2.2　深孔勘探绳索取芯技术

2.2.1　绳索取芯技术钻进技术的特点

绳索取芯钻进是一种先进的勘探技术，广东省水利电力勘测设计研究院于20世纪80年代率先在广州抽水蓄能电站推广应用。钻进过程中，当岩芯管装满岩芯或发生岩芯堵塞需要提钻时，不需要将整套钻具提升到地表，而是用电动绞车将连接好钢丝绳的专用打捞工具投入孔内，卡住装有岩芯的内管总成，再通过绞车将打捞器及内管总成从外管和钻杆内捞取上来，取出岩芯后再将内管总成直接投入孔内，到位后就可以继续钻探。只有当钻头或扩孔器磨损到严重影响进尺时，才将孔内全部钻具提升出来。所以，绳索取芯钻进与普通钻进方法相比，有以下几个主要优点：

（1）钻进效率高。由于取芯时一般不需要将整套钻具提至地面，大大减少了钻探工作辅助时间，从而提高了钻探效率。

（2）钻头寿命长。绳索取芯钻进具有良好的稳定性，使得金刚石钻头在孔内有较好的工作环境，减少了钻头因钻具的震动所造成的损坏；同时，由于取芯时不用将外管及钻杆提至地面，这样就大大减少了孔壁发生坍塌掉块的可能性，从而减少了因扫孔带来的钻头磨损，因而提高了钻头的使用寿命。

（3）孔内事故少。绳索取芯钻杆与钻具直径相近，较粗，不容易折断；其径外平，与孔壁间隙小，因而减弱了对孔壁的破坏；同时，由于起下钻次数少，从而减少了因坍塌而造成的卡钻、埋钻等事故。

（4）劳动强度低。升降钻具、处理事故是钻探工作中劳动强度最大的工作。绳索取芯技术减少了升降钻具的次数，减少了钻孔事故，从而大大降低了钻探工人因拧卸钻杆和处理孔内事故等方面的劳动强度。

（5）钻孔垂直度高。绳索取芯钻杆柱直径较大、重量也较大、外平、孔壁间隙小，使得孔内工作稳定性好，有利于防止钻孔弯曲，保持了钻孔的垂直度。

2.2.2　绳索取芯技术在广东抽水蓄能电站深孔勘探中的应用

广东省水利电力勘测设计研究院自从1990年开始推广绳索取芯钻探技术以来，已先后在广州抽水蓄能电站、惠州抽水蓄能电站、阳江抽水蓄能电站、深圳抽水蓄能电站、清远抽水蓄能电站等深孔勘探中得到应用，取得了良好的经济技术效益。

2.2.2.1　广州抽水蓄能电站

广州抽水蓄能电站位于佛冈复式岩体的南缘部分，其分布岩性主要为燕山三期中粗粒（斑状）黑云母花岗岩和燕山后期中粗粒花岗岩等，其弱（微）风化岩层较坚硬、完整，岩体中还分布有断层蚀变岩，地质条件较差，岩性稍软。

1987年8月，为了选择该电站地下厂房的位置，了解拟选地下厂房的工程地质情况，布置了一个ZK623钻孔，计划孔深340m。采用普通小口径金刚石钻进，平均台班进尺仅5.87m，还经常发生断钻杆、钻孔缩径而下不了钻具等孔内事故。为了提高深孔勘探效率，1990年7月开始引进绳索取芯先进钻探技术，并先后完成了5个深孔的勘探，孔深225～345.35m，平均台班进尺11.9～13.35m，最高台班进尺高达20.5m（ZK252），钻进效率比普通金刚石钻进提高了一倍多（表2.2-1）。

由于绳索取芯钻进在钻杆内捞取岩芯，并具有钻杆壁薄、钻头唇部厚、钻杆与孔壁的环状间隙小等特点，因此，它和普通金刚石钻进的技术和方法有所不同，必须根据绳钻的特点和具体的施工条件，合理使用金刚石钻头，确定最优的钻进技术参数的合理的提钻间隔，制定严格的取芯措施，只有这样，才能大幅度提高钻进效率，保证钻孔质量，减少金刚石钻头的消耗，降低勘探成本。

