煤田繩索取心鉆探應(yīng)建立新的行業(yè)鉆探體系

黃才啟，熊青山，黃全宜

（1.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230051；2.安徽地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì)，安徽 銅陵244033；3.北京多?；?dòng)傳媒股份有限公司，北京100089）

0 引言

繩索取心鉆進(jìn)是一種優(yōu)質(zhì)高效低耗的先進(jìn)鉆探方法，有利于穩(wěn)定復(fù)雜地層孔壁、減少鉆桿螺紋磨損和鉆孔事故（包括次生事故）、提高純鉆時(shí)間利用率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在非煤地質(zhì)勘探中得到廣泛應(yīng)用，尤其是深孔鉆探時(shí)優(yōu)點(diǎn)更加顯著。

近年來(lái)煤田勘探向著深部發(fā)展，繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)是首選的鉆進(jìn)方法。然而繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)未被煤田勘探業(yè)界重用。繩索取心技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探應(yīng)用自20世紀(jì)80年代以來(lái)探索不止，但效果不甚理想，普遍認(rèn)為是煤系地層水敏性較強(qiáng)。筆者認(rèn)為水敏問(wèn)題是客觀的，固然重要，但更重要的是沒(méi)有形成符合煤田勘探自身特點(diǎn)的繩索取心鉆探體系，需要建立新的理論體系及其相應(yīng)的裝備體系。

筆者曾主持研究了安徽省地礦局科技項(xiàng)目“深孔煤田鉆探繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究”課題，本文在此成果基礎(chǔ)上，提出了建立“煤田繩索取心鉆探（理論）體系”的見(jiàn)解和觀點(diǎn)，供業(yè)界行家參考、討論。

1 煤炭勘探任重道遠(yuǎn)

1.1 國(guó)家發(fā)展仍然需要煤炭能源的支撐

國(guó)家建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、人類(lèi)生存離不開(kāi)能源。BP世界能源統(tǒng)計(jì)［1-2］顯示，煤炭仍然是世界主要能源之一，中國(guó)需求更為突出，但中國(guó)探明的儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于世界水平，向深部勘探成為必然（參見(jiàn)表1）。

表1 世界煤炭資源信息（2009-2019）Table 1 World coal resources information(2009-2019)

（1）全球煤炭消費(fèi)量和開(kāi)采量近10年仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，中國(guó)目前占世界1/2左右。

（2）煤炭仍然是發(fā)電最主要的能源，占全球總發(fā)電量的36%。中國(guó)發(fā)電量及增幅世界第一（發(fā)電量占世界總量的27.8%），且燃煤發(fā)電占全球燃煤發(fā)電總量的49.4%。

（3）中國(guó)探明儲(chǔ)量近10年平均增長(zhǎng)僅2.1%，低于世界2.6%的水平，儲(chǔ)采比僅為37，遠(yuǎn)低于全球的132，說(shuō)明我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全球。

（4）中國(guó)人均能源消耗量居世界第63位，居較低位置，具有很大增長(zhǎng)空間。

（5）據(jù)中國(guó)煤化工網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)近年煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙醇等項(xiàng)目產(chǎn)能持續(xù)上升，未來(lái)煤化工需求量將進(jìn)一步大幅提升。煤炭有了新的使用價(jià)值，需要有足夠的煤炭資源儲(chǔ)備。

1.2 向深部勘探成為必然

煤炭資源開(kāi)采必然向深部進(jìn)發(fā)，煤炭勘探必然先行一步，向深部進(jìn)軍。深部的資源探求具有未知性，必須有先進(jìn)可依靠的勘查技術(shù)方法［3］。前期課題研究成果表明，因受地層斷裂錯(cuò)動(dòng)、褶皺扭曲或倒轉(zhuǎn)等地質(zhì)構(gòu)造影響，采用無(wú)巖心鉆進(jìn)會(huì)導(dǎo)致層位錯(cuò)判，可能出現(xiàn)“無(wú)為有”或“有為無(wú)”的錯(cuò)誤結(jié)果，地質(zhì)成果不可靠，或許會(huì)造成不可估量的損失。繩索取心是最值得信賴的先進(jìn)技術(shù)方法之一，既優(yōu)質(zhì)高效，又避免盲目。

