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由于鉆進效率高等一系列優點，被廣泛應用于地質勘探、煤田勘探等場合。正確的使用金剛石繩索取芯鉆頭，可以為整個工程節省出很大一部分資金，擴大自己的收益。所以，如何正確的使用金剛石繩索取芯鉆頭對很多領域來說，都是一個迫切需要弄明白的問題。現在大批民營鉆探隊伍進入鉆探行業，但其員工大多缺乏金剛石鉆探工具的操作技術。
　　二、金剛石繩索取芯技術的優越性
　　金剛石鉆進技術要求要遠遠高于硬質合金或牙輪鉆進技術。金剛石運用于鉆探．是鉆探技術的一次飛躍。隨著金剛石鉆頭質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移到巖心提取方面。合理的鉆具組合可以大大減少井內事故，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：單管鉆具、普通雙管鉆具、繩索取心雙管鉆具。而繩索取芯鉆探技術的開發運用，將這一工作提高到了一個新的水平。大大降低了輔助時間，減輕了勞動強度。上世紀七十年代以來，金剛石繩索取心鉆進工藝由于其自動化程度高、井內事故少、取芯率及鉆進效率高的優勢，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，金剛石繩索取芯鉆進在煤層氣參數井施工中又得到了進一步的發展。其相對于普通金剛石取芯技術主要有優點如下：
　　1、實現了較大間段不提鉆連續取心，顯著降低鉆進輔助時間，大大提高了生產效率。當巖心裝滿或堵塞時，鉆具報訊，此時只需將機上主動鉆桿提移孔口，用繩索把專用打撈器從鉆桿中下入鉆桿內，即可將內管連同巖心提出孔外。然后將空的內管總成投入，實現連續鉆進。而對于普通取心鉆進900m深的孔，整個提取巖心過程，一般需用50～70分鐘，甚至更多。
　　2、降低勞動強度。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個人配合。連續操作幾十分鐘。繩索取心鉆進雖不能避免起下鉆工作。但其工作特性。可大幅度拉大起下鉆時間間隔，從而實現降低勞動強度的目的。
　　3、孔身直，巖心采取率高。由于繩索取心鉆進基本呈“滿眼”鉆進，加之其實現的較高轉速，具有很好的防斜作用，使得鉆孔孔身較直。孔身直，鉆具抖動小，金剛石鉆頭的高速切削及內管單動的可靠性能等，使得巖心回次采取率高．巖心擾動小，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，使獲得的地質資料更加豐富。該區鉆探工程施工鉆孔，巖心采取率都達到95％以上。收獲率達到85％以上。
　　4、巖心較細、重量較輕，便于擺放、編錄、搬運和保存。5、降低成本，提高效益。φ75金剛石鉆頭，單位造價360元，只可鉆進150～220m，加上擴孔器的費用，鉆頭每米費用不超過4元；若用硬合金鉆頭，最常用的99mm鉆頭市場價為70元／只左右，可鉆進4m左右，鉆頭每米費用為10元左右。對于一個250m的孔來說，用金剛石鉆頭鉆進就可以節約3000多元。人工、燃料方面，不提鉆取心，大大降低了輔助時間，增加了純鉆進時間。相對于硬合金10m左右的班進尺。鉆孔一般可提前l／3的時間竣工。
　　三、金剛石繩索取芯鉆頭的科學操作
　　金剛石繩索取芯鉆頭的使用一定要根據操作要求一步步來，不能操之過急，并且一定要做好鉆具組裝、調配、保養工作。
　　1、金剛石繩索取芯鉆頭使用中必須做到“凈、穩、磨”。“凈”是孔內干凈，鉆具級配好和設備無故障；“穩”是指操作穩、鉆具徑向穩、刻取巖石穩、回轉穩、鉆速穩、泵壓穩；“磨”是指鉆頭初磨好、自磨出刃好、正常鉆進磨削巖石好。
　　2、高度重視鉆頭的初磨工作。正常鉆進時，倒桿后合車前應適當上頂(上頂距離必須考慮孔深鉆桿伸長值和卡簧自由活動距離，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接觸的鉆頭(如齒輪、鋸齒等)，這個操作尤為重要。
　　 3、嚴格遵守“三必提、五不掃”的操作規定。根據泵壓、負荷等正確判斷巖層特性和孔內情況，正確區分巖芯堵塞和鉆頭胎體磨完的表現，及時發現斷鉆的現象，及時判斷巖層軟硬變化并調整參數，防止巖芯堵塞、防止燒鉆、防止打單管。做好減振、冷卻、潤滑、排砂的相關工藝配套工作。
　　4、正確及時總結鉆進參數和巖層的適配性。提鉆時觀察鉆頭磨損狀態，判斷參數的合理性。
