SK绳索取心钻具结构分析

SK53/4″×94mm绳索取心钻具结构分析

王永平

中国地质调查局中国大陆科学钻探工程中心北京100011

摘要：为在中国大陆科学钻探工程中实施大口径绳索取心钻进，特从德国引进一套绳索取心钻具，在使用和测绘过程中发现该钻具在结构上确有其特色，同时也存在个别缺陷和不足，本文做了简单剖析，对小口径绳索取心钻具的设计，特别是对深孔绳索取心钻具的设计有一定的参考和借鉴之处。

关键词：绳索取心钻具；结构分析；材料选择；多功能配套

作者简介：王永平（1942－）辽宁岫岩人，中国大陆科学钻探工程中心工作人员，高级工程师，从事探矿工程专业，北京市西城德外黄寺大街24号院21楼，100011，（010）51632333

SK53/4″×94mm绳索取心钻具（以下简称“SK钻具”）是德国MICON公司为中国大陆科学钻探工程设计和制造的口径为157mm，井深为6000m的绳索取心钻具，该钻具系统包括岩心管总成、投放器、旋转接头和打捞器等四部分组成。

就157mm孔径而言，对石油钻井是小口径，而对以找固体矿床为目的的地质岩心钻探又是少见的大口径，加之为6000m井深所设计，因此就其结构设计和材料选择上有其自身的特点，同时对地质岩心钻探绳索取心钻具在结构设计和材料选择上也有其可借鉴之处。

1 岩心管总成（见图1）

1.1 基本设计参数

钻头外径157mm，钻头内径94mm；外管串设两只稳定器，下端为钻头稳定器，上端为钻杆稳定器，其外径均为156.8mm，外管外径146mm；外管内径110mm；内管外径106mm，内径97.3mm，其上端与仪器仓接头相接，下端与岩心定向短节5和卡簧座2相连。

1.2 结构特点：

⑴钻头、稳定器与外管：该钻具钻头稳定器6的位置相当于国内钻具的扩孔器，其公称直径较钻头直径小0.2mm，而国内设计的常规钻具一般扩孔器较钻头外径大0.5mm，因此SK钻具在钻头设计上特别重视保径，其唇刃较长并设有保径规，而设稳定器的主要目的是

稳定钻具和尽量减少岩心外管的磨损，而不是扩孔和保径，重点保护的又是钻具的螺纹连接部位，外管使用42CrMo4V(化学成分相当于国产S42CrMo)经整体调质处理，因此制造成本较高。

⑵内管总成：①内外管环空较小，单侧只有2mm，因此钻具压力损失较大，内管总长为6000mm，用STE460制造（化学成分相当于国产16MnRE），为保证内管的结构刚度和尽量避免由于岩心堵塞造成弯曲变形，有利于提高钻具系统单动的可靠性，在内管两端和中间设三道用青铜制造的扶正环4和9。②卡簧3使用50CrV4制造（化学成分相当于国产50CrV A），内表面卡心部位喷涂一层硬质合金粉末。③为配合岩心定向，在定向短节5内表面纵向设一把主刻刀和两把副刻刀，刻刀内环下大上小，这样有利于岩心畅通和刻痕加深。主刻刀与付刻刀之间的夹角分别为130°和80°，为显示主刻刀的位置，特在定向短节外表面对应处设有标记。④内管上部为仪器仓，两端用O型密封，内腔放置“电子多点测量仪”。

⑤内管用两副非标准推力轴承21和22悬挂，以实现内外管的传动分离和承受在钻进过程中可能产生的轴向力，该推力轴承无保持架，同时轴承体较标准轴承厚，滚珠粒也较大，这种结构可提高轴承的使用寿命和保证钻具单动的可靠性。⑥设两串碟型弹簧，下弹簧串19为悬挂弹簧，确保内管在工作时处于浮动状态，同时在拔岩心时借助弹簧的压缩来补偿内管的轴向位移，以避免内管悬挂系统诸元件受力过大而损坏；上弹簧串27为堵心压缩报警弹簧，当内管的上顶力为约5500N时，泵压开始发生变化，当上顶力约为17000N时水路将全部堵塞。⑦钻具在悬挂状态下卡簧座2下端面与钻头内台阶面的推荐距离为5mm。⑧内外管之间的悬挂台阶较小，单侧只有1mm，定位环29和悬挂环30均用S42CrMo制造。⑨捞矛头37由五件组成，分别靠五只压缩弹簧34支撑，是一个有特色的多功能结构：内管投放到位后，五只矛头在弹簧的作用下同时张开，使矛头外侧的凸槽卡入弹卡室38的内环形槽里，防内管轴向上窜，其允许上窜距离为5mm；在打捞岩心时用作打捞矛头；在放弃打捞器时又作为释放矛头（参见打捞器和投放器）。

1.3 特殊功能

⑴井温测量：本钻具的设计测温范围为44℃到127℃，共提供三组不同的温敏条，每组温敏条又分六个不同的测量区，测温范围在65℃以下的最大测量偏差为＋4℃，65℃～127℃的测量偏差为＋6℃，当温敏条上某个测温区的颜色由白变黑，表示井温已超过该测温区所标定的温度，其颜色变化是稳定不变的。当127℃测温区的温敏条由白变黑时表示井温已等于或大于127℃，因此当井温低于44℃和大于127℃时不在测量范围之内。在矛头座32内腔装有一只测温杆33，根据不同井段，首先根据井温的大致范围选择一组合适的温敏条，然后将温敏条贴在测温杆上，在安装测温杆时要注意腔体的密封，以防泥浆污染温敏条，确

