金剛石繩索取心鉆進
繩索取心鉆進是不提鉆取心(鉆進)方法之壹,即在鉆進過程中,當巖心管裝滿巖心或巖心堵塞時,不需要把孔內的全部鉆桿柱提升到地面,而借助專用的打撈工具從鉆桿柱內把內巖心管取上來;只有當鉆頭磨損失需要檢查或更換時才提升全部鉆桿柱的鉆進方法。它是當代地質鉆探的壹種新方法;在我國發展十分迅速。以繩索取心為主體的金剛石鉆探,已成為地質鉆探三大技術體系之壹。
(壹)金剛石繩索取心鉆探的特點和功能
圖2-1 繩索取心鉆探示意圖
1—金剛石鉆頭;2—擴孔器;3—內管總成;4—外管;5—打撈器;6—鉆桿柱;7—絞車;8—鋼絲繩
金剛石繩索取心鉆探是指在鉆探施工過程中提取巖心時不用提升全套鉆柱,而是通過絞車和鋼絲繩把打撈器下放到孔內,將容納巖心的內管連同巖心壹同提至地表;然後再將空的內管投放孔內(自重投入,幹孔用鋼絲繩送入,仰孔和水平孔用泵送入),繼續鉆進,如此重復進行(圖21)的取心鉆探方法。
1.繩索取心鉆探的特點
在鉆探施工過程的回次鉆進中,不用提出全套鉆柱(包括外管)、而借助繩索打撈器打撈內管取心,可實現長孔段連續鉆進。
2.繩索取心鉆探的主要功能
1)減少升降鉆具時間,增長純鉆進時間,大幅度提高鉆探效率,降低每米鉆探成本。
2)有效提高巖礦心采取數量與品質。
3)明顯提高金剛石鉆頭壽命。
4)增加鉆孔的穩定性,減少坍塌掉塊現象。
5)減少鉆桿連接螺紋的磨損,延長鉆桿壽命。
6)減少鉆機升降作業系統的磨損與動力消耗。
7)便於根據巖層變化更換內管類型或更換無巖心鉆進。
8)繩索取心鉆具可兼用於下封隔器進行地層滲透性試驗,輸送聚合物混合液以護孔堵漏。
9)減輕現場操作人員勞動強度。
(二)金剛石鉆進采用繩索取心的意義
1.普通金剛石雙管的缺憾
普通金剛石雙管鉆進小時效率高、進尺快;但突出存在以下兩方面問題:
(1)回次鉆進時間短
其原因是:
1)巖心容納管的長度有限。
2)在破碎地層鉆進或由於操作使用問題容易造成巖心堵塞,必須提鉆。
(2)提、下鉆輔助時間長
據統計,巖心鉆探的純鉆進與升降工序時間各占計入臺月時間的30%～40%。輔助時間主要部分是升降鉆具時間,孔愈深所占比例愈大。
隨著資源開發利用程度的提高,地質勘探鉆孔的深度有增加趨勢;如何縮短輔助時間,研究認為:關鍵在升降工序。
減少升降工序時間的途徑有以下幾個方面:
1)改進升降設備及操作,減少升降鉆具時間。這是過去壹直強調的壹個方面,但效果有限;並且在金剛石鉆進中,如果提下鉆速度過快則會產生較大的抽吸及壓力激動,不利於保持孔壁穩定;甚至還容易產生事故。
2)采用繩索取心。采用繩索打撈巖心容納管(內管)而不提出鉆桿的方法,能大大節約升降鉆具時間,這種方法簡單、易行,適用範圍廣,有利於推廣應用。
3)柔桿鉆探。實施有壹定難度,我國只進行過階段性試驗,適用孔深亦有限。
4)反循環連續取心。巖心隨鉆進被反循環沖洗介質攜帶到地表,不需專門撈取,能獲得實時樣品且更大程度地節約了升降工序的時間。但反循環連續取心對設備及工藝的要求較高,目前應用的鉆孔深度也有限。
2.繩索取心鉆進的優點
