金剛石繩索取芯鉆頭的正確使用

一、前言
　　金剛石繩索取芯技術(shù)由于鉆進(jìn)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、煤田勘探等場(chǎng)合。正確的使用金剛石繩索取芯鉆頭，可以為整個(gè)工程節(jié)省出很大一部分資金，擴(kuò)大自己的收益。所以，如何正確的使用金剛石繩索取芯鉆頭對(duì)很多領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)迫切需要弄明白的問題?，F(xiàn)在大批民營(yíng)鉆探隊(duì)伍進(jìn)入鉆探行業(yè)，但其員工大多缺乏金剛石鉆探工具的操作技術(shù)。
　　二、金剛石繩索取芯技術(shù)的優(yōu)越性
　　金剛石鉆進(jìn)技術(shù)要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金或牙輪鉆進(jìn)技術(shù)。金剛石運(yùn)用于鉆探．是鉆探技術(shù)的一次飛躍。隨著金剛石鉆頭質(zhì)量和性能的提高以及品種的增多，將巖心鉆探中的主要矛盾轉(zhuǎn)移到巖心提取方面。合理的鉆具組合可以大大減少井內(nèi)事故，提高巖心采取率，降低鉆井全角變化率，提高鉆月效率。金剛石取心鉆具組合大致可分為三種：?jiǎn)喂茔@具、普通雙管鉆具、繩索取心雙管鉆具。而繩索取芯鉆探技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用，將這一工作提高到了一個(gè)新的水平。大大降低了輔助時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。上世紀(jì)七十年代以來(lái)，金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝由于其自動(dòng)化程度高、井內(nèi)事故少、取芯率及鉆進(jìn)效率高的優(yōu)勢(shì)，在煤田勘探及石油勘探施工中得到了迅速的推廣。近十年來(lái)，金剛石繩索取芯鉆進(jìn)在煤層氣參數(shù)井施工中又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。其相對(duì)于普通金剛石取芯技術(shù)主要有優(yōu)點(diǎn)如下：
　　1、實(shí)現(xiàn)了較大間段不提鉆連續(xù)取心，顯著降低鉆進(jìn)輔助時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)效率。當(dāng)巖心裝滿或堵塞時(shí)，鉆具報(bào)訊，此時(shí)只需將機(jī)上主動(dòng)鉆桿提移孔口，用繩索把專用打撈器從鉆桿中下入鉆桿內(nèi)，即可將內(nèi)管連同巖心提出孔外。然后將空的內(nèi)管總成投入，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。而對(duì)于普通取心鉆進(jìn)900m深的孔，整個(gè)提取巖心過程，一般需用50～70分鐘，甚至更多。
　　2、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。巖心鉆探中，起下鉆是較為繁重的一道工序，一般至少需要4個(gè)人配合。連續(xù)操作幾十分鐘。繩索取心鉆進(jìn)雖不能避免起下鉆工作。但其工作特性?？纱蠓壤笃鹣裸@時(shí)間間隔，從而實(shí)現(xiàn)降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。
