黑龙江省地球物理地球化学勘查院 黑龙江省哈尔滨市 150036
摘要：绳索进行取芯的工艺就是不用提钻，在钻杆内孔捞取所需岩心的技术。它的主要特点是，煤矿勘探过程需要获取岩心时，钻柱无需全套提升，只需使用钢丝绳与绞车在钻杆内孔放入打捞器，在提取岩心时将内管内的岩心与内管一起提取到地面，取出岩心后将内管再放入钻杆内孔里继续钻探。
关键词：绳索取芯；钻探配套技术；研究
就绳索取芯金刚石钻探在不同的矿区、不同的地层，如何选择与其相适应有具体的配套技术问题进行研究，即进行钻孔结构的选择、金刚石钻头的选择、钻孔护壁与堵漏、泥浆的使用和注意事项及钻杆内壁会结垢的原因及预防。只有合理的选择，才能使绳索取芯金刚石钻探发挥最大的效率，产生最好的效益。
一、复杂煤田地层特点
复杂煤田地层主要岩层分布有中粒的砂岩、细粉的砂岩、泥砂岩、粉质砂岩等。在复杂煤田地层钻探具备几个特点：（1）严重遗失钻孔。特别是在发育溶洞的石灰岩地质层，溶洞高度可达20 m，在破碎带断层与风化带地层漏失严重，它属于裂缝裂隙带，而且容易有小溶洞存在，并伴有地下水流动。此外，因为绳钻环境空间小，压力损失较大，常常造成地层平衡无法保持而引发漏失的发生。（2）经常出现施工时井壁坍塌，坍塌现象主要出现在破碎断层带。另外厚煤层钻进（尤其是粉煤层），因为钻孔孔壁具有不稳定性，提钻、下钻过程中容易出现坍塌煤层的事故，这在煤炭勘探中经常出现。（3）硬岩层钻探容易出现“打滑”硬岩层属于硅质石英沙胶结的岩层。它含有部分隧石，其硬度达到X级之上，使用普通金刚石的钻头进行施工，效果很差、效率低，钻头使用寿命低。（4）多煤层地质。在勘探钻进时，可能遇到十几层的煤层，主要有粉煤层和块煤层。粉煤层钻进取芯时难度非常大，经常会出现采取不达要求钻孔降级。（5）岩层的倾角出现变化幅度过大，软层硬层变化频繁，它属于容易出现倾斜的地层。（6）水膨胀的泥岩层，在勘探作业中容易出现缩径。总之，复杂煤田地层地质特点主要表现为：胀、斜、塌、漏、碎、脆、硬的复杂情况，它直接对勘探钻孔效率与质量产生影响。
二、钻头端面选择
金刚石的特点是具有很高的耐磨性与硬度，它的磨损形式主要有三种：金刚石在钻孔时和底部岩石的磨损以及与磨粒摩擦造成的磨损；因为过大的压力或者载荷冲击，造成钻头金刚石碎裂；因为金刚石镶嵌工艺存在问题或者钻体适应性差，导致钻头工作时金刚石脱落。在复杂煤田地层钻探时，钻头金刚石出现磨损的原因主要是后两种，所以，在选择所需钻头时，要考虑的因素是钻头稳定性能、唇面积。在钻探时，钻头唇面和岩石接触越小压比越大，这样有利于钻头破碎岩石快速钻进。在脆、碎、硬地层地质进行作业中，钻头横向、纵向震动较大，造成金刚石寿命缩短，在不断的工作实验对比后，最终确定环槽阶梯唇面钻头效果最佳。
三、钻头设计唇部的参数要求
1.增加钻体内侧的凸起。钻头金刚石胎体是否耐磨是决定钻头寿命的主要因素。增加钻体内侧的凸起目的是：（1）能够提高钻探时钻头钻进速度，使内外侧唇部磨损同步，使金刚石工作面充分利用。（2）能够增强钻头的寿命，充分减轻钻头震动及提高钻头工作时的稳定性能。①钻体内侧的凸起高于外侧2~2.5 mm。出现钻头磨损内径的原因主要是重复进行岩心破碎、堵塞内孔后继续钻进、掉块、岩心脱落等。
