一种隔水隔卡的自锁式绳索取心钻具及应用

廖远苏，胡啟锋

一种隔水隔卡的自锁式绳索取心钻具及应用

廖远苏，胡啟锋

(江西有色地质勘查二队，江西 赣州 341000)

近年来，国内外对复杂地层绳索取心钻具的研究取得了长足进步，但是未能很好解决卡心构件对岩心入管的阻碍和底喷式钻头易产生“泥垫”现象，从而影响取心质量和钻进效率的关键技术问题。以普通S95绳索取心钻具为研究对象，通过在内管里增设0.7 mm 厚度的不锈钢衬管，封隔卡簧等卡心构件装置，增加底喷式钻头水孔数量并增大水槽体积，设计可供选择的发夹式和卡簧式岩心提断器等技术改造，研制一款用于复杂地层钻进，具备隔水、隔卡、自动锁心的三层管绳索取心钻具。选用发夹式岩心提断器在水敏性强的破碎地层中试验，平均回次进尺1.13 m，获取岩心采取率94.48%，对比附近同类地层钻孔的岩心采取率提高了50%以上；选用卡簧式岩心提断器在裂隙发育的泥质地层中试验，卡簧卡心如同普通钻具上的卡簧一样可靠。试验结果表明：用衬管封隔卡心构件的取心技术方案可行，解决了卡心构件对软弱松散岩心入管的阻碍，有利于保护岩心的原状性；所用底喷式钻头孔底冲洗效果好，降低了钻头“泥垫”现象对钻进速度的影响。该钻具操作方便，使用成本低廉，有望在我国现行绳索取心机台推广应用，具有较强的普适性和广泛的应用前景。

复杂地层；取心钻具；岩心提断器；底喷式钻头；发夹；卡簧；衬管

普通绳索取心钻具是双管单动钻进，采用卡簧自锁方式提动钻具卡取岩心。对于坚硬完整或一般裂隙地层，该钻具能够满足常规地质钻探的岩心质量要求，一般岩心采取率可达到90%以上。但是对于节理发育、水敏性强的复杂地层，该钻具在使用中存在两个主要问题：一是岩心提断器中的卡簧和挡圈，对松散破碎岩心入管的阻碍，影响回次进尺、岩心采取率及钻进效率；二是钻孔冲洗液从钻具内外管总成间隙流经钻头内水槽直接冲刷岩心，导致岩心被冲蚀或失去原状性，影响矿产资源或地层情况的分析和评价[1-2]。

绳索取心钻进工艺以其钻进效率高、钻孔质量好等诸多优越性，在国内外得到普遍应用。基于该钻进工艺的优势，为解决普通绳索取心钻具结构设计缺陷，影响复杂地层取心质量问题，衍生出以液动锤、反循环、半合管、岩心爪、拦簧、底喷式钻头等不同构件组合的众多复杂地层绳索取心钻具[3-15]。这些钻具对地层条件、钻孔口径及深度具有不同程度的选择性或局限性，对钻探设备、钻孔冲洗液等技术条件有一定的特别要求。尽管一些创新型取心钻具配合泥浆技术解决了某些勘探项目的复杂地层取心质量问题，但是未能很好解决钻具自身的卡心构件，对松散破碎岩心的入管阻碍和底喷式钻头发生“泥垫”现象[16]，影响回次进尺及钻进速度的关键技术问题。

基于现有复杂地层绳索取心钻具不足，以普通S95绳索取心钻具结构设计为基础，通过在内管里面增设衬管封隔卡簧等卡心构件装置、增加底喷式钻头水孔数并拓宽排水通道、用压力弹簧替代岩心堵塞报信机构的碟簧、设计可供选择的发夹式和卡簧式岩心提断器，以及对单向球阀增设扶正装置等技术改造，设计一款隔水隔卡的自锁式绳索取心钻具，简称“双隔取心钻具”[17-18]，希冀优化取心钻具结构，降低或避免在复杂地层钻进过程中，因钻具自身缺陷所造成的堵心、磨心及钻头“泥垫”问题的不利因素，从而提高回次进尺、岩心采取率及钻进效率。

