提高绳索取心钻探质量方面的探讨

提高绳索取心钻探质量方面的探讨

陈波

单位：中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队

摘要：绳索取心是一项功能相对全面的钻探技术。事实证明，该项技术不仅能够很快的完成工程项目，而且相比普通的钻探技术而言，还具有投入少和效率较高的优势。也正是由于这一优点，我国的钻探工程一半以上采用绳索取心钻探技术。文章根据作者多年来使用绳索取心钻探技术的一些心得体会，结合同行业中使用该技术比较完善先进的一些经验，主要从提高绳索取心钻探质量以及提高效率等方面进行总结归纳，以此对以后的工作作为指导。

关键词：绳索取心钻探工程技术质量

一引言

随着我国经济最近三十年突飞猛进的发展，各行各业在各种资源的使用需求方面大幅度增长。在资源勘探勘查方面，地质岩心钻探作为最直接且使用最广泛的手段，其中绳索取心钻探技术越来越普遍，为国民经济的发展发挥了不可或缺的作用。特别是最近二十年来，在破碎松散等复杂地层的地质岩心钻探中，绳索取心钻探技术得到广泛使用。因为在破碎松散等复杂地层钻探，经常性遇到岩心取心率低、取心困难及回次进尺比较短等问题，无法满足地质勘查需要，成为制约发展钻探技术及提高钻探质量的瓶颈。使用绳索取心技术，提高了岩心取心质量和采心率，大大提高了钻探效率和经济效益，而且钻孔稳定性提高，钻孔斜度降低，钻探事故率以及钻孔报废率均大幅度降低。因为绳索取心钻探不同于以往的钻探工艺，需要每个回次起下钻具，耗费许多时间在辅助工序上，绳索取心靠绳索快速的起下钻具，把大部分时间用在孔底钻探上，这样大幅度提高工作效率和经济效益，同时因不用频繁起下钻具，减少了钻具、钻井液对钻孔孔壁的抽吸等破坏，提高了钻孔的稳定性和钻孔的孔直度。

二绳索取心钻探概述

绳索取心钻探是在不起钻的情况下，用细钢丝绳把内管总成里面的岩心迅速拉出地面，同时投下另外一套内管开始钻进，从而实现连续不间断钻探作业。因为该技术减少起下钻次数和升降钻具的辅助时间，提高钻进效率，其特点是“三高一低”，即钻进速度高、金刚石钻头使用寿命高、时间利用率高、工人劳动强度低。

绳索取心一直是钻探行业广泛使用非常有效的一种方法，自1940年问世以来在全世界受到广泛欢迎，我国在1971年引进该技术。目前在各行各业使用，包括石油天然气行业；超深矿层方面，可以达到3000---5000米深度，而且孔越深，钻探效率提高越明显，现在世界绳索取心最高深度已经达到6218米（2012年）；水文与水井钻探；土木工程地质钻探；金属和非金属矿层，特别是钻探煤气层，因为用常规起钻杆方法取样，煤气层岩心容易散逸，而且长时间在钻井液浸泡，严重影响地质勘查取样的需要，所以现在钻探煤气层要求全部使用绳索取心技术。

其钻具分为单动双层岩心管与打捞器两部分。双层岩心管又分为外管总成和内管总成。外管总成由弹卡挡头、稳定接头、弹卡短接、金刚石扩孔器和金刚石钻头组成。内管总成包括：捞矛、单动结构、弹卡结构、半合管以及调节结构、卡取岩心缓冲结构等部分组成。内管总成靠自身重力投放，为了加快下降速度，可借助于水泵压力推送。弹卡结构主要由弹卡架、弹卡、弹簧等部件组成，其作用是当内管坐到外管中时，弹卡借助于弹簧张力张开，贴在弹卡室内壁上，使钻具实现定位，缓冲结构由弹簧、锁母、开口销组成，当拉断岩心时起保护内管的作用，单动结构由两副推动轴承实现。调节结构通过下轴锁母调整，使卡簧座端部与钻头内台阶间隙达到要求。

打捞器由捞矛头、重锤、安全绳及回收套组成，取心时，打捞器在钻杆内下到内管总成上部，打捞钩抓住捞矛，向上提升打捞器，回收卡筒上提，并向内压缩弹卡，使弹卡收拢，这样内管总成和外管脱离，从而把内管总成提上来。重锤的作用是加速打捞器下降速度，以节省打捞时间。安全绳是一段细索，当内管因某种原因被卡死而提不上来时，可以强力拉断安全绳，再提钻处理。