2 非煤資源繩索取心鉆探技術(shù)體系已十分成熟

（1）非煤和油氣類(lèi)資源勘探中推廣繩索取心技術(shù)十分成功，尤其在非煤固體礦產(chǎn)勘探中已基本全面普及，在深部鉆探中已顯示出強(qiáng)大的生命力。

（2）幾十年的探索追求，煤田勘探繩索取心鉆進(jìn)成功案例并不鮮見(jiàn)，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和行之有效的解決方法積淀了基礎(chǔ)［4-9］。

（3）現(xiàn)代的基礎(chǔ)工業(yè)為繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)裝備（機(jī)械、工具、器具）制造提供了強(qiáng)有力的支撐。鉆機(jī)、鉆架、泥漿設(shè)備的性能和功率都得到大幅提升。生產(chǎn)工具機(jī)械化、生產(chǎn)設(shè)備智能化有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力勞動(dòng)。工業(yè)管材系列已滿足套管和桿具系列配套需要。

（4）高效生產(chǎn)力方式一直成為人們的追求，行業(yè)的技術(shù)工作者仍在不斷努力，一直在積極探索中。

所以，煤田勘探繩索取心鉆探是可行的，技術(shù)是先進(jìn)的，其鉆進(jìn)效率已接近甚至高出無(wú)心鉆探。普通無(wú)巖心鉆進(jìn)與繩索取心鉆進(jìn)效率對(duì)比見(jiàn)表2［7-8，10-11］。

表2 普通無(wú)巖心鉆進(jìn)與繩索取心鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 2 Comparison of efficiency between conventional full face drilling and wire-line core drilling

3 當(dāng)前制約煤田繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)普及應(yīng)用的問(wèn)題分析

筆者研究了數(shù)十個(gè)煤田（煤炭、煤層氣）繩索取心鉆探案例資料，跨越30年（1989－2019年），地域分布全國(guó)十幾個(gè)產(chǎn)煤大省，研探的內(nèi)容包括：鉆探技術(shù)層面、效率與成本層面、機(jī)具力學(xué)與制造層面、綜合技術(shù)管理層面，分析歸納如下［4-6］。

3.1 綜合層面問(wèn)題

（1）當(dāng)前社會(huì)大部分涉煤基層單位在經(jīng)濟(jì)壓力下往往只注重眼前局部經(jīng)濟(jì)效益，不愿意在技術(shù)研究上投入。

（2）目前煤炭資源還多是在原資源地進(jìn)行擴(kuò)展性勘探，地質(zhì)地層條件基本查明，為了節(jié)省，一般采用全面無(wú)心鉆進(jìn)。

（3）地質(zhì)工程師主導(dǎo)勘探，受專業(yè)制約，鉆探知識(shí)更新少；鉆探人無(wú)力推進(jìn)新方法。

（4）繩索取心技術(shù)在煤田中應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題，成效不顯著，推行有阻力。

3.2 技術(shù)層面問(wèn)題

（1）煤系地層水敏、不穩(wěn)定。這些巖組水敏特性有相近相異之分，往往一個(gè)鉆孔要反復(fù)穿過(guò)這些相近或相異地層，尤其是針對(duì)相異地層的措施往往是相互矛盾或抵觸的。

（2）采用舊標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)鉆探鉆具，不能很好適應(yīng)煤系地層鉆進(jìn)。

①鉆孔結(jié)構(gòu)系列直徑分布緊密，間隙過(guò)小，流體力學(xué)特性不好，易造成高流阻、高泵壓、高流速、高沖刷和高“激動(dòng)”壓力等現(xiàn)象，從而必須采取降低泥漿泵流量（限流）等措施。

②限流則產(chǎn)生排屑不暢問(wèn)題，鉆孔深部沉屑多、鉆具鉆頭磨損嚴(yán)重，甚至鉆具難以掃孔到底。排屑不暢也可能引發(fā)孔內(nèi)和機(jī)械事故。

③管材套用非煤地質(zhì)鉆探系列，幾乎清一色?108 mm/?89 mm/?77 mm配置。因?yàn)闆](méi)有煤田勘探理論體系和標(biāo)準(zhǔn)體系，造成煤田勘探管材系列缺失。

