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n钻探新技术、新工艺介绍一、金刚石取心跟管钻进技术二、不提钻换钻头技术三、 潜孔锤取心跟管钻进技术四、 喷反钻具取心技术一、金刚石取心跟管钻进技术项目提出背景：覆盖层钻探是关键技术难题，尤其是孔壁坍塌问题。 “九五”国家科技攻关项目：高坝工程快速勘测“钻探新技术开发和应用”。专题：“冲击式金刚石取心跟管钻进技术研究”。（国电三等奖）（一） 概述1、作用：实现在钻进过程中跟进套管，即：不提钻下套管2、适应地层：该套钻具适适用于河床砂卵砾石层、冰积、滑坡等堆积层、第四系覆盖层和断层破碎带等钻进困难复杂地层。能够有效地预防孔壁坍塌、掉块、冲洗液漏失等孔内事故。 （二）复杂地层分类:1、坍塌掉块地层:砂卵砾石层、堆积体、松散土层、缩径地层等。2、冲洗液漏失地层:裂隙发育地层,有洞、孔、地下暗河等地层。（三）造成复杂钻孔原因1、地质原因: 岩石性质、地质结构运动、风化作用、地下水作用等。2、技术原因(外界原因): 过快起下钻、过大钻进压力、冲洗液性能调整不好、钻孔结构不合理等。孔内事故造成坍塌、埋钻、断钻等。 （四）下套管方法1、常规下套管法2、放炮下套管法3、管鞋钻头下套管法4、潜孔锤下套管法5、绳索取心下套管法6、双回转器下套管法等下套管方法传统下套管方法：钻进至预定孔深后，将孔内钻杆钻具提至地表，方可向孔内下入套管。问题： 钻进过程中，钻孔是裸露，没有套管护壁。 下套管困难或根本无法下入孔内，因为孔壁裸露太久，已坍塌。跟管钻进法：边钻进，边下套管；套管伴随钻进而跟进。 同时连续跟进：套管跟进和钻进完全同时。现今空气潜孔锤跟管钻进就是属于这一类。 间隙跟进：每钻进数米后，停止钻进，然后将套管延伸数米。冲击式金刚石跟管钻进技术 属于这种。同径跟管钻进（简称跟管钻进）：它是经过采取跟管钻具在套管下部钻进，钻孔直径略大于套管，套管靠其重力作用自动向孔底延伸。它能够实现长孔段跟管，适用范围也广，是研究得最多一个跟管钻进方法。在金刚石取心跟管技术中，现在只能做到间隙跟管。套管扩孔跟管：它属于传统下套管方法，只是套管下端管鞋能够破碎岩石，从而实现套管延伸。因跟管长度受管鞋寿命制约，现极少使用。锤击跟管（放炮锤击跟管）：它属于间隙跟管钻进。直接把套管下入孔中，换径采取小一等级钻具钻进25米，然后在孔底放炮将套管下部岩石振松，再用吊锤打击套管，强力使套管延伸。这种方法在水电勘察工程中常常使用，但存在很多缺点：含有炸坏套管可能； 套管轻易在锤击时变形；同一等级套管难以实现长孔段跟管。带有一定盲目性，轻易造成孔内事故。在扫孔辅助工序中需要消耗大量泥浆和其它材料，增加无须要钻探成本。（五）下套管目标 孔口管 止水（隔离地表水，预防其侵入地下） 防漏、防渗 预防孔内事故（如隔离溶洞，预防断钻杆） 防坍塌（目标能够是单一，也能够同时包含多个）（六）套管脱扣预防和判定1、要避免使用弯曲钻杆。2、该跟管钻具工艺要求套管处于悬空状态，所以预防套管脱扣很关键。3、采取合理钻进规程参数。4、尽可能采取反扣连接套管。采取反扣套管进行跟管钻进,钻杆回转(正转)产生颤动作用不仅消除了套管脱扣可能性,而且还含有拧紧套管能力。这是跟管钻进技术预防套管脱扣最好技术方法。套管脱扣预防和判定1、正扣套管回扣预防每钻进4-6回次或每次跟管时，借用短钻杆将套管直接下到孔底，合上立轴并采取极限低转速拧紧孔内套管柱，然后将套管提到孔口夹紧，恢复正常钻进。