繩索取心能大幅度減少提下鉆次數,提高鉆進效率,同時能減少鉆頭與孔壁碰撞及掃孔造成的消耗;巖心堵塞能及時打撈,既能保證巖心、礦心質量,也能提高純鉆小時效率和鉆頭壽命。此外,鉆桿與孔壁間隙小,有壹定屏蔽作用;鉆桿升降次數少則有利於保護孔壁和快速穿透復雜孔段;打撈通道還有利用於鉆孔彎曲測量及其他孔底監測等。繩索取心的優點可概括為“三高”、“兩低”、“壹優”。
1)“三高”即鉆速及鉆頭壽命高,純鉆進時間利用率高,巖(礦)心采取率高。
2)“兩低”即工人勞動強度低,鉆探成本低。
3)“壹優”即巖心礦心品質優良,結構清晰,完整度好,純潔性高。
(三)金剛石繩索取心鉆具結構
1.實現繩索取心鉆進對鉆具結構的基本要求
繩索取心鉆進要求必須具有既能取心又能在鉆桿內升降內管的鉆具。因此,與普通金剛石小口徑鉆具相比,繩索取心鉆具除了能夠實現單動和卡取容納巖心外,還必須完成下列主要動作:
1)內管必須從鉆桿內通過。采取途徑:①增大鉆桿內徑,使用薄壁、大徑鉆桿並要求內外平整。②適當縮小內管外徑、增加鉆頭底唇面厚度。
2)內、外管相對獨立(打撈時能分離)。
3)內管總成能懸掛在外管總成內的座環上。並使卡簧座端部離鉆頭內臺階有壹定的間隙,保證鉆具良好的單動性和底部的通水性。
4)內管總成到達外管總成中預定位置時,能及時反饋信號。
5)打撈器在壹定速度範圍內能從鉆桿中下到內管總成上端,並把裝有巖心的內管總成撈取上來。
6)鉆進時內、外管有固定的相對位置。即需要限位裝置,限位裝置有上、下之分:①定位機構。防止內管總成在巖心推力及沖洗液上舉力作用下上行,形成“打單管”現象。②懸掛機構。防止內管總成底端直接座在鉆頭內臺階上,堵水,摩擦或破壞單動性能。
7)需要有能抓住內管總成,且能取消限位,釋放內管總成的打撈機構裝置。
8)需要有安全解脫內管裝置。
在打撈器捕捉住內管總成提拉不動或提升過程中遇阻時,能夠安全解脫內管總成,以防止損壞鋼絲繩。
此外,繩索取心鉆具還應具有內管總成長度能夠調節、內管受到保護、巖心堵塞報信等要求。
2.繩索取心鉆具組成
根據繩索取心鉆進的技術要求,為了使鉆具結構簡單,動作靈活,經久耐用,以達到提高鉆進效率、減輕勞動強度、降低鉆探成本之目的,我國在繩索取心鉆進技術生產試驗、擴大應用的同時,不斷總結經驗,研制、采用了多種形式的繩索取心鉆具。隨著使用經驗的積累和應用領域的拓寬,繩索取心鉆具的結構(部件)還在不斷改進和完善,並且派生出新的鉆具。但其基本結構原理和形式仍未發生變化。
它們雖然都有著各自的特點,但在鉆具結構上,與世界各國的金剛石繩索取心鉆具大致相似。
下面以我國研制、常用的S75型繩索取心鉆具為例作介紹。繩索取心鉆具可分為單動雙層巖心管總成、打撈器總成、鉆桿和鉆頭4個部分。隨著鉆探條件、取心要求、鉆孔角度、深度以及孔內巖層、孔壁穩定和漏失情況的不同,局部結構會有變化。
(1)單動雙層巖心管總成部分(圖2-2)
圖2-2 S75繩索取心鉆具雙管總成結構圖
