廖遠(yuǎn)蘇，胡啟鋒

一種隔水隔卡的自鎖式繩索取心鉆具及應(yīng)用

廖遠(yuǎn)蘇，胡啟鋒

(江西有色地質(zhì)勘查二隊(duì)，江西 贛州 341000)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)雜地層繩索取心鉆具的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是未能很好解決卡心構(gòu)件對(duì)巖心入管的阻礙和底噴式鉆頭易產(chǎn)生“泥墊”現(xiàn)象，從而影響取心質(zhì)量和鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。以普通S95繩索取心鉆具為研究對(duì)象，通過(guò)在內(nèi)管里增設(shè)0.7 mm 厚度的不銹鋼襯管，封隔卡簧等卡心構(gòu)件裝置，增加底噴式鉆頭水孔數(shù)量并增大水槽體積，設(shè)計(jì)可供選擇的發(fā)夾式和卡簧式巖心提斷器等技術(shù)改造，研制一款用于復(fù)雜地層鉆進(jìn)，具備隔水、隔卡、自動(dòng)鎖心的三層管繩索取心鉆具。選用發(fā)夾式巖心提斷器在水敏性強(qiáng)的破碎地層中試驗(yàn)，平均回次進(jìn)尺1.13 m，獲取巖心采取率94.48%，對(duì)比附近同類地層鉆孔的巖心采取率提高了50%以上；選用卡簧式巖心提斷器在裂隙發(fā)育的泥質(zhì)地層中試驗(yàn)，卡簧卡心如同普通鉆具上的卡簧一樣可靠。試驗(yàn)結(jié)果表明：用襯管封隔卡心構(gòu)件的取心技術(shù)方案可行，解決了卡心構(gòu)件對(duì)軟弱松散巖心入管的阻礙，有利于保護(hù)巖心的原狀性；所用底噴式鉆頭孔底沖洗效果好，降低了鉆頭“泥墊”現(xiàn)象對(duì)鉆進(jìn)速度的影響。該鉆具操作方便，使用成本低廉，有望在我國(guó)現(xiàn)行繩索取心機(jī)臺(tái)推廣應(yīng)用，具有較強(qiáng)的普適性和廣泛的應(yīng)用前景。

復(fù)雜地層；取心鉆具；巖心提斷器；底噴式鉆頭；發(fā)夾；卡簧；襯管

普通繩索取心鉆具是雙管單動(dòng)鉆進(jìn)，采用卡簧自鎖方式提動(dòng)鉆具卡取巖心。對(duì)于堅(jiān)硬完整或一般裂隙地層，該鉆具能夠滿足常規(guī)地質(zhì)鉆探的巖心質(zhì)量要求，一般巖心采取率可達(dá)到90%以上。但是對(duì)于節(jié)理發(fā)育、水敏性強(qiáng)的復(fù)雜地層，該鉆具在使用中存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是巖心提斷器中的卡簧和擋圈，對(duì)松散破碎巖心入管的阻礙，影響回次進(jìn)尺、巖心采取率及鉆進(jìn)效率；二是鉆孔沖洗液從鉆具內(nèi)外管總成間隙流經(jīng)鉆頭內(nèi)水槽直接沖刷巖心，導(dǎo)致巖心被沖蝕或失去原狀性，影響礦產(chǎn)資源或地層情況的分析和評(píng)價(jià)[1-2]。

繩索取心鉆進(jìn)工藝以其鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好等諸多優(yōu)越性，在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。基于該鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)，為解決普通繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，影響復(fù)雜地層取心質(zhì)量問(wèn)題，衍生出以液動(dòng)錘、反循環(huán)、半合管、巖心爪、攔簧、底噴式鉆頭等不同構(gòu)件組合的眾多復(fù)雜地層繩索取心鉆具[3-15]。這些鉆具對(duì)地層條件、鉆孔口徑及深度具有不同程度的選擇性或局限性，對(duì)鉆探設(shè)備、鉆孔沖洗液等技術(shù)條件有一定的特別要求。盡管一些創(chuàng)新型取心鉆具配合泥漿技術(shù)解決了某些勘探項(xiàng)目的復(fù)雜地層取心質(zhì)量問(wèn)題，但是未能很好解決鉆具自身的卡心構(gòu)件，對(duì)松散破碎巖心的入管阻礙和底噴式鉆頭發(fā)生“泥墊”現(xiàn)象[16]，影響回次進(jìn)尺及鉆進(jìn)速度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