2、套管脱扣判定钻进时，一旦发觉孔内出现异常响声或蹩车现象，应立即提钻和检验钻具磨损情况，如扩孔钻头上部锥面出现磨损，表明孔内套管脱离，应立即进行处理。（七）结构原理 1、钻具特点:在套管下面扩孔钻进，有收敛功效2、冲击式金刚石取心跟管钻具由张敛式跟管钻具、液动冲击器和金刚石取心钻具三部分组成 跟管钻具液动冲击器金刚石取心钻具金刚石取心跟管钻进技术1、钻具结构原理：2、动力传输问题3、水路问题4、张开和收缩方法5、副钻头尺寸6、套管固定等7、其它（八）应用效果 1、金刚石取心跟管钻具设计合理、组配科学。 2、和常规跟管法比较，可大幅度降低孔内事故，降低材料消耗，提升钻进效率。 3、简化钻孔结构。 4、为处理预想不到孔内事故提供了条件。 5、岩心采取率高和取心质量好。 6、操作简单、易于掌握，易于推广应用。 （九）钻具效果对比使用此套钻具孔未使用此套钻具孔地层洪积碎石土层，冰积、冰水积漂卵石层洪积碎石土层，冰积、冰水积漂卵石层设计孔深150米120米下套管层数35下套管规格127、108、89168、127、108、89、73钻进时间45天90天台效（米/台.月）11445开孔口径MM127168终孔口径MM9456岩心采取率90%70%跟管钻具规格n 108/89（简称108，以套管直径命名）n 89/73（简称89）二、不提钻换钻头技术（含有时代意义技术）（一）概述不提钻换钻头钻进技术：经过使用专用钻具，不提升钻杆，就能够更换孔底钻头。不提钻换钻头钻具1、和绳索钻具区分:2、和取心跟管钻具区分:（二）BH系列不提钻换钻头技术BH系列不提钻换钻头钻具是中国于八十年代研制成功一套钻具，曾获部结果一等奖，国家发明三等奖。它借助同径绳索取心钻杆、打捞器和绞车钢绳，在每个取心回次，全部利用绳索将孔内主副钻头提升至地面，从而进行观察或更换，实现不提升钻杆就能更换钻头目标。不提钻换钻头技术背景BH系列辉煌在八十年代。1986-1987年，有近百台BH75钻具在投入使用，使用最深孔深为997.26m，最长提钻时间间隔达16天，不提钻（杆）最高钻进进尺达285.29m。 进入90年代以后，因为市场原因，该技术停止了发展，现在，地质工作发展又带来了新发展机遇。（三）钻具结构原理和技术特征 1、整个钻具分打捞部分和非打捞部分，前者称为主钻具，后者称为副钻具。 2、钻具关键由打捞、报信报警、悬挂、张敛、瞄 向定位、限位、密封和单动双管等系统组成。（1）主钻具在投放时，经过限位机构保持在收敛状态。（2）投入到孔底后，经过初瞄定向，进入悬挂状态，到位是否，可经过报信系统来判定。（3）开泵输送钻井液，迫使副钻头完成向外张开，钻具进入钻进状态。（4）钻进回次结束后，投入打捞器，向上提升可迫使副钻头收敛后，将主钻具带至地表。（四）钻具关键技术参数钻具规格 钻孔直径 主钻具 岩心直径 BH75 75mm 56普双钻具 38BH91（95） 91mm(95mm) 70普双钻具（系特殊规格） 51（五）钻进工艺-操作规程1、下孔前，检验钻具张敛灵活性，要求对主钻具和副钻具进行调试。2、将副钻具和钻杆连接下入钻孔，并控制副钻具底端和孔底距离，要求有主钻具下放到位空间位置。3、将主钻具投入孔内，如漏失孔，须打捞器送入孔底；（首次使用时要求在孔口先作孔口试验，实测报信压力值）4、合立轴，开泵，依靠钻井液压力将副钻头打开，判定到位后方可钻进。（六）钻进工艺-孔口钻具张开报信试验n 孔口试验（首次使用时一定要作，因为判定钻具到位很关键。