保测量结果的准确。

⑵ 岩心定向：电子多点测量仪的仪器仓13与岩心内管之间由仪器仓接头11相连，接头外缘沿360°刻槽，并标有度数，同时在接头的上表面与0°相对应处设有定位销12，以此确保仪器的安装与仪器仓接头的相对位置是唯一的，当确认内管短节5、内管7、仪器仓接头11和仪器仓13之间连接可靠后，首先要确定定向短节主刻刀与仪器仓接头11外表面0°之间的初始夹角，然后根据电子测量仪实测的结果和主刻刀在岩心表面的刻痕，并用初始夹角加以修正，以此确定岩心的方位。

2 投放器（图2） 因内管总成比较重，无法用人工直接投放，因此该钻具系统特配有投放器，以便向井内投放钻具。其操作方法为：①将手柄5和6全部放到最上方，此时脱矛套筒4靠定位套3的滚珠定位，锁销2靠手柄5入槽定位。②将内管总成的矛头37放到

投放器的环行槽内。③拉下手柄5，使锁销插入到矛

头的内环空间，在压缩弹簧7的作用下使锁销无法回弹，矛头也就无法收缩，于是内管总成便被投放器可靠抓住。④用投放器拉起钻具，将内管总成沿钻杆内孔下放，使投放器5°的环形面慢慢落到钻杆上端面上，且防损伤钻杆的5°密封面。⑤拉起手柄5，以便让开矛头的内环空间，然后用力拉下手柄6，靠脱矛套筒4的倒锥形头将矛头收回以实现脱矛，于是便完成内管总成的投放。在脱矛作业时两个手柄有一个互锁功能，即手柄5不拉起，手柄6是无法下落的，以此保证内管总成在吊运过程中的可靠悬挂。

3 旋转接头（图3）

在投放打捞器和打捞岩心筒的过程中，为防止钢丝绳在投放过程中不缠绕打扣，在打捞器上接一个可自由旋转的接头，旋转接头上的吊环与绳索取心绞车的钢丝绳相连。

4 打捞器（图4）

打捞器有打捞钻具和放弃打捞两个功能，因此在结构上不同于常规小口径打捞器。

4.1 打捞作业：打捞器在下放过程中，靠本身的自重冲击矛头37,在打捞器锥形头的作用下使五只矛头压缩弹簧34收回，同时矛头的外凸台与弹卡室38脱离，当矛头进入打捞器的环行槽后，在矛头压缩弹簧的作用下又使矛头迅速张开，矛头便被打捞器牢牢抓住。此时矛头的外凸台外环直径已小于弹卡室的通径，于是内管总成便可用绳索取心绞车拉起。

4.2 脱矛作业：由于某些原因导致井内阻力过大，只好放弃打捞。在常规小口径绳索取心钻具设计中多采用脱矛套筒和拉断安全销的方法处理，对于像6000m这样的深孔钻具，若使用脱矛套筒投放，下落时间过长，到位又不易判断，同时会对钢丝绳造成损伤；对于深孔取心钻具，钢丝绳本身就很重（Φ10.5mm钢丝绳自重2500kg，Φ12mm钢丝绳自重3600kg），由于孔深的变化绞车负荷变化很大，因此安全销不易设计，更不可靠。

SK钻具所设计的打捞器，避免了使用脱矛套筒和安全销所存在的问题，而采用自动脱钩的方法。该打捞器在牙嵌套1上设七对牙嵌槽，牙嵌套每向上提拉一次，锁片2（固定在脱杆6上）在扭转弹簧3的作用下便跳一个槽，如果提拉次数达到预先的设定值，锁销便自动脱槽，于是托杆6在弹簧3的作用下冲向内管总成的矛头，使五块矛头同时收回，此时打捞器便与内管总成分离，完成脱矛作业。

使用该打捞器必须注意，在打捞器下放的沿途，钻杆内表面不允许有凸台，因为打捞杯5每受到一次轴向碰撞，锁销2将跳一个槽，如果沿途被碰撞次数超过原设定值，打捞器将释放内管总成，失去打捞功能。

由于德方提供的绳索取心钻杆质量出现问题，SK钻具系统在科钻一井的施工中未能得到正常使用，在对钻具的解剖和测绘过程中感到，该钻具对小口径绳索取心钻具在结构设计、材料选择和多功能配套上确有一定的参考价值，特别是对于深孔绳索取心钻具的设计，更有其独到之处。