基于現(xiàn)有復(fù)雜地層繩索取心鉆具不足，以普通S95繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過(guò)在內(nèi)管里面增設(shè)襯管封隔卡簧等卡心構(gòu)件裝置、增加底噴式鉆頭水孔數(shù)并拓寬排水通道、用壓力彈簧替代巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)的碟簧、設(shè)計(jì)可供選擇的發(fā)夾式和卡簧式巖心提斷器，以及對(duì)單向球閥增設(shè)扶正裝置等技術(shù)改造，設(shè)計(jì)一款隔水隔卡的自鎖式繩索取心鉆具，簡(jiǎn)稱“雙隔取心鉆具”[17-18]，希冀優(yōu)化取心鉆具結(jié)構(gòu)，降低或避免在復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中，因鉆具自身缺陷所造成的堵心、磨心及鉆頭“泥墊”問(wèn)題的不利因素，從而提高回次進(jìn)尺、巖心采取率及鉆進(jìn)效率。

1 雙隔取心鉆具的設(shè)計(jì)思路

①正常鉆進(jìn)時(shí)，卡心構(gòu)件宜于封隔狀態(tài)；當(dāng)鉆進(jìn)堵心或巖心滿管頂頭時(shí)，卡心構(gòu)件又能自動(dòng)裸露卡取巖心，保證巖心提斷器鎖心可靠。

②底噴式鉆頭除應(yīng)滿足隔水效果外，還應(yīng)具備在泥質(zhì)地層鉆進(jìn)中，抑制鉆頭“泥墊”現(xiàn)象的功能，保證持續(xù)正常鉆速。

③同一礦區(qū)甚至同一鉆孔，常有不同類型的復(fù)雜地層并存，繩索取心鉆具的巖心提斷器應(yīng)有可供選擇類型，以便采集不同狀態(tài)巖心的需要。

④普通繩索取心鉆具在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中，常見(jiàn)堵心報(bào)警信號(hào)失靈或報(bào)信不準(zhǔn)確。提高巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)的靈敏度和報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，其報(bào)警壓力設(shè)定值應(yīng)與所鉆地層變化相適應(yīng)。

⑤單向球閥裝置應(yīng)能適應(yīng)大頂角鉆孔施工需要，保證單向球閥的鋼球與閥座閉水嚴(yán)密、工作的可靠性，避免沖洗液從調(diào)節(jié)接頭中心孔流入內(nèi)管沖刷巖心。

⑥根據(jù)我國(guó)地質(zhì)巖心鉆探設(shè)備現(xiàn)狀，復(fù)雜地層繩索取心鉆具，宜與現(xiàn)行普通繩索取心鉆具通用、互換，成為地質(zhì)巖心鉆探機(jī)臺(tái)常備的一種取心鉆具。

2 雙隔取心鉆具的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

該鉆具保留了原S95繩索取心鉆具[19]的基本技術(shù)特征，改造了巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)、單向球閥、內(nèi)管、巖心提斷器及鉆頭5個(gè)部分的功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.1 巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)拆除了原鉆具滑套內(nèi)的碟簧，添加了壓力彈簧和調(diào)壓墊圈，目的是通過(guò)降低彈簧壓力來(lái)適應(yīng)軟弱地層鉆進(jìn)堵心時(shí)，以適度的巖心頂力克服彈簧力推動(dòng)滑套堵水報(bào)警的需要。該彈簧的預(yù)壓力由調(diào)壓墊圈調(diào)節(jié)，滑套工作行程由調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)。設(shè)定彈簧預(yù)壓力300～400 N，最大工作載荷800～1 500 N。

2.2 單向球閥

該機(jī)構(gòu)增加了原鉆具彈簧套下端螺紋孔深度，添加了扶正彈簧和彈簧座。其目的是便于大頂角鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)扶正彈簧彈力阻止球閥在重力和離心力作用下跳動(dòng)，避免沖洗液從調(diào)節(jié)接頭內(nèi)孔進(jìn)入襯管沖刷巖心，導(dǎo)致巖心被沖蝕或失去原狀性。

圖1 隔水隔卡的自鎖式繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)

2.3 內(nèi)管部分

該部分由開(kāi)卡裝置、襯管總成及內(nèi)管組成。開(kāi)卡裝置通過(guò)自身懸掛接頭兩端的公螺紋把原鉆具的調(diào)節(jié)接頭與內(nèi)管連接起來(lái)；襯管總成置于內(nèi)管里面，并與開(kāi)卡裝置為掛鉤連接。

