新型坑道绳索取心钻具的研制与应用

2018-05-09李瑞鑫王朝垒杨春

世界有色金属 2018年4期

李瑞鑫，王朝垒，杨春

（中矿资源勘探股份有限公司，北京 100089）

由于坑道探矿以前大都使用提钻方式钻探取心，劳动强度大，取心率低，后来为提高钻探效率而采用地表施工经常使用的绳索取心钻探技术，但是由于坑道钻探钻孔倾角多样，而普通的绳索取心钻具是为地表钻探施工适用的大倾角钻孔而设计，在缓角度施工中就出现投放不到位、弹卡机构无法卡紧，而使内管总成被岩心顶出，无法完成钻探过程的情况。针对这些问题，对原有绳索取心钻具进行设计改造，并利用现有项目进行现场试用，解决了缓角度孔绳索取心钻具无法顺利投放到位，易脱卡的问题。

1 绳索取心钻探工艺

绳索取心钻进是采用绳索取心钻杆和钻具，在钻具里面套装一根取心管，在钻进过程中，由钻头刻取岩心，岩心缓慢进入岩心管内。当回次进尺终了，岩心装满取心管时，采用带绳索的打捞器，通过绳索绞车从钻杆中将内管总成提出，提取岩心后，又从钻杆中把内管总成投放到孔底，继续钻进的一种先进岩心钻探工艺。与普通取心钻进相比，其优越性表现在：

（1）提高了钻进效率：减少提下钻次数，增加纯钻时间，钻进效率可提高25%以上，而且孔越深效果越明显。

（2）提高岩心采取率：采取岩心或发生岩心堵塞时，可以立即打捞。绞车打捞提升平稳、速度快，可减少岩心磨蚀和中途脱落，岩心采取率最高可达100%，且可减少人为贫化或富集现象，地质效果好。

（3）降低工程成本：只在检查外管钻具、更换钻头时提下钻，减少了上下钻和拧卸钻具、扫孔等工作频率，减少对钻头的无用损耗。同时，钻头在孔内工作平稳，钻头有效使用寿命延长。

（4）减轻劳动强度：打捞岩心时，不必提钻，只需一人操作绳索取心绞车。

（5）减少孔内事故：绳索取心钻进对复杂地层影响和扰动较小，有利于钻孔稳定和孔内安全。

常规的绳索取心钻具包括外管总成和内管总成（见图1），外管总成主要包括从上至下顺次连接在一起的弹卡挡头、弹卡室、外管、扩孔器和钻头，内管总成主要包括从上至下顺次连接在一起的矛头、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、调节机构和内管（半合管等）。

其工作原理是当绳索取心钻具工作时，即内管总成处于钻进状态时，弹卡定位机构卡接在弹卡室中，且内管总成无法沿外管总成的轴向发生相对运动。当输送内管总成使其安装于外管总成时，即内管总成处于投放（泵送）或打捞状态时，弹卡定位机构未与弹卡室卡接，内管总成可沿外管总成或钻杆的轴向相对其运动。

2 绳索取心钻具的新型弹卡定位机构

普通的绳索取心钻具的弹卡定位机构，如果定位不好，内管总成处于钻进状态时有可能在外管总成中窜动导致取心失败，而导致提钻，特别是在缓倾角地层中，钻具内管在外管总成中卡不牢的现象时有发生。

本次研发新型绳索取心钻具的弹卡定位机构的目的是保证顺利提下钻，且内管总成处于钻进状态时保证弹卡定位机构不脱离与弹卡室的卡接。

2.1 结构

新型弹卡定位机构（见图2）；包括一个第一铰链（26）、一个第二铰链（28）、一个第一卡板（22）和一个第二卡板（24）。第一铰链（26）、一个第二铰链（28）、一个第一卡板（22）和一个第二卡板（24）之间可彼此相对转动。