绳索取芯钻具的使用及维护

绳索取芯钻具的使用及维护 一、前言 绳索取芯钻进是一种不提钻而能直接取得岩芯的先进钻进方法。它与普通钻进方法相比，具有地质效果好，生产效率高，钻进成本低等优点。同时因其结构简单，性能齐全，坚固耐用，维修方便，而被广泛使用。现在我公司生产的绳索取芯钻具己形成系列:S56、S59、S598、S75、S75B、S95、S95A等，其规格如下: 经过多年的生产实践证明，我广生产的各种型号绳索取芯钻具性能良好,进尺快，打捞效率高，钻进时间利用率高，设备材料消乾低，使用范围广,既可用清水.也可用泥浆钻进。 为使广大用户更好地掌握这项先进技术，正确地使用S系列组索取芯钻具,并充分发阵绳索取芯钻具的优越性，特编此说明书.以供广大用户参考。 二、绳索取芯钻具的结构和工作原理 我国地质系统所使用的绳索取芯钻具型号为"s" 型，钻具结构上大|可小异。现以S75绳索取芯钻具为例作典型介绍。 整套钻具分成绳索取芯钻具与打捞器二大部份所组成。 绳索取芯钻具由外管总成和内管总成所组成，合在一起统称双管。 外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、扩孔器、外管及钻头所组成。内管总成包括捞 矛头、弹卡钳、调节机构、悬挂及内管保护机构、至IJ 位与堵塞报信机构等。

这几个主要机构的工作 原理如下: 1.弹卡机构 主要由弹卡挡头，弹卡钳、张簧等部件组成。其作用是内管总成沿钻杆中t:内 使其贴在壁下放时，弹卡钳在张簧的作用下张开一定角度，到达弹卡:在时， 弹卡室内壁上，这时上有弹卡挡头，可防止内管向上串动，夕|、有弹卡室， 限J1-. 弹卡钳的进一步张开。在钻进时借助弹卡挡头上的拨叉，带动弹卡钳， 以免因相对运动造成弹卡钳的磨损。使内管总成轴承上部随钻杆一起转动， 2、悬挂机构 悬挂机构由内管总成中的悬挂环与外管总成中的座环所组成，悬挂环的外径尺寸稍大于座环的内径(一般相差0.5一lmm)内管总成下放到外管总成弹卡室位置时，悬挂环座落在座环上，从而使内管总成下端的卡簧座与钻头内台阶之间保持清洁-4mm的间隙，以防止损坏卡簧座与钻头，并保证内管的单动性能。 3、单动机构 由两套推力轴承构成单动机构，主要目的是使内管在钻迸时不旋转。 4. 调节机构 主要由调节螺母、调节接头与内管一起组成。在组装时.如果卡簧座与钻头内台阶之间的间隙不合适，则可通过调节接头与弹簧套之间的距离来进行调节（调节范围在0.3mm）,以保证卡簧座与钻头内台阶之间的间隙。 5.到位报警机构 由阀体、阀堵、弹簧、定位簧、调节螺堵及悬挂接头等组成（S75弹卡架、珠、弹簧、及连接轴所组成）。当内管总成下放到外管总成中的预定位置时，悬挂环座落

绳索取心钻具的型式

绳索取心钻具的型式很多，规格各异，但其基本结构大同小异。 以我国最常用的S-75型钻具为例，其结构功能如下。 整套绳索取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46、下扩孔器和钻头52组成； 内管总成由捞矛头2、弹卡6、悬挂环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 原理分述于下。 S75型绳索取心钻具双管结构 机构:绞链式矛头机构,弹卡定位机构,悬挂机构,到位报信机构,岩心堵塞报警机构,单动机构,内管保护机构,调节机 构,扶正机构,打捞机构,安全脱卡机构

S75型绳索取心打捞器

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 此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．Omm)。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

实验一 绳索取心钻具及液动冲击器观察实验剖析

实验一绳索取心钻具及液动冲击器观察实验 实验日期姓名班级学号实验成绩一实验目的、要求 1．掌握单动双管取心器结构及取心方法； 2．熟练掌握绳索取心钻具结构及取心方法。 3．掌握阀式正作用及双作用液动冲击器构造及调试。 二实验器材 SMK—89型单动双管取心器一套；SQ—75型绳索取心钻具二套；MTZ—89型正作用液动冲击器一套；YS—76型双作用液动冲击器二套；管钳、链钳、拆卸工具等各二套。 三实验内容及步骤 （一）单动双管取心器的结构与取心方法实验 1．用管钳等工具拧开取心器上接头，将单动装置及内管抽出，观察取心器结构。 取心器结构为： 稳定接头——外管——（导正环）——扩孔器——钻头 双管接头 调节机构——单动结构（报信和缓冲机构）——内管接头——回水球阀——内 管——卡心机构 2．卸掉上接头，取出单动轴，拧掉背帽、固定螺母、橡胶垫、两盘轴承、铜套座。对照挂图，了解取心器结构及其工作基理。 （1）调节机构：由调节螺母完成，调节内管长度，使卡簧座与钻头内台阶保持到4～5ｍｍ间隙（底喷钻头为1.5～2ｍｍ）。 （2）单动机构：两盘轴承为8206型，注意上、下轴承的安装。 （3）岩芯堵塞或已满报信机构（橡胶圈、泵压）。 （4）缓冲机构：冲洗液水路，缓冲橡胶垫。 （5）扶正机构：导正环使内管与钻头、外管同心。 （6）卡心机构：卡簧座、卡簧、挡圈。 （7）冲洗液循环路径。 3．取心器特点 （1）单动性好，提高了岩芯质量及采取率； （2）可钻进各种软硬岩层； （3）钻孔较安全。 4．按照拆卸进的相反顺序进行取心器组装。 （二）绳索取心钻具结构观测实验 1．打捞器的拆卸与安装，了解其工作原理 （1）打捞器：打捞矛头机构（包括捞矛器、捞矛、弹簧片、弹性销）； 冲打机构； 脱卡机构； （2）了解安全销、脱卡机构、冲打机构的工作机理。 2．井下钻具总成 从上而下依次将各连接部件拆开，了解观察组成部分的结构与工作原理。 （1）外管总成：弹卡挡头（拨叉）——弹卡室——外管——扩孔器——钻头，其中弹卡室与外