到位概念，到位：抵达预定位置且张开到设计尺寸）n 首次使用钻具，应先在孔口作钻具张开报信试验，测定具体报信压力值Pm，以作为判定孔内钻具工作状态依据。试验方法：n 报信压力值Pm测试：将钻具直接和钻机立轴连接，并确保钻具扩孔钻头露出孔口，采取常见泥浆和常规泵量开泵送水，观察泵压表和扩孔钻头改变情况，扩孔钻头张开时稳定泵压就是钻具张开报信压力Pm；（七）钻进工艺-孔内钻具工作状态判定n 将钻具下到孔底，开泵送水后，当泵压上升到报信压力(Pm+沿程损失P1）后又回到P1并保持基础稳定，表明钻具张开呈钻进工作状态，能够进行扫孔和钻进；n 假如出现憋泵现象，说明钻具仍处于收敛状态，此时可活动钻具并观察泵压，憋泵现象仍不能解除，应提钻检验和排除钻具张敛故障。（八）钻进工艺-钻进工艺参数n 钻压：关键施加在主钻头上，所以需要压力较小。推荐5-7kN，不宜超出8kN，不许可超出10kN。当副钻头处于不碎岩状态时，钻压不许可大于5-6kN。n 转速：实践检验结果以400-800转/分为宜。n 泵量：因其碎岩面积比S75大19%，故泵量也应该大19%，通常增加10-20L/min。显然，其泵压也肯定随之增高，增高值通常为0.3-0.5MPa。（九）使用效果BH系列不提钻换钻头钻具辉煌在八十年代。1986-1987年，有近百台BH75钻具在投入使用，使用最深孔深为997.26m，最长提钻时间间隔达16天，不提钻（杆）最高钻进进尺达285.29m。主钻具到位成功率大于92.8%，打捞成功率大于93.8%。平均纯钻时间率为55.7%。伴随地质工作发展，我们相信，该技术在深孔钻进中，有其技术优势。（十）不提钻换钻头技术前景n 伴随新一轮地质大调查工作开始，地质钻探朝着深部发展，有越来越多深孔钻探任务，现在有很多施工单位对BH系列不提钻换钻头技术感爱好，要求购置并进行技术服务我们现在依据国、内外动力头钻机及绳索取心钻杆特点，将进行专门研制开发工作结论金刚石钻进不提钻换钻头钻具，是中国首次研制成功并进行了生产性试验一个新型钻具，在不提钻岩心钻探技术世界领域内是一个突破。 钻具设计合理，结构简单，性能比较可靠，收敛动作灵活，到位报讯易于观察并能够调整泵压，悬挂装置可靠，拆卸方便。生产试验表明，该钻具可降低提钻次数，增加纯钻进时间，减轻体力劳动强度等，达成了国际优异水平。 三、潜孔锤跟管取心钻进技术问题提出1、地质勘探 在松散、破碎、无胶结地层钻孔跨塌严重，取心困难。 2、水电工程在深厚架空层，钻进效率十分低下，难以取到原状岩样，取心率极难满足规范要求。3、地质灾难滑坡勘查目前滑坡钻探工程中普遍采取液态冲洗液，轻易诱发滑坡、原状岩样采取质量不高、钻进速度慢。处理问题措施研究开发一个钻进速度快、取样质量好、护壁能力强钻探取样技术。风动潜孔锤钻头风动潜孔锤钻头跟管钻具DP型偏心潜孔锤跟管钻具 SP型偏心潜孔锤跟管钻具 DT型同心跟管钻具 （图）综合上述钻进技术方法，我们认为：潜孔锤跟管取心钻探技术方法能够满足要求！钻具特点（1）钻具结构采取同时、同心跟管钻进原理，从结构上确保孔底一直含有钻具到位径向和轴向空间位置，所以，钻具不存在地层垮塌原因造成钻具到位故障。（2）采取中心钻头（唇面）超前套管钻头阶梯钻进原理，同时将高压气流通道和低压通道分开，使高压气流直接从高压排气孔排除，避免高压气流冲刷孔底岩心，岩心一直处于岩心管屏蔽保护下，所以，能够取得高质量岩心和高采取率。（3）钻具采取双管（外管和岩心管）和三层管（外管、岩心管和半合管）两种结构方法，能够满足不一样砾石（用单管）和松散地层（用双层管）取芯要求。