1.钻头的选择和使用

采用绳索取芯钻进技术，金刚石钻头的选择至关重要。它要求钻头不仅时效要高，易破碎岩石，还要有较长的使用寿命。如果钻头时效很高但使用寿命短，就不得不经常起下钻更换钻头，那将会大大降低钻进效率，不能充分发挥绳钻的优越性，所以，必须根据岩层的性质和实践经验选择好钻头参数。由于广蓄地区地层坚硬、完整，一般用HRC30～35、浓度80%、60～70目的金刚石钻头，既有利于金刚石自磨出刃，克取岩石，又能保持较高的钻头寿命。

绳索取芯钻头的特点是在孔底连续工作时间较长，只有当钻头磨损到一定程度时才提钻检查更换，所以钻头的排队显得十分重要。每次钻进前，必须丈量好所有钻头的内外径，并分组排队，依照一定的顺序使用。先用外径大、后用外径小、内径大的，并且每次下入的钻头与前一个回次钻头直径之差要小，一般不大于0.1mm。若不注意钻头的排队使用，比如把外径大、内径小的钻头放在后面使用，就很容易造成更换的新钻头下不到孔底，甚至损坏钻头，或引起孔内事故。

2.钻进技术参数的选择

绳索取芯钻进与普通金刚石钻进一样，必须根据岩石的性质、钻头类型、钻孔深度、冲洗液类型及设备钻具的性能来选择最优的钻进参数，这些参数的有机配合，是决定钻速、钻进效率的重要因素。

在广州抽水蓄能电站深孔勘探中，采用XY-2钻机，配备SGZB-3250型水泵，冲洗液为润滑性能较好的乳化液，绳索取芯钻具的规格为S75和S59两种口径。这两种规格的钻头底唇面积比同口径普通金刚石钻头大20%，所以其所需的钻压也应相应加大20%，才能顺利克取岩石。一般地，S59钻进的钻压为8～10kN，S75钻进的钻压为11～13kN。当遇到坚硬、完整、研磨性稍弱的地层时，钻压还可适当高些，以提高钻进效率；当遇到断层蚀变岩层时，应迅速降低钻压，轻压慢转，以免造成岩芯堵塞，引起烧钻事故。

转速是影响金刚石钻进效率的重要因素。在坚硬、完整的岩层中钻进时，由于乳化液润滑性能较好，故可以开较高的转速，一般用800～1000r/min；当遇到蚀变岩时，由于其岩性较软，进尺较快，为了保证钻头的冷却效果和岩粉的迅速排除，应限制转速。

绳索取芯钻进的冲洗液量应保证其足以清除孔内岩粉，冷却金刚石钻头和保护孔壁。由于绳钻环状间隙小而钻头底唇面积大，破碎下来的岩屑较多，故其泵量比普通金刚石钻进要大些，但也不能过大，否则会造成钻具内压过高，从而抵消钻头压力，增加钻具的振动，还会冲蚀钻头胎体内的岩芯。根据在广州抽水蓄能电站地区的勘探经验，一般地，S75钻进泵量为62～75L/min，S59钻进的泵量为38～58L/min。在坚硬、完整的岩层中钻进时，钻速较低，岩粉量较少，故泵量可小些；钻进蚀变岩层时，岩粉较多，为了尽快排除岩粉，泵量可大些；钻进裂隙发育、有轻微漏失的地层时，为补偿漏失的那一部分冲洗液，可采用稍大的泵量。

3.确定合理的提钻间隔

绳索取芯钻进的提钻间隔合理与否，直接影响钻进效率和钻头寿命。提钻间隔越大，纯钻进时间越长，钻进效率就越高。但是，提钻间隔过大往往会使金刚石钻头磨损严重，增加金刚石消耗，所以，应合理确定提钻间隔，即合适的更换钻头时间。