绳索取芯钻具使用说明书

绳索取芯钻具使用说明书 一、概述 绳索取心钻进又叫不提钻取芯钻进，它的特点是当岩芯装满内管时，不提钻而用绳索打捞器从钻杆内把内管捞取上来获得岩芯。因其结构简单、钻进效率高、岩（矿）芯采取率高、劳动强度低、钻探成本低等显著优点，而广泛使用。我厂生产的绳索取芯钻具已确定为“S”系列产品：S59、SJ75、S75、S96。其具体规格见下表： 为使用户更好的掌握这项先进的技术，正确的使用我厂生产的S系列绳索取芯钻具及附属设备工具，充分发挥绳索取芯钻进的优越性，特编此书，以供使用参考。 二、绳索取芯钻具的结构和工作原理 目前我国使用的绳索取芯钻具结构和工作原理基本相同。经过生产实践和不断改进，各种钻具均灵活可靠，效果良好，取芯成功率高。 （一）绳索取芯钻具结构 主要由单动双管和打捞器两大部分组成。 双管部分由外管总成和内管总成组成。而外管总成包括弹卡挡头、弹卡室、扩孔器、外管和金刚石钻头组成。内管总成包括捞矛头、弹卡、单动组

件、报警、调节组件、内管、悬挂扶正及卡芯组件组成。 （二）几个主要机构的功用和动作原理 1、捞矛机构需要取芯时，打捞器从钻杆内下放到内管总成上端，打捞钩钩住捞矛（矛头）。向上提升打捞器，捞矛头通过弹簧销向上提升回收管，迫使弹卡钳收缩，这样使内管总成与外管总成脱离，从而把内管提升上来。 2、弹卡机构即定位机构，主要由弹卡架、弹卡钳、张簧等部件组成。其作用是使内管座到外管中时，弹卡钳借助张簧的张力而张开，贴在弹卡室的内壁上。其上端有弹卡挡头的拨叉，带动钻具轴承上部和外管同时旋转，防止弹卡磨损。 3、单动机构钻具的单动主要靠两盘推力轴承来实现。 4、调节机构内外管总成的长度，主要通过调节接头和调节螺母进行调节。达到卡弹簧座底端与钻头内台阶所要求的间隙（3-4mm），减少岩芯受冲洗机会。在使用过程中，由于内管零部件尺寸的变化，卡簧座与钻头内台阶的间隙亦随之变化。为了保证岩矿芯采取率，减少残留岩芯，故应及时调节。 5、悬挂机构在悬挂接头下端有一个可拆卸的悬挂环，内管总成到达外管总成中的预定位置时，悬挂环坐落在座环上。限制内管总成的下行位置。 6、到位报信机构由阀体、阀堵、弹簧、调节螺堵、悬挂接头等组成。内管总成到达外管总成中的预定位置时，悬挂环坐落在座环上，冲洗液的通路被堵，迫使冲洗液改变流向，并克服弹簧力量使阀堵向下运动，使冲洗液通道打开，于此同时，地面泵压表上的压力明显上升，表示内管总成已到达钻进位置，可以开始扫孔钻进。 7、岩心堵塞报信机构由滑套、蝶簧等组成，岩心堵塞或岩心装满内管时

绳索取芯钻探施工技术

绳索取芯钻探施工技术 武孟元 （河北省水利工程局河北石家庄 050021） [摘要]介绍了绳索取芯钻探工艺钻具的结构，并对钻进规程的各种具体参数及报信机构的使用进行了分析，总结了绳索取芯钻探技术的主要优越性及在堆渣层中的应用。 [关键词] 绳索取芯；钻进参数；优越性；堆渣层灌浆 绳索取芯钻进是一种先进的岩芯钻探工艺。它采用大直径的钻杆，在钻具里面套装一根取芯管，在钻进过程中，岩芯缓慢地装在取芯管内。当回次进尺终了，岩芯装满取芯管时，采用带绳索的打捞器，从钻杆中把取芯管提出，提取岩芯后，又从钻杆中把取芯管放到孔底，继续钻进。绳索取芯与普通钻进取芯相比，具有控制钻孔偏斜度、提高钻进效率、降低工程成本、提高岩芯采取率、减少孔内事故等优点；尤其在钻穿复杂地层方面，有着其它施工技术无可比拟的优点，因而被广泛应用。 1 绳索取芯钻具简介 绳索取芯整套钻具分为双管部分和打捞器两大部分。 1.1 双管部分 双管部分包括外管总成和内管总成。 1.1.1 打捞机构 当捞取岩芯时，打捞器上的打捞钩抓住捞矛头，将取芯管提出孔外。 1.1.2 弹卡机构 内管总成进入外管总成后，实现弹卡自锁，防止由于振动等原因使弹卡并拢而导致内管总成上窜。 1.1.3 悬挂机构 当内管总成到位后，悬挂环座落在座环上，保证卡簧座与钻头内台阶之间有一定间隙，以便外管单动灵活。 1.1.4 到位报信机构 内管总成到达预定位置时，地面上水泵压力表的读数突然变化，可以调整水量开始钻进。 1.1.5 岩芯满管或堵塞报信机构 岩芯满管或堵塞时，导致地面上水泵压力表读数升高，起到报警作用。 1.1.6 调节机构