绳索取心钻具有些新型钻具增设了悬挂结构、岩心堵塞报信结构、内管到底报信结构、内外管扶正结构、安全脱卡结构等。进行绳索取心钻探，还必须配置专业的绳索取心钻杆、打捞绞车、孔口夹持器、提引器等辅助设备和工具。

三提高绳索取心钻探施工质量

1概述

绳索取心钻探质量方面主要包括以下内容：（1）岩心采取率；（2）岩心完整度，特别是涉及有些领域的岩心，如煤气层、石油等，相关气液的流失散逸不能太高；（3）钻孔弯曲度；（4）钻孔报废率；（5）钻孔孔壁的稳定性；（6）钻探进尺深度；（7）孔深误差。

为了充分发辉绳索取心钻探的优势，需根据地质结构情况以及钻探设备钻具等情况，合理科学有效的选择金刚石钻头，在钻头的大小、出刃、间隙及制作工艺方面，一切为了保障钻探质量，提高钻探效率等方面考虑。特别是一些松散破碎等复杂地层，可以考虑孔底循环及冲击回转钻进工艺，那样可有效遏制复杂地层带来的取心困难、钻进慢以及孔壁不稳定等因素。

在内管总成的提取打捞方面，为了提高岩心采取率，满足地质勘查的需要，一定要注意上拉提取的速度和时间，提取过程要做到稳、准、平，不要急快急慢，甚至突然停止。一般在提取的开始和结束，要做到慢与稳，在中途要适当快一些，减少岩心在钻井液里面浸泡消散的时间，一般采用0---3m/s速度。

内管总成提上以后，一定要检查内管各部分构件是否松动，是否有间隙等，一定加强绳索取心钻具的维护和保养，特别是钻具使用一定时间以后，均存在结垢问题，要及时检查、清洗、调试。

采用绳索取心钻探，需科学设计钻孔结构，合理配置与钻孔大小匹配的套管，选择护壁效果较好的钻井液，同时在钻进过程中，轻放轻拉钻具，防止钻井液的波动压力对钻孔质量造成影响。

每个单位在开展绳索取心钻探工作中，要不断的总结技术，根据不同的设备钻具、不同的岩层，采用不同的钻探参数，在逐渐的摸索提高过程中，充分发辉绳索取心钻探的优势，提高钻探质量，并不断提高社会经济效益，要多向其他单位学习先进的经验，相互探讨，共同摸索。

2绳索取心钻探基本流程

在开始钻进前做好准备工作，固定好人工绞车，方便操作，钢丝绳采用9毫米细绳，长度一般按孔深2---3倍准备，在塔架上安装滑轮，用卡绳器将钢丝绳与打捞器连接，保证转动灵活。

钻具内外管在使用前检查是否稳固灵活，调整内外管之间间隙。钻孔及钻孔底要保持干净，不定期用钻进液冲洗。特别是内管总成及外管总成的泥垢一定要及时有效的清洗，否则会影响岩心打捞成功，容易受阻。

钻孔钻进前，将内管总成从钻杆内投入，可开泵冲送，如果泵压升高，说明内管已到达相应的卡座位置，在刚开始使用绳索取心技术时，按稳妥谨慎原则，也可以用打捞器将内管总成送到相应位置，然后投放释放套将打捞器与矛头分开。

各方面工作准备完毕，才可以下放钻具开始钻进，一般采用5---20KN钻压，逐渐加大转速，内管不转动，钻头切取的岩心进入内管。

钻完进尺后，停泵，上提钻杆，岩心卡簧上行收紧抱住岩心并卡断，同时内管的岩心导向筒下滑，其弹簧片弹出封住岩心，避免岩心脱落，从而提高采心率和完整度。

打捞时根据小钢丝绳的张紧情况判断打捞是否成功，打捞到地面以后，水平摆放内管，卸开内管总成的螺纹，然后打开半合管，开始采取岩心。

如有备用内管总成，提上内管后可投入另外一套内管，这样就实现了连续取心作业，大幅度提高钻探效率。

3绳索取心钻探质量保证要点

为了保证钻探质量，有效开展绳索取心技术，在以下几方面工艺注意：

（1）每个钻探进尺不要太长，防止打长钻打懒人钻，一般控制在0.5---1米合适，因为随着进尺的加深，岩心在内管有自磨损，同时也增加了岩心进入钻具的阻力，从而影响采心率；

