钻探工艺技术 第六章 岩矿心采取

第一节 对岩(矿)心采取质量的基本要求

一、岩(矿)心在地质勘探中的意义

采取岩(矿)心是岩心钻探的主要目的，是检验钻孔质量的一项重要指标。通过对岩(矿)心的观察、鉴定、化验和分析，可以了解矿体的埋藏深度、厚度、产状、分布规律、矿物组成、矿石品位、化学成分、矿物与岩石的结构构造，矿石的选冶性能和水文地质特性等。由此可见，岩(矿)心采取数量的多少，品质的好坏，直接影响判断地质构造，评价矿产资源，提交矿产储量和矿山开采设计的准确性和可靠性。因此，在钻探施工中，不仅要求提高钻进效率，而且要求重视采心质量，力求准确地从钻孔中采取能够全面代表相应孔段岩(矿)层的岩(矿)心，在数量上要有足够的体积，在质量上能够保持原生结构和含矿品位。即保证取上的岩(矿)心具有最大的代表性。

二、地质勘探对岩(矿)心的基本要求

岩心钻探中。为了正确反映岩(矿)心的代表性，对岩(矿)心质量有如下基本要求： (一)采取率

取出的岩(矿)心长度与对应孔段实际进尺长度的百分比称为岩(矿)心采取率。

根据普查，勘探程序不同，及钻进矿层、岩层的不同，按要求各自有一定的岩(矿)心采取率，才能保证得到足够数量的岩(矿)样品，以满足分析、鉴定和研究的要求。

岩(矿)心采取率的一般要求：岩心采取率不低于65％；矿心采取率(按可采层计算)分层不低于75％。由于矿床类型和各矿种的具体要求不同，其采取率的标准应根据情况由地质、钻探、水文地质等部门共同商订。

(二)完整度

采取的岩(矿)心要保持天然的结构和构造，如矿物颗粒形状、大小、胶结状态、孔隙度、层理、片理、原始接触界面等，以反映矿物，岩石的真实性，便于划分矿石类型，观察原生矿物结构与共生关系。因此，为便于实地进行观察必须防止人为的破坏、扰动、颠倒。

(三)纯洁性

要求取出的岩(矿)心不受外来物质的侵蚀、污染和渗进，以免影响矿石的品位和品级，或影响矿物的物理性质。如煤心中混入粘土后，灰份增加；滑石中混入泥浆后，二氧化硅提高；孔壁掉块，可能形成假心等。

(四)避免选择性磨损

钻取的矿心应尽量避免内在物质成份发生变化。选择性磨损往往使矿心人为贫化、富集或变质，从而歪曲原来的品位和品级。如：钼、石墨、云母、石棉等矿石，由于质量轻、呈鳞片状、纤维状、薄片状，很容易流失，造成人为贫化；金、铜、黄铁矿、铅锌、汞等矿石，因比重大，呈结晶状、颗粒状，易于残留，造成人为富集；钾盐、岩盐、芒硝等矿石，遇水溶解，易于淋蚀，造成品位下降；而煤心烧灼变质则会使其品级降低。

(五)取心部位准确

要求取出岩(矿)心的位置准确，是为了得到岩(矿)层准确的埋藏深度、厚度和产状，以准确地计算矿产储量和确定地质构造。

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第二节 影响岩(矿)心采取质量的因素

为了提高岩(矿)心采取率和岩(矿)心品质，就必须全面地了解影响岩(矿)心采取质量的因素，根据岩(矿)层的具体特性，找出一定的规律，采取相应的措施。

影响岩(矿)心采取数量与质量的因素很多，但归纳起来不外乎地质方面的(客观的)因素和技术与组织方面的(主观的)因素。现分别叙述如下：

一、地质因素

钻进完整、坚硬、致密、均匀、稳定而又不怕冲洗液冲刷、不怕钻具振动的岩(矿)层时，采取岩(矿)心比较容易，而且岩(矿)心多呈柱状，易于得到完整的、代表性高的岩(矿)心。