调节内管总成中卡簧座与钻头内台阶之间的间隙，保证其间隙量为2-3mm。 1.1.7 缓冲机构 卡取岩芯时，起缓冲作用来保护内管和卡簧座。 1.1.8 单动机构 分离内管和外管，实现钻具外管单动，内管相对外管静止。 1.1.9 容纳与卡取岩芯机构 容纳和卡取岩芯。 1.1.10 扶正机构 扶正内管，使卡簧座对正钻头内孔，以便岩芯顺利地进入内管，减少岩芯磨损，提高岩芯采取率。 1.2 打捞器部分 打捞器是绳索取芯钻具中必不可少的专用配套工具。 1.2.1 打捞机构 打捞钩抓住捞矛头，带动双管部分的打捞机构，将内管总成提升到地面。 1.2.2 绳卡机构 连接打捞器和绳索取芯绞车。 1.2.3 送入机构 将脱卡管套在重锺上，用打捞器将内管总成送入孔底。 1.2.4 安全脱卡机构 使打捞钩松开捞矛头或使安全销折断而实现安全脱卡。 2 绳索取芯钻进参数及报信机构 在正确选择钻头的情况下，金刚石绳索取芯钻进效率取决于钻进参数的选择，即钻压、钻头转速和冲洗液量三个参数。 2.1 钻压 实践表明，当加在钻头上的压力高于所钻岩石的压力硬度时，岩石就由表面破碎转到体积破碎；但当压力接近或超过金刚石本身抗压强度时，金刚石开始破损。另外，随着钻压的增加，金刚石的磨损量也增加，因此钻压有一个最优值。绳索取芯钻进规程和普通标准金刚石钻进有所不同，因绳索取芯钻头胎体壁要比标准钻头胎体壁厚2mm，底面积相对较大，而钻杆与孔壁的间隙小，所以钻压应增大。表1列出了两种不同直径绳索取芯钻头所需钻压值。 钻压(kN) 7-12 12-15 2.2 转速 转速是影响金刚石钻进速度的重要因素。钻头在某一转速下，金刚石磨损量最小，转

SK绳索取心钻具结构分析

SK53/4″×94mm绳索取心钻具结构分析 王永平 中国地质调查局中国大陆科学钻探工程中心北京100011 摘要：为在中国大陆科学钻探工程中实施大口径绳索取心钻进，特从德国引进一套绳索取心钻具，在使用和测绘过程中发现该钻具在结构上确有其特色，同时也存在个别缺陷和不足，本文做了简单剖析，对小口径绳索取心钻具的设计，特别是对深孔绳索取心钻具的设计有一定的参考和借鉴之处。 关键词：绳索取心钻具；结构分析；材料选择；多功能配套 作者简介：王永平（1942－）辽宁岫岩人，中国大陆科学钻探工程中心工作人员，高级工程师，从事探矿工程专业，北京市西城德外黄寺大街24号院21楼，100011，（010）51632333 SK53/4″×94mm绳索取心钻具（以下简称“SK钻具”）是德国MICON公司为中国大陆科学钻探工程设计和制造的口径为157mm，井深为6000m的绳索取心钻具，该钻具系统包括岩心管总成、投放器、旋转接头和打捞器等四部分组成。 就157mm孔径而言，对石油钻井是小口径，而对以找固体矿床为目的的地质岩心钻探又是少见的大口径，加之为6000m井深所设计，因此就其结构设计和材料选择上有其自身的特点，同时对地质岩心钻探绳索取心钻具在结构设计和材料选择上也有其可借鉴之处。 1 岩心管总成（见图1） 1.1 基本设计参数 钻头外径157mm，钻头内径94mm；外管串设两只稳定器，下端为钻头稳定器，上端为钻杆稳定器，其外径均为156.8mm，外管外径146mm；外管内径110mm；内管外径106mm，内径97.3mm，其上端与仪器仓接头相接，下端与岩心定向短节5和卡簧座2相连。 1.2 结构特点： ⑴钻头、稳定器与外管：该钻具钻头稳定器6的位置相当于国内钻具的扩孔器，其公称直径较钻头直径小0.2mm，而国内设计的常规钻具一般扩孔器较钻头外径大0.5mm，因此SK钻具在钻头设计上特别重视保径，其唇刃较长并设有保径规，而设稳定器的主要目的是 稳定钻具和尽量减少岩心外管的磨损，而不是扩孔和保径，重点保护的又是钻具的螺纹连接部位，外管使用42CrMo4V(化学成分相当于国产S42CrMo)经整体调质处理，因此制造成本较高。