（2）需先施加钻压，然后开动钻机施加转速；

（3）一般选择小参数钻进工艺，包括小转速、小钻压、小泵量和小泵压。正常钻进后，采用5---20KN压力，100---500转/分，泵量采用10---100升/分，泵压1---5MPa；

（4）钻井液的浓度不要太高，甚至在较好地层直接用清水钻进，这样可以很好的保护内外管钻具，并保障岩心打捞成功率；

（5）合理确定内管长度。选择长的内管可以减少捞取岩心的次数，增加纯钻进时间，提高钻进效率。但内管越长越容易弯曲，下放也越困难。通常，钻进中硬完整岩层时，内管长度以2.8米为宜，钻进较完整松软岩层时，内管可加长到4.3米、7米甚至10米；钻进松软破碎、易溶等难以取心的地层及易斜地层时，内管长度适当减少。

（6）准确掌握开始扫孔钻进的时间。内管总成投放到预定位置以后，才能够开始扫孔钻进，如果在内管还没有到达相应位置就扫孔，那么岩心则就过早进入外管里面，造成单管钻进，这样不仅取不上岩心，而且造成内管总成的磨损。

（7）岩心堵塞应该立即提钻。如果在钻进过程中发现岩心堵塞，应该立即提钻处理，而不应该上下提动钻具，强行加大钻压，继续钻进，这样会造成内管外管钻具磨损，甚至造成事故。

（8）提升钻具及打捞内管时，应该及时向孔内回灌一定数量的钻进液，这样避免因为钻杆内外的液面压力差冲刷孔壁，造成孔壁坍塌。

（9）提钻时，先打捞出内管总成以加大钻进液的流通断面积，减少钻进液的抽吸和压力对孔壁的破坏影响，下钻时应该先下外管后下内管，这样以减少对孔壁的破坏，以利于孔壁的稳定性。

（10）应该合理控制起下钻的速度，以减少对孔壁的破坏影响，特别是松散破碎地层，更应该减少起下钻速度。

4提高绳索取心钻探质量的技术要点

（1）技术人员和工人必须要经过培训，掌握技术要点，有条件的到其他施工现场观摩学习；

（2）购置专业的绳索取心钻杆，其强度、壁厚等均能够满足要求；

（3）性能良好的钻机和泥浆泵；

（4）专业的绳索取心钻具，包括内管总成、外管总成及打捞器等，符合GB/T16951《金刚石绳索取心钻探钻具设备》标准；

（5）配置优质具有护壁、润滑、堵漏等功能的钻井液，一般要求粘度低、相对密度不大、沉沙快速、流动性不差以及防坍塌性。钻井液选用的种类很多，一般选用聚丙烯酰胺、不分散低固相冲洗液、低粘增效粉泥浆、天然植物胶溶液、生物聚合物溶液。选用时可以结合经验决定。根据绳索取心金刚石钻进环状孔隙较小，泵压大及转速高的特点，优先考虑实用、护壁功能的无固相泥浆。因为聚丙烯酰胺具有较强凝结岩屑的效果，而且具有很强的润滑性能。用700---1200PPM的钻井液，在垮塌漏失等复杂地层，上部采用套管跟进，深部加入堵漏剂和防塌剂，堵漏剂采用锯末、海带等惰性材料，防塌剂采用植物胶等，它不仅大大增强钻井液的防塌效果，且具有堵漏、防失水等效果，植物胶加量一般为0.4---0.9%；

绳索取心钻进使用泥浆时，往往在靠孔口附近的钻杆内壁上面形成一层密实的泥皮，这会影响内管的打捞成功率，一般是因为泥浆的净化工作差以及固体含量加大的原因，由于钻杆的转速高产生离心力，将固体泥浆颗粒附着在钻杆上面。有以下预防方法控制：①采用机械方式搅拌，使泥土与添加剂混合均匀。②加长泥浆池的长度，一般不小于2米，沉淀池一般不少于2个并及时的清理更换泥浆。③采用专业的除沙器净化泥浆。

（6）提高绳索取心钻探质量，选择好的金刚石钻头非常关键，不仅能够钻进硬岩层，也能够用于软岩层，根据地层的硬度、强度、刚度、脆性等选择钻头的唇面形状和胎体硬度。钻头唇面有利于增加破碎面，能够充分破碎岩石，增加效率。选择胎体硬度一般根据岩层研磨性、硬度决定，岩石硬度越大，胎体硬度越大，以保证金刚石能够正常出刃。在打滑坚硬地层，可采用粒状钻头，这种钻头可以靠增加钻压提高切入岩石深度，在破碎地层钻探采用平底型钻头，它充分与孔底接触，提高钻探的稳定性。