排除工艺、地层地质因素，制造的钻头因素也影响其寿命，在钻头出现不正常的磨损里，内径磨损过快形成蝶形或者喇叭形，都会缩短钻头寿命出现成本增加现象，尤其是绳索进行取芯的钻头，当钻头报废时外径磨损还剩下2 mm。所以，将内侧钻头增高2~2.5 mm，从而使钻头工作时内、外侧磨损同步，这样大大提高钻头寿命，另外，增加钻体内侧的凸起可以提高工作稳定以防出现倾斜。绳索进行取芯的钻头和普通钻头不一样，绳索钻头内径X尺寸具有特定要求，有的钻头因为内径材质的耐磨性差，在金刚石还能使用时，但钻头的内径变大岩心无法进到内管，造成钻头无法继续使用，所以绳索钻头的内径与外径尺寸相对数值非常重要。②在钻头中间唇面高低齿处预制几层厚度适当的铁片，使钻头钻进时唇面能够形成凹槽。钻头工作后，钻头将被研磨变成尖齿钻头，在随后钻头的工作中尖齿磨耗延伸同步，一直到工作层被磨没钻头始终显现为尖齿。从而改善了原钻头分梯突出磨平变成平底钻的问题。另外，过去钻头金刚石在钻进时，岩石被金刚石研磨为岩粉后由冲洗液清走，唇面有一定凹槽以后，可方便冲洗液流动以及冷却钻头，防止岩粉被重复的进行破碎。钻头上的金刚石在对岩石进行破碎时，岩体会出现锯齿形状岩脊，因为破碎效应岩脊会出现发育性裂纹，致使岩层强度不断下降，当钻具振动时，岩石受到剪切、挤压被破碎。
2.钻头选择合理的水口。金刚石钻头的水口数量较少、相对较窄，钻头断面流过的水较少，岩石粉末排除较为困难，钻进的孔底冲洗困难，在钻进工作中会出现重复进行破碎的现象发生，金刚石水冷却效果差，有时会出现粘钻事故的发生。另外，金刚石钻头水口数量较少、相对较窄，工作面较大钻压需要加大。水口增加数量唇口降低面积，能够改善唇口排粉、冷却效果，降低了钻压。
四、钻孔护壁与堵漏
1.防止孔壁坍塌的措施。防止孔壁坍塌的措施主要有三种。①从操作上预防。在钻探施工中，在不稳定岩层孔段要控制上下钻具速度，提钻时一定要用泥浆池中原泥浆灌浆。在长段不稳定孔段要及时下套管隔离。②使用优质冲洗液。采用新型防塌处理剂和防塌泥浆体系。如钾基泥浆、聚合物泥浆、硅酸盐泥浆。目前，常用的一种无固相泥浆，基本是由PHP与滑润剂混和制作的泥浆。在多年的绳索取芯金刚石钻进巾，无固相泥浆的使用有了很大的突破，打破了0.5～1％的比例数字，是根据地层、孔深、转速和进尺等配制出适宜的粘度、润滑性能良好的泥浆，在相当一部分煤系地层，采用无同相泥浆钻进，为绳钻带来了更高的经济效益。③采用新型防塌处理剂和防塌泥浆体系。如钾基泥浆、聚合物泥浆、硅酸盐泥浆。在钻探施工中，在不稳定岩层孔段要控制上下钻具速度，提钻时一定要用泥浆池中原泥浆灌浆。在长段不稳定孔段要及时下套管隔离。由于地应力使孔壁不稳，必须用平衡地层压力技术；应力破碎带一般用水泥等凝胶类材料灌注造壁。（2）钻孔堵漏方法。近几年，广大技术人员在钻孔堵漏做了大量工作，积累了相当丰富的经验：①选用合理的钻孔结构、钻具级配和钻具组合。②对于渗透性漏失地层可采用综合惰性材料随钻堵漏。目前，常用的惰性材料有经筛选的细锯末、细型综合惰性堵漏材料、高吸水树脂加锯末等。其堵漏方法是按比例加入冲洗液边钻边堵，或通过是每刨次打捞时从钻杆内灌注入孔底。③对于较大漏，可采用分孔段“顶漏钻进法”穿过漏欠层，之后视孔内具体情况，分别采用套管隔离或水泥封堵。现场一般做法是孔深在150m以内，采用套管隔离；孔深在150m以上，采用“顶漏钻进”一个孔段（50m左右）后，采用水泥封堵。为缩短候凝时间，封堵时一般要加入早强剂和速凝剂，将候凝时间控制在8～l0d，时以内。④对于严重漏失地层，可先送入棉絮、稻草等作为架桥物，再投入泥球、沥青球等封堵。
总之，绳索取芯金刚石钻进工艺技术作为一种先进而成熟的工艺而被普遍应用，但在实际应用中应根据不问的矿区、不同的地层，选择与其相适应有的具体的配套技术，才能使其发挥最大的效率，产生最好的效益。
参考文献：
[1]王萍．中国煤炭工业钻探工程学．2019．
[2]姚航．绳索取芯金刚石钻探及其配套技术的探讨．2020.