绳索取芯钻探在复杂地层矿区施工技术措施

绳索取芯钻探在复杂地层矿区施工技术措施 彭步涛 （福建省121 煤田地质勘探队，福建龙岩364021 ） 摘要：该文主要论述了绳钻技术在复杂地层煤田勘探矿区中研究应用情况及取得的效果，即从钻孔结构冲洗液技术、护壁堵漏技术、钻具配套及硬岩钻进等方面进行了有效的探索和应用，对类似矿区施工具有较强的实践性和指导意义。 主题词：绳索取芯钻探技术; 施工措施; 含煤矿区复杂地层 “科学技术是第一生产力”。这是邓小平理论对马克思主义科技理论的重要贡献，在这一理论的指导下，我国的科学技术水平出现蓬勃发展的局面。作为煤田地质勘探专业队伍的福建省121 煤田地质勘探队，从上个世纪八十年代中期为加快勘探步伐，缩短勘探周期，依靠科技进步，积极推广应用绳索取芯金刚石钻进技术（以下简称绳钻技术）；经过二十多年的努力和探索，使绳钻技术不断完善，钻进效率和勘探质量明显提高。二十二年来累计完成钻探进尺48.4 万米，在闽、云、贵、川等省份探明煤炭储量50 余亿吨，为当地的经济建设做出突出贡献。通过多年对该技术的研究和应用，使福建省121 队的钻探技术竞争力不断提高，绳钻技术应用水平达到国内领先。 1 含煤田地层的基本特点 煤田勘探施工的主要区域分布在福建、云南、贵州、四川等省份。福建煤田地质主要勘探对象见三叠纪童子岩组，童子岩组之上由翠屏山组所覆盖，为非煤系地层，主要岩层见泥岩、粉沙岩、细粉砂岩和中粒沙岩。云、贵、川主要含煤地层为二叠系上统龙潭组，主要岩性以粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩、粉质泥岩为主，而覆盖其上部的三叠系个旧、永宁镇组以灰岩为主。 福建省121 队煤田勘探矿区按钻探施工技术要求，有如下几个特点： （1 ）钻孔漏失严重为主要特点。特别是永宁镇组、个旧组中的石灰岩溶洞发育，溶洞最大达20 米。童子岩组的风化带和断层破碎带也是主要漏失区，属裂隙裂缝性，有时也出现小溶洞，并有地下水活动。另外，由于绳钻工艺环空间隙小，泵压损失大，常使地层失去平衡以致诱发漏失。 （2 ）孔壁坍塌也是绳钻工艺施工中常见现象，坍塌常出现在断层破碎带中。另外，在厚煤层中（特别见粉煤层）钻进，由于钻孔护壁不稳定，上下钻具操作不当也易引起煤层坍塌，这种现象在各勘探区都经常遇到。 （3 ）硬岩“打滑”地层，在翠屏山底部约40m ，属硅质胶结的石英砂岩。同时，含有少量的隧石，岩石硬度在X 级以上。采用一般金刚石钻头钻进其效果差，钻效低，新钻头投入使用后很快被磨钝而打滑不进尺。 （4 ）煤系中煤层多，一般钻孔都可见煤层十几层，煤层有块煤、粉煤两种。粉煤取芯难度大，若操作不当往往造成采取率达不到要求致使钻孔质量降级。 （5 ）岩层倾角变化大，软硬互层频繁，属易斜地层。

绳索取芯钻探技术浅析

绳索取芯钻探技术浅析 【摘要】“绳钻”技术，被广泛应用于岩芯钻探。随地质勘探钻孔深度的不断增加，以及起下钻占辅助作业时间的逐渐增大，严重影响整体钻进效率。因此，绳钻技术在地质勘探中得到广泛应用。 【关键词】地质钻探；绳索取芯钻探；钻进工艺 引言 随着我国国民经济的发展，矿产资源供需形势严峻。全国开展了新一轮地质矿区勘察工作。钻探是深部找矿最基本的重要手段和技术方法。 所谓绳索取芯钻探，是不提钻而由钻杆内捞取岩心的先进钻进方法。具有结构简单，钻进效率高，岩芯质量好，岩芯浸泡时间最短，钻头寿命长，劳动强度低等特点。对于地质构造多变、地层条件复杂的钻孔，施工中常遇漏失、涌水、水敏性地层与矿层的坍塌等问题，严重影响绳索取芯钻进工艺性能的发挥。 1 设备选择 1.1 配套三级绳索取芯钻具 地质勘探中，搞好绳索取芯钻具三级配套，是解决地质勘探过程中复杂水敏性地层严重塌掉块、涌水、漏失等问题，实现安全高效钻进最有效的方法。三级配套，是指S95钻具、S75钻具、S59钻具配套使用。在钻进矿区地层之前，用S95钻具穿过复杂层下Φ89 mm技术套管（扣型为反扣，套管为外丝，接头为内丝），换S75+2绳索取芯钻具钻进至终孔。如S75+2绳索取芯钻具再遇较大漏失或坍塌难以处理时，则以Φ71mm为套管换S59绳索取芯钻具钻进至终孔。 1.2 附属机具配置 由于绳索取芯钻进是满眼钻具环状间隙小，对冲洗液的质量有较高要求，所以，现场必须配泥浆搅拌机，且能在钻孔漏失情况下，满足不停止钻进配置泥浆的需要。深孔或超深孔（1000～1500m以上）施工，应采用新钻杆或加强型钻杆以提高钻杆的密封性与强度；采用加强型夹持器和双滑车系统与其配套，以达到预防与减少孔内事故，实现安全高效钻进目的。各类机械配件及泥浆材料等为钻机提供可靠后勤保障，减少停待料时间提高生产效率。 2 钻进工艺及参数选择 2.1 钻孔结构的设计 应根据钻孔目的、孔内岩层及可能遇见的复杂情况、钻孔深度和终孔孔径等