1 双隔取心钻具的设计思路

①正常钻进时，卡心构件宜于封隔状态；当钻进堵心或岩心满管顶头时，卡心构件又能自动裸露卡取岩心，保证岩心提断器锁心可靠。

②底喷式钻头除应满足隔水效果外，还应具备在泥质地层钻进中，抑制钻头“泥垫”现象的功能，保证持续正常钻速。

③同一矿区甚至同一钻孔，常有不同类型的复杂地层并存，绳索取心钻具的岩心提断器应有可供选择类型，以便采集不同状态岩心的需要。

④普通绳索取心钻具在复杂地层钻进中，常见堵心报警信号失灵或报信不准确。提高岩心堵塞报信机构的灵敏度和报警信号的准确性至关重要，其报警压力设定值应与所钻地层变化相适应。

⑤单向球阀装置应能适应大顶角钻孔施工需要，保证单向球阀的钢球与阀座闭水严密、工作的可靠性，避免冲洗液从调节接头中心孔流入内管冲刷岩心。

⑥根据我国地质岩心钻探设备现状，复杂地层绳索取心钻具，宜与现行普通绳索取心钻具通用、互换，成为地质岩心钻探机台常备的一种取心钻具。

2 双隔取心钻具的结构原理及特点

该钻具保留了原S95绳索取心钻具[19]的基本技术特征，改造了岩心堵塞报信机构、单向球阀、内管、岩心提断器及钻头5个部分的功能结构，如图1所示。

2.1 岩心堵塞报信机构

该机构拆除了原钻具滑套内的碟簧，添加了压力弹簧和调压垫圈，目的是通过降低弹簧压力来适应软弱地层钻进堵心时，以适度的岩心顶力克服弹簧力推动滑套堵水报警的需要。该弹簧的预压力由调压垫圈调节，滑套工作行程由调节螺栓调节。设定弹簧预压力300～400 N，最大工作载荷800～1 500 N。

2.2 单向球阀

该机构增加了原钻具弹簧套下端螺纹孔深度，添加了扶正弹簧和弹簧座。其目的是便于大顶角钻进时，通过扶正弹簧弹力阻止球阀在重力和离心力作用下跳动，避免冲洗液从调节接头内孔进入衬管冲刷岩心，导致岩心被冲蚀或失去原状性。

图1 隔水隔卡的自锁式绳索取心钻具结构

2.3 内管部分

该部分由开卡装置、衬管总成及内管组成。开卡装置通过自身悬挂接头两端的公螺纹把原钻具的调节接头与内管连接起来；衬管总成置于内管里面，并与开卡装置为挂钩连接。

衬管总成由攻丝钢球、调节螺杆、调节螺母、锥接头、锥接套、背帽及衬管组成。衬管选用201不锈钢装饰管制作，规格ø63 mm×0.7 mm，沿轴向剖切一道开缝，上端为锥套连接，下端伸入岩心提断器内腔封隔卡心构件。调节螺杆与攻丝钢球、锥接头均为螺纹连接。衬管与内管的配合长度由调节螺杆及调节螺母调节。

开卡装置由悬挂接头、防松螺母、开卡弹簧、悬挂轴及挂钩组成。衬管总成顶端的攻丝钢球置于挂钩的开口槽内。套在中心轴上的开卡弹簧有两个作用：一是在钻进堵心或岩心满管顶头时，通过岩心继续上行的顶力推动衬管总成上移，压缩开卡弹簧来打开衬管对卡心构件的封锁；二是在取心提钻的瞬间，衬管总成失去岩心顶力后，衬管底端在开卡弹簧回力的作用下，顶靠在卡心构件上端，迫使卡心构件收缩或卡心，从而使岩心提断器在提升力作用下以自锁方式收割岩心。