（4）钻具采取外管和岩心管均为地质钻探和石油钻井标准管材系列，市场货源充足，交换性好。（5）和金刚石回转钻进不一样，空气潜孔锤取芯跟管钻进因为采取冲击为主破碎岩石方法，其岩心关键是靠挤压方法形成，从而消除了金刚石钻进那种高速回转对岩心扰动破坏原因，所以能够取得能够客观反应地层情况（层位、包裹情况等特征）；在卵砾石和漂石中，尽管所取岩心圆柱状几何形状没有金刚石钻进哪样规则，然而并不影响地质方面对地层情况（岩石力学特质、层位界限和岩石组分等特征）分析。（6）发挥潜孔锤钻进效率高技术优势，采取取芯和跟管一次完成，钻进效率能够大幅度提升。（7）钻具结构简单，操作简便，含有很好实用性。钻具关键技术参数n 钻具类型：空气潜孔锤取芯跟管钻具；n 钻具规格：168 mm；n 钻具直径（套管钻头总成）：176 mm；n 跟进套管：168mm（1687）；n 钻孔直径：176 mm；n 岩心直径：75mm；钻具关键技术参数n 中心钻具（取心钻头唇面）直径：128 mm；n 中心钻头超前（套管钻头）量：120mm；n 钻具长度（不含潜孔锤）： 1710 mm（岩心管长度1000 mm）； 2210m（岩心管长度1500 mm）；n 回次可采岩心长度： 1190 mm（岩心管长度1000 mm ）； 1690m（岩心管长度1500 mm）；n 跟管方法：空气潜孔锤随钻同心、同时跟管。钻进规程1、设备和器具：空气压缩机：中、高风压空气压缩机（容积流量 17/min,排气压力1.2MPa），如英格索兰（Ingersoll-Rand ）VHP700、VHP700E、VHP600E、阿特拉斯（Atlas）KRHS396Md等空压机；冲击器：DHD-350R冲击器（英格索兰）；钻 机：钻进能力大于100米岩心钻机，含有2550转/分低转速挡，（如采取调速电机XY-2岩心钻机、或含有相当钻进能力动力头全液压钻机）；钻进规程设备和器具钻杆：73（739）或60（606）钻杆；套管：168mm套管，每根长度1.21.5m，左 旋螺纹连接；管钳：127、89套管钳；钻塔：采取一般岩心钻机情况下，采取79m高钻塔，此时，要求钻进平台高出孔口1.2m；采取动力头钻机情况下，不需要专门钻塔；其它：钻探施工常见工具。开孔前现场准备工作1、检验调试钻具（1）检验调试钻具传扭副，既要求中心取芯钻头内凹花健槽能够灵活地插入套管钻头内凸花健，又能灵活地退出，假如二者因加工精度配合较紧，应进行修理和调试，以确保良好间隙配合状态，避免因配合问题影响钻具到位。（2）检验调试环形钻头和管靴悬挂分动式连接副分动性能，要求二者能灵活地相对转动，除采取良好间隙配合精度外，可在其配合空间内注黄油以提升分动灵活性能。开孔前现场准备工作检验调试钻具（3）检验调试岩心管（短节部分）和中心钻头密封性能，消除高压空气可能串入钻头底唇内部（低压气流腔）不利原因；图10 钻具连接示意图 （4）检验疏通低压空气通道，消除空气堵塞等影响岩心进入岩心管原因。四、潜孔锤取芯跟管钻进工艺1、开孔将套管靴直接放到孔位，采取简易定位方法将其定位；将中心钻具下入套管内并使其到位，送空气和开动钻机进行冲击回转钻进。开孔时，因为套管基础上无制动阻力，肯定随中心取芯钻具回转，这属于正常现象。当套管跟进一定深度后，在孔壁摩擦阻力作用下，套管不再随钻具转动。2、钻具到位判定正确统计孔内钻具（包含钻杆、机上钻杆）长度Lz和套管长度Lt，并结合机高计算和统计钻具到位情况下机上余尺LY，要求丈量和计算正确到厘米，以此作为判定钻具到位唯一关键依据。