但是，钻进节理发育、松散、破碎、经过构造错动、风化破坏、胶结性差或岩质酥脆的岩(矿)层时，岩(矿)心易被冲毁、搅碎、磨细、淋蚀和污染，岩(矿)心往往呈块状、粒状，片状、粉状、甚至淋蚀和流失。这类岩(矿)层不易获得有足够代表性的岩(矿)心，甚至取不到岩(矿)心。

地质条件是客观因素，可以通过不断研究它，认识它，掌握和利用它们的规律和特点，选用适应地质条件的取心方法和工具，改进操作技术，减少或消除客观因素的影响，不断提高岩(矿)心的采取质量。

二、工艺技术因素

工艺技术因素是人为的因素，它对岩(矿)心采取质量起着决定性的作用。 影响岩(矿)心采取率与品质的工艺技术因素有如下几方面： (一)钻进方法

同一种岩(矿)层，采用的钻进方法不同，其岩(矿)心采取质量也不相同。

金刚石钻进，效率高，岩(矿)心光滑完整，所以能获得比任何其它钻进方法都高的采取率，而且岩(矿)心的代表性也好。就是在硬、脆、碎地层中，采用金刚石双管钻进，也可获得足够的采取率和较好的完整度。

硬质合金钻进，克取岩石比较平稳，孔壁间隙也较小，振动较轻，岩(矿)心直径较粗，抗破碎能力较强，易成柱状或大块状，易于卡取，采取率和代表性都比较好。但用硬质合金钻进钨矿和钴矿，切削研磨材料在一定程度上会影响矿石的品位。

钢粒钻进，钻具振动剧烈，钻头克取岩石的环状面积较大，岩(矿)心较细，容易折断呈块状，若是岩性酥脆、软硬不均或软硬变化频繁，则容易产生选择性磨损，且用来钻进铁矿时，其切削研磨材料在一定程度上也会影响矿石的品位。因此，钢粒钻进从岩(矿)心采取角度看不如其他钻进方法好。

由于钢粒钻进对岩(矿)心的破坏作用较大，硬质合金钻进较轻，金刚石钻进最小。因此，必须根据矿区的地层条件和岩(矿)层的物理机械性质来选用相应的钻进方法，在条件允许的情况下应尽量选用金刚石钻进。

(二)钻头结构

钻头直径对岩(矿)心采取质量有很大影响，钻头直径愈大，则岩(矿)心直径愈粗，抗破碎强度也愈大，易于保持完整度，也便于卡取。但是，钻头直径愈大，孔底克取面积大，所需孔底压力增加，钻进时钻具振动加剧，对岩(矿)心的破坏作用也大。同时，克取面积大，在设备条件受限的条件下钻速必然降低，从而增加了岩(矿)心在孔底的破坏时间。因此，不能片面地用大口径的办法来提高岩(矿)心的采取质量。

近年来，广泛采用金刚石和硬质合金小口径钻进的经验表明，钻孔口径59mm，采用双管钻进取出的岩(矿)心，与大口径钻进取出的岩(矿)心对比，矿石品位不但没有降低，而且还稍有提高。

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但是，钢粒钻进必须采用大口径，否则岩(矿)心采取质量不易保证。钢粒钻进终孔口径规定不小于75mm，就是这个道理。

钻头加工和镶焊质量对岩(矿)心的采取质量也有很大影响。金刚石钻头和硬质合金钻头的结构要素与所钻进的岩(矿)层性质相适应，可以加快钻进速度，缩短岩(矿)心在管内的破坏时间，有利于提高采取率和完整度。钻头加工质量愈好，钻头与岩心管同心度愈高，则钻具回转时愈平稳，愈会减轻对岩(矿)心的破坏作用，钻头内上端锥度适当，既利于岩(矿)心进人岩心管。也利于放置各种式样的岩心提断器和投卡料后卡住岩(矿)心。钻头水口的大小不仅对清除孔底岩粉，提高钻进效率和冷却钻头有密切关系，而且对保护岩(矿)心，减少其破坏程度等也具有一定的作用，尤其是钢粒钻进破碎岩层时，钻头水口不宜过大，钻头体的长度也应适当缩短，否则会影响岩(矿)心的采取。