2.4 岩心提断器

与双隔取心钻具配套的岩心提断器有两种设计形式：一种是发夹式岩心提断器，另一种是卡簧式

岩心提断器。发夹式岩心提断器主要用于流砂、砂砾、松散黏土及无胶结构造破碎带等地层的岩心采集。卡簧式岩心提断器主要用于水敏性地层、构造裂隙地层及成岩裂隙地层的岩心采集。

1) 发夹式岩心提断器

该岩心提断器是利用女性头饰发夹卡取软弱松散岩心的一种取心装置，由发夹、发夹室及发夹座组成，与拦簧式岩心提断器类同，在文献[20]中有详细介绍。该岩心提断器用在双隔取心钻具上，正常钻进时发夹被衬管封隔，岩心进入衬管不受发夹扰动和阻拦。为了避免发夹卡在衬管开缝上，另外增设1个套在衬管底端，依靠衬管张力和摩擦力固定的防卡套[18]。该岩心提断器安装时需借助1个引套[18]，把发夹的夹头撑开才能完成安装，其安装结构如图2所示。

图2 发夹式岩心提断器安装结构

2) 卡簧式岩心提断器

该岩心提断器与普通取心钻具上的卡簧式岩心提断器类同，其构件由卡簧、卡簧座组成，无需卡簧挡圈；正常钻进时，卡簧套在衬管外，顶靠在内管下端，依靠衬管张力和摩擦力固定，与卡簧座内壁保有一定的活动间隙，岩心进入衬管不受卡簧障碍，其安装结构如图3所示。

图3 卡簧式岩心提断器安装结构

2.5 钻头

该钻头结构如图4所示，其特点是：①钻头胎体唇面设有8个喷水槽，每槽有2个并排通水孔，通水面积比普通底喷式钻头增加了1倍，目的是可依据钻进复杂地层的工况条件，获取泵量和有效水孔的最佳匹配参数，并采用封堵水孔的办法，提高孔底冲洗效果；②钻头体外表设有过水锥面，喷水槽与过水锥面连通的外水槽，其宽度与喷水槽平齐，通过加宽钻头体部位的排水通道，有利减少钻头唇面的岩屑聚集，保持孔底清洁。

图4 钻头结构

3 生产试验

3.1 在江西省大余县营孜里矿区试验

3.1.1 ZK205孔试验概况

试验前，某钻机在附近ZK603孔127.18～ 175.85 m孔段，采用普通S75绳索取心钻具泥浆护孔钻进，因岩心采取率不足40%而报废，装箱岩心如图5所示[17]。

ZK 205孔设计深度260 m，钻孔倾角75°，要求岩心采取率大于70%，矿心及矿体顶底板3～5 m的围岩采取率大于85%，终孔口径75 mm。该孔以ø110 mm口径开孔，下完ø108 mm孔口管后用双隔取心钻具试验。试验孔段岩性为泥质砂岩夹板岩和千枚岩；岩体风化成泥质或泥夹石，吸水膨胀率大；基岩可钻性6～8级，研磨性强，裂隙发育，装箱岩心如图6所示。

图5 ZK603试验孔段装箱岩心

图6 ZK205试验孔段装箱岩心

本次试验未对普通S95绳索取心钻具的岩心堵塞报信机构进行改进，试验钻具选配的是发夹式岩心提断器，钻孔冲洗为清水加高效润滑剂；钻进参数：钻压8～12 kN，转速187～267 r/min，泵量60～96 L/min；钻进过程不漏失，但有孔壁超径、掉块现象；回次钻进的基本情况见表1。

3.1.2 试验效果

从表1分析可知，双隔取心钻具岩心采取率提高了50%以上。该试验孔段的回次进尺量和钻进效率，显然是采用普通绳索取心钻具难以实现的。尽管取出的岩心极其破碎，但从衬管开缝线可以看到，管内岩心排列整齐，裂纹清晰，未受到冲刷和扰动。