钻杆下完后，采取钻机控制钻具下行，下至靠近LY+210 mm时，采取管钳旋转钻具使中心取芯钻头（内凹花键槽）进入套管钻头（内凸花键）处于配合状态，其直观表现是下放遇阻中心钻具再往下行210mm，然后检验实际机上余尺和计算余尺LY是否吻合(约相等)，吻合则说明钻具到位，能够进行正常钻进操作；如实际机上余尺大于(LY+210mm)，说明钻具还未到位，不能进行钻进操作。3、钻进规程参数正常钻进时，应依据卵砾石等覆盖层密实程度、漂石和卵砾石硬度及其大小等地层情况，在以下范围内调整钻进规程参数。其调整标准为：地层胶结差（松散），采取小钻压和大风量为主规程参数；钻遇比较大漂石和卵砾石，采取低转速和大钻压为主钻进规程参数。钻压：24kN；必需时采取较大钻压，尽可能减轻高频冲击振动反弹力对岩心破坏；转速：2030r/min；风量：12/min；风压： 1.2 Mpa。4、操作规范及其注意事项（1）在下钻过程中，因为中心取样钻具内凹花键槽方位和套管钻头内凸花键方位是经过人工辅助瞄向，靠机械下钻通常不能自动完成瞄向任务，所以为避免二者方位不一致而造成高速碰击或冲击变形，每次下钻靠近孔底（距孔底0.40.5m）时，严格控制下钻速度，采取最低速下钻；在中心钻具还未到位情况下，严禁钻进操作，只有当正确判定确定钻具到位后，才能进行正常钻进操作。（2）为避免因孔内钻具长度误差而造成中心钻具到位判定失误，下钻时，必需拧紧每一根钻杆。（3）通常下入孔内套管，要求螺纹部分无损伤，螺纹连接必需用加力杆（长力臂）拧紧。（4）地面退出岩心时，因为岩心因地层等原因呈不完整块状或碎颗粒状，所以必需严格根据岩芯钻探规范操作，尽最大可能保持岩心原样，严禁人为混淆岩心层位。（5）钻进过程中，一旦出现异常现象，立即停钻检验并排除故障原因。（6）该钻进技术是一个新方法，管材直径较大、钻具较重，应严格遵守相关钻进工作安全规程操作，在起下钻、跟管和退出岩心等工序时，应高度注意安全。5、常见故障及其处理方法（1）钻具不到位及其处理措施 （2）岩心采取率低，检验和调整短节和中心钻头密封效果，消除中心钻头高压空气通道和低压回气串通组成原因。（3）冲击器工作不稳定，检验和疏通钻具高压风路；检验排除冲击器故障。试验结果及分析试验进尺：37.07m 岩心长度：37.07m 岩心采取率：大于95% 台月效率：266m滑坡地层情况新滑坡滑体（主滑移带深）厚大约26m，滑面倾角局部达40。以上。滑体上部（区）局部，在约深6m、10m处有两个次滑移面。 滑坡体多由松散岩块、碎石和角砾组成，部分含不等量泥质，块碎石多为架空结构。主滑带为含少许碎石粘土，厚度较小、通常0.050.35m；所含碎石呈强风化（呈粉状、或手捏易碎，遇水软化）。滑壁（基岩）为侏罗系中统东大桥组（J2d）砂质泥岩。钻探设备介绍冲击器：DHD350Q ，英格索兰 单次冲击能：65.1kgm 冲击频率：850-1510次/分钻杆：89外平钻杆套管：168套管钻进工艺参数钻压：35kN，必需时采取较大钻压；转速：4060r/min；风量：21.2M/min；风压：1.2 MPa。试验数据试验时间50个小时（不包含停工待料时间），实际试验台月0.07个台月。纯钻进时间8.43小时，辅助时间41.47小时，。钻进进尺：36m；其中：取心钻进进入22.7m，不取心 钻进进尺13.03m（0-4.13和26.93-36）岩心长度：17.5m；钻进回次：取心钻进19回次；套管跟至孔深：26.93 m。