④空間限制導(dǎo)致鉆具結(jié)構(gòu)緊湊，部件強(qiáng)度低，抵抗高流速?zèng)_刷破壞作用能力小，克服復(fù)雜地層阻力的能力小。

（3）不重視泥漿性能的優(yōu)化與固控凈化。煤系地層鉆進(jìn)巖屑顆粒粗大，呈（粉細(xì)）砂狀懸浮于泥漿當(dāng)中，傳統(tǒng)煤田地質(zhì)鉆探泥漿固控凈化不力，泥漿含砂量大，污染嚴(yán)重，經(jīng)常失效，危害極大［12-13］。

①小間隙高流速?zèng)_刷破壞作用強(qiáng)，一則鉆具損壞壽命短、機(jī)件性能易失效；二則孔壁泥皮難形成，或形成的護(hù)壁泥皮無(wú)韌性，也或局部被沖刷破壞。

②限流致使鉆桿內(nèi)流速低，鉆桿高速旋轉(zhuǎn)的離心作用使鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，內(nèi)鉆具打撈卡阻，或引起事故；也或投放不到位而打空管。

③泥漿濾失量大，或粉渣泥皮易脫落，引發(fā)坍塌埋鉆事故；或粘性地層膨脹縮徑，引發(fā)吸附卡鉆事故。

（4）鉆頭壽命影響提大鉆間隔指標(biāo)。目前鉆頭制造技術(shù)有所提高和創(chuàng)新，但抗沖刷耐磨損、廣譜適應(yīng)性還不是很好，與鉆進(jìn)效率呈負(fù)相關(guān)，影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（5）事故多由技術(shù)問(wèn)題未能全面解決而引發(fā)。事故是繩索取心鉆進(jìn)效率的最大影響因素，是推高成本的根本原因，是阻止繩索取心推廣應(yīng)用的基本原由。

3.3 解決技術(shù)層面問(wèn)題就是解決根本問(wèn)題

技術(shù)層面決定了綜合層面，是根本問(wèn)題。技術(shù)問(wèn)題是直接表象，是影響繩索取心應(yīng)用的根本要素。解決技術(shù)問(wèn)題首當(dāng)其沖，是最直接、最有成效的切入點(diǎn)。

4 技術(shù)問(wèn)題的癥結(jié)

煤田地層軟弱特性決定了鉆探對(duì)象的復(fù)雜性。目前煤田勘探的鉆探技術(shù)問(wèn)題不外乎恐水、懼砂、鉆具（小，強(qiáng)度）弱（筆者稱之為“弱具”）3個(gè)方面。

（1）恐水——巖石結(jié)構(gòu)力弱，遇水膨脹、散坍、剝落、溶解、浸蝕等水敏現(xiàn)象，導(dǎo)致了空間異常變形——縮徑或超徑，其介質(zhì)改變了作為初始目的冷卻、攜屑、潤(rùn)滑作用的鉆進(jìn)液的性狀。此為“水損”。

（2）懼砂——不同粒徑的鉆屑顆粒，在鉆進(jìn)過(guò)程中多具負(fù)作用——沖刷毀蝕、沉積埋具、砂化漿液，表觀為“乳狀”泥漿變“砂漿”，對(duì)鉆探工作具有極大的傷害性。一是沖刷破壞作用，不僅沖刷毀損鉆桿（具），也沖刷毀損護(hù)壁泥皮；二是使護(hù)壁泥皮糠渣無(wú)韌性，易散脫。此謂“砂害”。

（3）鉆具弱——鉆具結(jié)構(gòu)小，強(qiáng)度弱，其抵御、抗衡“水損砂害”及其負(fù)作用能力小。鉆探是在長(zhǎng)度型的線性窄小空間工作，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探指導(dǎo)思想和考慮經(jīng)濟(jì)性，決定了要使用小口徑，鉆探設(shè)施輕小，特別是鉆桿（具）幾何尺寸受限，強(qiáng)度弱小，能力不足。煤田鉆探也依據(jù)這個(gè)思想使用小口徑（而且還是同一系列的小口徑），其強(qiáng)度遠(yuǎn)不足以抗衡制約煤田地質(zhì)巖組弱結(jié)構(gòu)性對(duì)鉆探的傷害?！叭蹙摺北厝徊捎眯∫?guī)程，小規(guī)程必然使得克服問(wèn)題的力度不夠。