1—彈卡擋頭;2—撈矛頭;3—彈簧銷;4—回收管;5—張簧;6—彈卡室;7—彈卡鉗;8—彈簧銷;9—彈卡座;10—彈簧銷;11—彈卡架;12—內接頭;13—鎖;14—碟形彈簧;15—墊圈;16—螺母;17—開口銷;18—彈簧座;19—黃油嘴;20—螺母;21—墊圈;22—閥堵;23—軸承;24—調節螺母;25—接頭;26—下軸;27—外管;28—內管;29—擴孔器;30—內管接頭;31—卡簧;32—卡簧座;33—鉆頭;34—懸掛座環;35—懸掛肩套;36—扶正環
單動雙層巖心管總成又分為外管總成和內管總成。
1)外管總成。由彈卡擋頭—彈卡室—上擴孔器—外管—下擴孔器—鉆頭組成並按序連接。
2)內管總成。由撈矛頭—彈卡裝置—到位報信機構—巖心堵塞報警機構—單動機構—內管保護機構—調節機構—內管—卡心裝置組成並連接。
繩索取心鉆具單動雙層巖心管總成是實現繩索取心的核心部分。其中彈卡鉗又稱定位機構,在鉆進時防止內管上移。閥體及其有關組合部件又稱到位報訊機構,這種機構國外大部分鉆具沒有,但生產實踐中十分需要。該機構采用液壓差報訊原理,其閥堵可以自動實現3個不同位置(內管下降、鉆進狀態、打撈狀態),鉆具到位報訊靈敏準確,可使鉆探人員準確掌握開始鉆進的時間。蝶形彈簧及其有關組合部件又稱巖心堵塞報訊機構,當巖心充滿內管或發生堵塞壓縮彈簧,推動內管上移,使水眼三分之二面積被阻塞而泵壓驟升,既防止了燒鉆,又可使鉆探人員及時中止鉆進。扶正環又稱扶正機構,固定在擴孔器與外管螺紋連接處,對內管起扶正定中心作用。內管和外管的長度可以根據具體需要情況作同步增長或縮短。內管通過上部軸承實現單動,其內壁宜光滑以減少巖心進入阻力。很多派生繩索取心鉆具產品,都是從變化內管總成結構,增加若幹功能機構來實現的。
(2)打撈器總成部分(圖2-3)
圖2-3 S75繩索取心鉆具打撈器
1—打撈鉤;2—彈性圓柱銷;3—撈鉤架;4—彈簧;5—鉚釘;6—脫卡管;7—重錘;8—彈性圓柱銷;9—安全銷;10—圓柱銷;11—接頭;12—油杯;13—開口銷;14—螺母;15—墊圈;16—軸承;17—壓蓋;18—連桿;19—索卡套;20—繩卡芯;21—圓柱銷;22—定位銷套
打撈器總成由接頭—單動防扭軸承—安全銷—重錘—脫卡管—打撈鉤組成並連接。
在鉆探取心過程中,通過專用的地表絞車和鋼絲繩下入或提升打撈器來安放和提取內管總成。只有在孔內充滿沖洗液並且在不會造成損傷的前提下,內管總成才自由投入而不用打撈器送入孔底。在大斜度孔和水平孔鉆進時,打撈器要通過泵送的方法才能到達孔內預定位置。打撈器能實現安全脫鉤。當撈取巖心遇阻時,繩索取心絞車用力向上提拉,直至將安全銷拉斷。如不見效,則拉緊鋼絲繩,由孔口沿鋼絲繩投入脫卡管,當脫卡管到達打撈鉤上端時,放松鋼絲繩,打撈鉤頭部斜面沿撈矛頭的圓錐體向下滑移並逐漸張開;與此同時,打撈鉤尾部向內收縮;這樣,脫卡管便可罩住打撈鉤尾部,使打撈鉤與內管總成脫開而提出鉆孔,然後在地表處理。
整套鉆具必須具有如下機構:
圖2-4 彈卡定位機構
1—彈卡擋頭;2—撈矛頭;3—彈簧銷;4—回收管;5—張簧;6—彈卡室;7—彈卡;8—彈簧銷;9—彈卡座
