摘要
在深部地质岩心钻探中，绳索取心是最常用的钻进工艺。由于绳索取心钻进环状间隙小，需要采取加大钻头的方式，解决泵压高、“激动”压力大造成孔壁失稳等问题。深孔施工在不下套管的情况下直接将钻头加大到上一级口径，可以解决环状间隙问题，还能多出一级备用口径。通过对绳索取心钻杆能力进行分析，研制了跨口径系列绳索取心钻具，并在实践应用中不断改进，为深部地质岩心钻探的钻孔结构设计和复杂地层钻进提供了保障，应用效果良好。为满足地热钻探的长孔段取心要求，提出了大口径绳索取心钻具的设计方案，进一步拓展了绳索取心工艺的使用范围。
绳索取心钻进是目前在地质岩心钻探中最常用的钻进工艺，具有提高钻探生产效率、提高岩矿心采取率、减轻工人劳动强度、减少孔内事故、提高钻孔质量等优点。近年来随着钻孔深度的不断加深，钻孔结构越来越复杂，开孔和终孔口径要不断加大才能满足深孔钻进的需
根据我国现行《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227—2010），目前地质岩心钻探口径系列为R、E、A、B、N、H、P、S
规格 代号 | 钻头公称口径/mm | 钻杆直径/mm | 配套套管直径/mm | 最大孔深能力/m |
|---|---|---|---|---|
| B | 60 | 55.5 | - | 2000 |
| N | 76 | 71 | 73 | 3000 |
| H | 96 | 89 | 89（91） | 4000 |
| P | 122 | 114 | 114 | 5000 |
| S | 150 | 140 | 146 | 6000 |
与提钻取心钻进相比，绳索取心钻进工艺一般认为是“满眼”钻进，环状间隙小，冲洗液的循环阻力大，造成钻探过程中泵压高、冲刷孔壁严重、处理孔内事故困难等一系列问
根据国内深孔的施工实践，在目前的技术条件下，常规加强绳索取心钻杆的最大钻深能力可分别为：B口径2000 m；N口径3000 m；H口径4000 m。P口径理论上可施工5000 m，但尚无工程实践。由于钻孔结构的限制，口径大的绳索取心钻杆只能用于钻孔上部，造成了钻杆“大马拉小车“的状况，对钻杆是个极大的浪费。而且目前国内勘探孔超过3000 m的仍是少数，常用的绳索取心钻具集中在N、H、P、S四个口径，大量购置大口径绳索取心钻杆也会造成浪费。
钻杆柱在孔内的受力状况复杂。正常情况下，钻杆柱传递的力矩（或拉力）大小是由孔内阻力造成的，口径越大，孔深越深，孔内阻力越
| (1) |
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式中：Q——钻杆柱由自重产生的拉力，kN；q——计算点下单位长度钻杆的重力，kN/m；L——计算点以下钻杆长度，m；σ——钻杆柱所受的拉应力，MPa；A——钻杆有效截面积，m
由此可以看出，钻杆传递力矩和拉力的能力，主要与钻杆（螺纹）的直径d和有效截面积A有关，即破坏临界应力一定的情况下，直径和承载面积越大，承载能力越
钻头工作时，在一定范围内钻速随钻压的增大而增大。由于各类钻头碎岩机理的不同，其钻压最佳区域也不相同。总的来说，保证钻头工作压力维持在最佳区域对钻进是有利的。以金刚石钻头为例，钻头钻压可以由以下公式计算：
| （5） |
式中：P——钻头的钻压，kN；F——钻头实际的工作唇面面积，m
跨口径绳索取心钻具是指用规格系列中下一级口径（如H）的钻杆和上一级口径（如P）的钻具和钻头配合钻进。根据
以常用的P口径钻杆+S口径钻头形成的P-S口径钻具为例加以说明。
绳索取心钻具将原P口径外管总成（包括钻头、扩孔器、钻具外管、弹卡室、弹卡挡头等）直径加大一个规格，采用特种厚壁外管加工而成，内管总成和常规P口径绳索取心钻进所使用的内管总成通用。主要管径尺寸配合和结构如
图1 P-S绳索取心钻具结构示意
Fig.1 Structure diagram of P-S wire‑line coring system
为了改善孔内受力条件，减少钻孔弯曲，设计采用特制厚壁钻杆来实现孔底加压。绳索取心厚壁钻杆外径小于钻头外径而内径不小于绳索取心钻杆最小内径，相当于钻具上部加钻铤的形式，厚壁钻杆常采用的管材规格如
| 口径系列 | 管体外径D0/mm | 管体内径d0(/mm | 壁厚δ/mm | 长度/m | 材质 |
|---|---|---|---|---|---|
| S | 140~146 | 96~110 | 15~25 | 6~9 | DZ40 |
| P | 114~120 | 80~90 | 12~20 | 6~9 | DZ50 |
| H | 89或91 | 73~78 | 8~10 | 3~9 | DZ60 |
绳索取心厚壁钻杆接头丝扣通常设计为粗扣梯形螺纹的型式。
大直径（如S口径）绳索取心厚壁钻杆材质可选用DZ40以上的材质，小直径如P、H口径可选用DZ50以上的材质。
