繩索取芯鉆進工藝關鍵技術

摘要：繩索取芯具有地質效果好，鉆進效率高，孔內事故少等優勢【1】。經過在武漢后湖地區的斷裂帶鉆探工作的實踐表明，繩索取芯鉆進滿足斷裂帶鉆探工作的要求，且能夠較好完成斷層鉆探的技術要求，具有很強的優越性，可以在斷裂帶的鉆探工作中推廣。

關鍵詞：繩索取芯；斷裂帶；鉆探

前言

地震是一種強烈破壞性地質災害，特別是斷層控制的構造地震，一旦發震，給人民生命財產帶來危害。特別是在汶川地震、玉樹地震發生后，國家加大對孕育構造地震的斷層的研究，特別是深大的潛伏斷裂帶。橫穿湖北省中部有一條重要的深大斷裂，就是襄樊-廣濟斷裂帶【2】。該斷裂帶西至四川省，相接于城口斷裂，東至安徽省，交匯于北北東向郯廬斷裂帶的南端，由郯廬斷裂帶、麻城-團風斷裂帶、襄樊-廣濟斷裂帶和近東西向桐柏-大別山北麓斷裂帶圍限切割的大別斷塊隆起，是江淮之間中強震最頻繁地區，其構造互動作用是控震-孕震的主要因素之一【3】。

為此由武漢地震工程研究院牽頭，中國地質大學（武漢）工程學院項目工作人員在襄樊-廣濟斷裂帶武漢后湖地區進行了鉆探工作。為了能夠較為準確的研究該斷裂帶，必須保證良好的取芯率，為此本項目采用繩索取芯。

1繩索取芯

繩索取芯鉆進是指在鉆進過程中，當巖心充滿巖芯管后，不需要提鉆取芯，而是以鉆桿為通道，借助于繩索和專用打撈工具，把鉆進過程中儲存在巖心管中的巖心提升到孔外的取芯鉆進方法【4】，這種方法具有機具結構簡單、鉆進效率高、巖芯質量好、巖芯浸泡時間最短、勞動強度低等特點，具有很大的推廣應用價值。

（1）繩索取芯鉆具

繩索取芯鉆具結構有兩部分組成，分別是繩索取芯雙層巖心管和打撈器，雙層巖心管部分包括外管總成和內管總成，繩索取芯鉆具見圖1。

圖1 繩索取芯鉆具

本工程中使用的使用的繩索取心鉆具型號為Φ95mm，具體規格見下表

表1 鉆具規格

鉆頭擴孔器外徑/mm內巖心管外巖心管

外徑/mm內徑/mm壁厚/mm 外徑/mm內徑/mm壁厚/mm外徑/mm內徑/mm壁厚/mm

95.56316.25967367389795

（2）工作原理

在鉆孔內鉆進時，繩索取芯鉆具的外管和鉆頭一起同鉆速鉆進，而內管保持不轉動，在繩索取芯的時候，先將打撈器固定在主卷揚上，然后把打撈器下入到鉆孔內，與外管內徑結合，最后提出打撈器，同時帶出內管和巖芯，取出巖芯后，再用主卷揚或者副卷揚把內管放入外管內徑放到孔底。

2繩索取芯關鍵技術

2.1鉆探設備選擇

設備的選擇原則主要考慮一是要滿足斷層探測孔鉆進能力要求；二是根據經費投入盡量選先進設備，以保證斷層探測孔的質量；三是要滿足斷層探層孔的技術要求。

2.1.1鉆機

本項目在綜合考慮以上原則之后選用較為先進的全液壓CSD1300L型巖心鉆機。該鉆機采用全液壓動力，履帶式底盤，能夠自由行走，最大鉆進深度1300m，滿足本工程鉆探孔施工的各項技術要求。詳細的鉆機性能見表2。

表2 CSD1300L型巖心鉆機性能表

動力頭最大扭矩4257Nm主卷揚最大提升力68kN

最大通孔直徑117mm提升速度28m/min

轉速0-1182r/min副卷揚最大提升力11kN

給進行程3500mm提升速度120m/min

最大給進力50kN柴油機型號CumminsGBTA5.9

最大起拔力127kN功率132KW@2500r/min

鉆進角度45°- 90°外形尺寸5100*2350*2600mm

行走速度2km/h鉆機質量8500kg

2.1.2泥漿泵

選擇廠家配套在CSD1300L型巖心鉆機上的泥漿泵，性能穩定，能滿足斷層探測孔的鉆進要求。

2.2鉆頭

鉆進的重要工具和先決條件是鉆頭，特別是對于繩索取芯鉆進來說，鉆頭的質量的要求更加嚴格。鉆頭的壽命是鉆頭選擇的重要參考參數，如果在鉆進過程中經常需要更換鉆頭，那么繩索取芯鉆進也就沒有意思了。為保證鉆頭的壽命必須從以下兩個方面把握：