襯管總成由攻絲鋼球、調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母、錐接頭、錐接套、背帽及襯管組成。襯管選用201不銹鋼裝飾管制作，規(guī)格?63 mm×0.7 mm，沿軸向剖切一道開(kāi)縫，上端為錐套連接，下端伸入巖心提斷器內(nèi)腔封隔卡心構(gòu)件。調(diào)節(jié)螺桿與攻絲鋼球、錐接頭均為螺紋連接。襯管與內(nèi)管的配合長(zhǎng)度由調(diào)節(jié)螺桿及調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)。

開(kāi)卡裝置由懸掛接頭、防松螺母、開(kāi)卡彈簧、懸掛軸及掛鉤組成。襯管總成頂端的攻絲鋼球置于掛鉤的開(kāi)口槽內(nèi)。套在中心軸上的開(kāi)卡彈簧有兩個(gè)作用：一是在鉆進(jìn)堵心或巖心滿管頂頭時(shí)，通過(guò)巖心繼續(xù)上行的頂力推動(dòng)襯管總成上移，壓縮開(kāi)卡彈簧來(lái)打開(kāi)襯管對(duì)卡心構(gòu)件的封鎖；二是在取心提鉆的瞬間，襯管總成失去巖心頂力后，襯管底端在開(kāi)卡彈簧回力的作用下，頂靠在卡心構(gòu)件上端，迫使卡心構(gòu)件收縮或卡心，從而使巖心提斷器在提升力作用下以自鎖方式收割巖心。

2.4 巖心提斷器

與雙隔取心鉆具配套的巖心提斷器有兩種設(shè)計(jì)形式：一種是發(fā)夾式巖心提斷器，另一種是卡簧式

巖心提斷器。發(fā)夾式巖心提斷器主要用于流砂、砂礫、松散黏土及無(wú)膠結(jié)構(gòu)造破碎帶等地層的巖心采集?？ɑ墒綆r心提斷器主要用于水敏性地層、構(gòu)造裂隙地層及成巖裂隙地層的巖心采集。

1) 發(fā)夾式巖心提斷器

該巖心提斷器是利用女性頭飾發(fā)夾卡取軟弱松散巖心的一種取心裝置，由發(fā)夾、發(fā)夾室及發(fā)夾座組成，與攔簧式巖心提斷器類同，在文獻(xiàn)[20]中有詳細(xì)介紹。該巖心提斷器用在雙隔取心鉆具上，正常鉆進(jìn)時(shí)發(fā)夾被襯管封隔，巖心進(jìn)入襯管不受發(fā)夾擾動(dòng)和阻攔。為了避免發(fā)夾卡在襯管開(kāi)縫上，另外增設(shè)1個(gè)套在襯管底端，依靠襯管張力和摩擦力固定的防卡套[18]。該巖心提斷器安裝時(shí)需借助1個(gè)引套[18]，把發(fā)夾的夾頭撐開(kāi)才能完成安裝，其安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)夾式巖心提斷器安裝結(jié)構(gòu)

2) 卡簧式巖心提斷器

該巖心提斷器與普通取心鉆具上的卡簧式巖心提斷器類同，其構(gòu)件由卡簧、卡簧座組成，無(wú)需卡簧擋圈；正常鉆進(jìn)時(shí)，卡簧套在襯管外，頂靠在內(nèi)管下端，依靠襯管張力和摩擦力固定，與卡簧座內(nèi)壁保有一定的活動(dòng)間隙，巖心進(jìn)入襯管不受卡簧障礙，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 卡簧式巖心提斷器安裝結(jié)構(gòu)

2.5 鉆頭

該鉆頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，其特點(diǎn)是：①鉆頭胎體唇面設(shè)有8個(gè)噴水槽，每槽有2個(gè)并排通水孔，通水面積比普通底噴式鉆頭增加了1倍，目的是可依據(jù)鉆進(jìn)復(fù)雜地層的工況條件，獲取泵量和有效水孔的最佳匹配參數(shù)，并采用封堵水孔的辦法，提高孔底沖洗效果；②鉆頭體外表設(shè)有過(guò)水錐面，噴水槽與過(guò)水錐面連通的外水槽，其寬度與噴水槽平齊，通過(guò)加寬鉆頭體部位的排水通道，有利減少鉆頭唇面的巖屑聚集，保持孔底清潔。