　　3、孔身直，巖心采取率高。由于繩索取心鉆進(jìn)基本呈“滿眼”鉆進(jìn)，加之其實(shí)現(xiàn)的較高轉(zhuǎn)速，具有很好的防斜作用，使得鉆孔孔身較直?？咨碇?，鉆具抖動(dòng)小，金剛石鉆頭的高速切削及內(nèi)管單動(dòng)的可靠性能等，使得巖心回次采取率高．巖心擾動(dòng)小，且能將較完整巖樣取出。巖樣良好的高完整性，保證了巖心編錄不失真，使獲得的地質(zhì)資料更加豐富。該區(qū)鉆探工程施工鉆孔，巖心采取率都達(dá)到95％以上。收獲率達(dá)到85％以上。
　　4、巖心較細(xì)、重量較輕，便于擺放、編錄、搬運(yùn)和保存。5、降低成本，提高效益。φ75金剛石鉆頭，單位造價(jià)360元，只可鉆進(jìn)150～220m，加上擴(kuò)孔器的費(fèi)用，鉆頭每米費(fèi)用不超過4元；若用硬合金鉆頭，最常用的99mm鉆頭市場(chǎng)價(jià)為70元／只左右，可鉆進(jìn)4m左右，鉆頭每米費(fèi)用為10元左右。對(duì)于一個(gè)250m的孔來(lái)說(shuō)，用金剛石鉆頭鉆進(jìn)就可以節(jié)約3000多元。人工、燃料方面，不提鉆取心，大大降低了輔助時(shí)間，增加了純鉆進(jìn)時(shí)間。相對(duì)于硬合金10m左右的班進(jìn)尺。鉆孔一般可提前l(fā)／3的時(shí)間竣工。
　　三、金剛石繩索取芯鉆頭的科學(xué)操作
　　金剛石繩索取芯鉆頭的使用一定要根據(jù)操作要求一步步來(lái)，不能操之過急，并且一定要做好鉆具組裝、調(diào)配、保養(yǎng)工作。
　　1、金剛石繩索取芯鉆頭使用中必須做到“凈、穩(wěn)、磨”?！皟簟笔强變?nèi)干凈，鉆具級(jí)配好和設(shè)備無(wú)故障；“穩(wěn)”是指操作穩(wěn)、鉆具徑向穩(wěn)、刻取巖石穩(wěn)、回轉(zhuǎn)穩(wěn)、鉆速穩(wěn)、泵壓穩(wěn)；“磨”是指鉆頭初磨好、自磨出刃好、正常鉆進(jìn)磨削巖石好。
　　2、高度重視鉆頭的初磨工作。正常鉆進(jìn)時(shí)，倒桿后合車前應(yīng)適當(dāng)上頂(上頂距離必須考慮孔深鉆桿伸長(zhǎng)值和卡簧自由活動(dòng)距離，使鉆頭在極小壓力情況下合車，又不能頂斷、卡死巖芯)，合車必須慢，特別是鉆頭底唇與巖石點(diǎn)接觸的鉆頭(如齒輪、鋸齒等)，這個(gè)操作尤為重要。
　　 3、嚴(yán)格遵守“三必提、五不掃”的操作規(guī)定。根據(jù)泵壓、負(fù)荷等正確判斷巖層特性和孔內(nèi)情況，正確區(qū)分巖芯堵塞和鉆頭胎體磨完的表現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷鉆的現(xiàn)象，及時(shí)判斷巖層軟硬變化并調(diào)整參數(shù)，防止巖芯堵塞、防止燒鉆、防止打單管。做好減振、冷卻、潤(rùn)滑、排砂的相關(guān)工藝配套工作。
　　4、正確及時(shí)總結(jié)鉆進(jìn)參數(shù)和巖層的適配性。提鉆時(shí)觀察鉆頭磨損狀態(tài)，判斷參數(shù)的合理性。
　　四、金剛石繩索取芯鉆頭在特殊情況下的使用
　　1、金剛石繩索取芯鉆頭在煤田地質(zhì)的操作煤田地質(zhì)勘探所遇地層絕大多數(shù)是沉積巖，在這些巖層中有的由于受風(fēng)化、地下水侵蝕、斷層錯(cuò)動(dòng)以及巖石本身性質(zhì)等影響，從而使巖石遭受破壞，失去了原有的穩(wěn)定性和完整性。變成為松散、破碎、大小不均裂隙發(fā)育以及遇水膨脹縮徑等復(fù)雜地層。井壁不易維護(hù)，給煤田鉆探帶來(lái)很大的困難。使用泥漿不僅能冷卻鉆頭，排除和攜帶巖粉，同時(shí)還能保護(hù)井壁，這對(duì)煤田鉆探來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。因此泥漿使用的好壞將直接影響著鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)質(zhì)量、鉆孔的安全和材料的消耗。泥漿是鉆探工作的“血液”，這足以說(shuō)明在鉆探中用好泥漿的重要性。