1)定位機構。其主要作用是鉆進過程中固定內巖心管在工作位置,它是鉆具結構的關鍵部分。采取的結構形式各不相同,大體上分為彈卡和球卡兩種類型,其中彈卡型應用較多,中國、瑞典、美國等均采用這種形式。圖2-4所示為彈卡定位機構,它主要由彈卡架、彈卡、張簧等零部件組成。內管總成投入鉆桿內後,彈卡借助張簧的彈力張開壹定角度,並沿鉆桿內壁下滑,到達外管總成中的預定位置時,彈卡兩翼進壹步張開,並貼在彈卡室的內壁上,其上端有較小內徑的彈卡擋頭,鉆進過程中可以防止內管總成左右擺動和向上串動,同時,彈卡室內壁上所鑲焊的合金或彈卡擋頭上的撥叉帶動內管軸承上部機構和外管總成壹起旋轉,以減少彈卡的磨損。
2)懸掛機構(見圖2-2所示)。由內管總成上的懸掛環與外管總成中的座環組成,可使卡簧座與鉆頭內臺階保持2～4mm間隙。
3)打撈機構。它由打撈器的打撈鉤、內管總成的撈矛頭及回收管組成(見圖2-2和圖2-3)。打撈鉤與重錘下行,沖擊撈矛頭後張開,繼續下行至撈矛頭頸部,彈簧使之復位收攏,抓住撈矛頭。開動絞車上提,回收管上行迫使彈卡鉗收攏,使內管總成從定位機構中釋放出來(圖2-5)。
圖2-5 打撈示意圖
1—回收管;2—彈卡;3—彈卡擋頭;4—打撈鉤
4)單動機構。由軸、軸承、軸承座,及蝶簧座組成(圖2-2)。
5)內管保護機構。見圖2-2所示,它是由軸,軸承座、彈簧、彈簧套組成的緩沖機構。采心時,外管帶動軸上行壓縮彈簧,卡簧座坐在鉆頭內臺階上,可以避免內管承受大的拉力而損壞。
6)調節機構。見圖2-2所示,它由調節螺母及調節接頭組成,可調節卡簧座與鉆頭內臺階的間隙。
7)扶正機構。在外管下端近鉆頭處裝置扶正環。扶正環用以扶正內管,保證內外管同心和便於巖心進入。扶正環常用黃銅或尼龍制作並開有通水槽。
8)安全脫卡機構。在打撈受阻時,為避免拉斷鋼絲繩,有兩種安全脫卡形式:①打撈器上有安全銷,其抗拉強度小於鋼絲繩;②稍放松鋼絲繩,使打撈鉤順撈矛頭的錐面向下並張開。順鋼絲繩投入脫卡管罩住打撈鉤尾部,打撈鉤無法收攏而與內管總成脫離接觸。
9)幹孔送入機構。幹孔或孔內液面低時,內管總成高速下落可能造成鉆具損壞。因此應用鋼絲繩送入。但要求到位後能自動脫離、回收。幹孔送入機構可與打撈器設計為壹體(如YS-60可拆除),亦可另附裝置。S75鉆具可利用已有的附加裝置,該裝置亦可用於安全脫卡。
10)到位報信機構。由彈卡架、復位簧、閥體、定位簧、彈簧、調節螺堵、閥堵等組成。投放內管時閥堵關閉,液流從內管與鉆桿的間隙中流通。到位後懸掛坐落在座環上,環隙被堵塞,沖洗液壓力升高,克服張簧的張力使閥堵下移,閥門打開,閥堵的粗徑移出定位簧後、定位簧即限制其復位,泵壓下降。因此泵壓的變化即到位信號。撈取巖心時,提撈矛,閥體及閥堵隨之上行,直至閥堵越過堵水位置,不阻礙沖洗液下泄。內管總成提出地表後,復位簧使閥堵自動回到關閉位置。
11)巖心堵塞報警機構。由滑套、蝶簧、調節螺母等組成。內管打撈或巖心堵塞時頂起內管,壓縮蝶簧,使滑套向上運動,直至堵塞懸掛接頭上的通水眼,使泵壓升高(圖2-6)。
圖2-6 巖心堵塞報警示意圖
1—通水眼;2—滑套;3—碟簧;4—外管;5—調節螺栓
懸掛接頭通水眼處有限位臺階,滑套只能堵塞通水面積的2/3,這樣在報警的同時不致造成燒鉆事故。
(3)繩索取心鉆桿