圖4 鉆頭結(jié)構(gòu)

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

3.1 在江西省大余縣營(yíng)孜里礦區(qū)試驗(yàn)

3.1.1 ZK205孔試驗(yàn)概況

試驗(yàn)前，某鉆機(jī)在附近ZK603孔127.18～ 175.85 m孔段，采用普通S75繩索取心鉆具泥漿護(hù)孔鉆進(jìn)，因巖心采取率不足40%而報(bào)廢，裝箱巖心如圖5所示[17]。

ZK 205孔設(shè)計(jì)深度260 m，鉆孔傾角75°，要求巖心采取率大于70%，礦心及礦體頂?shù)装?～5 m的圍巖采取率大于85%，終孔口徑75 mm。該孔以?110 mm口徑開(kāi)孔，下完?108 mm孔口管后用雙隔取心鉆具試驗(yàn)。試驗(yàn)孔段巖性為泥質(zhì)砂巖夾板巖和千枚巖；巖體風(fēng)化成泥質(zhì)或泥夾石，吸水膨脹率大；基巖可鉆性6～8級(jí)，研磨性強(qiáng)，裂隙發(fā)育，裝箱巖心如圖6所示。

圖5 ZK603試驗(yàn)孔段裝箱巖心

圖6 ZK205試驗(yàn)孔段裝箱巖心

本次試驗(yàn)未對(duì)普通S95繩索取心鉆具的巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)鉆具選配的是發(fā)夾式巖心提斷器，鉆孔沖洗為清水加高效潤(rùn)滑劑；鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓8～12 kN，轉(zhuǎn)速187～267 r/min，泵量60～96 L/min；鉆進(jìn)過(guò)程不漏失，但有孔壁超徑、掉塊現(xiàn)象；回次鉆進(jìn)的基本情況見(jiàn)表1。

3.1.2 試驗(yàn)效果

從表1分析可知，雙隔取心鉆具巖心采取率提高了50%以上。該試驗(yàn)孔段的回次進(jìn)尺量和鉆進(jìn)效率，顯然是采用普通繩索取心鉆具難以實(shí)現(xiàn)的。盡管取出的巖心極其破碎，但從襯管開(kāi)縫線可以看到，管內(nèi)巖心排列整齊，裂紋清晰，未受到?jīng)_刷和擾動(dòng)。

表1顯示連續(xù)鉆進(jìn)14.73 m后，發(fā)夾只在第13個(gè)鉆進(jìn)回次更換過(guò)1次，其使用壽命比在某礦區(qū)[20]未采用襯管封隔發(fā)夾鉆進(jìn)提高了3倍以上，這說(shuō)明襯管端頭在鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)發(fā)夾起到了很好的保護(hù)作用。

表1 ZK205孔試驗(yàn)孔段回次鉆進(jìn)的基本情況

從第4鉆進(jìn)回次起，鉆進(jìn)泵量比上一鉆進(jìn)孔段加大了0.6倍，并在鉆頭每個(gè)噴水槽上堵塞1個(gè)通水孔；從后續(xù)鉆進(jìn)對(duì)鉆頭使用情況觀察，有效通水孔數(shù)基本保持在6～8個(gè)，且分布較為均勻，胎體唇面的“泥墊”程度也得到了相應(yīng)的扼制。

本次試驗(yàn)存在巖心堵塞報(bào)警信號(hào)反應(yīng)不靈、退心操作非常困難等不足之處；此外，還未取得充裕的數(shù)據(jù)支撐該鉆頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用方法上更有效的結(jié)論。

3.2 在江西省尋烏縣族坑村水文孔中的試驗(yàn)

3.2.1 ZK501孔試驗(yàn)概況

該孔設(shè)計(jì)深度120 m，鉆孔傾角90°，要求全孔巖心采取率大于70%，強(qiáng)烈風(fēng)化帶或斷層破碎帶的巖心采取率大于40%，無(wú)巖心間隔不超過(guò)3 m，開(kāi)孔口徑?200 mm，終孔口徑?150 mm。主要巖性為白堊紀(jì)粉砂巖，可鉆性5～7級(jí)，巖體裂隙發(fā)育，巖心在水中浸泡后有微弱膨脹，巖屑易粘附鉆頭。針對(duì)雙隔取心鉆具在營(yíng)孜里礦區(qū)試驗(yàn)存在的問(wèn)題，改進(jìn)了巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)、應(yīng)用了與該鉆具配套的卡簧式巖心提斷器及襯管取出器[18]。ZK501孔身結(jié)構(gòu)如圖7所示。