通覽3大因素可以看出，這是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題。巖層“恐水”，導(dǎo)致“砂害”。“恐水”是主因，不可避免，采用“弱具”不能有效克服“砂害”。應(yīng)該采用強(qiáng)力措施，抑制傷害，應(yīng)對(duì)客觀。因此，筆者認(rèn)為，目前煤田勘探繩索取心鉆探的使用困局在于沒(méi)有獨(dú)立的煤田繩索取心鉆探理論體系，沒(méi)有深度思考系統(tǒng)解決問(wèn)題的途徑。

5 技術(shù)理論體系的建立

建立理論體系要有認(rèn)識(shí)高度，總攬全局，依據(jù)科學(xué)，建立配套規(guī)則，系統(tǒng)解決問(wèn)題。煤田勘探繩索取心必須建立具有行業(yè)特點(diǎn)的鉆探體系，這個(gè)體系必須要有科學(xué)理論為依據(jù)，并要有可實(shí)踐性。

5.1 要有分析認(rèn)知體系

（1）首先要有分析問(wèn)題現(xiàn)象、揭示問(wèn)題本質(zhì)的體系，找出問(wèn)題的根，揭出問(wèn)題的因。

前述巖層的水敏特性問(wèn)題，其使得鉆探必須要使用泥漿，也使得泥漿的含砂、含泥量甚高（砂糊狀），這是客觀原因，不可回避。（這方面理論都很成熟，本文不作贅述。）

（2）其次要有解決問(wèn)題的措施體系。

提出解決問(wèn)題的措施，并分析其有效性，需要理論作指導(dǎo)，運(yùn)用科學(xué)知識(shí)全面透徹地加以解決。筆者認(rèn)為，措施體系的核心是：擯棄陳舊固有的小口徑思維，解決“弱具”問(wèn)題，用“大而強(qiáng)”的動(dòng)能體系去解決煤田繩索取心鉆探所面臨的客觀問(wèn)題。

5.2 要有基礎(chǔ)理論體系

比如，現(xiàn)階段小口徑思維做法，對(duì)于煤田繩索取心鉆探有許多弊端，需要進(jìn)行分析研究。我們選擇一個(gè)常見(jiàn)的高泵壓?jiǎn)栴}來(lái)做分析，并對(duì)比在有限條件下稍微擴(kuò)大鉆孔直徑的效果。

根據(jù)流體力學(xué)［14］，將鉆桿內(nèi)外沿程水頭損失進(jìn)行比較。

靜態(tài)理想狀態(tài)雷諾數(shù)：鉆桿內(nèi)：

鉆桿外：式中：Ren——鉆桿內(nèi)靜態(tài)理想狀態(tài)雷諾數(shù)；Rew——鉆桿內(nèi)靜態(tài)理想狀態(tài)雷諾數(shù)；vn——鉆桿內(nèi)泥漿流速，m/s；vw——鉆桿外泥漿流速，m/s；dn——鉆桿內(nèi)徑，m；dw——鉆桿外徑，m；Dk——鉆孔直徑，m；μ——?jiǎng)恿φ扯认禂?shù)，mPa·s；ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s。

現(xiàn)行的繩索取心工藝泥漿的動(dòng)力粘度基本集中在1.5～8 mPa·s之間，且大多在2～5 mPa·s之間，以粗略均值3.5 mPa·s計(jì)算雷諾數(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)化，計(jì)算出的現(xiàn)行S77/S95常用普通繩索取心鉆進(jìn)工藝的幾個(gè)水力參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)行S77/S95常用普通繩索取心鉆進(jìn)幾個(gè)參數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果Table 3 Simplified calculation results of several parameters of current common S77/S95 wire-line core drilling

賓漢流體的臨界雷諾數(shù)Rec=2100或靜狀圓管偏心縫隙Rec=1000，實(shí)際由于鉆桿在不停地公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)及所產(chǎn)生的擺動(dòng)、振動(dòng)，臨界雷諾數(shù)更低。表3說(shuō)明，無(wú)論鉆桿內(nèi)還是鉆桿外環(huán)空，泥漿都呈湍流狀態(tài)流動(dòng)，因此泥漿的沿程阻力（水頭損失）與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。