繩索取芯鉆進(jìn)系統(tǒng)的鉆具與井壁的外環(huán)空間隙?。?.5～3.0 mm）、鉆桿內(nèi)壁與內(nèi)管或打撈器的內(nèi)環(huán)空小（0.5～1.5 mm）。外環(huán)空間隙小易導(dǎo)致泵壓升高、憋泵、循環(huán)漏失和提鉆抽垮、下鉆擠塌孔壁。而且高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的鉆具將導(dǎo)致內(nèi)壁結(jié)垢等，這就要求泥漿具有良好的潤(rùn)滑性能，具有良好的凈化除砂特性和護(hù)壁性能。泥漿性能指標(biāo)的優(yōu)劣，將直接影響著繩索取芯鉆進(jìn)的效果，通常情況下煤田地質(zhì)金剛石繩索取芯鉆進(jìn)很少選用無(wú)固相泥漿，多選用超低固相聚丙烯酰胺（PAM）、聚丙烯腈（PAN）雙聚或低固相聚丙烯酰胺（PAM）泥漿，性能指標(biāo)控制在：黏度 20～25 s；比重 1.02～1.05 g/cm3；API 失水量 ≤15mL/30 min；含砂量小于 5%；pH 值 7.5～8。
　　2、金剛石繩索取芯鉆頭在復(fù)雜地層的操作破碎地層中繩索鉆進(jìn)，應(yīng)選擇合適的金剛石鉆頭，防止崩刃、防止燒鉆，采取泥漿工藝護(hù)孔，防止巖芯堵塞。鉆進(jìn)參數(shù)采用中小規(guī)程，操作宜穩(wěn)和謹(jǐn)慎，搞好排砂工作，避免重復(fù)破碎。在硬脆地層合車盡量慢，在軟蝕地層控制鉆速、加強(qiáng)巖芯采取。在軟蝕不易采芯地層，可以采用小泵量或者底噴式、側(cè)噴式鉆頭或者三層管鉆具。在松散無(wú)膠結(jié)、硬、脆破碎時(shí)，可以考慮卡簧點(diǎn)焊(研磨性強(qiáng)，巖芯變小)或者卡簧座焊鋼絲(巖芯為顆粒狀時(shí))(不要卡簧)等特殊措施。在縮徑地層中，宜采用加大鉆頭，多掃少打，盡量避免抱死。
　　 3、金剛石繩索取芯鉆頭在打滑地層的操作金剛石繩索取芯在打滑地層中鉆進(jìn)時(shí)，如果現(xiàn)場(chǎng)鉆頭優(yōu)選(如部分孕鑲胎體形狀和表鑲鉆頭)后，仍然自磨出刃不行，需要對(duì)孕鑲鉆頭采取特殊方法達(dá)到自磨出刃目的時(shí)，有如下幾種方法：
　　(1)刻痕法。下鉆前，用鏨子和榔頭，在鉆頭底刃人為打出幾根刻槽，使底刃粗躁，這種方法必須在孔上進(jìn)行，且一般只有0．5～1．2m進(jìn)尺內(nèi)有效。
　　(2)投磨料法。打滑時(shí)，鉆具提離孔底0.2～0.3m，從主動(dòng)鉆桿頂螺栓孔向孔內(nèi)投人0．5kg左右粒徑為3～6mm大小的碎玻璃、碎陶瓷或堅(jiān)硬石英碎顆粒、石英砂、碎金剛石胎塊等。初始鉆進(jìn)時(shí)宜小水量、低轉(zhuǎn)速不要急于進(jìn)尺，待金剛石鉆頭在孔底磨、蝕運(yùn)轉(zhuǎn)10～15min后即可提高轉(zhuǎn)速，增大壓力，恢復(fù)正常鉆進(jìn)。一般鉆進(jìn)0．2--0.8m需重復(fù)上述過程。
　　(3)溶蝕胎體法：即用強(qiáng)酸溶蝕金剛石胎體，促使金剛石出刃以達(dá)到提高鉆速的目的(一般0．5h左右，具體視強(qiáng)酸種類及濃度而定)。通常濃酸可采用濃氫氟酸(HF)，也可用濃硫酸或濃硝酸加人一定比例的濃鹽酸配制而成。
　　 (4)“適度干燒”鉆進(jìn)法：該方法操作要點(diǎn)是適時(shí)適度“石墨化”胎體，使其表面粗躁，達(dá)到自磨出刃。關(guān)水，鉆頭接觸巖石，1速、初磨壓力合車，默數(shù)5s，立刻上頂，關(guān)車，歇二十多秒，如此反復(fù)總共3次，即可開泵采用正常鉆進(jìn)。這種方法必須謹(jǐn)慎操作，一般能達(dá)到0.2---0.5m進(jìn)尺的效果。