該孔?150 mm口徑鉆進(jìn)至孔深27.60 m時(shí)巖心較為破碎，換用?95 mm口徑的變徑鉆具鉆進(jìn)至孔深30.12 m，然后采用雙隔取心鉆具，配用?60 mm普提鉆桿開(kāi)始提鉆取心鉆進(jìn)；鉆孔沖洗為清水；鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓10～15 kN，轉(zhuǎn)速187～267 r/min，泵量60～166 L/min；鉆進(jìn)過(guò)程微漏失，有孔壁超徑、掉塊現(xiàn)象；試驗(yàn)孔段有局部巖心破碎，完整巖心直徑比鉆頭內(nèi)徑小1～3 mm，裝箱巖心如圖8所示。

圖7 ZK501孔身結(jié)構(gòu)

圖8 ZK501孔試驗(yàn)孔段裝箱巖心

該鉆具試驗(yàn)進(jìn)行了14回次，進(jìn)尺20.46 m，試驗(yàn)孔段回次鉆進(jìn)的基本情況見(jiàn)表2。

3.2.2 試驗(yàn)效果

由表2分析可知，試驗(yàn)鉆具除襯管較短限制回次進(jìn)尺長(zhǎng)度外，在一般性破碎地層所獲巖心采取率及鉆進(jìn)效率均高于普通繩索取心鉆具。本次試驗(yàn)在鉆進(jìn)回次堵心和巖心滿管頂頭時(shí)，巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)反應(yīng)靈敏，報(bào)信準(zhǔn)確，減少了磨心進(jìn)尺。在采心提升過(guò)程中，卡簧能有效卡取巖心，未發(fā)生巖心脫落和巖心殘留現(xiàn)象。所用鉆頭歷經(jīng)6次調(diào)整通水孔個(gè)數(shù)和4次變換鉆進(jìn)泵量，從第12鉆進(jìn)回次開(kāi)始，求取的鉆進(jìn)泵量和有效通水孔數(shù)趣于穩(wěn)定，鉆頭“泥墊”面積有明顯減少，回次鉆進(jìn)持續(xù)平穩(wěn)，巖心采取率近乎100%。退心操作簡(jiǎn)便易行，不傷及襯管和巖心。

4 分析與討論

4.1 取心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性

雙隔取心鉆具試驗(yàn)證實(shí)了鉆進(jìn)堵心或巖心滿管頂頭時(shí)，巖心頂力推動(dòng)襯管總成上行，打開(kāi)發(fā)夾或卡簧自動(dòng)鎖心的可行性。

該設(shè)計(jì)只有當(dāng)上行巖心頂力足以克服作用襯管阻力時(shí)，才能推動(dòng)襯管上行。假如意外原因，在正常鉆進(jìn)中需要提鉆或打撈取心時(shí)，發(fā)夾或卡簧處于被封隔狀態(tài)顯然是無(wú)法卡取巖心。在此情況下可借鑒干鉆卡取法采心[19]：先停泵，然后反復(fù)提動(dòng)并回轉(zhuǎn)鉆具至孔底，行程0.2～0.5 m，促使脫落巖心擠壓襯管，通過(guò)巖心與襯管內(nèi)壁的摩擦力推動(dòng)襯管上行，從而打開(kāi)發(fā)夾或卡簧自動(dòng)鎖心；當(dāng)鉆具能自由落至孔底后便可提鉆或打撈取心。

表2 ZK501孔試驗(yàn)孔段回次鉆進(jìn)的基本情況

該設(shè)計(jì)的最大質(zhì)疑點(diǎn)是襯管強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，所用襯管自始至終未發(fā)生卷邊、凹陷及彎曲變形。襯管的材質(zhì)比普通內(nèi)管好，有較高的剛度、硬度和強(qiáng)度；襯管在內(nèi)管里緊貼內(nèi)壁且沒(méi)有彎曲變形空間，無(wú)論孔底巖心對(duì)襯管的頂力有多大，都不至于造成襯管損壞，除非隨內(nèi)管一同彎曲變形；襯管退心時(shí)只需輕輕震動(dòng)錐接頭部位，無(wú)須敲打襯管，巖心便可退出。