(三)取心工具结构

岩(矿)层的类别不同，其物理机械性质也不同，所采用的取心工具结构也应灵活多样，这样才能最大限度地保证岩(矿)心的采取质量。

根据岩(矿)层怕冲、淋蚀、振动、磨损、污染、脱落等不同特点，应选用具有隔水、避振、减磨、防污、卡心牢固等不同的取心工具。

此外，金刚石钻进，取心卡簧的规格要合乎要求，才能可靠地卡住和提取岩(矿)心，否则也对提高采取率不利。

(四)钻进技术参数

采用不同的钻进技术参数。对提高岩(矿)心质量有极大的影响。

孔底压力过大，钻进过快或不均匀，对松散、粘性大的岩(矿)层，则易糊钻、堵塞或烧钻；对硬岩，则易使钻头变形，引起岩(矿)心破碎，同时，压力过大还加剧了钻具的弯曲和振动，从而使岩(矿)心受到强烈的机械破坏。孔底压力不足，则进尺缓慢，增长了岩(矿)心受破坏作用的时间。

转速过高，钻具受离心力作用大，其振动、摆动也大，对岩(矿)心破坏作用加剧。转速过低，则钻速也低，岩(矿)心受破碎作用的时间延长。

冲洗液量过大，流速增加，冲刷力也大，会加剧岩(矿)心被冲毁和磨耗的破坏作用。循环方式的不合理，也会造成岩(矿)心被冲刷破坏和重复磨损。

冲洗液中的某些成分对有的矿种岩(矿)心有污染作用。采用清水和普通泥浆钻进盐类矿床时，矿心会受到淋滤与溶蚀。

钢粒钻进，投砂量过多，钢粒直径过大，易扩大孔径和磨细岩(矿)心，加大钻具振动幅度，加剧岩(矿)心的破坏。

回次时间和回次长度对岩(矿)心的破坏都有影响。一般来说，回次时间越长，回次进尺越多，则岩(矿)心被破坏、磨损、分选和污染的机会也就越多，相应会降低岩(矿)心的采取率、完整度和纯洁性，增加选择性磨损，尤其是硬、脆、碎地层，影响更大。

总之，不同的钻进技术参数对岩(矿)心采取质量有很大的影响。因此，对钻进技术参数选择，既要考虑提高钻进速度的要求也要考虑取心的需要。

(五)操作技术

钻进操作不当，或操作方法不正确，也会造成岩(矿)心破坏。降低取心质量。例如： (1)钻进中提动钻具次数过多，过高，促使岩(矿)心破坏。岩(矿)心脱出岩心管掉入孔底。会造成重复破碎，或者引起岩心堵塞，形成自磨，降低采取率和品质。

(2)盲目追求进尺，延长回次时间，会增加对岩(矿)心的自磨和钻具振动破坏的时间。 (3)采心方法不当，或卡取不牢，或提钻过猛。会造成孔内残留岩心过多或中途脱落，再次套取时受到重复破碎。干钻掌握不当，使岩(矿)心受到严重挤压。或烧灼变质。