在一些软岩层钻探，可以采用锥底宽唇金刚石钻头、胎体刮刀钻头、异形钻头以及锯齿状同心圆钻头等。为了提高绳索取心钻探质量，一般要加大金刚石钻头的进出水口，保证钻杆内钻杆外的正常钻进液循环，这样不仅及时冲洗带走岩心尘渣利于钻探，而且给钻头充分散热，提高钻头寿命。同时在日常的工作中，要注意对钻头进行维护保养，并对每个钻头建立台账卡片管理，在不同的地层，在同一钻孔不同的深度采用不同的钻头，充分提高绳索取心钻探质量和效率；

（7）钻孔结构设计方面：对于完好岩层可以采用两层结构，下套管隔离覆土层，然后一径到底，对于破碎复杂地层或者较深的钻孔，需采用3---5级结构。不管采用哪种结构，套管与钻杆的间隙不能够过大，否则容易折断钻杆；

（8）钻具总成和打捞器的维护保养

①每回次需检查弹卡磨损情况和弹簧是否变形，弹卡处于张开状态时，两翼最大间距应比弹卡挡头内径大1.5毫米；

②单动轴承应定期注入黄油，发现不灵活，需要拆开检查，彻底清洗；

③每次提钻检查弹卡挡头拨叉、悬挂环和座环，不符要求则修复或者更换；

④每次打捞岩心前，检查打捞钩头部和尾部弹簧，打捞钩头部严重磨损和尾部弹簧变形及时更换；

（9）金刚石钻头、扩孔器在使用中的技术要领

①金刚石钻头需排号使用，因为不同的金刚石钻头内径、外径的磨损不一样，这样必然导致不同口径的钻孔以及不同的岩心，需将钻头排号使用，合理搭配，保证钻探工作的顺利进行。

②每只钻头在使用中必须登记造册，并详细记录所使用的钻头的编号及技术参数、钻进时钻机的数据，包括压力、转速等，这样为后一步的工作提供真实有效的参考。

③每班需要测量钻头、扩孔器磨损的尺寸，并记录在班报表上。

④钻进中出现进尺慢，时效低，切不可以过分加压，而是需要更换合适的钻头。

⑤金刚石钻头下钻时需避免撞击，同时新开的孔或者刚下钻时需慢速开刃，这个过程根据现场进尺情况而定，然后才是高速钻进。

（10）绳索取心钻杆及接头在使用中的技术要领

①新接头螺纹首次使用时，要按照规范的上扣扭矩上紧。

②首次上扣及最初几次下钻时，旋扣要慢，然后用吊钳上紧，无论用旋绳还是用旋扣器上扣，如果过快都容易损坏接头螺纹。

③内、外螺纹未对好时，要避免强行上扣。对扣时，新螺纹牙顶有时会相互顶住，此时要稍微倒转一下，螺纹不顶时再上扣。

④卸扣操作必须坚持双钳卸扣。内外螺纹紧配时，避免用榔头等重物敲击接头，以免使接头损坏变形。

⑤钻杆及接手装配时，必须严格检查配合的紧密距，一般在1.3---2.6毫米之间，必须用自由钳拧配到位，不得留有间隙，否则在正常钻进中会造成钻杆或接手断裂。

⑥每个接头连接前必须将螺纹清理干净，在内螺纹及其台肩面上都要均匀涂抹好钻杆丝扣油，最好选用一种坚硬的圆状硬毛刷，不要用棕刷，要保证钻杆丝扣油和刷子干净无杂物。用过后将钻杆丝扣油桶加盖密封。

四总结

我国于1971年开始引进绳索取心钻探技术，在各种岩心钻探方法中，该方法已经占主导地位，全部钻探任务基本上有一半是依靠它完成。为了保证绳索取心施工的质量，切实有效的发辉其优越性，主要在几方面抓住重点，首先是钻具钻杆钻头等设备工具方面，选用优质高效先进的硬件设施，目前许多单位已经研制出适合不同地层的各种钻具，其次是钻探工艺方面，不断总结，不停学习，在实践中摸索，形成适合我国不同情况行之有效的钻探工艺。然后，逐渐推广新技术，包括液动冲击绳索取心钻具，以及局部空气反循环等技术。这样多管齐下，更加熟练的使用绳索取心钻探技术，在保证钻探施工质量的同时，提高社会经济效益。

参考文献：

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[3]鄢捷年，等.钻井液工艺学[M].山东东营：中国石油大学出版社，1993.