表1显示连续钻进14.73 m后，发夹只在第13个钻进回次更换过1次，其使用寿命比在某矿区[20]未采用衬管封隔发夹钻进提高了3倍以上，这说明衬管端头在钻进过程中对发夹起到了很好的保护作用。

表1 ZK205孔试验孔段回次钻进的基本情况

从第4钻进回次起，钻进泵量比上一钻进孔段加大了0.6倍，并在钻头每个喷水槽上堵塞1个通水孔；从后续钻进对钻头使用情况观察，有效通水孔数基本保持在6～8个，且分布较为均匀，胎体唇面的“泥垫”程度也得到了相应的扼制。

本次试验存在岩心堵塞报警信号反应不灵、退心操作非常困难等不足之处；此外，还未取得充裕的数据支撑该钻头在结构设计和使用方法上更有效的结论。

3.2 在江西省寻乌县族坑村水文孔中的试验

3.2.1 ZK501孔试验概况

该孔设计深度120 m，钻孔倾角90°，要求全孔岩心采取率大于70%，强烈风化带或断层破碎带的岩心采取率大于40%，无岩心间隔不超过3 m，开孔口径ø200 mm，终孔口径ø150 mm。主要岩性为白垩纪粉砂岩，可钻性5～7级，岩体裂隙发育，岩心在水中浸泡后有微弱膨胀，岩屑易粘附钻头。针对双隔取心钻具在营孜里矿区试验存在的问题，改进了岩心堵塞报信机构、应用了与该钻具配套的卡簧式岩心提断器及衬管取出器[18]。ZK501孔身结构如图7所示。

该孔ø150 mm口径钻进至孔深27.60 m时岩心较为破碎，换用ø95 mm口径的变径钻具钻进至孔深30.12 m，然后采用双隔取心钻具，配用ø60 mm普提钻杆开始提钻取心钻进；钻孔冲洗为清水；钻进参数：钻压10～15 kN，转速187～267 r/min，泵量60～166 L/min；钻进过程微漏失，有孔壁超径、掉块现象；试验孔段有局部岩心破碎，完整岩心直径比钻头内径小1～3 mm，装箱岩心如图8所示。

图7 ZK501孔身结构

图8 ZK501孔试验孔段装箱岩心

该钻具试验进行了14回次，进尺20.46 m，试验孔段回次钻进的基本情况见表2。

3.2.2 试验效果

由表2分析可知，试验钻具除衬管较短限制回次进尺长度外，在一般性破碎地层所获岩心采取率及钻进效率均高于普通绳索取心钻具。本次试验在钻进回次堵心和岩心满管顶头时，岩心堵塞报信机构反应灵敏，报信准确，减少了磨心进尺。在采心提升过程中，卡簧能有效卡取岩心，未发生岩心脱落和岩心残留现象。所用钻头历经6次调整通水孔个数和4次变换钻进泵量，从第12钻进回次开始，求取的钻进泵量和有效通水孔数趣于稳定，钻头“泥垫”面积有明显减少，回次钻进持续平稳，岩心采取率近乎100%。退心操作简便易行，不伤及衬管和岩心。

4 分析与讨论

4.1 取心机构设计的可行性

双隔取心钻具试验证实了钻进堵心或岩心满管顶头时，岩心顶力推动衬管总成上行，打开发夹或卡簧自动锁心的可行性。

该设计只有当上行岩心顶力足以克服作用衬管阻力时，才能推动衬管上行。假如意外原因，在正常钻进中需要提钻或打捞取心时，发夹或卡簧处于被封隔状态显然是无法卡取岩心。在此情况下可借鉴干钻卡取法采心[19]：先停泵，然后反复提动并回转钻具至孔底，行程0.2～0.5 m，促使脱落岩心挤压衬管，通过岩心与衬管内壁的摩擦力推动衬管上行，从而打开发夹或卡簧自动锁心；当钻具能自由落至孔底后便可提钻或打捞取心。