(4)下钻过猛，直插孔底，将孔内岩粉、掉块挤入岩心管造成假岩心。

(5)退心时，过分敲打，岩心紊乱，造成岩(矿)心的人为破碎和上下顺序颠倒，影响了岩(矿)心的完整度，歪曲了岩(矿)心层次。

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第三节 采取岩(矿)心的一般方法

对于完整的或容易保证取心质量的岩(矿)层，一般采用普通单管钻具钻进，并根据岩(矿)心性质的不同，采用以下几种方法卡取岩(矿)心。

一、卡料卡取法

卡料卡取岩(矿)心是现场最常用的最简单的一种方法，它适用于硬质合金和钢粒钻进中硬和硬的岩(矿)层。按照卡料的种类不同，可分为卡石卡取法和铅丝卡取法。

(一)卡石卡取法，

卡石卡取岩(矿)心，通常用于硬质合金钻进可钻性4～7级的岩(矿)层。常用卡石材料是硬石块、碎瓷块、碎玻璃等，卡料硬度应与岩(矿)心相适应、硬度太大易挤碎岩(矿)心，硬度太小会被岩(矿)心磨损而卡不住岩(矿)心。卡石大小应根据钻头与岩(矿)心之间的实际环状间隙来选择，一般是2～5mm且粒径不等。投入量约为100cm3左右。

在投卡石采心时，先将钻具提离孔底70～100mm，再把卡石按小、中、大颗粒的顺序从水接头中投下，为了防止中途堵塞，必须一边慢投，一边用铁锤不断敲打孔口钻杆。卡石投完后，再开泵用小水量冲，待水流畅通后，再逐渐加大水量，静等几分钟后，将钻具放到孔底。如泵压增高，并有蹩水现象，证明卡石已到钻头部分。此时停泵开车数转，即可扭断岩(矿)心。

每次采心后，应立即试验采取效果。方法是：把钻具提离孔底1～2m，再慢慢下降，如能顺利落到孔底，证明岩(矿)心已全部采上；如放不到孔底，则证明下部为残留岩(矿)心阻挡。残留岩(矿)心太多，应立即重采。残留岩(矿)心较少，则可留到下一回次采取。

为了防止岩(矿)心中途脱落，提钻时应做到轻刹车，轻回绳、轻插垫叉、轻卸管。严禁猛墩、猛提钻具。

(二)铅丝卡取法，

此法适用于中硬和硬的岩(矿)层，尤其适用于钢粒钻进卡心。一般用8～12号铅丝，根据钻头与岩(矿)心之间的间隙大小，可采用单股和多股拧成麻花形。为了顺利通过钻杆通孔，铅丝的两端应锤尖，其长度应为岩心管内径两倍左右。为了卡取可靠，单股和多股可同时使用。先投单股，后投多股。当钢粒钻进较破碎的岩(矿)层时，还可补些钢粒或投以卡石与铅丝混合卡取更为可靠。

卡料投到底后，再送水同时开车进行钻进，直到发现蹩水或钻进有阻力(即岩心堵塞)，证明已采上岩(矿)心，即可提钻。

二、卡簧卡取法

金刚石钻进和针状合金钻进时，由于钻头上的出刃很无法使用卡料，特别是使用双管钻具时，根本不能投入卡通常使用卡簧卡心。

(一)卡簧卡心原理

卡簧卡取法也叫提断器卡取法，它由卡簧与卡簧座所成，卡簧为开口环形，与卡簧座锥体配合，卡簧上移则张下移则缩闭。

卡簧卡心原理如图 6-1所示。 图 0-1 卡簧卡心原理 钻进过程中，随着岩(矿)心进人。卡簧被带到卡簧座1–扩孔器；2–卡簧；3–钻内径最大位置。钻进终了稍一上提钻具，由于卡簧内径和头；4–提取岩心；5–残留的摩擦阻力，卡簧相对下移而收缩，以致把岩心卡死而提岩心

用这个方法卡取岩(矿)心既安全又方便可靠。它无需

小，料，

组开，

上部岩心断。 卡心

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工序，既节省了卡料，又缩短了卡心时间。

(二)对卡簧及卡心操作的要求

1、卡簧应具有足够的强度和弹性。一般需用弹簧钢65锰及调碳钢40铬加工，并具有硬度HRC45～50。如用40号钢加工代替，经热处理，达到相应机械性能时，也可用于生产，但使用寿命要短。