其與常規金剛石巖心鉆探用鉆桿的不同點是,地質巖心鉆探用的繩索取心鉆桿壹般要求內平和外平,以便在鉆桿內升降內管總成;並盡量減少鉆頭壁厚,采取較粗的巖心。
(4)繩索取心金剛石鉆頭
繩索取心鉆探效果在很大程度取決於正確地選擇金剛石鉆頭。通常把金剛石鉆頭有壹定壽命作為某壹工礦區采用繩索取心技術的先決條件之壹。例如金剛石鉆頭壽命要是回次進尺長度的5～10倍,通常不低於30m;只有最堅硬巖層才降低到15～30m。而大量情況下為30～300m,少數條件下高達500～1000m。
繩索取心鉆頭因克取環面較寬,特別講究鉆頭唇面造型與水路沖洗冷卻條件。
根據巖層情況,分別選用天然金剛石表鑲鉆頭、聚晶鉆頭、復合片鉆頭和人造金剛石孕鑲鉆頭。
(四)繩索取心鉆具規格系列
金剛石繩索取心鉆具的規格系列標準,隨著推廣應用的經驗積累和應用範圍的擴大而不斷完善。
我國原地質礦產部於1976年完成第壹種規格S56繩索取心鉆具的試驗、技術鑒定並批量生產,迄今已開發、形成S46,S59,S75,S91四種口徑標準系列繩索取心鉆具。同時還開發了專門用於煤田鉆探、坑道鉆探、水文地質鉆探、深孔和復雜條件下用的增強型繩索取心鉆具,派生出內管為半合管型的,帶三層管的(第三層為塑料管,可與巖心壹齊儲存)、內管超前的、兼能采集氣體的以及孔底局部反循環繩索取心鉆具,專門應用於松軟、脆碎、易被沖蝕的巖礦層鉆探取心,或者用於采取非撓動巖礦心樣品。並成功開發了帶液動錘的繩索取心鉆具和不提鉆換鉆頭的繩索取心鉆具,進壹步擴大了繩索取心鉆探應用領域與效果.特別是用於若幹復雜地層和硬巖層鉆進更為有利。
我國地質系統研制和采用的繩索取心鉆具規格系列。按用途分為如下六類:
1)常規繩索取心鉆具規格有46mm,59mm,75mm,91(95)mm。
2)坑道內水平孔用繩索取心鉆具規格有46mm,59mm。
3)帶液動沖擊器的繩索取心鉆具規格有59mm,75mm,91mm。
4)增強型繩索取心鉆具(用於復雜地層和深孔)規格目前有75mm。
5)不提鉆換鉆頭繩索取心鉆具規格有75mm,91(95)mm。
6)水文鉆探用繩索取心鉆具規格目前有135mm。
在國內,除原地質礦產部研制采用的繩索取心鉆具外,其他部門和地方省市地勘單位亦研制了若幹品種系列的繩索取心鉆具:如原冶金部門和有色金屬總公司系統的YS系列和TK系列,原煤炭部門的SQ系列,原四川省地礦局的SM系列;原北京市地礦局的JS系列;原河北省地礦局SZG系列;以及原黃河水利委員會設計院的SG型繩索取心鉆具等。上述繩索取心鉆具包括帶液動錘的、在坑道內使用的、帶三層管和半合管的,以及增強型繩索取心鉆具等類型,都有各自特點,並在生產中推廣應用。
(五)繩索取心鉆探技術的應用領域
隨著地質勘探事業的發展,繩索取心鉆探技術的進步,在世界範圍內其應用領域亦不斷拓寬。已經應用的領域有:固體礦產鉆探、砂礦鉆探、石油、天然氣鉆探、工程地質鉆探、地熱鉆探、水域鉆探、冰層鉆探、科學深孔鉆探、坑道鉆探。
(六)金剛石繩索取心鉆探工藝
在進行繩索取心鉆探施工之前,現場操作人員必須經過技術培訓,要求熟悉繩索取心鉆具結構原理和使用維護規程,能熟練根據鉆探施工條件,合理掌握鉆進參數,充分發揮金剛石繩索取心鉆探優越性,減少各類事故,保證繩索取心順利進行。