沿程水頭損失公式為：

式中：hf——沿程水頭損失，m；v——泥漿平均流速，m/s；l——鉆桿長(zhǎng)度，m；d——通道當(dāng)量直徑，m；g——重力加速度，m/s2；λ——沿程阻力系數(shù)。

現(xiàn)行S77/S95常用普通繩索取心工藝沿程阻力簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)行S77/S95常用普通繩索取心鉆進(jìn)沿程阻力簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果Table 4 Simplified calculation results of flow resistance for current common S77/S95 core-drilling

由表4可以看出：（1）沿程阻力幾乎全為鉆桿外環(huán)狀間隙阻力，鉆桿內(nèi)阻力極小。（2）鉆孔直徑增大3 mm，同級(jí)流量沿程阻力降70%以上。這大大降低了泥漿泵的負(fù)荷，因此可大大提升泥漿泵的鉆孔適應(yīng)能力，大大提高泥漿泵的能效。（3）擴(kuò)大孔徑，可以提高泥漿流量，增加攜粉能力，有利于孔底清潔和鉆頭克取巖石的有效性，還可提高鉆桿內(nèi)流速，有利于阻止桿內(nèi)結(jié)垢。

在實(shí)踐中，多采用?108 mm/?89 mm/?75 mm口徑級(jí)配，加大鉆頭外徑，起到了一定的效果：泵壓降低、糊鉆減少。但受套管級(jí)配的限制，鉆頭直徑加大也是有限度的。這里選錄幾個(gè)案例（見(jiàn)表5［5，15-16］）說(shuō) 明 千 米 深 繩 索 取 心 鉆 進(jìn) 增 徑 降 壓 的效果。

表5 加大環(huán)隙（鉆頭）降低泵壓案例Table 5 Cases of increasing annulus(bit)to reduce pump pressure

還有諸如繩索取心高流速的沖刷破壞問(wèn)題，鉆桿（具）強(qiáng)度低的問(wèn)題，等等，這些都需要深入地進(jìn)行量化模型分析。

5.3 要提高泥漿凈化重要性的認(rèn)識(shí)［17］

泥漿是鉆探的“血液”，繩索取心鉆進(jìn)對(duì)泥漿的要求更高。泥漿凈化是保持泥漿指標(biāo)、維持泥漿功能的必要措施。

鉆探使用泥漿主要是用于護(hù)壁，其次用于攜屑。泥漿形成的護(hù)壁泥皮屬于弱護(hù)壁層，極易受到破壞，如提鉆抽吸負(fù)壓和刮刷、鉆進(jìn)中壓漏、縫隙高速流沖刷、孔壁吸水物化離析或膨脹、鉆桿撞擊等作用使其破壞。這是一個(gè)多因素的復(fù)雜的問(wèn)題，首先應(yīng)該重視和搞好泥漿本身的性能質(zhì)量。

提高泥漿的適用性，保持泥漿的潔凈性，維持泥漿應(yīng)有的性能，是發(fā)揮泥漿有效作用的關(guān)鍵。我們?nèi)粘Ｖ校^大多數(shù)地勘隊(duì)伍不重視泥漿工作，尤其是不重視泥漿的凈化工作，鮮有單位配備凈化設(shè)備的，偶有配置一臺(tái)簡(jiǎn)易旋流除砂器已是很不錯(cuò)的了。其原因：一是認(rèn)識(shí)不到位，依靠經(jīng)驗(yàn)主義；二是缺乏知識(shí)，基礎(chǔ)薄弱；三是裝備稀缺或低端。對(duì)于泥漿的凈化，已有的泥漿理論體系研究與科普極少。

搞好泥漿，首先要選對(duì)泥漿類(lèi)型和有效配方。泥漿需要根據(jù)巖層吸水物化破壞作用類(lèi)型選對(duì)配方，應(yīng)具有強(qiáng)抑制性。一個(gè)鉆孔往往反復(fù)穿越數(shù)層不同水敏特性巖層，差異性較大，有些彼此矛盾，抑制作用相互抵觸，組合配方尤為重要，解決局部問(wèn)題的同時(shí)要兼顧整體抑制效果。實(shí)踐中配制各類(lèi)抑制性漿液已很成熟，表6是我們研究項(xiàng)目配制的泥漿［13］。

