综述修改

我国绳索取芯钻具的研究现状及其发展方向

摘 要：绳索取芯金刚石钻进是一种不提钻取芯的先进钻进方法。它与普通钻进方法相比，具有地质效果好、生产效率高、钻探成本低等 优点。本文论述了绳索取芯金刚石钻进技术的特点和基本的工作原理，介绍了目前国内绳索取芯

金刚石钻进技术的发展现状，并对其存在的一些问题及今后的研究方向做了一些探讨。 关键词：绳索取芯 钻具 结构组成

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0 引 言

绳索取芯最早起用于石油钻井，1947年发明了用于岩心钻探的取芯钻具，1950年获得成功，这是岩心钻探史上一项重大技术改革。所谓绳索取芯，是指采用大直径的钻杆，在钻具里面套装一根取芯管，在钻进过程中，岩芯缓慢地装在取芯管内。当回次进尺终了，岩芯装满取芯管时，采用带绳索的打捞器，从钻杆中把取芯管提出，提取岩芯后，又从钻杆中把取芯管放到孔底，继续钻进。绳索取芯与普通钻进取芯相比，具有控制钻孔偏斜度、提高钻进效率、降低工程成本、提高岩芯采取率、减少孔内事故、劳动强度小、延长金刚石使用寿命等优点;尤其在钻进复杂地层方面，有着其他施工技术无可比拟的优点，因而被广泛应用。四十多年来，随着金刚石岩心钻探事业的飞速发展，绳索取芯钻进的工作量日益增加，应用范围不断矿大，现在世界工业先进国家，岩心钻探绝大部分采用了绳索取心金刚石钻进。我国于1973年开始研究绳索取心钻进技术，虽然起步较晚但是发展还是很迅速的，截至2010年底，已研制成功了?46mm、?59 mm、?76 mm、?95 mm、?120 mm等多种不同口径的绳索取芯钻具及其附属工具设备。[1]

1 绳索取芯钻具的结构原理

为了保证绳索取芯技术的顺利实施，其必须满足相应的技术要求。为此，绳索取芯钻具对应设计了11个关键机构，下面以S75[2]

绳索取芯钻具为例来介绍其结构组成，图1为S75钻具结构原理图。整套绳索取芯钻具分为单动双层岩芯管和打捞器两大部分，同时根据不同情况设有岩芯到位报信机构 和岩心堵塞报警机构。 1.1双管部分

双管部分主要包括内管总成和外管总成。分别有 ：

(1)铰链式矛头机构。当捞取岩芯时，打捞器上的打捞钩抓住捞矛头，将取芯管提出孔外。

(2)弹卡定位机构。弹卡定位机构由弹卡挡头、

弹卡、张簧、弹卡室等零件组成。内管总成进人外

管总成后，实现弹卡自锁，防止由于振动等原因使弹卡并拢而导致内管总成上窜。

(3)悬挂机构。悬挂机构由内管总成的悬挂环与外观总成的座环组成。当内管总成到位后，悬挂环坐落在座环上，保证卡簧座与钻头内台阶之间有一定间隙，以便外管单动灵活。

(4)到位报信机构。到位报信机构由复位簧、阀体、定位簧、调节螺母、阀堵、垫圈等组成。当内管总成到达预定位置时，地面上水泵压力表的读数突然变化，可以调整水量开始钻进。

(5)岩芯满管或堵塞报信机构。岩心堵塞报信机构由滑套、轴、碟簧等零件组成。岩芯满管或堵塞时，导致地面上水泵压力表读数升高，起到报警作用。

(6)调节机构。调节机构由调节螺母、调节接头、调节心轴等组成。主要用于调节内管总成中卡簧座与钻头内台阶之间的间隙，保证其间隙量为2mm。

(7)内管保护机构。主要用于卡取岩芯时，起缓冲作用来保护内管和卡簧座。

(8)单动机构。由两副推力轴承组成。主要用于分离内管和外管，实现钻具外管单动，内管相对外管静止。

(9)容纳与卡取岩芯机构。

(10)扶正机构。主要由扶正环组成。扶正内管，使卡簧座对正钻头内孔，以便岩芯顺利地进人内管，

减少岩芯磨损，提高岩芯采取率。 1.2打捞器部分

本例S75绳索取芯打捞机构由打捞钩、打捞钩架、重锤和钢丝绳接头组成。取芯时，钢丝绳悬吊打捞起放入钻杆柱内，打捞钩靠重锤以一定速度快速下降，钩住捞矛头，把内管总成提升上来。

一般来说，绳索取芯钻具基本结构都由以上部分组成，而后根据不同钻进条件与要求进行特定的改进。

2 绳索取芯钻具的发展现状

绳索取芯钻进技术自问世以来，世界各国钻探公司先后推出了多种不同的钻具规格系列。这些规格系列分别针对不同的地质环境和工作条件而设计。现就国际和国内市场上比较流行、常用的几种绳索取芯钻具规格系列按其适用范围进行举例。 2.1国内绳索取芯钻具研究现状

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它有效的解决了松散破碎地层绳索取芯困难的问题，扩大了绳索取芯技术的应用范围。