一是鉆頭的加工質量。由于有較多的金剛石鉆頭的制作方法和工藝復雜質量指標多，所以必須嚴格按照制作方法進行制作并且嚴格控制各項指標在誤差允許中。對于達不到要求的鉆頭，一律不使用。

二是選擇適合的鉆頭。為了能夠較好地完成任務，選擇時必須依據項目的地層情況、設備配套條件和工藝水平來選擇金剛石鉆頭。

本項目根據場區地層條件及鉆探技術要求，選用適應強風化及中風化砂巖地層鉆進的金剛石復合片鉆頭。

2.3泥漿

繩索取芯鉆進系統有較小的鉆具與井壁的外環空間隙和鉆桿內壁與內管或打撈器的內環間隙，且高速轉動，都容易能使鉆桿內壁結泥垢，縮小了鉆桿內徑，打撈和內管總成的升降就比較困難，進而導致撈取巖心困難甚至失敗【5】。泥垢往往出現在靠近孔口2～4根立根處，其厚度由上至下逐漸變薄。為了較好的完成研究任務，在配制泥漿時，主要采取了以下措施：一是減少固相在泥漿中的含量；二是更加充分的攪拌固相與液相。

3繩索取芯技術成果

在物探綜合分析的結果上，分別在斷裂帶的上下兩盤進行鉆進工作。為了能更好地了解繩索取芯技術的優勢，在斷裂帶上盤的1號孔的鉆進使用繩索取芯，下盤的2號孔的鉆進使用普通硬質合金鉆進。通過對比，說明繩索取芯具有地質效果好，鉆進效率高，孔內事故少等優勢。

（1）地質效果好

具有雙管單動鉆進，巖芯堵塞報信機構是繩索取芯鉆進的優點，它比硬質合金鉆進時巖芯采取率高，并且采取出來的巖石完整性很好，且具有良好的純潔性。1號孔的巖芯采取率高達89%，且巖芯較完整，地質代表性較好。而2號孔的采取率為78%，巖芯較破碎。

（2）鉆進效率高

當繩索取芯鉆進采取巖芯的時候，只需要用打撈器打撈出內管，這樣就可以大幅度減少升降鉆具的次數和時間，1號孔進尺110m，扣除人為原因等非正常上提鉆因素外，只提鉆4次，平均每27.5m才提鉆一次，增加了純鉆進時間，比2號孔提前10天完成，提高了鉆進效率。

（3）減少了孔內事故

繩索取芯鉆具和孔壁之間的間隙小，減弱了鉆桿對孔壁的擾動程度，同時，由于提升鉆具的次數少，減少了泥漿的抽吸作用，減少了鉆孔事故的發生。特別是在斷裂帶這種破碎地層，減少提鉆次數顯得尤為重要。1號孔除操作不當引起的孔內事故外，無其他事故發生。

4總結

斷裂帶的鉆探工作有自己獨有的特點，煤炭等鉆探行業的技術、設備相對先進很多，但由于要求不同，工作環境不同，勘探要達到的目的也不同，在其他領域運用很好地鉆探技術、設備不一定能有效的運用到斷裂帶的鉆探工作中來。經實踐檢驗繩索取心鉆進技術在斷裂帶的鉆探工作中取得了良好的鉆進效果。特別是能夠較好完成斷層鉆探的巖芯采取率要求，具有很強的優越性，可以在斷裂帶的鉆探工作中推廣。

參考文獻

[1]湯風林.巖芯鉆探學[M].湖北武漢：中國地質人學出版社，1997.

[2]湖北省地質礦產局.湖北省區域地質志[M].北京：地質出版社，1990.

[3]陳磷.襄樊一廣濟斷裂湖北段構造特征研究[J].石油實驗地質，2009，31（2）：186-191.

[4]張吉路.繩索取心鉆進工藝在山西吉縣煤層氣參數井的應用[J].中國煤炭地質，2010，22（增）：134-137.

[5]湯松然.繩索取芯鉆探沖洗液[J].北京：地礦部探礦工程所，1990.

作者簡介：孫超杰，男，1990年4月出生，中國地質大學（武漢）在讀研究生，研究方向為地質工程。