1.鉆探準備工作
1)鉆探設備的選擇包括鉆機(最好能實現機上撈心,采用大通孔立軸鉆機或動力頭鉆機)、泥漿泵、繩索取心絞車等設備以及擰卸、提引工具等進行合理選擇,性能可靠。
2)鉆孔結構設計通常情況下當鉆孔不超過1000m時,宜用壹徑或兩徑到底的鉆孔設計。只有在地層復雜,孔深較大時,才采取多徑成孔的鉆孔結構。金屬礦多用69mm孔徑,煤田多用75mm,95(91)mm孔徑。
3)鉆具選擇根據所鉆探的巖、礦層情況,合理選擇取心管的類型。例如采用常規結構、帶半合管或三層管結構等。
4)鉆桿選擇根據巖層復雜程度和孔深情況,合理選用常規繩索取心鉆桿或增強型鉆桿。
5)鉆頭選擇按照鉆探所遇巖層和礦層,合理選擇不同結構和磨料的鉆頭,達到保證質量、提高效率、降低成本的目的。
6)沖洗液的選擇根據地層穩定性和完整程度,合理選擇沖洗液類型。如果使用泥漿,要保證泥漿性能,防止鉆探過程中出現各類孔內事故和鉆桿內結泥皮現象。
2.繩索取心鉆具的組裝、檢查與調整
新采用的繩索取心鉆具下孔前,應按照說明書對內、外管和打撈器總成進行認真檢查,然後將內管總成裝入外管總成,調整內外管長度配合,並用打撈器試撈內管總成,確認符合技術要求後方能下孔使用。
1)外管總成的組裝和檢查外管總成由鉆頭、擴孔器、穩定器(上部),外管、彈卡室、彈卡擋頭、座環及扶正環組成。檢查時註意:①外管每米彎曲度不大於0.3mm;②扶正環無變形;③穩定器之外徑宜略小於擴孔器;④所有螺紋處要塗絲扣油,以增強密封性能,方便擰卸。
2)內管總成的檢查內管總成由撈矛頭、彈卡、單動軸承、內管、卡管座等組成。檢查時註意:①各部件絲扣擰緊,尤其要防止卡簧座倒扣(有用反扣設計);②裝入彈卡動作應靈活,兩翼張開間距應大於彈卡室內徑;③鉆具有到位報信機構時,宜根據孔深調節工作彈簧預壓力,單位機構靈活,軸承套內註滿黃油;④內管平直無彎曲現象和凹坑;⑤卡簧內徑與鉆頭內徑相匹配,比鉆頭內徑小0.5mm為宜。
3)打撈器檢查將打撈器與繩索取心絞車的鋼絲繩相連接,並註意檢查:①打撈鉤安裝周正,無偏斜;②尾部彈簧靈活可靠,頭部張開距離以8～12mm為宜;③脫卡管能確保安全脫卡作用。
4)內外管總成裝配和調整 裝配時註意檢查:①彈卡與彈卡擋頭的頂面應保持壹定距離,壹般為3～4mm;②卡簧座與鉆頭內臺階保持合理間隙,壹般為2～4mm。該間隙可通過內管總成調節螺母進行調整;③內管總成在外管總成卡裝牢固,撈取方便靈活。
3.金剛石繩索取心鉆進工藝參數
繩索取心鉆進和常規金剛石巖心鉆探壹樣,必須根據巖層特性、鉆頭類型、鉆孔深度、鉆孔傾角、鉆孔直徑,沖洗液類型和所用設備和鉆具性能等因素選擇優化鉆進工藝參數,主要指鉆壓、轉速和沖洗液量。上述參數的合理選擇,是決定取心質量、鉆速、鉆頭壽命、回次進尺長度、提鉆間隔等技術經濟指標的主要因素。
