新型坑道繩索取心鉆具的研制與應用

李瑞鑫，王朝壘，楊春

（中礦資源勘探股份有限公司，北京 100089）

由于坑道探礦以前大都使用提鉆方式鉆探取心，勞動強度大，取心率低，后來為提高鉆探效率而采用地表施工經常使用的繩索取心鉆探技術，但是由于坑道鉆探鉆孔傾角多樣，而普通的繩索取心鉆具是為地表鉆探施工適用的大傾角鉆孔而設計，在緩角度施工中就出現投放不到位、彈卡機構無法卡緊，而使內管總成被巖心頂出，無法完成鉆探過程的情況。針對這些問題，對原有繩索取心鉆具進行設計改造，并利用現有項目進行現場試用，解決了緩角度孔繩索取心鉆具無法順利投放到位，易脫卡的問題。

1 繩索取心鉆探工藝

繩索取心鉆進是采用繩索取心鉆桿和鉆具，在鉆具里面套裝一根取心管，在鉆進過程中，由鉆頭刻取巖心，巖心緩慢進入巖心管內。當回次進尺終了，巖心裝滿取心管時，采用帶繩索的打撈器，通過繩索絞車從鉆桿中將內管總成提出，提取巖心后，又從鉆桿中把內管總成投放到孔底，繼續鉆進的一種先進巖心鉆探工藝。與普通取心鉆進相比，其優越性表現在：

（1）提高了鉆進效率：減少提下鉆次數，增加純鉆時間，鉆進效率可提高25%以上，而且孔越深效果越明顯。

（2）提高巖心采取率：采取巖心或發生巖心堵塞時，可以立即打撈。絞車打撈提升平穩、速度快，可減少巖心磨蝕和中途脫落，巖心采取率最高可達100%，且可減少人為貧化或富集現象，地質效果好。

（3）降低工程成本：只在檢查外管鉆具、更換鉆頭時提下鉆，減少了上下鉆和擰卸鉆具、掃孔等工作頻率，減少對鉆頭的無用損耗。同時，鉆頭在孔內工作平穩，鉆頭有效使用壽命延長。

（4）減輕勞動強度：打撈巖心時，不必提鉆，只需一人操作繩索取心絞車。

（5）減少孔內事故：繩索取心鉆進對復雜地層影響和擾動較小，有利于鉆孔穩定和孔內安全。

常規的繩索取心鉆具包括外管總成和內管總成（見圖1），外管總成主要包括從上至下順次連接在一起的彈卡擋頭、彈卡室、外管、擴孔器和鉆頭，內管總成主要包括從上至下順次連接在一起的矛頭、彈卡定位機構、懸掛機構、單動機構、調節機構和內管（半合管等）。

其工作原理是當繩索取心鉆具工作時，即內管總成處于鉆進狀態時，彈卡定位機構卡接在彈卡室中，且內管總成無法沿外管總成的軸向發生相對運動。當輸送內管總成使其安裝于外管總成時，即內管總成處于投放（泵送）或打撈狀態時，彈卡定位機構未與彈卡室卡接，內管總成可沿外管總成或鉆桿的軸向相對其運動。

2 繩索取心鉆具的新型彈卡定位機構

普通的繩索取心鉆具的彈卡定位機構，如果定位不好，內管總成處于鉆進狀態時有可能在外管總成中竄動導致取心失敗，而導致提鉆，特別是在緩傾角地層中，鉆具內管在外管總成中卡不牢的現象時有發生。

本次研發新型繩索取心鉆具的彈卡定位機構的目的是保證順利提下鉆，且內管總成處于鉆進狀態時保證彈卡定位機構不脫離與彈卡室的卡接。

2.1 結構

新型彈卡定位機構（見圖2）；包括一個第一鉸鏈（26）、一個第二鉸鏈（28）、一個第一卡板（22）和一個第二卡板（24）。第一鉸鏈（26）、一個第二鉸鏈（28）、一個第一卡板（22）和一個第二卡板（24）之間可彼此相對轉動。