绳索取心钻探工艺

绳索取心钻探工艺 一、适用条件 绳索取心钻进方法可应用于固体矿产钻探、工程地质钻探、地热钻探、水域钻探、冰层钻探、砂矿钻探、科学深孔钻探、坑道钻探等多种要求全孔取心的钻进工程中。具体的钻探工程是否采取绳索取心,必须考虑地质要求、岩石地层、钻孔结构(口径级数、终孔直径)、钻孔深度、钻头使用寿命等因素。 (1)地质要求:一般岩(矿)心取心质量要求较高,或需要快速取样(冻土样、含气岩矿样)的钻探工程应采用绳索取心钻进。 (2)岩石地层:绳索取心钻进适用各种地层,在可钻性级别6~9级的中硬岩层中效果最好。在现有技术条件下,一般不宜钻进可钻性级别10-12级的岩石,尤其是组织致密、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、磁铁石英岩等,或研磨性很强的硬、脆、碎岩石。钻进遇上述岩石时,钻头极易磨损,或出现“打滑”现象,钻进效率很低。 (3)钻孔结构:钻孔口径级数较多,终孔直径较大时,是否选择绳索取心钻进工艺,应结合一次性投资能力等因素全面慎重考虑。 (4)钻孔深度:绳索取心适合中深孔钻进,钻孔越深经济技术效果越好。但绳索取心钻进的最大深度受钻杆强度、环空冲洗液循环阻力等因素的制约,应进行校核。 (5)钻头使用寿命:由地层、孔径和使用等因素导致绳索取心钻头寿命短,钻进过程中经常提大钻更换钻头情况,可能导致绳索取心钻进优势无法体现。 二、钻进技术规程参数 根据岩层特性、钻头类型、钴孔深度、钻孔倾角、钻孔直径、冲洗液类型和所用钻具性能等因素选择,并优化钻进工艺参数,主要为钻压、转速和冲洗液量。 1.钻压 绳索取心钻进环状刻取面积比常规取心钻进要大,因此钻进时所用钻压亦相应增大。绳索取心钻进一般适用于中使至硬岩层(可钻性级别6~11级),使用常规表镶和孕镶金刚石钴头的钻压范围见表7-3。 钻进节理发育岩石和产状陡立、松散破碎、软硬互层、强研磨性等地层及钻孔弯曲、超径的情况下,应适当减压;经初磨的新钻头,采用正常钻压可获得高钻速。钻进中随着金刚石磨钝,钻速下降,应逐渐平稳增大钻压。 实际采用钻压应按具体岩层条件、钻头类型、钻头实际尺寸(如超径钻头)等,通过实践合理确定。为减少钻孔弯曲,应降低钻压,绳索取心钻进宜选用底唇面积小的钻头,如多水口、交错唇面和齿形结构的钻头,此时可适当降低钻压。

