岩土钻掘工程学—绳索取心

绳索取心工具❑绳索取心：钻进中岩心充满岩心管后不需提钻，借助绳索和专用打捞工具从钻杆中把内管及岩心提至地表的取心方法。

❑极大地减少了起下钻具时间，机械化程度高，增加纯钻进时间，虽然绳索取心钻头壁更厚，机械钻速略低于普通钻头。

总的钻效提高了，且这种趋势随孔深的增大而增大。

❑岩心堵塞后能即时报警，岩心采取率高，地质效果好。

❑减少了提钻次数，钻杆与孔壁间隙小，钻头回转平稳，钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。

❑降低钻探成本。

❑缺点：钻杆的内径大而管壁薄，钻头壁较厚，钻进时碎岩功率消耗较大。

❑绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大。

❑地质条件：适于各种地层，在6~9级中硬岩层中效果最好。

一般不宜钻10~12级岩石。

这时钻效极低，钻头极易磨损，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。

❑绳索取心与液动冲击器相配合，钻进硬地层有良好的前景。

❑绳索取心一般在深孔中采用。

通常钻孔越深其经济技术效果越好,但最大深度受钻杆强度制约。

❑若绳索取心钻头寿命短，便失去了绳索取心的意义。

绳索取心钻具的规格和型号一、绳索取心单动双层岩心管——由外管总成和内管总成组成❑外管总成：弹卡挡头1、弹卡室7、稳定接头23（上扩孔器）、外管46和钻头52。

❑内管总成：捞矛、弹卡定位、悬挂、到位报讯、岩心堵塞报警、单动、内管保护和调节机构。

(1) 捞矛机构由捞矛头2和回收管4等组成。

取心时打捞器在钻杆内下放到内管总成上端，打捞钩抓住捞矛，向上提升打捞器使回收管上移，并向内压缩弹卡6使其收拢，于是内管总成和外管总成脱离，从而把内管总成提升上来。

(2) 弹卡定位机构：弹卡6、张簧5和弹卡座10。

内管总成在钻杆内下放时弹卡外张，一旦到达外管的弹卡室 7，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁。

弹卡室挡头即可防止内管向上串动，又可带动内管总成轴承上部与外管一起旋转，以免因相对运动造成弹卡磨损。

3) 悬挂机构：内管悬挂环21与外管座环22的直径相差0.5~1.0mm。

内管总成下降到外管弹卡室时，悬挂环座在座环上，使内管总成下端卡簧座51与钻头52内台阶2~4mm的间隙，保证内管单动。

(4) 到位报信机构：冲洗液下送内管总成时，冲洗液由内管外环间隙通过；内管坐在悬挂机构上时，冲洗液通道被堵泵压明显升高(0.5~1MPa)，表明内管已到位。

此时阀堵39打开，泵压恢复正常，可以正常钻进。

(5) 岩心堵塞报警机构：钻进中发生岩心堵塞或装满内管时，岩心对内管产生的顶推力压缩碟簧，使滑套24上移堵塞接头38的通水孔，造成泵压升高，告诫操作者应停止钻进，捞取岩心。