　　(5)液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)繩索取芯鉆進(jìn)。鉆壓以能滿足液動(dòng)潛孔錘工作的基本條件: 確保鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)液動(dòng)錘的花鍵軸與花鍵套端面閉合，使液動(dòng)潛孔錘處于有效工作狀態(tài)為前提。基本與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相同或略低，一般為600-1000KN。
　　(6)小直徑聚能定向藥包爆破。淺孔中，加工聚能藥包從鉆具里面送入孔底(內(nèi)管提出)，然后鉆具提離孔底到安全距離(根據(jù)計(jì)算)，采取電雷管起爆，利用爆轟時(shí)聚能流對(duì)孔底的作用震裂或爆除部分打滑層，然后繼續(xù)投內(nèi)管鉆進(jìn)。此法一般不采用。
　　 4、金剛石繩索取芯鉆頭用于斜孔鉆探時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
　　(1)金剛石繩索取芯鉆頭必須按照操作規(guī)程正確使用，重視并做好鉆具組裝、調(diào)配、保養(yǎng)工作。金剛石繩索取芯鉆頭使用中必須做到“凈、穩(wěn)、磨”，“凈”是孔內(nèi)干凈，鉆具級(jí)配好和設(shè)備無(wú)故障；“穩(wěn)”是指操作穩(wěn)、鉆具徑向穩(wěn)、刻取巖石穩(wěn)、回轉(zhuǎn)穩(wěn)、鉆速穩(wěn)、泵壓穩(wěn)；“磨”是指鉆頭初磨好、自磨出刃好、正常鉆進(jìn)磨削巖石好。
　　(2)高度重視鉆頭的初磨工作。正常鉆進(jìn)時(shí)，倒桿后合車前應(yīng)適當(dāng)上頂（上頂距離必須考慮孔深鉆桿伸長(zhǎng)值和卡簧自由活動(dòng)距離，使鉆頭在極小壓力情況下合車，又不能頂斷、卡死巖芯），合車必須慢，特別是鉆頭底唇與巖石點(diǎn)接觸的鉆頭（如齒輪、鋸齒等），這個(gè)操作尤為重要。
　　(3)嚴(yán)格遵守“三必提、五不掃”的操作規(guī)定。根據(jù)泵壓、負(fù)荷等正確判斷巖層特性和孔內(nèi)情況，正確區(qū)分巖芯堵塞和鉆頭胎體磨完的表現(xiàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷鉆的現(xiàn)象，及時(shí)判斷巖層軟硬變化并調(diào)整參數(shù)，防止巖芯堵塞、防止燒鉆、防止打單管。做好減振、冷卻、潤(rùn)滑、排砂的相關(guān)工藝配套工作。正確及時(shí)總結(jié)鉆進(jìn)參數(shù)和巖層的適配性。提鉆時(shí)觀察鉆頭磨損狀態(tài)，判斷參數(shù)的合理性。
　　五、金剛石繩索取芯鉆頭的鉆進(jìn)參數(shù)
　　1、鉆壓。
　　參考表1選擇。
　　按公式計(jì)算取值時(shí)（表鑲F=fmEF，孕鑲P=pA）在破碎和非均質(zhì)巖石中鉆進(jìn)，應(yīng)視裂隙程度適當(dāng)減少鉆壓25%~40%，在研磨性地層中適當(dāng)減低鉆壓20%~30%；口徑小、壁薄比口徑大、壁厚鉆壓小，深孔比淺孔鉆壓大，斜孔比直孔鉆壓大，返水孔比漏失孔鉆壓大，正常鉆進(jìn)比初磨壓力大，和巖石接觸面積大的鉆頭比接觸面積小的鉆壓大，鉆頭磨損后接觸面積增大后鉆壓相應(yīng)增大。
　　2、轉(zhuǎn)速。按公式計(jì)算，并參考表2 選值。
　　公式：N=60Vk/πD
　　式中：N ――鉆頭轉(zhuǎn)速，r/min；
　　D ――鉆頭直徑，m；
　　 Vk ――推薦線速度，m/s。
　　
　　六、結(jié)束語(yǔ)
　　金剛石繩索取芯技術(shù)發(fā)展到今日已經(jīng)日趨完善，但是仍有很多不健全的地方等待我們?nèi)ヌ钛a(bǔ)。正確的選擇與使用鉆頭，可以為整個(gè)工程帶來(lái)巨大的收益，本文只是提出了一些小的建議，希望在我們大家的共同努力下能夠發(fā)現(xiàn)一些更好更便捷的方法，從而更合理地使用金剛石繩索取芯鉆頭。