绳索取芯钻探技术浅析

绳索取芯钻探技术浅析 发表时间：2019-10-24T16:35:19.740Z 来源：《科学与技术》2019年第11期作者：徐跃卓 [导读] 如何在复杂的地层条件下有效利用绳索取心钻进技术在钻探施工的实际过程中，结合钻探现场的施工情况，提高钻探效率与钻探质量、安全，具有重要意义。 黑龙江省地球物理地球化学勘查院黑龙江省哈尔滨市 150036 摘要：随着科技的进步，在我国的钻探行业中，绳索取芯技术也取得了较大的进步，具有安全系数高，钻探效率高，和能量消耗的优势，其应用范围也更加广泛。促进了钻探工程工作效率的提高和钻探质量的提升。 关键词：绳索取芯；钻探；技术 引言 绳索取芯钻探以其少起大钻增加纯钻进时间，提高钻进效率，降低劳动强度的特点，在地质资料收集中起到了重要的作用，并在岩心钻探项目中成为常用的技术。该技术在钻进较硬岩层（如白云岩、石灰岩），表现出了极佳的效果，具有较高的效率。如何在复杂的地层条件下有效利用绳索取心钻进技术在钻探施工的实际过程中，结合钻探现场的施工情况，提高钻探效率与钻探质量、安全，具有重要意义。 1绳索取心技术的实际应用范围 在我国，绳索取心钻探技术的发展较晚，与一些先进的发达国家相比，绳索取心钻探的综合效率和使用寿命存在差异。然而，在众多钻探专家学者的不懈努力下，我国绳索取心钻探技术取得了很大的进步。绳索取心钻探技术已广泛应用于岩矿勘探，工程地质勘探，水文水资源工程地质勘查等实际工程中。目前，我国绳索平均月效率可达600m~1000m，平均工作效率可达7m/h~10m/h。在正常情况下，钻杆的综合使用寿命超过20000m。然而，大量国内钻探的实际施工经验表明，使用绳索取心钻探技术后，并非所有钻探项目都能获得满意的效果。在岩石的钻探中，应该综合考虑钻探条件，比如钻孔深度，钻头质量水平和绳索取心钻具及辅助设备等因素。根据现场条件以及投资成本，合理选择钻探技术。绳索取心技术，从理论上讲适合各种岩层条件，应用范围比较广泛。绳索取心技术适合于4级~9级岩层，钻探效率及质量、安全都有一定的保障。但是，就我国目前的钻探施工技术水平来说，不建议采用绳索取心技术进行10级~12级凿岩施工。特别是当岩层是非常坚硬的岩层，如果采用绳索取心技术，密度大，颗粒细小，在上述岩层条件下，钻头打滑，钻速效率也相对较低，不能充分发挥绳索取心钻孔技术的优势，造成钻探效率、质量下降。根据以往的施工经验，绳索取心技术既可以用于浅孔钻探，也可以用于深孔岩石钻探。一般情况下，在绳索取心技术工艺范围内，孔深越深，经济效益就越好。然而，在具体工程中，一定要选择质量较好的钻头及钻具组合，保证钻孔过程的稳定、高效。如果钻头质量有缺陷，就会造成钻头在施工过程中出现故障，就大大降低了绳索取心深孔钻探的优点和使用意义。 2钻杆、附属设备及其工具 2.1钻杆 1)钻杆两端直接加工成公母螺纹，钻杆间直接连接。钻杆螺纹加工量小，同心度好，应用广泛，螺纹部分管壁较薄，需要进行热处理(正火加回果或淬火加回火)，以使其达到足够的强度。随着加工工艺的不断改进，已开始逐渐应用钻杆两端墩粗技术，墩粗钻杆两端后加工螺纹，大大提高了钻杆螺纹连接强度，提高了钻杆使用寿命。此外，为了增强母螺纹的耐久性，在螺纹外表面长100～150mrn范围内镀铬或镍，并进行磷化处理。2)螺纹粘结公母接头钻杆，钻杆的两端车成公螺纹。采用有机粘结剂或无机粘结剂。公母接头材质较好，壁较厚，经过调质淬火、镀铬处理，提高了螺纹部位的强度。采用螺纹和粘结的方式可以增大配合表面的摩擦力，提高钻杆的抗扭强度。3)焊接式绳索取心钻杆。焊接式绳索取心钻杆，就是把钻杆接头与钻杆体利用焊接技术焊接为一体。该技术在石油钻进中应用历史悠久，但由于绳索取心钻探技术的特殊要求(薄壁、接头与钻杆体同心度要求高等)，绳索取心钻杆长期以来基本上都采用螺纹粘结公母接头的方法。 2.2提引器 球卡提引器操作简便，节省时间，有助于实现钻具升降自动化。但由于卡球在钻杆与卡瓦间容易“楔死”，不易松开，并有夹伤钻杆的现象，特别是在孔深时，这种现象将更加严重。因此，应根据具体条件选用手搓或球卡提引器。 2.3钻机的选择 绳索取芯液动冲击锤一般用于较高转速的金刚石回转钻进，钻机的选择比较广，目前国产的XY系列钻机、YDXD系列、进口的CS14型全液压钻机等都能满足相关要求，只需根据钻孔孔径、孔深的要求进行合理选择即可。 3钻进工艺及参数选择 3.1钻孔结构的设计 钻孔孔深结构应当依照钻探区域的地质情况以及岩层特点和钻孔目的、和钻孔深度与终孔孔径等进行合理设计。谭若开孔直径过小，达到一定施工深度之后，便可能由于复杂的孔内情况，无法正常的进行施工，此时则不能对孔径进行改变，则需要将套管拔出，重新进行下套管。在此阶段，会遇到无法拔动套管的情况，易引发套管折断问题，而且对套管进行反复的下，对套管事故进行处理，还消耗很大的时间，对钻进工作效率造成非常大的影响。倘若孔径过大，应当选择合理的套管，避免钻具在运转过程中出现不稳定的事故，导致钻杆折断，如此便会使工作量进一步加大。 3.2钻头的选择 面对复杂的地层构造，应当合理地选择钻头，不仅能应用与软岩层的钻头，还要选择硬岩层的钻头。所以应当依照岩石的特征，全面综合的考虑，在对钻头进行合理选择。（1）在破碎岩石方面钻头唇面必须要锋利，能够自由的对岩石进行破碎，增进钻进效率；确保钻头的稳定性，避免发生孔斜情况；对金刚石的分布有着改善作用，能够是内外径的能力得到进一步增强，延长钻头的使用时间；同时能够将岩粉进行更好的排除，对钻头进行冷却。（2）选择胎体硬度，应当结合岩石的硬度以及其耐磨性进行确定。通常，岩层具有良好的研磨性，切具有非常大的硬度，胎体的选择必须要硬，如40°、35°胎体，避免金刚石出现掉落。 3.3钻进参数 由于绳索取心具有取心和取心不提钻的特点，所以其应用范围非常广泛。但是，在实际的钻探中，岩层的物理性质有一定的变化，所以，相关操作人员注意具体实践过程中的技能。如果岩层的性质具有差异，那么钻探工艺也应随之发生变化。所以，只有熟练掌握相关技