岩心钻探施工中绳索取心液动潜孔锤的应用价值分析

【摘 要】岩心钻探是当前获取地下地质资料最为完成及最为直接的方法，尤其在深部探测工程中具有重要意义。从当前来看，常规的绳索取心技术具有较低的钻进效率，且刻取岩石的表面积较大，制约了其推广应用。为了充分发挥绳索取心技术的优势，创新一种新的岩心钻探方法——绳索取心液动潜孔锤。本文特对绳索取心液动潜孔锤的应用做详细探讨，以望对该技术有更为全面的了解。

【关键词】岩心钻探；绳索取心；液动潜孔锤；应用

由于绳索取心具有钻进时间长、劳动强度低的优点，进而在岩心钻探中得到广泛应用，尤其在6层左右等级的完整地层中，具有较高效率。然而，对于9层的硬岩层则容易出现钻头打滑不进尺的问题。这主要是因为9层硬岩层具有较紧密的结构，较弱的研磨性，且颗粒细小导致钻进效率低下。在此背景下，已有学者提出将绳索取心与液动潜孔锤相结合起来，可有效解决以上问题，提高钻进效率。

1 绳索取心液动潜孔锤的结构及工作原理

当前应用最为广泛的绳索取心液动潜孔锤为SYZX型号，包括内管总成、外管总成两大部分，其中内管总成主要有打捞定位结构、上下分离结构、传功环、液动潜孔锤等；外管总成有弹卡挡头、上扩张器、下外管及下扩孔器等[1]。钻具外经约为75mm，自由行程（5-10）mm，冲锤行程约（16-24）mm，工作泵压、泵量分别为（0.5-2.5）Mpa、（60-95）L/min，冲击功、冲击频率分别为（15-45）J、（30-45）Hz。与传统的钻具相比，具有以下优点：液动锤内无易损坏的弹簧零件，具有较长的钻具寿命；内外管间及阀锤高低压区的密封均采用机械式密封，拥有较高的耐磨性；液动锤内并无容易损坏的弹簧零件，因此，钻具有较长的寿命；由于简化了外观传递扭矩及冲击功结构，进而使安全强度得到大幅度增加；液动锤内并无固定式节流环，利于深孔钻进。而该技术的冲洗液条件应满足以下几点：一般情况下，采用无固相冲洗液配置，应根据地层的实际情况选择不同的冲洗液类型。在钻探过程中配置有较高效的冲洗液循环净化系统，常用的冲洗液主要有：切削膏、植物胶、防塌剂及聚丙烯酰胺等。

其工作原理：通过锤、阀及钻井液进而过程的液压循环冲击系统，则将其概括为增压与释压的过程。液压循环冲击系统中冲锤上行是其增压过程，当压力增大到某一程度后，冲锤便在高压的作用之下而下行，对锤轴加以撞击，该功通过传功环到岩心管、承冲环到钻头，并在该回转作用之下形成冲击旋转碎岩。依次循环而达到深入钻井的目的。

2 绳索取心液动潜孔锤在岩心钻探施工中的应用

岩心钻探施工中采用绳索取心液动潜孔锤技术，要求有一套完整的机械设备。包括钻机、钻头、泥浆泵等，同时还应合理设计钻进各项参数[2]。

2.1 钻机

在使用过程中应具有牢固可靠、操作简单及其搬运方便的优点，并最大限度减少钻头的磨损。当前实用的钻机主要有XY-6型钻机等。通过实践应用可知：所选取的钻机只要能够满足钻孔深度，就能够达到绳索取心液动潜孔锤的相关要求。

