度受钻杆强度的制约，应进行校核。3、钻头寿命采用绳索取心钻进，如果钻头寿命短，钻进过程中经常提钻更换钻头，那么便失去了采用绳索取心钻进的意义。金刚石取心钻具金刚石钻进工艺Diamonddrillingtechniques•合理选择金刚石钻头（Tochoosediamondbitproperly）•金刚石钻进规程参数（Diamonddrillingregime）•金刚石钻进的临界规程（Criticalconditionofdrilling）•合理选择金刚石钻头选用不当存在的问题：选用的一般原则：孕镶钻头：坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金刚石浓度高、胎体硬度大）；表镶钻头：硬度较低、完整岩层；PCD或PDC钻头：中硬及中硬以下岩石；从钻头唇面形状：岩石坚硬、致密、研磨性小者，应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面；钻裂隙的、软硬互层、研磨性的岩层，应用内外径补强、耐磨性好的半圆唇面；当钻进倾角大、易斜的岩层，应选用阶梯形或锥形唇面，以便钻头起导正作用。•金刚石钻进规程参数评定金刚石钻进规程的主要依据：钻速、钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标。（钻压）不同钻压下转速与钻速的关系表镶金刚石钻头的钻压PP=Gp（kgordN）式中G—钻头上的金刚石粒数；p—单位金刚石上允许的压力，Kg/粒。对细粒金刚石：p约1-1.5Kg/粒;对中粒:p约1-1.5Kg/粒;对粗粒金刚石:p约2-3Kg/粒;特优级金刚石:p约5Kg/粒;孕镶金刚石钻头的钻压P=Sp（kgordN）式中:S---钻头实际的工作唇面面积,cm2;p—单位底唇面积允许的压力，Kg/cm2。对中硬岩石,推荐:p约40-50Kg/cm2;对坚硬岩石或金刚石质量高者p约60-70Kg/cm2。直径类型36(36)46(46)59(56)(66)75(76)91表镶钻头初始压力50-10050-100100-200100-200100-200250常压200-400300-600400-750500-880600-1000800-1100孕镶钻头250-450400-700450-850500-1000600-1100800-1500不同金刚石钻头的比压具体确定钻压时，应分别对待:1、岩石性质：2、钻头类型：3、金刚石：4、克取岩石的面积：5、施加钻压的阶段性（磨合和正常钻进）6、有关孔内压力的传递问题（钻孔深度、冲洗液、转速对钻压的影响）•转速转速；影响金刚石钻进的另一个重要因素。在一定条件下，转速越快，钻速越高。转速与金刚石的磨损关系比较复杂。若其它条件正常，二者之间存在一个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量为最小。转速过大或过小，金刚石的磨损量都较小。通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕镶金刚石钻头的周速应达到1.5-3m/s。表镶钻头所用的金刚石粒度较大，在钻进中允许有较大的切入量。所以，要求的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大，在回转中容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般为1-2m/s。选择合理的转速还应考虑以下：1、岩层的性质，在中硬完整的岩层中钻进，可采用高转速；如果岩层破碎、裂隙发育、软硬不均、孔壁不稳、不均，宜采用低转速。2、钻孔的结构和深度，钻孔结构简单、环空间隙小，孔深不大，宜采用高转速；反之，应降低转速。3、机械设备、钻杆柱及钻具的能力。•冲洗液量冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数。一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q：Q=6sv（L/min),(6是由单位换算所产生的系数)式中：v不小于0.3-0.5m/s;s-钻孔的环空面积,cm2.由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小，冲洗液的流动阴力很大，所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的。另外，泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。试验表明：当转速为800r/min，钻头唇面压力为10Mpa时，钻头每转一圈，胎体温度升高1.73℃。所以钻进中若冲洗液停止循环1-2min，便可能造成烧钻的恶性事故。金刚石钻进存在正常规程和临界规程。在正常规程中，钻头胎体温度正常，功率消耗平稳，同时钻头磨损轻微；而在临界规程下，钻头胎体温升急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。1、胎体温度与钻压和转速的关系2、功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系3、胎体温度与冲洗液的关系4、钻头磨损与钻进规程的关系•金刚石钻进的临界规程转速r/min轴向压力（kg）1002003004005006007008009001000600601601901905607501007010059095070808062065067011809012064015005070120550金刚石（200-400微米）钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系钻进功率消耗(kw)与轴向压力和转速的关系转速r/min轴向压力（kg）10020030040050060070080090010006001.711.861.922.325.347501.801.862.045.679501.952.312.795.376.566.9111802.162.645.5215000.481.442.165.56用该钻头钻进花岗岩时,其最高钻速不得超过临界值37mm/min,否则将出现胎体温度剧增的严重后果。指标冲洗液泵量（L/min）152030胎体温度℃725640550钻进功率消耗kw5.675.225.13冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响钻头磨损与钻进规程的关系第二节绳索取心钻具一、对绳索取心钻具的技术要求1.当内管总成下到外管总成预定位置时，能即时发出到位信号，且内、外管之间的相对位置能够确定。在钻进过程中内管不上窜、下滑；内、外管之间能保证有良好的通水性。2.钻进过程中岩心充满内管时，能及时向地表发出堵塞信号。3.由于是双管结构，因此应保持内、外管的同心度，以便使岩心顺利进入内管。在提取岩心时能防止内管因受力过大而损坏。4.应保证打捞器顺利下入，并将内管总成安全抓提到地面。二、绳索取心钻具的规格和型号三、绳索取心钻具的结构和工作原理打捞机构1、绞链式矛头机构该机构由捞矛头、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180º，因在地表吊挂打捞器与内管总成卸岩心可在0～土90º内转动、变换位置，防止捞矛头从打捞器的捞钩中脱出。2、弹卡定位机构它是由弹卡挡头、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部位时，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壁上。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。3、悬挂机构4、到位报信机构该机构由复位簧12、阀体13、定位簧14、弹簧19、组成。调节螺堵20、阀堵39、调节圈等零件组成。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14内，弹簧处于正常状态，阀体在关闭位置，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，把冲洗液的通道完全堵塞，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，此时，泵压表的压力明显升高(约升高0.5—1.0MPa)，即表明内管总成已到达预定位置，可以开始扫孔钻进。由于定位弹簧的作用，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。根据钻孔深度的不同，通过调节螺堵20，可以改变弹簧的预紧力，以调节泵压的变化范围。5、岩心堵塞报警机构该机构由滑套25、轴26、蝶簧27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(矿)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，告诫操作者应停止钻进、捞取岩心。