2、卡簧的自由内径与钻头内径必须合理配合。卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3mm左右。卡簧自由内径过大，则取不上或卡不牢岩心，造成中途脱落或残留岩心过多。卡簧自由内径过小，易造成岩心堵塞。因此，每次下钻前要注意检查钻头与卡簧的配合尺寸。在不更换钻头时，其检查方法是：将卡簧套在岩心上，卡簧对岩心既有一定的抱紧力，又能在岩心上被轻轻推动，即为合格；推动费力则为过小，停留不住则为过大。

3、为了减少残留岩心，设计卡簧安放位置时，应尽量靠近钻头。

4、在正常钻进时，不能提动钻具，否则会过早提断岩心，造成岩心堵塞。 5、机场应备2～3种尺寸的卡簧以供选用。每两种的内径以相差0.3mm为宜。 (三)卡簧的种类

目前常用而效果较好的大体有内槽式、外槽式及切槽式三种。如图 0-2所示。

图 0-2 岩心卡簧的种类 a–内槽式；b–外槽式；c–切槽式

1、内槽式卡簧

此种是比较常用的卡簧，但加工时要有专门胎具。多用于普通单管和双层岩心管。 2、外槽式卡簧

亦用于单层和双层岩心管钻进的一种卡簧，加工比前一种简单些。 3、切槽式卡簧

此种是绳索取心钻具配套的一种岩心卡簧，也可用于双层岩心管。其优点是：

(1)能有效地卡取岩心，由于设计锥度合理，同时与岩心接触面积较大，故卡取岩心牢固。

(2)增长了卡簧寿命。由于增加了摩擦面积，同时采用合金钢并进行热处理，弹性好。 (3)比较容易加工，由于内管，内外侧无须加工槽子，其上下切口可用砂轮切割。

三、干钻卡取法

硬质合金钻进软岩或有粘性岩层时，用干钻法采心能得到很好效果。干钻法取心，即在回次终了前，停止送水，干钻一小段，使岩心自行卡紧而扭断。

采用干钻取心法，应注意干钻的长度，过短挤塞不牢，取不上岩(矿)心；过长虽然挤塞牢靠，但易烧灼岩(矿)心，严重时发生烧钻事故，因此，要根据岩(矿)层性质和干钻难易程度掌握干钻长度。一般为100～200mm。

为了防止提钻时钻杆内水柱压力压掉岩(矿)心，并避免拧卸钻杆时冲洗液四处喷射，最好使用投球式异径接头。如图 6-3所示。提钻前向钻杆内投入球阀，开泵后。在水柱

图 0-3 投球式异径接头 1–球阀座；2–小卡；3–小卡弹簧；4–小卡堵丝；5–弹簧座；

6–弹簧；7–排水孔

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压力下钢球迫使阀座1下降，当超过异径接头右侧小卡2后，小卡在弹簧3的压力下伸入球阀座空腔，将球阀座挡住，使其不能上升，则钻杆柱中的冲洗液即从排水孔7流出。

四、沉淀卡取法

此法适用于反循环钻进。在回次终了停止冲洗液循环，利用岩心管内悬浮岩屑粉的沉淀，挤塞卡牢岩(矿)心，它适合于松软、脆碎的岩(矿)层中使用。

采用沉淀取心法的关键在于沉淀时间。沉淀时间要根据岩粉颗粒大小、多少、比重及冲洗液的粘度等而定，一般为10～20min。沉淀法常与干钻法同时结合使用。

第四节 双层岩心管取心

具有内外两层岩心管的钻具叫双层岩心管钻具。

双层岩心管钻具是目前提高岩(矿)心采取率和采取品质的重要工具，在复杂地层和金刚石钻进中应用较为普遍。

双层岩心管钻具的种类繁多，但基本上可分为双动双管钻具和单动双管钻具两类。 具有内外两层岩心管的钻具叫双层岩心管钻具。

双层岩心管钻具是目前提高岩(矿)心采取率和采取品质的重要工具，在复杂地层和金刚石钻进中应用较为普遍。 双层岩心管钻具的种类繁多，但基本上可分为双动双管钻具和单动双管钻具两类。目前使用较多的是单动双管取心钻具，下面重点介绍单动双管取心钻具。