（1）从钻速的变化来判断钻头底唇的磨损程度。一般情况下，如钻头选择得当，钻进技术参数稳定，钻速下降意味着孔底钻头已磨损或岩芯堵塞。前者引起钻速下降的幅度小，后者引起钻速下降的幅度较大。那么，如何判断钻速下降的原因呢？在实践中采用的方法是分析、比较打捞岩芯前后的钻速。如钻速没有变化，说明钻速下降是由于钻头磨损造成的；如打捞岩芯后钻速提高了，则说明钻速下降是由于岩芯堵塞造成的。

（2）根据岩芯直径的变化来判断钻头内径的磨损。由于绳索取芯钻头的内径采取了牢固的补强措施，所以正常情况下岩芯直径几乎没有什么变化。但当钻头内径发生磨损时，岩芯直径会接近或等于钻头内径，而且钻进时还会频繁发生钻头堵塞的现象。

金刚石钻头磨损到什么程度就必须提钻更换呢？这应根据孔深和钻速下降幅度等因素来确定。如果孔较深，且钻速下降幅度不大，则不要随意提钻。一句话，要能保证每个钻头尽量发挥其工作效能，获得最高进尺，以增大提钻间隔，提高钻进效率，降低钻探成本的劳动强度。

4.钻探工具的保养与维护

为保证钻具和打捞工具的性能良好，防止其因零部件失灵导致捞取岩芯失败而不得不提钻，必须经常对其检查，做好保养和维护工作。特别是每回次下钻前一定检查单动轴承的灵活性、弹卡挡头拨叉磨损情况和张簧是否变形，并用柴油将其清洗干净，并用机油涂抹，检查合格后方可使用。

5.钻孔事故的处理

在广州抽水蓄能电站深孔勘探中，由于地质条件并不十分复杂，加上措施得当，所以很少发生钻孔事故，只是在ZK182孔出现过打捞器捕捞不到内管总成的情况。事故发生后，经过分析，认为是起因于孔内岩粉过多，停钻后又未能及时打捞，沉淀的岩粉覆盖住捞矛头，使打捞器接触不到内管总成。处理办法：重新接上立轴钻杆，开大泵量冲洗钻孔，停泵后立即下入打捞器，终于将内管总成捞上来。

2.2.2.2　惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站地层地质条件以燕山三期和燕山四期侵入的花岗岩为主，岩性较硬，一般采用金刚石钻进。对于孔深在180m以内的钻孔，一般采用小口径单管或单动双管金刚石钻进方法。对于孔深超过180m的钻孔，采用绳索取芯金刚石钻进。

采用绳索取芯钻进技术进行深孔勘探时，针对该地区地层较硬、部分岩层研磨性较弱的特点，采用HRC25～28、浓度70%～80%、粒度70～80目的金刚石钻头，以保证胎体能及时磨蚀，使金刚石易于出露，更好地克取岩石。如此法仍不奏效，则可将少量磨料投入孔内，或者用浓硝酸腐蚀钻头胎体，使金刚石更易于出露。所用S75绳索取芯钻进参数一般为：钻压12～16kN，转速600～1000r/min，泵量60～80L/min。钻进时，要注意观察泵压、钻速及回水情况的变化，发现岩芯堵塞、不进尺、泵压突变、孔内响声异常等情况要及时打捞，避免发生孔内事故。每回次投放内管总成一定要确认其到达预定位置后方可开钻，以免发生打“单管”。遇到漏失严重的地层时，便在该漏失地段灌入聚丙烯酰胺浆液，起一定的堵漏作用，同时加大水泵进水管的直径，增加泵量；遇到弱风化裂隙发育地层时，由于该地层较为破碎，这时应适当降低转速（400～600r/min）及钻压（8～10kN），钻进中如出现岩块堵塞卡簧（反映在泵压骤升、进尺缓慢或不进尺）时要立即停钻捞取岩芯。同时还要控制起下钻的速度，以免起下钻的抽吸力过大造成破碎地段孔壁的坍塌。每次打捞后，要用柴油将内管总成和打捞器清洗干净，并在弹簧、张簧、弹性圆柱销、弹卡及回收管等处注入机油，单动轴承要定期注入黄油，钻杆的丝扣也要经常涂上丝扣油。同时要检查卡簧与岩芯直径的配合，并及时更换不合适的卡簧，以免卡簧卡不住岩芯。在钻进正常的情况，尽量延长提钻间隔，以提高钻进效率。