第一鉸鏈（26）具有一個第一鉸接端（262）和一個第一連接端（264）（圖中被遮擋未顯示）。第二鉸鏈（28）具有一個第二鉸接端（282）和一個第二連接端（284）。第一卡板（22）具有一個第三鉸接端（222）和一個第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一個第四鉸接端（242）和一個第二卡接端（244）。第一鉸接端（262）和第二鉸接端（264）鉸接于一個第一鉸接點（27）。第三鉸接端（222）和第四鉸接端（242）可鉸接于一個第二鉸接點（23）。第一連接端（264）鉸接于第一卡接端（224），第二連接端（284）鉸接于第二卡接端（244）。

圖2 繩索取心鉆具的新型彈卡定位機構一種示意性實施方式的結構示意圖

圖3 繩索取心鉆具的頭部總成一種示意性實施方式的結構示意圖

圖4 內管總成處于泵送狀態時的運動

2.2 設計特點

當內管總成處于鉆進狀態時，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接于彈卡室，且第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得外管總成與第一卡接端（224）和第二卡接端（244）之間的相互作用力施加于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28），且由于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得相互作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得彈卡定位機構脫離與彈卡室的卡接從而導致內管總成在外管總成中竄動。

3 繩索取心鉆具的頭部總成

如前文所講，普通繩索取心鉆進在大角度垂直孔鉆進應用廣泛，而緩傾角或坑內鉆探時除了坑道內環境和鉆機自身條件限制外，內管總成自身的重力很難使其投放到位。本次研發新型繩索取心鉆具的頭部總成的目的是鉆孔與水平面夾角小于45度時，內管總成可以投放到位。

3.1 結構

新型繩索取心鉆具（見圖3）的頭部總成包括一個矛頭（10）、一個彈卡定位機構（20）、一個閥體（50）和一個閥座（40）。當內管總成處于打撈狀態時，矛頭（10）可與打撈器的打撈鉤卡接，使得打撈器著力于矛頭（10），從而使得內管總成從外管總成中抽出。彈卡定位機構（20）連接于矛頭（10）。當內管總成處于鉆進狀態時，彈卡定位機構（20）可卡接于外管總成的彈卡室，使得內管總成與外管總成相對定位，避免內管總成在外管總成中竄動；當內管總成處于打撈狀態或泵送狀態時，彈卡定位機構（20）未與彈卡室卡接，使得內管總成可相對于外管總成運動。彈卡定位機構（20）設有一個第一卡板（22）和一個第二卡板（24），彈卡定位機構（20）藉由第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于彈卡室。

彈卡定位機構包括一個第一鉸鏈（26）、一個第二鉸鏈（28）、一個第一卡板（22）和一個第二卡板（24）。其中，第一鉸鏈（26）具有一個第一鉸接端（262）和一個第一連接端（264）（圖中被遮擋未顯示）。第二鉸鏈（28）具有一個第二鉸接端（282）和一個第二連接端（284）。第一卡板（22）具有一個第三鉸接端（222）和一個第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一個第四鉸接端（242）和一個第二卡接端（244）。第一鉸接端（262）和第二鉸接端（264）鉸接于一個第一鉸接點（27）。第三鉸接端（222）和第四鉸接端（242）可鉸接于一個第二鉸接點（23）。第一連接端（264）鉸接于第一卡接端（224），第二連接端（284）鉸接于第二卡接端（244）。當內管總成處于鉆進狀態時，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接與彈卡室，且第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）處于同一直線，使得外管總成施加于第一鉸鏈（26）和第二鉸鏈（28）的作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得內管總成在外管總成中竄動。

閥體（50）設有一個連接端（52）和一個密封端（54）。其中，連接端（52）可連接于彈卡定位機構（20）。閥座（40）設有一個閥孔（42），且閥孔（42）中可通過泥漿。密封端（54）可密封閥孔（42）。閥孔（42）的孔壁還鋪設有一個密封套（44），以增加密封端（54）與閥孔（42）之間的密封。內管總成還設有一個彈卡座（30），其上設有一個供泥漿通過的流道（32），且流道（32）連通于閥孔（42）。通過閥孔（42）的泥漿藉由流道（32）流向繩索取心鉆具的鉆頭。彈卡座（30）的周向上套設有兩個密封圈（34），以增加內管總成與外管總成之間的密封。