一、单动双管钻具的特点

单动双管钻具的特点是：钻进中外管转动，内管不转动。这样除了防冲刷外，又可以避免振动、摆动、摩擦等机械力对岩(矿)心的破坏作用。另外，有些单动双管在结构上增设有防振、防污、防脱和退心方便的装置。因此，岩(矿)心的采取率、完整度、纯洁性等都有较大提高，代表性也更好。

比较理想的单动双管钻具除使用维护方便、加工制造容易外，在结构上应满足以下的要求：

(1)防冲——钻进时要避免冲洗液对岩(矿)心的直接冲刷，提钻时要免除钻具内液柱对岩(矿)心的压力。为此，在单动双管钻具中往往采用单流止水阀，正差距内外钻头，超前压入式内管，钻头侧孔通水，小水口钻头等措施解决防冲问题。

(2)防振——钻进中应最大限度地减少钻具对岩(矿)心的机械振动，不破坏岩(矿)心的原始结构，为此，各类单动装置，如滚珠轴承、滚柱轴承、球支撑等必须性能良好、灵活可靠、盘数多、盘距大、润滑方便、密封性能好；内、外管必须同心；有些单动双管还增设避震弹簧室、内管扶正环、内管充填软泥等措施，减少振动和摆动。

(3)减磨、防堵——岩(矿)心进入内管时和进入以后，都要尽量减小摩擦和堵塞。为此，要求钻头结构合理，内管内璧光滑平直，最好镀铬，或涂敷软肥皂。有些单动双管还装置衬管、半合管等岩心容纳管，以起到减摩、防堵作用，这样也便于退出岩(矿)心，防止人为破碎。

(4)防污——对于某些矿种，如滑石、石墨等，要防止泥浆和其它杂质污染。为此，在单动双管钻具的内管中增加活塞等部件。活塞在钻进时起隔浆、刮浆的作用，保持岩(矿)心纯洁性。

(5)冲孔——下钻时能冲洗钻孔，一方面保持孔内清洁，有利于取心钻具可靠的工作，另一方面可消除残留岩心、钻粉和掉块所造成的假象岩(矿)心。为此，可采用投入式单流阀，即下钻冲孔后再投入止水球阀，保证正常钻进时隔水。

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(6)采心容易，卡心牢固——采取岩(矿)心时必须操作容易，扭断可靠，卡心牢固不致中途脱落。为此，在单动双管中可采用爪簧、压卡器、卡簧提断器等装置，以保证岩(矿)心能够采上和卡牢。

对金刚石单动双管结构的要求，除上述几方面外，还应根据口径小的特点考虑以下几点： (1)钻具结构应力求简化，以便于加工、维修和保养。

(2)水路设计要合理，除应有足够的通水断面之外，各接头的通水孔应尽量采用斜孔，以减小水流阻力。

(3)内管下端与钻头内台阶间隙应能够调整。以适应不同岩(矿)层钻进需要，并扩大钻具的适用范围。

(4)内外管同心度要好，以利予保护岩(矿)心。为此，接头与心轴应尽量设计成整体，或增设定位器。

(5)管壁尽可能薄，以保证较大通水断面和获得较粗的岩(矿)心。为此，管壁应采用物理力学性能较高的材料。

二、金刚石钻进单动双管取心钻具

1、钻具结构

金刚石钻进单动双管取心钻具结构如图 0-4所示，主要由上接头，单动部分，调节心轴，内、外管，卡心装置和钻头组成。其中单动部分常用下述三种形式：球单盘推力球轴承式（代号Q）；单盘推力球轴承式（代号D）；双盘推力球轴承式（代号S）。