1)鉆壓繩索取心鉆進環狀克取面積比常規取心鉆進要大,因此鉆進時所用鉆壓亦相應增大。繩索取心壹般用於中硬至硬(6～11級)的巖層中鉆進,當用常規表鑲和孕鑲金剛石鉆頭時的鉆壓範圍,推薦值如表2-1所示。實際采用鉆壓應按具體巖層條件、鉆頭類型、鉆頭實際尺寸(如超徑鉆頭)等,通過實踐合理確定。為減少鉆孔彎曲,降低鉆壓,繩索取心鉆進宜選用底唇面接觸面積小的鉆頭,如多水口、交錯唇面和齒形結構的鉆頭,可以明顯降低鉆進時所需的鉆壓,利於防止孔斜。
表2-1 繩索取心鉆進用鉆壓推薦值
2)轉速和常規金剛石取心鉆探壹樣,在孔徑、孔深、沖洗潤滑條件、孔壁穩定性、巖層研磨性、鉆桿堅固性以及設備等條件允許下,盡量取較高轉速鉆進。當用孕鑲鉆頭時,平均鉆頭的線速度壹般為1.5～3.0m/s;當用表鑲鉆頭時則為1～2m/s。上述轉速亦宜根據具體施工條件確定。
3)沖洗液和沖洗液量。繩索取心鉆進在條件許可時宜用無固相和低固相並加有潤滑劑的沖洗液。當用泥漿時宜用優質搬土做原料,防止在鉆桿內結泥皮現象。確定沖洗液量的要素有兩種:①保持環狀間隙上返流速在0.45m/s至1.0～1.5m/s範圍內。②保持鉆頭唇面單位面積(cm2)沖洗液量在3～5L/min(中硬至硬巖)或2.4～4.0L/min(硬至堅硬巖)。根據後者用不同直徑的繩索取心孕鑲金剛石鉆頭,鉆進時所需沖洗液量推薦值見表2-2所示。上述沖洗液量亦宜根據具體施工條件合理確定。
表2-2 繩索取心鉆進沖洗液量推薦值
4.繩索取心操作要領
(1)投放內管
將檢查合格的內管總成,由機上或孔口投入孔內。遇漏失層孔內無沖洗液時不用投放內管,應用打撈器幹孔送入機構送入孔內,亦可泵入適量沖洗液後迅速投入內管總成。
(2)開始鉆進
當在孔口投入內管並確認內管已下降到位後,才能開始掃孔鉆進。鉆進過程中如發現巖心堵死.或者當進尺已接近巖心容納管長度時,應停止鉆進,並適當沖洗鉆孔。
(3)撈取巖心
撈取巖心根據所用設備采用孔口下打撈器撈取法或機上下打撈器撈取法。
1)孔口打撈法。操作程序包括提斷巖心、提升主動鉆桿、卸開主動鉆桿、鉆機移離孔口、下放打撈器、開動繩索絞車提升內管總成、將備用內管總成二次投入。
2)機上打撈法。操作程序包括提斷巖心,鉆具不離開孔底,卸開機上撈取巖心專用水龍頭壓蓋(圖2-7),打撈器通過水龍頭下入機上鉆桿而到達孔底,開動繩索絞車,提升內管總成。尤其在采用機上打撈法時宜用回水漏鬥(圖2-8)將溢出的沖洗液引向水源箱。
(4)大斜度和水平孔繩索取心鉆進
在鉆進大斜度和水平孔用繩索取心時,鉆桿柱有專門機構進行起下鉆。投放內管和打撈巖心時則由專門設計的安全輸送裝置進行(圖2-9)。操作程序是:①投放內管。將內管塞入鉆桿。再塞入安全輸送器,接上封接頭,啟動水泵,借泵壓將內管送下,到位後提出輸送器,進行鉆進。②撈取內管。回次終了,將卸去加重桿的打撈器接在輸送器上塞入鉆桿,接上密封接頭,啟動水泵,借泵壓將打撈器送抵孔底內管總成頂部,撈住矛頭,拉出內管總成並取心。
圖2-7 機上撈取巖心專用水龍頭
1—壓蓋;2—三通接頭;3—軸承;4—內套;5—異徑接頭膠管
圖2-8 回水漏鬥
1—漏鬥;2—接頭;3—膠管;4—卡盤
圖2-9 繩索取心內管和打撈器安全輸送裝置
1—內管總成;2—打撈器;3—輸送器;4—密封接頭