表2 ZK501孔试验孔段回次钻进的基本情况

该设计的最大质疑点是衬管强度。试验结果表明，所用衬管自始至终未发生卷边、凹陷及弯曲变形。衬管的材质比普通内管好，有较高的刚度、硬度和强度；衬管在内管里紧贴内壁且没有弯曲变形空间，无论孔底岩心对衬管的顶力有多大，都不至于造成衬管损坏，除非随内管一同弯曲变形；衬管退心时只需轻轻震动锥接头部位，无须敲打衬管，岩心便可退出。

4.2 底喷式钻头的设计理念

底喷式钻头与普通钻头的主要区别，在于钻头水路通道的设计，赋予了钻头的隔水性，从而避免了钻取岩心被冲洗液冲刷[21-25]。但是，由于底喷式钻头体内径与岩心提断器的间隙小、过水阻力大，冲洗液从钻头通水孔泄压后，侵入钻头唇面与岩面之间的压差小，不能像普通钻头一样，有少部分冲洗液能够流经该漫流区把岩屑适时排出，保证钻头持续正常钻进。因此，底喷式钻头所刻取的岩屑，因不能及时获得水力作用而滞留在胎体唇面，阻碍了金刚石出刃。只有当岩屑被水浸润后，在钻具轴向挤压力和钻头旋向摩擦力的持续作用下排出胎体唇面，才能使钻头有所进尺。

通常在水敏性地层钻进中，底喷式钻头的通水孔常堵，而且被堵孔大多连成一线，粘附在胎体唇面的岩屑未能及时得到排除，导致钻头冷却不良，从而使岩屑烧结成垫层，严重阻碍了金刚石出刃，影响了钻进速度。笔者认为，其根本原因在于冲洗液流经钻头通水孔的流速或势能不足以有效冲洗孔底。

复杂地层钻进，必然要受到孔壁稳定性、泥浆性能及通水条件等限制或影响。只有在孔内安全和钻进条件许可的情况下，通过求取钻进泵量和钻头有效通水孔的最佳匹配参数，才能获取较好的钻进效果。据此理念，所用底喷式钻头的设计比常规底喷式钻头的通水孔数增加了1倍。试验结果表明，合理调节钻进泵量和钻头通水孔个数，能够提高孔底冲洗效果，降低钻头“泥垫”现象对钻进速度的影响，能够保证钻头持续正常钻进。

4.3 碟簧与压力弹簧的使用效果对比

双隔取心钻具的岩心堵塞报信机构在ZK205孔试验用的是碟簧，钻进堵心时不能保证及时发出堵水报警信号，从而导致了岩心无症状磨耗；在ZK501孔试验换用压力弹簧后，钻进堵心时泵压反应灵敏，报信准确，从而减少了岩心磨耗。经弹簧参数计算，使用原装碟簧在滑套顶靠在接头台阶部位时，所施岩心顶力较所述压力弹簧大10倍以上。需要指出的是，在ZK501孔第5钻进回次，孔深35.30 m处钻遇裂隙层时，钻具骤降0.15 m无堵水报警信号反应，导致磨心进尺0.17 m。遇此极软弱地层，该岩心堵塞报信机构，还可通过更换较为弱小弹性能力的压力弹簧来适应地层变化的需要，从而提高报警信号的灵敏性和准确性。