(6) 单动机构：两副推力轴承29、31使内管不随外管转动。

(7) 内管保护（缓冲机构）：拉断岩心时内管及卡簧座下移至钻头内台阶上，拉力由钻头传至外管，内管不受损坏。

(8) 调节机构：内外管组装时，调节卡簧座与钻头内台阶之间隙（0~30mm）。

二、打捞器——由打捞和安全脱卡机构组成打捞机构：打捞钩1、打捞钩架3、重锤7和钢丝绳接头。

取心时，用钢丝绳把打捞器放入钻杆内靠重锤以1.5~2.0 m/s的速度下降，当它到达内管总成上端时，能准确钩住捞矛头，把内管总成提升上来。

长套管(壁上开有斜口)套入钢丝绳,靠自重下降，撞击并罩住打捞钩尾部，迫使其向内收缩，端部张开，从而使打捞器与内管总成脱离。

三、绳索取心附属工具1、钻杆——内外平（包括接头）、强度、同心、垂直。

2、绳索取心绞车：专用于下放打捞器和打捞岩心管。

3、钻杆夹持器：用于夹持外平的绳索取心钻杆的夹持器有脚踏夹持器(木马夹持器)和球卡夹持器两种型式。

四、工艺过程注意事项❑打捞器到底可缓慢提动钢丝绳。

若有冲洗液由钻杆中溢出说明打捞可能成功，否则需再次下打捞器。

❑当判明外管和钻杆内无岩心时，将备用内管从孔口下入钻杆内。

此时可开机缓慢转动并开泵冲送，加快内管下降速度。

❑若打捞不成功，则应提钻处理。

❑干孔中不能直接投内管，在钻杆柱内注入冲洗液，然后迅速投入内管。

❑确认内管已经到位才开始扫孔钻进。

❑绳索取心钻进的优缺点及应用范围生索取心钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩心管后，不需提钻取岩心，而是以钻杆为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法。

由于这种方法不需要将钻杆提升到孔外，所以极大地减少了起下钻具的时间。

据统计，在金刚石岩心钻进过程中，升降钻具工序约占全部生产时间的30%～40%，而且机械化程度低，劳动强度大。

为了增加纯钻进时间，提高钻进效率，采用绳索取心钻进是最有效的途径之一。

一、优点1、钻进效率高绳索取心钻头的壁厚比普通取心钻头厚，钻进时的机械钻速略低于普通钻头。

但由于减少了辅助作业时间，增大了纯钻进时间，所以总的钻进效率仍比普通钻头高，且这种趋势随孔深的增大而增大。

2、地质效果好绳索取心钻具具有打捞速度快，提升平稳以及岩心堵塞后能即时报警等特点。

因此，当岩心堵塞时，便于立即处理，可以减少岩矿心的损耗。

所以绳索取心钻进岩心采取率高，完整度和纯洁性好。

3、钻头寿命长由于减少了提钻次数，因此钻头在升降过程中的拧卸、碰撞的机会及扫孔时的磨损减少。

同时，钻杆与孔壁间隙小，钻头在孔内工作平稳，也可以提高钻头寿命。

通常，绳索取心钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。

4、有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作由于减少了提钻次数，因而缩短了孔壁的裸露时间，也减少了升降钻具时对孔壁的破坏。

同时钻杆还可以起到套管的作用，有利于护壁，也使下放测斜仪器更加方便敏捷。

5、减轻劳动强度由于起下钻具次数少，因此减轻了劳动强度。

孔越深，钻具越长，这个优点越明显。

6、降低钻探成本由于绳索取心钻进效率高、钻头管材以及动力消耗比较小，因此，钻进成本可大幅度下降。

据有关资料统计，使用绳索取心钻进成本降低30%一40%。

二、缺点钻杆的内径大而管壁薄，连接强度要求高。

钻头壁较厚，切削孔底岩石的面积较大，因此，钻进时碎岩功率消耗较大。

三、应用范围绳索取心钻进方法已广泛应用于地质勘探、水文地质和工程勘察等多种钻进工程中。

然而，在一个具体的工程中是否采取绳索取心，还必须考虑地层条件、钻孔深度、钻头寿命以及绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大等因素，以便综合权衡其使用的合理性。

1、地质条件绳索取心钻进可用于钻进各种地层，在6～9级中硬岩层中效果最好。

在目前的技术条件下，一般不宜钻进10～12级岩石，尤其是岩石的组织致密、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、石英磁铁矿等，或研磨性很强的硬、脆、碎岩石。

