浅谈绳索取心技术在岩土钻探施工中的应用

朱何文

（中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队，湖北 武汉 430030）

绳索取心钻探技术具有施工劳动强度低、钻进效率高、停钻事故低、钻孔质量优、设备材料消耗低等优点，得到岩土地质勘查及钻探施工技术人员的广泛亲睐。绳索取心钻探工艺是一种在钻探施工钻进过程中，当钻杆内的岩心管装满岩心后，不需将孔内钻杆提升到钻孔地表，而是借助岩心钻探专用打捞器，从钻杆内把岩心管提取上地面的一种先进岩土地质钻探工艺。在实际钻探过程中，由于钻探区岩土地质、地层等环境较为复杂，且在不同地质条件下，绳索取心钻探技术所取得的钻探效果也有很大差别，尤其是在复杂岩土地层条件下，采用绳索取心钻探工艺时，如果在施工过程中出现断钻杆、脱扣等事故时，就会给钻探施工带来巨大麻烦，轻者可能导致钻孔报废、钻探管材损失，严重时还可能引起整个钻探施工进度延误、钻探质量降低等严重事故，给整个钻探施工带来巨大损失。因此，如何在复杂地层条件下，结合钻探现场施工情况，将绳索取心钻探技术工艺有效利用在钻探施工实际过程中，有效提高钻探施工效率和工程质量具有非常大的工程实际意义，一直以来作为钻探工作人员研究的一个重要课题[1]。

1 绳索取心技术实际施工应用范围

我国在绳索取心钻探技术方面的研究起步较晚，在绳索取心钻探综合效率、使用寿命等方面，与国外一些先进发达国家相比还存在一定差异。但在大量钻探专家学者的共同努力下，我国绳索取心钻探技术方面的研究和实际钻探施工过程中均取得了令人满意的成果。绳索取心钻探技术工艺已在我国岩土地质勘探、工程地质勘察、以及水文水资源工程地质勘测等实际工程中得到广泛推广应用。目前，我国绳索取心钻进的平均台月效率可以达到600m~1000m左右，平均工作效率可达7~10m/h，且在正常条件下钻杆综合使用寿命在2万米以上。但从国内大量钻探实际施工经验表明，并不是所有钻探工程采用绳索取心钻进技术工艺后均能取得良好效果。对于一个具体的钻探工程而言，应充分考虑钻探区域地层条件、钻孔深度、钻头质量水平、以及钻探施工过程中绳索取心钻具辅助配套设备等因素，并结合钻探综合投资成本，从技术经济性等方面合理选择钻探技术手段。绳索取心技术工艺从理论上讲适用于各种不同岩土地层条件下的钻进钻探，从大量工程实际应用效果数据分析来看，绳索取心技术工艺在6～9级中硬岩层中，其钻探效率和工程质量效果都很好。但就目前国内的钻探施工技术来看，对于10～12级的岩石钻探施工而言，不宜采取绳索取心技术工艺，特别是当钻探岩土地层是组织密度较大、颗粒细小且无碾磨性的极坚硬性岩石地层时，如果采用绳索取心技术工艺，在上述岩石地层条件下，钻头磨损将较为严重，且钻进速度效率也比较低，不能充分发挥出绳索取心钻探钻进技术工艺的优势，从而大大降低了实际施工综合效率和质量。从自我大量绳索取心钻探技术实际施工经验来看，绳索取心技术工艺一般可以用在浅孔和深孔岩石钻探工程中，通常在绳索取心技术工艺使用范围内，随钻进深度的不断加深其施工综合技术经济效果就会越高，但在实际施工过程中，必须选用高质量的钻进钻头，从而保证整个钻探工程高效稳定的进行，如果钻进钻头使用寿命短，则在施工过程中就会经常提钻更换钻头，这样就大大降低了绳索取心深孔钻进钻探的优势和使用意义[2]。

2 复杂破碎地层的绳索取心钻井施工要点

实际钻探施工过程中经常会在破碎地层上钻井勘探，由于该类地层多数为浅层强风化岩层，或深部地质构造破碎带，在钻探施工过程中经常会出现岩心采样质量不高、岩心采样困难、钻孔孔壁滑动不稳等问题，尤其是在实际钻孔过程中经常会出现钻孔漏失、钻孔涌水等复杂状况，从而给岩土钻探提出更高的要求，增加了实际施工难度。