5 结论

a. 双隔取心钻具，在ZK205孔松散破碎的水敏性地层中，应用发夹式岩心提断器试验了16回次，进尺18.03 m，获取岩心采取率94.48%，解决了所在矿区同类地层应用普通绳索取心钻具获取岩心采取率不足40%的难题；在ZK501孔构造裂隙地层中，应用卡簧式岩心提断器试验了14回次，进尺20.46 m，获取岩心采取率97.90%，其使用效果优于普通取心钻具。

b. 选用不锈钢装饰管制作衬管，封隔发夹和卡簧自动锁心的取心技术方案可行。用压力弹簧替代碟簧，提高岩心堵塞报信机构的灵敏性和报警信号的准确性，减少无症状岩心磨耗。对原钻具单向球阀的改进，在顶角0°～25°斜孔试验中显示效果良好，冲洗液未对岩心造成冲蚀，打捞取心过程也未发生岩心脱落现象。至于顶角大于25°斜孔中的使用效果如何，有待后续探讨。

c.所用底喷式钻头累计进尺38.49 m，历经变换钻进泵量5次，调整通水孔个数8次，两孔通过泵量和有效通水孔的最佳匹配参数后，降低了钻头“泥垫”现象对钻进速度的影响，保证了钻头持续正常钻进。实践证明，该钻头设计合理。

d. 双隔取心钻具与现行复杂地层绳索取心钻具比较，尚属操作方便，使用成本低廉，有望在我国现行绳索取心机台推广应用，具有较强的普适性和广泛的应用前景。

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Introductions and applications of a self-locking wire-line coring system with a water-shielding bit and a circlip-shielded core barrel

LIAO Yuansu, HU Qifeng

(No.2 Geological Party of Jiangxi Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau, Ganzhou 341000, China)

The great progresses have been made in the research of wire-line coring system used in complex formations at home and abroad in recent years. However, the key technology problems that affect coring quality and drilling efficiency have not been well solved, such as the resistence caused by core clamping components when the core gets into the core-barrel and the mud pad at the bottom of jet bits. The common S95 wire-line coring system is selected as the example in our study. Adding stainless steel liner with 0.7 millimetres thickness in the inner core barrel separates circlip components. The methods of increasing the number of water holes at the bottom of jet bit and widening the drainage channels have been adopted in these tests. There are two kinds of core lifters alternatives, one is hairpin spring and the other is clip spring. A new type of wire-line coring system with three-ply core barrels has been developed for drilling in complex formation, which has the advantages of water shielding, circlip-shield and automatic core locking. This new kind of wire-line coring system with hairpin core lifter is tested in the broken formations with strong water sensitivity. The average roundtrip footage is 1.13 m and the core recovery is 94.48%, which is increased by more than 50 percent comparing with the core recovery rate of similar formation nearby. The test has been carried out in the muddy formation with developmental fractures by using the circlip core lifter. The core cutting is as reliable as the circlip used in the ordinary wire-line coring system. The tests show that the coring technology by using liner to separate the core clamping components is feasible, which solves the obstruction of the core clamping components to the soft and loose core, and which is effective to protect the core in original state. The water-shielding jet bit improves the flush effect at the bottom of the bit and reduces the damage of the mud pad on the drilling speed by calculating the reasonable drilling pump volume and the effective number of water holes. This new kind of wire-line coring system is easy to operate and is cheap to use. It is expected to be popular and applied in the current wire-line coring drilling crew in China, which is going to have a strong universality and wide application.

complex formation; core drilling tool; core lifter; bottom jet bit; hair clips; circlip; liner pipe

P634.4

A

1001-1986(2021)04-0278-09

2021-01-13；

2021-06-20

江西有色地质勘查局科技开发基金项目(KF201802)

廖远苏，1962 年生，男，江西赣州人，高级工程师，从事复杂地层治理及取心钻具研究工作. E-mail：15970096813@126.com

廖远苏，胡啟锋. 一种隔水隔卡的自锁式绳索取心钻具及应用[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(4)：278–286. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.033

LIAO Yuansu，HU Qifeng. Introductions and applications of a self-locking wire-line coring system with a water- shielding bit and a circlip-shielded core barrel[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：278–286. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.04.033

(责任编辑 郭东琼 聂爱兰)