表6 研究項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用泥漿配方與性能參數(shù)Table 6 Mud formulations and properties used at our research project site

其次是凈化，保持泥漿的純凈。配方確定后，凈化是決定性工作。

泥漿中的砂，即鉆進(jìn)巖屑和水化脫離物或結(jié)合物等，會(huì)使得泥漿失去原有的性能，沒(méi)有了應(yīng)有的“潤(rùn)”的觀感、觸感和效果，粘粒與粉粒、砂粒膠混一起，粘潤(rùn)性能被破壞，不分散變粗分散，粘稠變離析。

泥漿中的泥，通常粒徑20～74 μm，一般是泥砂混體。泥質(zhì)分散越徹底，顆粒越細(xì)小，活性越大，占據(jù)消耗了泥漿中有益成分——抑制作用的高分子鏈，使其失去抑制孔壁作用和效果。

泥漿中的泥和砂有許多負(fù)作用：（1）使泥漿失去應(yīng)有的性能和功能；（2）使泥皮粉渣化、厚而散，無(wú)韌性，增加了流動(dòng)阻力，且碰撞易散落；（3）增大了泥漿的密度，增大了水頭壓力，易壓漏地層；（4）減弱了巖屑懸浮和攜帶作用；（5）在過(guò)流窄小斷面處（如繩索取心鉆具懸掛機(jī)構(gòu)、鉆頭）產(chǎn)生極強(qiáng)的沖刷破壞作用等。

凈化，即除砂除泥，首當(dāng)除砂，其次除泥，包括混入（滲入、溶入）地層中的損害泥漿性能的物質(zhì)。相比而言，除砂較容易，除泥常被忽視。實(shí)踐中除泥最困難，細(xì)分散的泥質(zhì)顆粒緊緊吸附著高分子鏈，或高分子鏈卷曲包裹著泥質(zhì)顆粒聚積成團(tuán)，脫離困難；現(xiàn)實(shí)中除完砂后泥漿依然呈砂糊狀，其中的泥質(zhì)和粉質(zhì)未能去除；從普鉆延傳下來(lái)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)——不重視除泥的思想根深蒂固，認(rèn)為泥（其實(shí)并非是真正的“泥”）是泥漿中有用成分，這種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)一直指導(dǎo)著大多數(shù)人的思想，從而忽視除泥這一工作。另一方面，資金投入也是制約泥漿凈化設(shè)備使用的因素。

5.4 大空間大功率是解決煤田繩索取心鉆探困局的有效措施體系

小口徑，小空間，必須限制鉆桿（具）結(jié)構(gòu)尺寸，自然限制了整體強(qiáng)度問(wèn)題，對(duì)于繩索取心鉆具就顯得更為明顯。鉆桿（具）強(qiáng)度低，能力弱［18］，不足以抗衡煤田地層固有的阻力，與之匹配的裝備動(dòng)力自然不能強(qiáng)大，功率小、能效差（解決不了問(wèn)題而空耗）。這是其致命缺陷。

“鉆具弱”只能小功率、小規(guī)程（小鉆壓、小流量）作業(yè)，其抗御負(fù)面作用能力小，甚或成為附加負(fù)作用（比如發(fā)生機(jī)械性孔內(nèi)事故）。就實(shí)踐數(shù)據(jù)揭露的實(shí)際境況，煤田地質(zhì)弱巖鉆探特性在常規(guī)條件下，其阻礙鉆探的能量是有限度的，往往通過(guò)單一小措施就可以解決，說(shuō)明提高鉆具強(qiáng)度、使用較大功率配套裝備是能很好解決問(wèn)題的。