4.2 底噴式鉆頭的設(shè)計(jì)理念

底噴式鉆頭與普通鉆頭的主要區(qū)別，在于鉆頭水路通道的設(shè)計(jì)，賦予了鉆頭的隔水性，從而避免了鉆取巖心被沖洗液沖刷[21-25]。但是，由于底噴式鉆頭體內(nèi)徑與巖心提斷器的間隙小、過(guò)水阻力大，沖洗液從鉆頭通水孔泄壓后，侵入鉆頭唇面與巖面之間的壓差小，不能像普通鉆頭一樣，有少部分沖洗液能夠流經(jīng)該漫流區(qū)把巖屑適時(shí)排出，保證鉆頭持續(xù)正常鉆進(jìn)。因此，底噴式鉆頭所刻取的巖屑，因不能及時(shí)獲得水力作用而滯留在胎體唇面，阻礙了金剛石出刃。只有當(dāng)巖屑被水浸潤(rùn)后，在鉆具軸向擠壓力和鉆頭旋向摩擦力的持續(xù)作用下排出胎體唇面，才能使鉆頭有所進(jìn)尺。

通常在水敏性地層鉆進(jìn)中，底噴式鉆頭的通水孔常堵，而且被堵孔大多連成一線，粘附在胎體唇面的巖屑未能及時(shí)得到排除，導(dǎo)致鉆頭冷卻不良，從而使巖屑燒結(jié)成墊層，嚴(yán)重阻礙了金剛石出刃，影響了鉆進(jìn)速度。筆者認(rèn)為，其根本原因在于沖洗液流經(jīng)鉆頭通水孔的流速或勢(shì)能不足以有效沖洗孔底。

復(fù)雜地層鉆進(jìn)，必然要受到孔壁穩(wěn)定性、泥漿性能及通水條件等限制或影響。只有在孔內(nèi)安全和鉆進(jìn)條件許可的情況下，通過(guò)求取鉆進(jìn)泵量和鉆頭有效通水孔的最佳匹配參數(shù)，才能獲取較好的鉆進(jìn)效果。據(jù)此理念，所用底噴式鉆頭的設(shè)計(jì)比常規(guī)底噴式鉆頭的通水孔數(shù)增加了1倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，合理調(diào)節(jié)鉆進(jìn)泵量和鉆頭通水孔個(gè)數(shù)，能夠提高孔底沖洗效果，降低鉆頭“泥墊”現(xiàn)象對(duì)鉆進(jìn)速度的影響，能夠保證鉆頭持續(xù)正常鉆進(jìn)。

4.3 碟簧與壓力彈簧的使用效果對(duì)比

雙隔取心鉆具的巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)在ZK205孔試驗(yàn)用的是碟簧，鉆進(jìn)堵心時(shí)不能保證及時(shí)發(fā)出堵水報(bào)警信號(hào)，從而導(dǎo)致了巖心無(wú)癥狀磨耗；在ZK501孔試驗(yàn)換用壓力彈簧后，鉆進(jìn)堵心時(shí)泵壓反應(yīng)靈敏，報(bào)信準(zhǔn)確，從而減少了巖心磨耗。經(jīng)彈簧參數(shù)計(jì)算，使用原裝碟簧在滑套頂靠在接頭臺(tái)階部位時(shí)，所施巖心頂力較所述壓力彈簧大10倍以上。需要指出的是，在ZK501孔第5鉆進(jìn)回次，孔深35.30 m處鉆遇裂隙層時(shí)，鉆具驟降0.15 m無(wú)堵水報(bào)警信號(hào)反應(yīng)，導(dǎo)致磨心進(jìn)尺0.17 m。遇此極軟弱地層，該巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)，還可通過(guò)更換較為弱小彈性能力的壓力彈簧來(lái)適應(yīng)地層變化的需要，從而提高報(bào)警信號(hào)的靈敏性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

a. 雙隔取心鉆具，在ZK205孔松散破碎的水敏性地層中，應(yīng)用發(fā)夾式巖心提斷器試驗(yàn)了16回次，進(jìn)尺18.03 m，獲取巖心采取率94.48%，解決了所在礦區(qū)同類地層應(yīng)用普通繩索取心鉆具獲取巖心采取率不足40%的難題；在ZK501孔構(gòu)造裂隙地層中，應(yīng)用卡簧式巖心提斷器試驗(yàn)了14回次，進(jìn)尺20.46 m，獲取巖心采取率97.90%，其使用效果優(yōu)于普通取心鉆具。

