吴家庄水库绳索取心金刚石钻探技术

王家强

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

1 吴家庄水库金刚石钻探概况

吴家庄水库可研阶段中的地质勘察阶段，在坝址和库区进行了30多个钻孔总计约5 000 m的金刚石岩心钻探，施工中经历了钻速低、不进尺、孔内掉块、不返水等故障，经过一年的施工摸索，顺利完成任务，在金刚石钻探方面取得了宝贵的经验。

钻探施工区位于黎城县与襄垣县交界处，地层主要是砂土及砂卵石覆盖层、灰岩、白云质灰岩、白云岩、鲕状灰岩、石英砂岩等。要求全孔采芯，作注压水试验。

2 施工策划

为了能提高岩心采取率作好注水和压水试验，提高钻进效率，减少劳动强度，采用金刚石绳索取心钻进，该方法相对于传统的钻进工艺，由于其机具在结构上比普通钻具先进，可以不提钻取岩心，当一个钻次终结，需要将进入内管的岩心从孔底提到地面时，不必象普通钻进那样，把钻杆一根一根地从孔内提出，而是借助于系在一根细钢丝绳上的打捞器将装有岩心的内管从钻杆内提出取心。此时，整个钻杆柱和外管留在孔内，当需继续钻进时只需将内管投入钻杆内就可以继续钻进了。

3 施工设备

钻机 立轴液压式XY—2型钻机，重庆探矿机械厂出品

水泵 BW-150型

钻塔 高15 m三角架钢塔

钻具 S75绳索取心钻具

S75C绳索取心冲击回转钻具

4 施工工艺

4.1 钻孔结构

钻孔结构的合理，有利于提高效率，减少事故，降低成本。吴家庄水库钻探的地质情况是基岩较坚硬完整，只有局部破碎。因此设计Ф127 mm开孔下Ф130 mm套管至基岩面，然后改用89合金钻头钻穿风化基岩层至新鲜完整基岩，下89套管至孔口，拔掉130套管，用黏土或沙土将89套管四周捣实，再换用75的绳索取心钻具金刚石钻进到终孔。

由于89套管的内径与75钻具外径间隙很小，为了实现顺利起降这就要求钻塔安装稳固周正，89套管安装竖直，不能因为施工震动而发生偏移致钻具不能进入套管。

采用89套管虽然安装精细，但与75钻具间隙小配合好，减少了钻杆在孔内的弯曲，减少了震动，此外循环水回水速度快，携带岩粉能力强，孔底干净，为深孔钻进打好了基础。若采用108的套管虽然安装精度低了，但效果并不好，打浅孔还可以。

安装好89套管后下75钻具前要先用磁力打捞器把孔内的金属碎屑先清理干净，防止影响金刚石钻头的使用。

4.2 钻进参数

施钻选用的钻头为金刚石孕镶钻头，该钻头主要通过高速回转研磨岩石而进尺，所以转数为主要钻进参数，选用800～1 000 r/min.钻压：8-12 kN，泵量：46～70 L/min.

金刚石钻进技术参数为钻压、转速、泵量和泵压，它们既是独立的又是相互关联的。操作者要统筹兼顾，才能达到效率高、质量好、成本低、事故少，收到最佳经济效益。钻压与转速的乘积与消耗功率成正比，机械输出功率只能基本保持一个常值。在一般情况下，首先要保证钻压，然后再调整转速。钻压与转速还间接与泵量与泵压有关系，加大钻压与转速的同时也应增大泵量与泵压。

S75绳索取心金刚石钻进在灰岩地层及部分白云岩地层钻进的速度很快，单个台班可达8～10 m，但是遇到坚硬的石英砂岩就不进尺，单个台班不到0.5 m，钻头打滑，胎体金刚石颗粒不出刃，这时就要在单纯的回转研磨破岩的基础上增加冲击破岩，这是充分利用岩石抗压强度高而抗冲击强度低这种特性，从而保持切削具的破岩能力，即采用S75C型绳索取心冲击回转钻进，它是通过循环水带动重锤将冲击功作用在钻头上，既回转又冲击复合破岩。其钻进参数与S75基本一样，只是泵压要求高，达到2.0～2.5 MPa，这也要求循环水管路系统需要耐高压。