因为，钻进上述岩石时，钻头极易磨损，钻进效率极低，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。

然而，绳索取心钻进与液动冲击器相配合，钻进此类地层有良好的前景。

2、钻孔深度绳索取心一般可在浅孔(100～300m)和深孔中采用。

通常，钻孔越深其经济技术效果越好。

然而，绳索取心钻进的最大深度受钻杆强度的制约，应进行校核。

3、钻头寿命采用绳索取心钻进，如果钻头寿命短，钻进过程中经常提钻更换钻头，那么便失去了采用绳索取心钻进的意义。

绳索取芯钻进附属设备及工具钻机：绳索取芯钻进对使用的钻机没有特殊的要求。

水泵：应采用具有较高泵压的变量泵。

钻塔：塔上要装配有一个小滑车，通过细钢丝绳专供下打捞器和提取内管装置用。

由于绳索取芯钻进在钻杆柱中升降内管总成，故应采用内外平的钻杆连接，此外，必须具有相应的附属设备和工具，如绳索取芯绞车、夹持器、提引器、拧卸工具等，才能进行绳索取芯钻进。

绳索取芯钻进工艺钻头的选择和合理使用绳索取芯钻头的选择原则基本上与普通双管钻头相同。

选择时，特别要考虑绳索取芯钻头所具有的特点：例如钻头镶嵌的金刚石质量，胎体性能均要好，与地层应有更广的适应性，内、外径补强好、胎体高等。

由于绳索取芯钻头壁厚而影响钻进效率，因此，尽可能选择与岩石接触唇面较小的，能创造多自由面碎岩的钻头(阶梯式或多环槽尖齿式钻头)。

钻头合理使用中需特别注意的是：绳索取芯钻头钻进虽然不经常提钻换钻头，但对于钻头来说，同样存在着排队使用问题。

特别是当钻进强研磨性岩层时、或者钻头内外径的保径金刚石质量不够好时，更应注意。

金刚石绳索取芯钻进应注意的几个问题在易斜岩层中钻进要注意防斜尽量采用清水加润滑剂作为冲洗液。

遇到复杂地层，必须使用泥浆时，应采用泥浆粘度低、比重小、沉砂快、流动性好又具有防塌能力。

或者采用高分子聚合物无固相冲洗液。

如聚丙烯酰胺冲洗液、水玻璃冲洗液加强孔内润滑减阻，使用润滑泥浆（冲洗液）。

必要时，应采用钻杆涂抹脂，加强钻具的润滑，以减少阻力，提高转速。

要避免打“单管”现象。

合理控制提、下钻速度。

当钻进复杂地层时，应放慢提，下钻速度。

提升钻具及打捞内管总成时，均须向孔内回灌一定量的冲洗液。

钻进时，严禁盲目加压。

预防烧钻事故。

取芯操作技术当钻进到岩芯快装满内管(进尺不准超过内管长度)或发生岩芯堵塞时，应立即进行打捞岩芯：停泵后先将钻具提离孔底，卡断岩芯，提起机上钻杆，并在接头处卸开，钻机后退，拧上钻杆护丝，下放打捞器(打捞器在冲洗液中以1.5～2m／s的速度下降)，当确认打捞器捞钩已钩住捞矛头时，开动绞车提升内管总成。

当内管捞出孔口后，卸开捞钩，缓慢下放，以免调长螺杆部分被折弯。

此时应检查岩芯采取情况。

确认钻杆柱内无岩芯时，可将另一套备用内管由孔口投入钻杆内，并对上机上钻杆、开泵压送内管，以促使内管加速向下滑行。

为避免在滑行过程中，被钻杆接头台阶部分顶住，可以适当开车晃动钻具；如孔内漏失变成干孔，则需用专用的干孔投放器下放内管。

当确认内管巳准确可靠的到达外管中时，方准缓慢扫孔及钻进。

捞取岩芯后，若发现内管中无岩芯或岩芯欠缺时，应当判断原因。

如岩芯脱落在钻杆柱内时，应立即提钻处理。

一旦发现钻杆折断，则不准下入打捞器进行捞取内管的工作。

拧卸内管须用专用多触点自由钳，拧卸卡簧座须用专用的卡簧座搬手。

拧开内管任意一端(卡簧座或内管接头)后，可轻轻敲击内管倒出岩芯，切勿用铁锤猛击，以免管壁产生凹坑，使钻进时堵塞岩芯。

取出岩芯后，应清洗并检查内管总成，然后重新组装起来，经过检查认为合格后，放在不易被压、踩的地方，以备下个回次再用。