厚壁钻杆的加入数量可根据钻进时钻压的大小，以钻柱中和点位于厚壁钻杆上部为原则进行计算，加入长度可简化为下式：
| （6） |
式中：L——钻杆长度，m；P——钻压，N；W具——钻具质量，kg；q——厚壁钻杆每米质量，kg/m。
钻具与绳索取心厚壁钻杆之间的连接、厚壁钻杆与普通绳索取心钻杆之间的连接均需要变丝接头过渡。由于厚壁钻杆与普通绳索取心钻杆的外径相差较大，为了减轻连接时的应力集中，变丝接头设计为逐渐过渡的形式，且材质要满足强度要求。接头形式如
图2 过渡接头加工形式
Fig.2 Processing form of the transition joint
在条件允许的情况下，二者之间可加设一根中间直径的钻杆作缓冲过渡钻杆。
（1）增大环空间隙，改善钻孔的压力平衡环
（2）为复杂地层条件下的钻孔结构设计增加口径级别，储备一级口径，可应对复杂地层。
（3）实现了绳索取心钻进，又避免了环状间隙小带来的不利影响，提高了生产效率。
（4）与常规绳索取心钻进工艺容易配合，无需增加设备投入。
（5）下部采用厚壁钻杆孔底加压的形式，上部钻杆基本处于拉伸状态，受力更合理，有利于提高钻杆寿命。
（6）一种绳索取心钻杆带两种口径的绳索取心钻具，减少了钻杆类型和投入。
（1）同常规绳索取心钻头相比，钻头底唇面增加，对硬岩钻进需要较大的钻压才能实现高效钻
（2）上部环状间隙大，钻杆在孔内的摆动幅度较大，对钻杆抗弯曲能力不利，需要选择柔性好的钻杆。
2010年山东省第三地质矿产勘查院在罗布莎科钻孔LSD-2孔施工时，孔197.68~1469.17 m孔段，由于地层复杂松软，常规Ø95 mm或者Ø75 mm绳索取心钻进时环状间隙小，且松软的地层易缩径，钻杆、钻具与孔壁摩擦严重，易诱发孔内事故。需要逐段进行扩孔钻进，先用Ø75 mm绳索钻进取心，再用Ø95 mm钻头扩孔，如此常规钻进效率很低，且需要来回倒换钻杆，工人劳动强度很大。为解决问题，采用了跨口径的绳索取心钻具。但基于现场条件的限制，只能将Ø95 mm钻头和Ø75 mm钻头叠加焊接在一起（见
图3 现场焊接Ø95/75mm钻头
Fig.3 Ø95/75mm drilling bit welded on site
根据应用效果，专门设计加工了双层胎体唇面钻头（如
图4 双层胎体唇面钻头
Fig.4 Drill bit with double matrix profile
2015年在中国东部海区科学钻探工程CSDP-02井施工中，根据地层复杂程度和终孔口径要求，设计了5开钻孔结构（留一开备用），如
图5 CSDP-02钻孔结构设计
Fig.5 Design drawing of CSDP-02 hole structure
图6 CSDP-02井S-P绳索取心钻具和钻头
Fig.6 S-P wire‑line coring system and bits in
CSDP-02 hole
三开自孔深654.91 m开始至1207.15 m结束，没有出现异常和事故，各项钻孔指标完全满足要求，台月效率达458 m。
与传统小口径地质岩心（固体）钻探不同，石油钻探、科学钻探、地热钻探、干热岩、岩盐等领域的钻探一般采用大直径（终孔口径>152 mm）钻探，设备和机具能力更强大，钻进效率更高。但取心井段通常采用取心筒提钻取心，是影响效率的关键问题，特别是对深部或连续取心井段，效率很低。根据小口径跨口径钻具的思路，结合大口径钻探的实际情况，开展了大口径绳索取心钻具研
设计思路是利用大口径钻进钻杆和钻铤的通水眼作为内管的取心通道，内管总成根据钻铤或钻杆的最小内径按小口径内管钻具总成的原理进行设计和加工，钻具外管总成根据通水能力设计成双层外管，如
图7 大口径绳索取心钻具结构示意
Fig.7 Structural diagram of the large‑diameter rope core drilling tool
钻具的具体规格根据取心井段的直径和实际情况进行设计加工。例如井径为Ø216 mm，外管采用Ø180 mm×20 mm管，中间钻具总成采用Ø108 mm×10 mm管，内管则采用Ø63 mm×4 mm管加工，并根据内管设计相应的内管总成和卡簧座。钻头设计成内外两个，可避免大钻头运动不稳定和冲洗液冲刷对岩心采取率的影
（1）绳索取心跨口径钻具是根据钻探实际需要设计的，能有效解决常规绳索取心钻进工艺中环状间隙小带来的弊端。
（2）简化了常规绳索取心钻杆配套，如购置P和N两种规格的钻杆，就可以完成S至N四种口径的绳索取心钻进，节约了钻杆投入费用，为深部复杂地层的钻孔结构设计提高了保障。
（3）采用跨口径的绳索取心钻具不仅充分发挥了钻杆的能力，厚壁粗径钻杆实现孔底加压，提高了钻进的稳定性和防止钻孔弯曲，保证了钻孔质量。
（4）为大口径领域实现绳索取心钻进提供了借鉴，推广应用前景广阔。
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