4.3 冲洗液的使用

金刚石钻进冲洗液的作用有冷却钻头、携带岩粉、润滑钻具、作冲击动力。该工程钻进过程中只要保证循环水畅通，冷却钻头就能保证，钻具与孔壁间隙小，岩石研磨的粉末又细，携带岩粉也能保证。钻进实行高速回转震动和磨擦成为选择冲洗液的关键。为此选用既经济又易操作的皂化液作为冲洗液，它是一种水包油型的乳状液，通过管路循环在钻具与孔壁、钻杆与套管之间形成薄膜，减少摩擦而润滑机具。减少了钻具的震动，实现了钻机的高转数。

冲洗液的循环依靠水泵的推动完成，采用卧式三缸单作用泵BW-150型，其流量稳定，相对于单缸和双缸泵，脉冲性小，更有利于钻进平稳，降低冲刷有利于保护岩心、保持孔壁稳定，有利于压水试验的准确性。钻机操作者要密切关注管路压力表指针的变化，它反映了冲洗液循环情况，如果遇到烧钻、埋钻、岩心堵塞等指针突然增大，如遇不泵水、钻具折断、冲洗液漏失等指针就降低，一旦发生变化立即停车处理，防止事故扩大。

4.4 钻探技术

1）每次下钻，不得将钻具直接下到孔底，应接上主动钻杆后开泵送水，轻压慢转扫到孔底。防止金刚石胎体破裂；新钻头下到孔底后必须进行初磨，即轻压（1/3钻压）、慢转（1/3转速）10 min后再换用正常参数钻进。2）每次起下钻应检查钻杆、钻具磨损情况和连接情况，用游标卡尺测量钻杆和接头的壁厚，若一侧壁厚磨损量达3 mm就应更换。3）当钻进遇到石英砂岩时，钻头出现打滑，即使使用S75C冲击钻进时进尺也很少，这时就要在钻头上想办法，首先选用金刚石品级高、粒度细和浓度低的钻头，同时胎体硬度较低或胎体耐磨性低的钻头，这样有利于提高金刚石的自锐性，其次适当提高钻压、减低转速，减少冲洗液量或在冲洗液中加入研磨颗粒，促进自锐。4）升降钻具应平稳，钻头下降受阻时，应用钳子回转，严禁礅撞。换径处可用锥形钻头修整换径平台。5）回次进尺根据岩心管的长度控制在2.5 m左右，发现岩心堵塞及时提钻，一是防止烧钻事故发生，二是避免岩样磨损。6）S75C冲击回转钻进的冲击效率可通过调整泵量大小来达到最佳状态。7）钻完基岩段做压水试验时，需把钻杆提升一个试验段的高度，将充气栓塞从孔口钻杆柱内投入，沿着钻杆内壁下到实验段上部，栓塞上缘卡在钻头胎体上悬挂住栓塞，从钻杆内给水加压。该法试验数据准确，效率高。

5 结语

自从水电系统全面推广小口径金刚石钻进技术以来，钻孔质量有了明显的提高，绳索取心金刚石钻进技术虽然与小口径金刚石钻进同属金刚石钻进、双层单动取心的范畴，但是，绳索取心在钻进方式、取心方法、水文地质试验、钻进参数的选择以及机具结构和材质要求等方面不同于常规的小口径金刚石钻探，这些特点决定了绳索取心钻进不仅是钻进效率高、劳动强度低，主要是岩心采取质量高，消耗少成本低，有利于复杂地层的钻进，有利于水文地质试验和物探测井工作。通过吴家庄水库绳索取心钻探的实践，逐渐掌握了它的使用方法和规律，认识和体会到绳索取心钻进的优越性，为今后的水电地质钻探积累了完整有益的经验。