Zk2057孔在勘探施工过程中，碰到了一些难题。当钻进至206.50m时，由于该孔段严重破碎，钻具在出现掉块及塌孔现象，钻具下至204.80m时受阻，下不到底。对所钻取的岩芯进行分析，认为在193.20～195.50m及202.70m以下孔段地层较为破碎，由于孔壁与钻具之间的环状间隙较小，起下钻速度稍快些就会因抽吸作用而造成该孔段掉块和坍塌。针对这种情况，结合工地的实际情况，决定向孔内投入15m长的ϕ73mm套管，将这两段严重破碎带隔离住。投入套管后，下入S59绳索取芯钻具从204.80m位置开始慢慢扫孔，使套管慢慢下至孔底，然后再变径ϕ59钻进。当钻进至452.60～454.20m时，出现裂隙较大的岩洞，洞内填充物软弱，采用轻压、慢转的办法穿过该层底板。捞取岩芯并洗孔后，将干水泥球（加入水玻璃作为速凝剂）投入钻杆内，利用钻杆作导管将水泥球送入孔底，边投边提钻杆，直至将该孔段填满，待几天后水泥凝固了再重新钻进，取得了良好的效果。

在工程输水发电系统采用绳钻技术共完成了11个钻孔的勘探（表2.2-2），最大孔深473.75m，最小180.20m。强风化岩层平均岩芯采取率为89.5%，较完整的弱风化、微风化岩层采取率为98.6%，较破碎的弱风化、微风化岩层采取率为88.3%，平均台班进尺为8.73m，取得了良好的经济技术效果。

2.2.2.3　阳江抽水蓄能电站

2004年初及2005年8月，广东省水利电力勘测设计研究院承接了阳江抽水蓄能电站初拟地下厂房区ZK102、ZKY001深孔勘探任务。通过地质测绘，该电站上库及引水隧洞上段处于燕山三期黑云母花岗岩内，初拟厂房位置位于花岗岩体内，靠近寒武系混合岩与燕山期花岗岩接触带。

ZK102设计孔深436m，ZKY001设计孔深540m，其主要的勘察目的如下：

（1）通过这两个钻孔了解初拟厂房区的地层岩性、地质构造、岩体风化程度、岩体完整性程度，初步评价地下厂房的成洞条件。

（2）初步查明厂房区上覆岩层厚度及风化分布带特征的变化。

（3）初步查明厂房区所处的地层岩性，并取样试验，提出岩石的物理力学性质指标建议值。

（4）通过工程地质评价和比较，最终确定地下厂房的位置。

通过认真总结广蓄、惠蓄深孔勘探中成功应用绳索取芯技术的经验，找出了不足之处。同时，比较了这几个蓄能电站的工程地质条件，既有相同之处，也有不同之处，特别是阳蓄破碎地层较多，漏水严重，这是该工程深孔勘探所面临的主要问题。

在破碎地层中钻进，将面临两个主要问题：①钻孔容易坍塌；②破碎岩芯难以采取。对于前者，一般情况下应在钻穿该层后快速下套管护壁，但由于该地层的多变性和不稳定性，经常会出现完整-破碎-完整-破碎的情况，这时应考虑采用水泥封孔护壁再钻穿等办法（特别是孔较深时）。对于后者，如果破碎程度不太严重，仍可采用绳钻方法。钻进时，首先要适当降低转速（400～600r/min）以减少对破碎岩芯的机械破坏；其次要调整好卡簧内径和岩芯直径、钻头内径的配合比，既要保证破碎岩芯顺利进入，又要保证卡簧能有效卡取岩芯；由于钻杆和孔壁间隙很小，仅2.5mm，所以一定要严格控制起下钻的速度，防止因起下钻速度过快引起钻孔抽吸，造成孔壁坍塌；钻压不要太高，一般为8～10kN；要注意观察泵压、钻速及回水情况的变化，一旦发现不进尺、岩芯堵塞、泵压突变、孔内响声异常等情况要立即停钻处理，以免发生孔内事故；如果岩层破碎程度严重，则采用自行设计的喷射式孔底反循环钻具进行钻进。