　　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的操作煤田地質勘探所遇地層絕大多數是沉積巖，在這些巖層中有的由于受風化、地下水侵蝕、斷層錯動以及巖石本身性質等影響，從而使巖石遭受破壞，失去了原有的穩定性和完整性。變成為松散、破碎、大小不均裂隙發育以及遇水膨脹縮徑等復雜地層。井壁不易維護，給煤田鉆探帶來很大的困難。使用泥漿不僅能冷卻鉆頭，排除和攜帶巖粉，同時還能保護井壁，這對煤田鉆探來說是至關重要的。因此泥漿使用的好壞將直接影響著鉆進速度、鉆進質量、鉆孔的安全和材料的消耗。泥漿是鉆探工作的“血液”，這足以說明在鉆探中用好泥漿的重要性。繩索取芯鉆進系統的鉆具與井壁的外環空間隙小（1.5～3.0 mm）、鉆桿內壁與內管或打撈器的內環空小（0.5～1.5 mm）。外環空間隙小易導致泵壓升高、憋泵、循環漏失和提鉆抽垮、下鉆擠塌孔壁。而且高轉速旋轉的鉆具將導致內壁結垢等，這就要求泥漿具有良好的潤滑性能，具有良好的凈化除砂特性和護壁性能。泥漿性能指標的優劣，將直接影響著繩索取芯鉆進的效果，通常情況下煤田地質金剛石繩索取芯鉆進很少選用無固相泥漿，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雜地層的操作破碎地層中繩索鉆進，應選擇合適的金剛石鉆頭，防止崩刃、防止燒鉆，采取泥漿工藝護孔，防止巖芯堵塞。鉆進參數采用中小規程，操作宜穩和謹慎，搞好排砂工作，避免重復破碎。在硬脆地層合車盡量慢，在軟蝕地層控制鉆速、加強巖芯采取。在軟蝕不易采芯地層，可以采用小泵量或者底噴式、側噴式鉆頭或者三層管鉆具。在松散無膠結、硬、脆破碎時，可以考慮卡簧點焊(研磨性強，巖芯變小)或者卡簧座焊鋼絲(巖芯為顆粒狀時)(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時，如果現場鉆頭優選(如部分孕鑲胎體形狀和表鑲鉆頭)后，仍然自磨出刃不行，需要對孕鑲鉆頭采取特殊方法達到自磨出刃目的時，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行，且一般只有0．5～1．2m進尺內有效。
　　(2)投磨料法。打滑時，鉆具提離孔底0.2～0.3m，從主動鉆桿頂螺栓孔向孔內投人0．5kg左右粒徑為3～6mm大小的碎玻璃、碎陶瓷或堅硬石英碎顆粒、石英砂、碎金剛石胎塊等。初始鉆進時宜小水量、低轉速不要急于進尺，待金剛石鉆頭在孔底磨、蝕運轉10～15min后即可提高轉速，增大壓力，恢復正常鉆進。一般鉆進0．2--0.8m需重復上述過程。
　　(3)溶蝕胎體法：即用強酸溶蝕金剛石胎體，促使金剛石出刃以達到提高鉆速的目的(一般0．5h左右，具體視強酸種類及濃度而定)。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”鉆進法：該方法操作要點是適時適度“石墨化”胎體，使其表面粗躁，達到自磨出刃。關水，鉆頭接觸巖石，1速、初磨壓力合車，默數5s，立刻上頂，關車，歇二十多秒，如此反復總共3次，即可開泵采用正常鉆進。這種方法必須謹慎操作，一般能達到0.2---0.5m進尺的效果。
　　(5)液動沖擊回轉繩索取芯鉆進。鉆壓以能滿足液動潛孔錘工作的基本條件: 確保鉆進狀態時液動錘的花鍵軸與花鍵套端面閉合，使液動潛孔錘處于有效工作狀態為前提。基本與回轉鉆進相同或略低，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(內管提出)，然后鉆具提離孔底到安全距離(根據計算)，采取電雷管起爆，利用爆轟時聚能流對孔底的作用震裂或爆除部分打滑層，然后繼續投內管鉆進。此法一般不采用。
　　 4、金剛石繩索取芯鉆頭用于斜孔鉆探時應注意的事項
　　(1)金剛石繩索取芯鉆頭必須按照操作規程正確使用，重視并做好鉆具組裝、調配、保養工作。金剛石繩索取芯鉆頭使用中必須做到“凈、穩、磨”，“凈”是孔內干凈，鉆具級配好和設備無故障；“穩”是指操作穩、鉆具徑向穩、刻取巖石穩、回轉穩、鉆速穩、泵壓穩；“磨”是指鉆頭初磨好、自磨出刃好、正常鉆進磨削巖石好。
　　(2)高度重視鉆頭的初磨工作。正常鉆進時，倒桿后合車前應適當上頂（上頂距離必須考慮孔深鉆桿伸長值和卡簧自由活動距離，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接觸的鉆頭（如齒輪、鋸齒等），這個操作尤為重要。
　　(3)嚴格遵守“三必提、五不掃”的操作規定。根據泵壓、負荷等正確判斷巖層特性和孔內情況，正確區分巖芯堵塞和鉆頭胎體磨完的表現，及時發現斷鉆的現象，及時判斷巖層軟硬變化并調整參數，防止巖芯堵塞、防止燒鉆、防止打單管。做好減振、冷卻、潤滑、排砂的相關工藝配套工作。正確及時總結鉆進參數和巖層的適配性。提鉆時觀察鉆頭磨損狀態，判斷參數的合理性。
　　五、金剛石繩索取芯鉆頭的鉆進參數
　　1、鉆壓。
　　參考表1選擇。
　　按公式計算取值時（表鑲F=fmEF，孕鑲P=pA）在破碎和非均質巖石中鉆進，應視裂隙程度適當減少鉆壓25%~40%，在研磨性地層中適當減低鉆壓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增大。
　　2、轉速。按公式計算，并參考表2 選值。
　　公式：N=60Vk/πD
　　式中：N ――鉆頭轉速，r/min；
　　D ――鉆頭直徑，m；
　　 Vk ――推薦線速度，m/s。
　　
　　六、結束語
　　金剛石繩索取芯技術發展到今日已經日趨完善，但是仍有很多不健全的地方等待我們去填補。正確的選擇與使用鉆頭，可以為整個工程帶來巨大的收益，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現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。