3.2 設計特點

與普通繩索取心鉆具的內管總成相比，該鉆具對閥體結構進行了改進，使鉆孔與水平面夾角小于 45 度時，內管總成可以投放到位。

a.內管總成處于泵送狀態時（圖中的點劃線表示泥漿的流向），第一卡板（22）第二卡板（24）帶動密封端（54）朝向矛頭（10）的方向運動，且密封端（54）進入閥孔（42）中，使得密封端（54）密封閥孔（42）。泵送的泥漿在總成中的流動通道堵死，泥漿的泵送壓力可推動內管總成投放到位（見圖4）。

b.內管總成處于鉆進狀態時圖中的點劃線表示泥漿的流向，第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于彈卡室，彈卡定位機構藉由連接端（52）推動密封端（54），使得密封端（54）穿過閥孔（42），處于閥孔（42）遠離彈卡定位機構的一端，且密封端（54）與密封閥孔（42）之間存在間隙。泥漿可由內管總成和外管總成的間隙進入，而后通過閥孔流向繩索取心鉆具的鉆頭（見圖5）。

表1 各項情況統計

圖5 內管總成處于鉆進狀態時的運動

c.內管總成處于打撈狀態時（圖中的點劃線表示泥漿的流向），矛頭上提，第一卡板（22）和第二卡板（24）收攏，第一卡板（22）和第二卡板（24）脫離與彈卡室的卡接。內管總成可相對于外管總成運動。彈卡定位機構（20）帶動密封端（54）運動，使其停留在閥孔（42）靠近彈卡定位機構（20）的一端，且密封端（54）與閥孔（42）之間留有泥漿通行的間隙（見圖6）。

圖6 內管總成處于打撈狀態時的運動

4 生產試驗

生產試驗于2017年11月至12月，利用現有的贊比亞，剛果金等多個礦區項目進行不同請教鉆孔的施工，施工合計工作量750.5米，取得了良好效果。現列舉具有代表性的試驗，介紹如下。

4.1 地層情況

贊比亞某礦區，地層主要由基底和加坦加（Katanga）系構成。基底為盧福布（Lufubu）系片巖、石英巖、片麻巖，變質花崗巖和穆瓦（Muva）系石英云母片巖。區內揭露的加坦加系地層主要包括下羅恩（LowerRoan）組和上羅恩（Upper Roan）組沉積變質巖。

4.2 主要設備及鉆具

鉆機：阿特拉斯·科普柯Diamec U6型坑道鉆機，該鉆機是自動化和集成度較高的全液壓坑道鉆機。

成品按照國際Q系列鉆具制作標準，并采用同系列的水壓打撈器和水接頭（加壓器），阿特拉斯直連扣鉆桿，進行生產試驗。

4.3 試驗效果

鉆孔DMCK-1102，設計傾角25°，設計孔深209米。試驗回次數60回次，有效進尺83.7米，泵送、打撈成功率100%，鉆進平穩，未出現自動脫卡現象。鉆孔DMCK-1215，設計傾角-10°，設計孔深117米。試驗回次數60回次，有效進尺85.9米，泵送成功率98.3%、有1次因鉆頭部分殘余巖心，致使泵送未成功，進而造成內管總成被頂出；打撈成功率100%。DMCK-1233，設計傾角5°，設計孔深83米。試驗回次數56回次，有效進尺82.1米，泵送、打撈成功率100%，鉆進平穩，未出現自動脫卡現象。試驗期間更換彈卡片2次，試驗結束剩余部分狀態良好，更換鉆具及打撈器橡膠活塞各2次。各項情況統計見表1。

5 結論

（1）本次研發新型繩索取心鉆具的頭部總成設計合理，性能可靠，在施工鉆桿軸線與水平面夾角小于 45度的鉆孔時，內管總成可以投放到位，其彈卡定位機構可以保證順利提下鉆，且內管總成處于鉆進狀態時保證彈卡定位機構不脫離與彈卡室的卡接，提高取心率和鉆具投放打撈成功率，可以滿足坑道內多角度繩索取心鉆進要求。

（2）與國際同類型產品相比降低成本約30%。

（3）可與各類坑道鉆機配套使用。

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