第一铰链（26）具有一个第一铰接端（262）和一个第一连接端（264）（图中被遮挡未显示）。第二铰链（28）具有一个第二铰接端（282）和一个第二连接端（284）。第一卡板（22）具有一个第三铰接端（222）和一个第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一个第四铰接端（242）和一个第二卡接端（244）。第一铰接端（262）和第二铰接端（264）铰接于一个第一铰接点（27）。第三铰接端（222）和第四铰接端（242）可铰接于一个第二铰接点（23）。第一连接端（264）铰接于第一卡接端（224），第二连接端（284）铰接于第二卡接端（244）。

图2 绳索取心钻具的新型弹卡定位机构一种示意性实施方式的结构示意图

图3 绳索取心钻具的头部总成一种示意性实施方式的结构示意图

图4 内管总成处于泵送状态时的运动

2.2 设计特点

当内管总成处于钻进状态时，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接于弹卡室，且第一铰链（26）和第二铰链（28）处于同一直线，使得外管总成与第一卡接端（224）和第二卡接端（244）之间的相互作用力施加于第一铰链（26）和第二铰链（28），且由于第一铰链（26）和第二铰链（28）处于同一直线，使得相互作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得弹卡定位机构脱离与弹卡室的卡接从而导致内管总成在外管总成中窜动。

3 绳索取心钻具的头部总成

如前文所讲，普通绳索取心钻进在大角度垂直孔钻进应用广泛，而缓倾角或坑内钻探时除了坑道内环境和钻机自身条件限制外，内管总成自身的重力很难使其投放到位。本次研发新型绳索取心钻具的头部总成的目的是钻孔与水平面夹角小于45度时，内管总成可以投放到位。

3.1 结构

新型绳索取心钻具（见图3）的头部总成包括一个矛头（10）、一个弹卡定位机构（20）、一个阀体（50）和一个阀座（40）。当内管总成处于打捞状态时，矛头（10）可与打捞器的打捞钩卡接，使得打捞器着力于矛头（10），从而使得内管总成从外管总成中抽出。弹卡定位机构（20）连接于矛头（10）。当内管总成处于钻进状态时，弹卡定位机构（20）可卡接于外管总成的弹卡室，使得内管总成与外管总成相对定位，避免内管总成在外管总成中窜动；当内管总成处于打捞状态或泵送状态时，弹卡定位机构（20）未与弹卡室卡接，使得内管总成可相对于外管总成运动。弹卡定位机构（20）设有一个第一卡板（22）和一个第二卡板（24），弹卡定位机构（20）藉由第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于弹卡室。

弹卡定位机构包括一个第一铰链（26）、一个第二铰链（28）、一个第一卡板（22）和一个第二卡板（24）。其中，第一铰链（26）具有一个第一铰接端（262）和一个第一连接端（264）（图中被遮挡未显示）。第二铰链（28）具有一个第二铰接端（282）和一个第二连接端（284）。第一卡板（22）具有一个第三铰接端（222）和一个第一卡接端（224）。第二卡板（24）具有一个第四铰接端（242）和一个第二卡接端（244）。第一铰接端（262）和第二铰接端（264）铰接于一个第一铰接点（27）。第三铰接端（222）和第四铰接端（242）可铰接于一个第二铰接点（23）。第一连接端（264）铰接于第一卡接端（224），第二连接端（284）铰接于第二卡接端（244）。当内管总成处于钻进状态时，第一卡接端（224）和第二卡接端（244）卡接与弹卡室，且第一铰链（26）和第二铰链（28）处于同一直线，使得外管总成施加于第一铰链（26）和第二铰链（28）的作用力相互抵消，避免第一卡接端（224）和第二卡接端（244）彼此相互靠近而使得内管总成在外管总成中窜动。