（6）多年的研究应用，总结出了一整套在各种不同情况下行之有效的操作技术和钻进工艺，其中包括机具设备选型、钻头及钻井液选型、钻进工艺参数选择、钻具使用维护保养、钻孔结构确定以及事故处理方式等一系列内容。并颁布了《GB/T

16951-1997 金刚石绳索取心钻探钻具设备》。

经过近40年的发展，国内绳索取芯钻具已发展了多个品种，其中最具代表性的有S系列、JS系列、YS系列，并且在此基础上，研发了多种衍生绳索取芯钻具。

（1）研制出用于固体矿产地质勘探的S系列绳索取心钻具系统，目前已经发展了三大系列，16种规格产品，具体规格参数见表1.该系列钻具的能满足不同钻探深度与地质条件，有结构合理、性能齐全、使用寿命长等优点，通过配有半合管钻具、三层管钻具和超前管钻具来保证取心质量及岩心回收率。

（2）研制出用于坑道内钻探的KS系列绳索取心钻具系统，主要用于坑道内的钻探施工，可以钻进任意角度的钻孔。与常规绳索取心钻具相比较，该系列钻具均配备有泵送装置、孔口密封倒流装置等。

（3）研制出用于复杂地层钻进的S52Z绳索取 心钻具系统，其特点是采用了标准钻杆体、接头内外同时加厚的钻杆结构，即采用内外不平钻杆柱，同时达到提高接头连接强度、轴载传递连续、利于泥浆护孔和不致岩心过细等目的。

（4）研制出一系列液动冲击回转绳索取芯钻具。该钻具优势在于将绳索取芯钻具同液动冲击钻结合起来，防止了在硬岩打滑地层中钻进效率低较低的问题发生。目前国内研制的液动式绳索取芯钻具有TK-60S、TK-75S、S59C、SZG-59等型号。它们的技术参数见表2.

（5）还研制出了几种特殊钻具：投球压卡式绳索取芯钻具。该钻具主要针对松、软、散或硬、脆、碎等复杂地层破碎、胶结差，钻探取芯困难而设计。

2.2国外绳索取芯钻具研究现状

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美国长年公司是世界上第一个研制成用于固体矿床勘探的绳索取芯钻具，于1946研制成功，1953年用于工业生产。随后，西方的工业国家尤其是一些矿业发达的国家，开始十分重视绳索取芯钻具的研究与应用。而美国长年公司生产的钻具最具有代表性，不仅质量好，而且钻进效率高。长年公司系列绳索取心钻探钻孔直径为:AQ(48mm)BQ(60mm)、NQ(75.7mm)、HQ(96mm)、pQ(122.6mm)SQ(145.3mm)等规格，即所谓Q系列，为欧美国家广泛仿制与采用。该公司推出了一种复合型高强度绳索取心钻杆柱一一等离子焊接接头式CQ系列钻杆(接头与钻杆采用焊接方式连接)，钻杆体壁厚为4mm，钻杆接头壁厚4.8mm，设计钻进深度2000~3000m。在南非利用这种钻杆柱钻进孔深可达到2134m。由于在复杂岩层中钻进时，这种钻杆柱寿命还远远达不到设计要求。为此，该公司又推出了CHD一76、CHD101和CHD一134钻杆柱，以专门用于深孔、超深孔条件下实现绳索取心钻进，这种钻杆柱是利用NQ钻杆管体，壁厚4.8mm，等离子焊接壁厚为7.5mm的接头，并设计了锥度为2°的加长锯齿形螺纹，延长了使用寿命。

4 绳索取芯钻进技术的发展方向

绳索取芯钻进是地质岩心钻探的一项重要技

术，通过国内外发展状况的对比分析，可以清楚看到其结果性能、应用效果与国外还是有很大的差距。

而随着勘探工作的不断深入，钻探领域的进一步扩张，我国的绳索取芯钻进技术还需进一步提高和发展，根据所掌握的资料

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，笔者认为我国绳索

取芯钻进技术的发展方向体现在以下几个方面: (1)不断扩大绳索取芯钻进技术的应用范围。就目前国内绳索取芯技术的发展现状，绳索取芯技术主要应用于地质矿产钻探、工程地质钻探、坑道内岩心钻探等。而随着国家发展重心转移，海洋资源在将会越来越受到重视，滨海、海底和极地钻探钻具的研制迫在眉睫。

(2)使绳索取芯钻具向多用途、互换的方向发展，以满足不同地层和不同施工条件的需要。 (3)加强绳索取芯钻头的试验研究，发展孔底换钻头技术。在破碎坚硬岩石层时，金刚石钻头磨损较快，不得不频繁提钻换钻头，占用大量时间，不能发挥绳索取芯钻进的优越性，研发出一套成熟的孔底换钻头技术很有必要。

(4)进一步提高绳索取芯钻杆的强度和耐磨性，尤其在接头螺纹处的材料、工艺处理、螺纹参数等进行更深入的优化。

4 结语

绳索取芯钻进技术是钻探领域中的一项重要

技术，近几年来已取得了较为突出的社会效益和经济效益。我国经过多年的努力，该项技术已趋向成熟，也积累了不少宝贵的经验，但与国外相比还有不小差距。因此，加快研究步伐，积极创新，相信今后绳索取芯钻进技术在钻探领域发挥的做用将越来越大，为国家资源勘探做出自己的贡献。

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