圖2-10所示為專門設計用於水平孔的水龍頭結構圖。其上部帶中心孔的塞堵是泵送內管和打撈器用的。鉆進時則更換實心塞堵。水龍頭內孔能通過打撈器和內管總成。
圖2-10 水平孔用水龍頭結構圖
5.鉆具的維護保養
為了保證繩索取心鉆具的正常使用,防止鉆具零部件失靈。撈取巖心失效而導致提鉆處理甚至發生孔內事故,必須經常檢查鉆具,作好維護保養工作。重點檢查項目是:
1)彈卡磨損情況和張簧是否變形,並經常註油潤滑。
2)單動軸承是否靈活,並定期清洗註入黃油。
3)內管有無彎曲和凹坑變形,發現不合用時宜修理或更換。
4)卡簧及卡簧座有無變形和過磨損,卡簧座水口深度不小於4mm。
5)每次提鉆要檢查彈卡擋頭撥叉磨損斷裂情況,發現磨出圓角要用銼修平。
6)懸掛環和座環磨損情況,發現吻合面已磨成圓錐面時要及時更換。
7)每次撈取巖心前檢查打撈鉤頭部和尾部彈簧磨損情況,如有明顯磨損變形要及時更換。
8)鋼絲繩有無損傷斷股情況,並註意塗油保養。
9)全套鉆具、鉆桿螺紋磨損情況,並經常塗絲扣油保護。平常應平整堆放,防止銹蝕。
6.常見故障及排除方法
1)打撈器捕撈不住內管總成。其原因是撈矛頭損壞,打撈器鉤掛不住,巖粉沈澱或有實物覆蓋矛頭,打撈鉤損壞或尾部彈簧斷而失靈等。其處理方法是反復提放打撈器數次,如無效,提出打撈器,然後提鉆檢查處理。
2)打撈器捕撈住內管總成後提拉不動。其原因是巖心堵死或卡簧倒扣,使內管總成在鉆頭內臺階和彈卡擋頭間頂死,巖心下端呈倒蘑菇頭狀並卡在鉆頭底部;彈卡的彈性軸銷脫出卡住回收管,卡簧座下端和內管螺紋部分因巖心堵死變形,通不過外管總成座環,懸掛環和座環嚴重損壞相互卡死,彈卡擋頭撥叉折斷,內管總成被卡等。其處理方法是使用安全脫卡機構使打撈器脫鉤。如確認是巖心蘑菇頭造成的,則將鉆具放到孔底研磨片刻,再下打撈器試撈。如無效,提鉆處理。
3)打撈途中遇阻提拉不上來。其原因是鉆桿螺紋變形,阻擋內管通過,內管嚴重彎曲變形,通不過鉆桿,所用泥漿低劣,雜質多,在鉆桿內結成泥皮,阻礙內管等。其處理方法是:首先使用安全脫卡機構提出打撈器,繼而提升鉆具檢查原因,並更換不合格的鉆桿或內管;調整泥漿性能,並有效采用循環沈澱系統,增設除砂器和除泥器。
4)打撈出的內管缺失巖心或無巖心。其原因是巖心直徑與卡簧不匹配,造成沒有拔斷巖心或未卡緊中途脫落;彈卡不起作用,鉆進時內管上竄,形成“單管”鉆進,內管總成因各種原因下放未到位,鉆進時形成“單管”鉆進;巖心松軟(如煤層)未采取合理結構的鉆具和鉆進規程等。其處理辦法是檢查卡簧是否合格,彈卡是否磨損失靈,以及造成打“單管”之原因;如因地層松軟宜更換合理結構的(內管超前、帶半合管、用底噴式鉆頭和帶孔底反循環的)鉆具等。
5)鉆進效率低。其原因是巖層致密堅硬,超過10級,鉆頭金剛石質量差或胎體性能與巖層不匹配;鉆頭內徑過度磨損,巖心變粗,進不去卡簧,形成堵塞;卡簧已損壞,巖心受阻,內管有損傷、阻礙巖心順利進入等。其處理辦法是將內管總成提出並檢查卡簧、卡簧座和內管,采用與巖層性能匹配的鉆頭和鉆進規程,必要時換常規鉆進或用帶液動錘的繩索取心鉆具。
6)鉆孔偏斜嚴重。其原因與處理方法與普通金剛石鉆進類似,不再贅述。