阀体（50）设有一个连接端（52）和一个密封端（54）。其中，连接端（52）可连接于弹卡定位机构（20）。阀座（40）设有一个阀孔（42），且阀孔（42）中可通过泥浆。密封端（54）可密封阀孔（42）。阀孔（42）的孔壁还铺设有一个密封套（44），以增加密封端（54）与阀孔（42）之间的密封。内管总成还设有一个弹卡座（30），其上设有一个供泥浆通过的流道（32），且流道（32）连通于阀孔（42）。通过阀孔（42）的泥浆藉由流道（32）流向绳索取心钻具的钻头。弹卡座（30）的周向上套设有两个密封圈（34），以增加内管总成与外管总成之间的密封。

3.2 设计特点

与普通绳索取心钻具的内管总成相比，该钻具对阀体结构进行了改进，使钻孔与水平面夹角小于 45 度时，内管总成可以投放到位。

a.内管总成处于泵送状态时（图中的点划线表示泥浆的流向），第一卡板（22）第二卡板（24）带动密封端（54）朝向矛头（10）的方向运动，且密封端（54）进入阀孔（42）中，使得密封端（54）密封阀孔（42）。泵送的泥浆在总成中的流动通道堵死，泥浆的泵送压力可推动内管总成投放到位（见图4）。

b.内管总成处于钻进状态时图中的点划线表示泥浆的流向，第一卡板（22）和第二卡板（24）卡接于弹卡室，弹卡定位机构藉由连接端（52）推动密封端（54），使得密封端（54）穿过阀孔（42），处于阀孔（42）远离弹卡定位机构的一端，且密封端（54）与密封阀孔（42）之间存在间隙。泥浆可由内管总成和外管总成的间隙进入，而后通过阀孔流向绳索取心钻具的钻头（见图5）。

表1 各项情况统计

图5 内管总成处于钻进状态时的运动

c.内管总成处于打捞状态时（图中的点划线表示泥浆的流向），矛头上提，第一卡板（22）和第二卡板（24）收拢，第一卡板（22）和第二卡板（24）脱离与弹卡室的卡接。内管总成可相对于外管总成运动。弹卡定位机构（20）带动密封端（54）运动，使其停留在阀孔（42）靠近弹卡定位机构（20）的一端，且密封端（54）与阀孔（42）之间留有泥浆通行的间隙（见图6）。

图6 内管总成处于打捞状态时的运动

4 生产试验

生产试验于2017年11月至12月，利用现有的赞比亚，刚果金等多个矿区项目进行不同请教钻孔的施工，施工合计工作量750.5米，取得了良好效果。现列举具有代表性的试验，介绍如下。

4.1 地层情况

赞比亚某矿区，地层主要由基底和加坦加（Katanga）系构成。基底为卢福布（Lufubu）系片岩、石英岩、片麻岩，变质花岗岩和穆瓦（Muva）系石英云母片岩。区内揭露的加坦加系地层主要包括下罗恩（LowerRoan）组和上罗恩（Upper Roan）组沉积变质岩。

4.2 主要设备及钻具

钻机：阿特拉斯·科普柯Diamec U6型坑道钻机，该钻机是自动化和集成度较高的全液压坑道钻机。

成品按照国际Q系列钻具制作标准，并采用同系列的水压打捞器和水接头（加压器），阿特拉斯直连扣钻杆，进行生产试验。

4.3 试验效果

钻孔DMCK-1102，设计倾角25°，设计孔深209米。试验回次数60回次，有效进尺83.7米，泵送、打捞成功率100%，钻进平稳，未出现自动脱卡现象。钻孔DMCK-1215，设计倾角-10°，设计孔深117米。试验回次数60回次，有效进尺85.9米，泵送成功率98.3%、有1次因钻头部分残余岩心，致使泵送未成功，进而造成内管总成被顶出；打捞成功率100%。DMCK-1233，设计倾角5°，设计孔深83米。试验回次数56回次，有效进尺82.1米，泵送、打捞成功率100%，钻进平稳，未出现自动脱卡现象。试验期间更换弹卡片2次，试验结束剩余部分状态良好，更换钻具及打捞器橡胶活塞各2次。各项情况统计见表1。