b. 選用不銹鋼裝飾管制作襯管，封隔發(fā)夾和卡簧自動(dòng)鎖心的取心技術(shù)方案可行。用壓力彈簧替代碟簧，提高巖心堵塞報(bào)信機(jī)構(gòu)的靈敏性和報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性，減少無(wú)癥狀巖心磨耗。對(duì)原鉆具單向球閥的改進(jìn)，在頂角0°～25°斜孔試驗(yàn)中顯示效果良好，沖洗液未對(duì)巖心造成沖蝕，打撈取心過(guò)程也未發(fā)生巖心脫落現(xiàn)象。至于頂角大于25°斜孔中的使用效果如何，有待后續(xù)探討。

c.所用底噴式鉆頭累計(jì)進(jìn)尺38.49 m，歷經(jīng)變換鉆進(jìn)泵量5次，調(diào)整通水孔個(gè)數(shù)8次，兩孔通過(guò)泵量和有效通水孔的最佳匹配參數(shù)后，降低了鉆頭“泥墊”現(xiàn)象對(duì)鉆進(jìn)速度的影響，保證了鉆頭持續(xù)正常鉆進(jìn)。實(shí)踐證明，該鉆頭設(shè)計(jì)合理。

d. 雙隔取心鉆具與現(xiàn)行復(fù)雜地層繩索取心鉆具比較，尚屬操作方便，使用成本低廉，有望在我國(guó)現(xiàn)行繩索取心機(jī)臺(tái)推廣應(yīng)用，具有較強(qiáng)的普適性和廣泛的應(yīng)用前景。

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Introductions and applications of a self-locking wire-line coring system with a water-shielding bit and a circlip-shielded core barrel

LIAO Yuansu, HU Qifeng

(No.2 Geological Party of Jiangxi Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau, Ganzhou 341000, China)

The great progresses have been made in the research of wire-line coring system used in complex formations at home and abroad in recent years. However, the key technology problems that affect coring quality and drilling efficiency have not been well solved, such as the resistence caused by core clamping components when the core gets into the core-barrel and the mud pad at the bottom of jet bits. The common S95 wire-line coring system is selected as the example in our study. Adding stainless steel liner with 0.7 millimetres thickness in the inner core barrel separates circlip components. The methods of increasing the number of water holes at the bottom of jet bit and widening the drainage channels have been adopted in these tests. There are two kinds of core lifters alternatives, one is hairpin spring and the other is clip spring. A new type of wire-line coring system with three-ply core barrels has been developed for drilling in complex formation, which has the advantages of water shielding, circlip-shield and automatic core locking. This new kind of wire-line coring system with hairpin core lifter is tested in the broken formations with strong water sensitivity. The average roundtrip footage is 1.13 m and the core recovery is 94.48%, which is increased by more than 50 percent comparing with the core recovery rate of similar formation nearby. The test has been carried out in the muddy formation with developmental fractures by using the circlip core lifter. The core cutting is as reliable as the circlip used in the ordinary wire-line coring system. The tests show that the coring technology by using liner to separate the core clamping components is feasible, which solves the obstruction of the core clamping components to the soft and loose core, and which is effective to protect the core in original state. The water-shielding jet bit improves the flush effect at the bottom of the bit and reduces the damage of the mud pad on the drilling speed by calculating the reasonable drilling pump volume and the effective number of water holes. This new kind of wire-line coring system is easy to operate and is cheap to use. It is expected to be popular and applied in the current wire-line coring drilling crew in China, which is going to have a strong universality and wide application.

complex formation; core drilling tool; core lifter; bottom jet bit; hair clips; circlip; liner pipe

P634.4

A

1001-1986(2021)04-0278-09

2021-01-13；

2021-06-20

江西有色地質(zhì)勘查局科技開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目(KF201802)

廖遠(yuǎn)蘇，1962 年生，男，江西贛州人，高級(jí)工程師，從事復(fù)雜地層治理及取心鉆具研究工作. E-mail：15970096813@126.com

廖遠(yuǎn)蘇，胡啟鋒. 一種隔水隔卡的自鎖式繩索取心鉆具及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(4)：278–286. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.033

LIAO Yuansu，HU Qifeng. Introductions and applications of a self-locking wire-line coring system with a water- shielding bit and a circlip-shielded core barrel[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：278–286. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.04.033

(責(zé)任編輯 郭東瓊 聶愛(ài)蘭)