2.1 浅层风化岩土地层绳索取心钻进施工要点

在浅层强风化或全风化岩土地层钻探绳索取心钻进施工过程中，应首先结合钻探所处实际位置，选配适合该地层的润滑泥浆来对钻孔孔壁进行完善支护，并起到润滑钻具的效果；然后选用与该风化岩土地层相匹配的钻头，在保证钻探综合施工质量水平的前提下，有效提高钻孔钻进速率；采用实际施工中容易操作的短钻具（1.20~1.50m）,并按勤提多取的技术手段采取钻杆内部采样岩心；对于风化十分严重、怕冲蚀的岩土地层，应采用底喷和内超前钻头，并配合三重管来保护岩心管内的岩心；在浅层风化岩土层上进行钻进取心时，不要操之过急，应根据钻进相关施工操作工艺和现场施工组织设计要求，按照可靠稳健、平稳钻进原则，保证整个钻探施工过程高效、高质的进行。

2.2 深部构造破碎带绳索取心钻进施工要点

深部构造破碎带受到钻孔深度深、破碎程度不等、地层条件复杂、地下水以及低压等因素的影响，往往成为实际钻探钻进高效施工的瓶颈。从大量实际工作经验知，在此类地层条件下进行绳索取心钻进施工时，除了按照上述浅层风化岩土地层钻进中提到的各种保护措施和设备搭配外，在实际施工过程中还应掌握以下几个技术要点:①钻探实际操作过程中，一定要小心谨慎，并对所获得的岩心进行实时观察分析，结合相应知识和工作经验，准确分析判断钻孔内部情况，并制定相应的防护预案。由于深部构造破碎带地下岩层十分复杂，切忌粗心大意、心不在焉，钻探钻进施工过程中任何失误性操作，均可能会导致严重的事故，给整个钻孔施工带来巨大损失；②钻进此类复杂地层时，实际施工过程中求稳、求准原则要求更高，且不能报任何侥幸心理，任何异常情况都需要经过反复分析研究，顺利获得岩心就是整个钻探施工过程最大的胜利；③当钻进揭穿该类地层地质条件后，必须在对所获得的钻探地层进行必要的支护加固处理后，才能进行更进一步的地下工程施工。

3 绳索取心技术在工程应用中的效果分析

3.1 提高岩心采样效率、降低钻探施工成本绳索取心技术能够实现在施工过程中不提钻进行岩心取样，即当岩心装满钻杆岩心管时，无需将全套钻杆提升的钻孔地表，只需利用带绳索的打捞器就可以将取心管从钻杆中提出地表，从而减少了钻进提钻次数，降低了施工人员钻进施工的综合劳动强度，尤其是当钻探提升净距离受到外部空间制约时，绳索取心技术的取心效率和质量就更加有优势[3]。

3.2 提高岩心采样率

在实际钻探施工过程中，绳索取心技术施工钻进过程中，钻杆只是外管单动，内管相对静止，这样在钻头钻进过程中不仅可以避免外部冲洗液直接冲刷内部采样岩心，同时还可以避免钻探设备机械力对岩心管内部采样岩心的外力破坏。据实际工作经验可知，采用绳索取心技术其岩心采取率通常可以达到95%以上，从而大大提高了钻探施工岩心采样效率和施工质量。

3.3 减少钻孔内部事故

由于绳索取心技术工艺配备了各种数字可视化实时监控装置，能够根据钻进不同工况及时反馈相关数据信息和报警提示，从而可以为施工人员提供准确可靠的数据信息，及时采取相应技术措施，将钻探过程中可能出现的故障排除在萌芽状态。另外绳索取心技术的钻杆和钻具外径间仅差2mm，这样钻杆可以起到全孔护壁的保护作用，从而避免或降低钻杆钻进过程中可能出现的埋钻、夹钻、卡钻等事故的发生，有效提高整个钻进施工综合效率和质量水平。

[1]孙建华,张永勤,赵海涛,等.复杂地层中深孔绳索取心钻探技术研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2006,33(5):46-50.

[2]王禹,刘波,高洪志.油页岩地层绳索取心钻探冲洗液技术探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程), 2007,34(10):32-34.

[3]张伟.取心钻进的技术经济学研究[D].武汉:中国地质大学(武汉),2006.