眾所周知，煤田鉆探以快速高效為好，縮短孔壁地層水化作用時(shí)間，利于避免孔壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。煤田地層的弱巖克取以體積破碎為優(yōu)，體積破碎應(yīng)選擇切削或者刮削方式，不宜選用磨削方式如金剛石鉆進(jìn)，因此需要大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、大扭矩鉆進(jìn)和大流量排屑；另外，許多鉆探事故都是因排泄不暢引起粘鉆、糊鉆、燒鉆或埋鉆，都是因阻力大而功率小所致。說(shuō)明無(wú)論是鉆機(jī)回轉(zhuǎn)，還是沖洗液循環(huán)都需要大功率驅(qū)動(dòng)。大能量、大功率驅(qū)動(dòng)，需要有足夠強(qiáng)度的鉆桿（具）相配套，以抵抗地層客觀因素的不利作用。

而現(xiàn)行實(shí)際多是采用小口徑金剛石鉆進(jìn)的繩索取心工藝，這種適宜于磨削鉆探工藝吃硬不吃軟，效率出不來(lái)，實(shí)踐中采用切削或刮削方式的大切入量的鉆頭，效率往往大幅提高，但鉆桿強(qiáng)度跟不上而常常折斷，泥漿中固相成分因無(wú)良好凈化而快速增加，鉆機(jī)負(fù)荷繼而增大而降低鉆深能力；泥漿泵負(fù)荷大幅上升，常成為糊鉆甚或燒鉆的禍因。小功率的金剛石繩索取心鉆進(jìn)在煤田鉆探中效率并不理想，也是繩索取心難以推廣的因素之一。

大空間有利于增強(qiáng)整體鉆桿（具）強(qiáng)度，攻克“水損砂害”具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。有足夠強(qiáng)度的鉆桿（具）和足夠自由流暢的空間，尤其是對(duì)于繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊、部件強(qiáng)度相對(duì)較弱的狀況，這點(diǎn)十分重要。因此，通過(guò)增大口徑，增大空間，增強(qiáng)鉆桿（具）強(qiáng)度是十分有效的措施。

增大口徑，增大空間，增強(qiáng)鉆桿（具）強(qiáng)度，就可增大配備驅(qū)動(dòng)功率，增強(qiáng)攻克力度。

地質(zhì)勘探繩索取心鉆探鉆具標(biāo)準(zhǔn)，從1984年地礦部《繩索取心金剛石巖心鉆探管材螺紋》（DZ 1.2—84）及相關(guān)系列，經(jīng)1997年國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局《金剛石繩索取心鉆探鉆具設(shè)備》（GB/T 16951—1997），再到國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)《地質(zhì)巖心鉆探鉆具》（GB/T 16950—2014），有了全面提升，系列和序列有了擴(kuò)充，覆蓋面擴(kuò)大了不少，參見(jiàn)表7。

表7 繩索取心鉆探鉆具之套管鉆桿參數(shù)和間隙數(shù)據(jù)Table 7 Wire-line core drilling casing and drill rod parameters and clearance

從標(biāo)準(zhǔn)的變化可以看出：

（1）這些繩索取心鉆探鉆具標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)金剛石鉆進(jìn)技術(shù)的，盡管2014年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)去掉了“金剛石”字眼，更加說(shuō)明模糊和弱化了煤田地質(zhì)勘探行業(yè)特點(diǎn)和特殊要求。

（2）套管直徑有所增大，壁厚也有所增加，套管級(jí)別之間和套管鉆桿之間這兩個(gè)環(huán)形間隙有所增加，使得口徑朝增大方向（趨勢(shì)）發(fā)展，可以肯定口徑級(jí)配更加科學(xué)合理，特別是改良了口徑91 mm以上級(jí)的尺寸；但間隙改良主要體現(xiàn)在套管級(jí)別之間，而套管與鉆桿之間間隙改變不大，還不能很好地適應(yīng)煤田地質(zhì)繩索取心鉆探技術(shù)。

（3）鉆桿改變不大，尤其是91 mm（含）以下小口徑部分。桿體壁厚無(wú)大變，提高強(qiáng)度依賴于解決絲扣連接部分強(qiáng)度，如熱處理、局部加厚，目的還是減輕鉆桿整體質(zhì)量，減輕設(shè)備負(fù)荷。

（4）最新國(guó)標(biāo)《地質(zhì)巖心鉆探鉆具》（GB/T 16950—2014）中沒(méi)有制訂P、S序列繩索取心鉆探鉆具標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)遺憾。