2.2 钻头

一般选用（65-85）目的金刚石力度，且浓度为100%，并未阶梯形及平底形的金刚石钻头。

2.3 泥浆泵

在钻进过程中为了确保钻进的顺利进行，在泵的排量设置上应超过150L/min，才能够满足绳索取心液动潜孔锤的钻进要求。

2.4 钻进规程的参数设置

首先，转速。液动潜孔锤钻进主要是在回转贴的过程之中给钻头添加一个脉冲力，其常规及转速金刚石钻进应符合相同的标准，进而确定钻具的型号、冲击频率及其冲击功等。并从回转钻进出发，其转速可根据切入量或钻头线的速度来加以计算。所涉及到的计算公式主要有：n=60V/（πD均），D均=（D外+D内）/2 。式中：n、V分别表示转速（r/min）、圆周线速度（m/s）；D均、D内、D外分别为钻头底面平均直径（m）、底内径（m）、钻头底外径（m）。其次，泵量。若不将漏失考虑在内，按照上返的速度V达到0.7m/s。按照公式：Q=60S环V，而S环=（π/4）（D孔2-D杆2），在该式中Q、S环、D孔、D杆分别表示泵量（L/min）、钻孔环状间隙截面积（m2）、钻孔直径（m）、钻杆外径（m）。根据该公式可计算出泵量[3]。若仅仅考虑液动锤孔锤，其泵量范围应为（65-85）L/min。若泥浆泵能够正常工作，应最大限度满足液动浅孔垂的需求。最后，钻压。应正确控制钻压，若钻压过高，则钻头就会遭到过度磨损，相应将降低钻头的使用寿命；若钻压过低，当金刚石被磨顿后，难以破碎及脱落，且使新的金刚石难以抛出路面，最终降低了钻进效率。因此，在实际钻进中，应根据钻进速度、泵压、孔内的复杂程度合理调整钻压。

2.5 合理选择冲洗液

在钻进的过程中往往会遇到钻杆内壁结垢的问题，应采用无固相泥浆[4]。若为易缩径地层，PHP的量（0.03-0.08）%，粘度约为（26-28）s；若遇到较严重的坍塌地层，其无固相PHP的量应加至到（0.06-0.08）%，Na-CMC加量到（0.4-0.5）%，粘度约为（23-25）s，并根据岩层的坍塌程度确定最佳量。若为正常地层，无固相PHP量约为（0.01-0.02）%，且粘度约为（17-20）s。

2.6 应用效果

若孔号为ZK4801号，施工孔段距离：绳索取心液动潜孔锤为（203.95-255.12）m，常规钻进（26.75-125.63）m；台月效率：绳索取心液动潜孔锤为468.52m，常规钻进752.63m；平均时效：绳索取心液动潜孔锤为2.16m，常规钻进1.36m；钻头寿命：绳索取心液动潜孔锤为87.52m，常规钻进46.34m；平均回次进尺：绳索取心液动潜孔锤为2.06m，常规钻进1.93m。

2.7 注意事项

在岩心钻探中绳索取心液动潜孔锤可就能减少钻孔时间，增加台月效率、回次进尺等，约为普通钻进的1.5倍。但在实际应用过程中仍存在不足：由于当前我国标准较混乱，无法做到统一性，相应给用户带来较大不便；与普通钻进技术相比，该技术所需要的钻具造价较高，需要进一步改进；对冲洗液的系统及原材料要求较高，在今后的研究中应对此加以改进[5]。此外，还要能够注意对液动锤定期检查，确保工作能够正常顺利开展。由于液动锤在高频工况之下，其磨损及振动极易导致相关的零部件发生错位、变形或者松动。因此，应定期给予保养，这样一来，才能够充分发挥其优越性。

3 结语

绳索取心液动潜孔锤技术是一项新型钻探技术，可缩小辅助时间、延长使用寿命、增大台月效率，进而提高钻孔效率，在岩心钻探中具有广泛的应用前景。本文首先对该技术的结构及其工作原理加以分析，然后重点探讨其应用，并取得较好的应用效果。但由于钻具的造价加高，加上对冲洗液的要求较高。在今后的研究中应着重对此加以研究，研发出造价低、钻进效率高的钻探技术。

【参考文献】

[1]朱军，方红亮，彭典珠，等.液动潜孔锤小口径钻探可行性分析[J].城市建设理论研究：电子版，2012（19）.

[2]苏长寿，谢文卫，杨泽英，等.高效岩心钻进的有效途径——液动潜孔锤钻探[J].探矿工程·岩土钻掘工程，2013（z1）：81-84，90.

[3]康善修，沈顺利.舞钢矿区深孔岩心钻探技术实践[J].探矿工程·岩土钻掘工程，2013（z1）：131-134.

[4]杨宽才，田敏，曾石友，等.绳索取心液动潜孔锤钻进技术在小秦岭金矿区的应用[J].探矿工程·岩土钻掘工程，2013（2）：40-43.

[责任编辑：许丽]

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