在裂隙发育漏失严重的地层钻进时，一定要密切注意孔口的回水情况。如果发现孔口回水很小或不回水，说明孔内漏水较为严重。如漏水部位较浅，可下套管封住，套管靴用海带止水，同时增大水泵的进水管直径，并适当增大泵量；如漏水部位较深，可向孔内分批投入一些泥粉，用加有堵漏剂的冲洗液稀释后护壁堵漏。

ZKY001是广东省水利电力勘测设计研究院综合运用深孔勘探技术成功的典范，其地层条件十分复杂，岩石较硬、研磨性弱、部分岩层裂隙发育，钻进中漏水严重。在该孔的勘探施工中，总结了ZK102孔的勘探经验，制定出更为合理的施工方案：孔浅时遇到破碎地层就用喷射式反循环金刚石钻进，孔深时用绳索取芯钻进，以提高岩芯采取率和勘探效率；遇到漏水地层时，根据孔内实际情况采用下套管（管靴绑上海带止水）或黄泥浆渗堵漏剂的方法解决。通过实施，效果良好，破碎岩层岩芯采取率高达89.6%，其540.65m的钻探深度创广东省水利水电钻探最深记录。

通过这两个钻孔提供的地质资料和试验数据，了解了初拟厂房区的地层条件、地质构造、岩体风化程度、岩体完整程度、岩石物理力学性质（表2.2-3）。经过有关专家论证、评价和比较地下厂房的成洞条件，最终确定ZKY001孔作为地下厂房的位置。

除了广州抽水蓄能电站、惠州抽水蓄能电站和阳江抽水蓄能电站之外，广东省水利电力勘测设计研究院还在深圳抽水蓄能电站和清远抽水蓄能电站应用绳钻技术完成了ZK12和ZK3003各一个深孔。其中深蓄ZK12孔深366.5m，台班进尺9.2m，完整地层岩芯采取率高达99%，破碎夹层采取率高达87%；清蓄ZK3003孔深421.8m，台班进尺8.5m（不含做地应力和水力劈裂试验时间），完整地层岩芯采取率高达99%，破碎夹层采取率高达90.2%。目前，正在大力推广绳索取芯钻进这种先进技术，并争取在一些浅孔勘探中也得到应用。

2.2.3　绳索取芯技术经验总结

20世纪80年代以来，广东省水利电力勘测设计研究院率先在广东数个抽水蓄能电站推广应用绳索取芯钻进技术，总结出以下几条经验：

（1）由于绳索取芯钻进是通过打捞器捞取岩芯，并具有钻头壁厚、唇部面积大、钻杆与孔壁的环状间隙小等特点，因此，它和普通金刚石钻进的技术和方法有所不同。必须根据绳钻的特点和具体的施工条件，合理使用金刚石钻头，确定最优的钻进技术参数和合理的提钻间隔，制定严格的取芯措施，只有这样，才能大幅度提高钻进效率，保证钻孔质量，减少金刚石钻头的消耗，降低勘探成本。

（2）钻进时，要注意观察泵压、钻速及回水情况的变化，发现岩芯堵塞、不进尺、泵压突变、孔内响声异常等情况要及时打捞，避免发生孔内事故。

（3）在破碎地层中钻进，将面临两个主要问题：①钻孔容易坍塌；②破碎岩心难以采取。对于前者，一般情况下应在钻穿该层后快速下套管护壁，但由于这类地层的多变性和不稳定性，经常会出现完整-破碎-完整-破碎的情况，这时应考虑采用水泥封孔护壁再钻穿等办法（特别是孔较深时）。

（4）在裂隙发育漏失严重的地层钻进时，一定要密切注意孔口的回水情况。如果发现孔口回水很小或不回水，说明孔内漏水较为严重。如漏水部位较浅，可下套管封住，套管靴用海带止水，同时增大水泵的进水管直径，并适当增大泵量；如漏水部位较深，可向孔内分批投入一些泥粉，用加有堵漏剂的冲洗液稀释后护壁堵漏。