煤田地質(zhì)勘探因取心（樣）及采瓦斯樣要求，鉆孔口徑基本要求不小于91 mm，宜選擇大直徑，應(yīng)推薦參照采用2014國(guó)標(biāo)H、P、S、U序列口徑。在確定了口徑序列以后，制訂合理的鉆具序列結(jié)構(gòu)和規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)新國(guó)標(biāo)的缺憾。籍于此，大幅提升配套設(shè)備動(dòng)力能力，制定動(dòng)力配套規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)規(guī)范和操作規(guī)程，建立起煤炭地勘行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

增大空間，增大了鉆孔直徑，不僅解決了鉆具小強(qiáng)度弱的問(wèn)題，同時(shí)也增大了鉆孔結(jié)構(gòu)各級(jí)套管間隙和套管與鉆桿間隙，改善了鉆進(jìn)暢順度，有利于孔壁穩(wěn)定鉆孔安全，對(duì)鉆壓高低、鉆液流速大小、沖刷影響程度、鉆屑排泄效果、孔壁變形抑制等，都有積極的顯著的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

煤炭資源仍然是世界的主要能源。煤炭開(kāi)發(fā)已向深部拓展。繩索取心是向深部勘探的優(yōu)質(zhì)高效方法。煤田地質(zhì)勘探繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)40年的探索，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，單因素的困擾難題都能很好解決，并都取得了成功，有些還具有非常好的成效。

煤田繩索取心鉆探技術(shù)還未普及，筆者認(rèn)為，其根本問(wèn)題是認(rèn)識(shí)和研究深度不夠，需要換個(gè)角度觀察、換種思維思考，因其地層軟弱特有的制約因素，煤田繩索取心鉆探應(yīng)具有獨(dú)特的理論體系，需要全新建立。

目前煤田繩索取心鉆進(jìn)存在的技術(shù)問(wèn)題，可以簡(jiǎn)單地總結(jié)為7個(gè)字：恐水、懼砂、鉆具弱。煤田地層弱結(jié)構(gòu)特性決定了勘探工程與非煤領(lǐng)域有著很大的差別。地層的弱結(jié)構(gòu)，水化水敏特性（客觀因素），導(dǎo)致泥漿砂化或泥糊化（間隔客觀因素），損害鉆具、泥漿設(shè)備和鉆孔弱護(hù)壁層。業(yè)界普遍僅從選擇泥漿配比著手，鮮有做好除砂除泥工作的，更有認(rèn)為“泥”（其實(shí)就是粉粒砂）是有益成分的錯(cuò)誤觀念。

對(duì)于繩索取心來(lái)說(shuō)，采用小口徑金剛石鉆具系列，間隙小、鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)部件小，顯得單薄強(qiáng)度低，更是懼怕泥砂。小口徑，小空間，鉆具的幾何尺寸受限，強(qiáng)度偏弱，因此只能小動(dòng)力，小規(guī)程作業(yè)。小鉆具，小規(guī)程，不足以抗御固有的阻力，在這種復(fù)雜工況下，顯然不合理，存在著許多致命的弊端，限制了繩索取心鉆探技術(shù)的發(fā)揮。

解決這個(gè)問(wèn)題，必須是：認(rèn)識(shí)上，要有全新觀念，透察老現(xiàn)象，辨識(shí)其本質(zhì)，構(gòu)筑新理論，建立新體系。技術(shù)上，應(yīng)用新理論，指導(dǎo)實(shí)際工作。一要繼續(xù)選用對(duì)的泥漿配方，全力以赴除砂除泥，尤其是除“泥”（除泥等于“除砂務(wù)盡”），保持泥漿固有的性能。二要選用大直徑系列鉆孔結(jié)構(gòu)，推薦采用2014國(guó)標(biāo)H、P、S、U序列口徑，制訂P、S、U序列鉆桿（具）標(biāo)準(zhǔn)，使用高強(qiáng)度的鉆具，以大功率設(shè)備驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)力克服煤田地層弱巖性所帶來(lái)的困難，實(shí)踐已證明大直徑繩索取心鉆探在煤田地層鉆進(jìn)中可以取得優(yōu)質(zhì)高效的成果［11］。此外，需要領(lǐng)導(dǎo)重視，敢于投資，積極推動(dòng)新技術(shù)研究和應(yīng)用。