综合技术指标取心钻进：22.7m；岩心长度：17.5m；岩心采取率：77%；台月效率：514.28m；平均回次进尺：1.2m；跟管钻进效率为：4m/h； 168套管跟管深度：26.93m。 五、屏蔽式孔底双循环取芯技术屏蔽式孔底双循环取芯技术 适应地层:硬、脆、碎地层。如金矿、铁矿勘探等钻具特点:1、采取双循环水路。2、正反循环流量之比能够调整。3、采取莲蓬卡簧搜集碎块岩心,并可同时卡取完整岩矿心。4、可和地矿部门和冶金部门绳索取心钻具相配,也能够和一般双管取心钻具相配。背景介绍n 我所研制屏蔽式孔底双循环取芯钻具是内蒙古额仁陶勒盖银矿区提升破碎带岩矿心采取率研究中部分结果，1992年曾获地质矿产部科技结果四等奖。n 屏蔽式孔底双循环取芯钻具是喷射式孔底反循环钻具简称，它属于孔底局部反循环钻进技术范围。 反循环钻进技术特点和分类 正循环 ：钻井液和岩心进入岩心管方向相反。 反循环 ：钻井液和岩心进入岩心管方向相同，避免了钻井液对岩矿心正面冲刷和液柱压力对岩心所造成挤夹和磨损，有利于岩矿心进入岩心管，降低流失和反复破碎。同时，还使岩心在岩心管内呈悬浮状态，减轻了选择性磨损。反循环钻进对松散、脆、碎、怕冲刷复杂地层提升取心质量很有效。 反循环分类1、全孔反循环 ：（1）全孔采取双层钻杆。（2）钻井液从内外钻杆之间流入，从钻杆中心孔返回地面。（3）钻井液携带岩心至地表，可实现连续取心。 2、孔底局部反循环 ：粗径钻具上部为正循环，粗径钻具下部为反循环。 孔底局部反循环分类（1）无泵反循环 ：不用水泵冲洗钻孔，利用孔内静水压力和上下提动钻具在孔底形成局部反循环。（现极少使用） （2）喷射式孔底反循环 ：利用射流泵工作原理（即13-30米/秒高速液流产生负压抽吸作用）来形成孔底反循环。又分为：弯管式。分水接头式。钻具规格及结构钻孔直径钻具外径钻具长度（可调30）7556640-6709573700-730钻具结构n 钻具由二大机构组成：上部喷射式反循环和下部单动机构。n 钻具可调整长度为30mm。使用效果 使用单位 使用效果 内蒙古116队 用于金银矿破碎带钻进45米（4个孔），矿心采取率从原0-50%提升到91.39%。 核工业282队 用于金矿钻进，岩矿心采取率从原0-50%提升到86.5%。 河北地质2队 用于金矿钻进，岩矿心采取率为92%，并将金矿品位从原0.03-2.61克/吨提升到14.6-21.8克/吨。 山西213地质队 用于金矿钻进，在6个钻孔中钻进200多米，岩矿心采取率达92%。 新疆地质1大队 从1991年起使用该套钻具到现在，每十二个月全部在用，很好地处理了取心问题。 应用范围1、适用钻进方法： 绳索取心可直接使用。 在上部增加变丝接头（俗称脑袋）后可用于提钻取心。2、适宜地层：怕水冲泡破碎地层。钻具部分技术说明1、钻具属于分水接头式喷反钻具。2、泵量要求喷反钻具系列 9575喷嘴截面面积S78.54mm2 50.26mm2适宜泵量Q(L/min)80-12070-90喷嘴液流速度V（米/秒）17.0-25.4（要求13-30）23.2-29.8V=Q/(S0.06)3、为了各用户使用方便，工艺所喷反钻具喷嘴和混合室距离是不可调。4、实测75喷反接头返水率为65%。总结n 不提钻换钻头技术处理深孔钻进体钻问题，经过降低辅助时间，提升钻进效率n 金刚石跟管钻进技术处理复杂底层套管跟进问题n 喷反钻具处理破碎地层取心质量问题