2、工作原理

金刚石钻进所用的双管钻具均属单动双管钻具，虽然在结构上有所不同，但其工作原理却大致相同。钻进时的回转力和轴向压力均是由钻杆通过异径接头、外管、扩孔器传递给钻头，内管部分一般都坐在推力滚球轴承上，由于内管与岩心有一定的摩擦，所以一般不会跟着外管转动，使岩心在内管里处于比较静止的状态。送下去的冲洗液是通过内外管的间隙流到钻头底部冲不到岩心。内管里面原有的冲洗液在岩心的推动下，可顶开钢球排到内外管的间隙里去。

在内管的下部依次插有内管短接和卡簧座，卡簧放在卡簧座中。钻进时，随着进尺的增加，岩心从钻头内口进入卡簧座，穿过卡簧，又经内管短接进入内管。若要采心，只要往上提动钻具，使钻头离开孔底一定的高度，卡簧就会借助同岩心的摩擦力而相对下移，因卡簧外壁是锥形的，所以它又带着卡簧座下移，使卡簧座顶到钻头内沿上，同时，它本身也将岩心越卡越紧，随着钻具的回转而将岩心扭断。

图 0-4 金刚石钻进单动双管取心钻具结构

1-上接头; 2-耐磨稳定环; 3-外管接头; 4-单动部分; 5-心轴(调节螺杆); 6-锁紧螺母; 7-内管接头;8-外管; 9-内管;

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10-扩孔器; 11-短节; 12-卡簧; 13-卡簧座; 14-钻头

内管短接同内管之间以及卡簧座同内管短接之间不用丝扣连接，而采用插入法相联，这样：①可以减轻由于内管的摆动以及在特殊情况下内管转动对岩心的影响，因此可以更好地保护岩心；②使内管下部少受磨损，在采心时，内管亦不受轴向拉力的影响，有助于延长内管的使用寿命；③好安装，掏岩心也比较方便。

3、操作技术

(1)双管管料比单管薄，特别是内管壁厚只有1.5～2mm，强度要差一些，容易压弯，在钻进中不能采用大的钻压。

(2)双管卡簧在卡簧座内上下活动范围很小(约12mm)，只要稍微提动钻具就能提断岩心，不须专门操作。

(3)在特殊情况下，双管钻进如发生岩心堵塞，可降低压力和减小泵量，适当增加转速来处理，不得强力处理。若处理无效应及时提钻查原因。

(4)在钻进过程中，不要提动钻具，以免提断岩心，造成堵塞，影响进尺。

(5)对旧的双管钻头要注意检查内径。如果内径比原来磨大1mm，就不能再用。如用磨大的内径钻头钻进，岩心进不到内管，容易损坏内管零件，又影响效率。

(6)在卸双管钻头时，应用木锤把丝扣部分敲松再卸，因双管钻头壁薄，如不敲松，容易卸偏钻头。，

(7)在需要从内管把岩心敲出来时，应用橡胶锤和木锤，不要用铁锤。 (8)每次下钻前，应检查单动性能是否良好；内外管是否直。

(9)要定期检查各部分丝扣松动情况；轴承的灵活程度；密封圈、螺帽锁紧圈是否磨损及水孔是否堵塞，钢球有无锈死等。

(10)双管如较长时间停用，应对各部零件及内外管清洗涂机油或黄油保护。在存放或运输中，不要在双管上压放重物。

第五节 绳索取心

绳索取心钻具是一种不提钻取心的钻进装置，即在钻进过程中，当内岩心管装满岩心或岩心堵塞时，不需要把孔内全部钻杆柱提升到地表，而是借用专用的打捞工具和钢丝绳把内岩心管从钻杆柱内捞取上来，只有当钻头被磨损需要检查或更换时，才提升全部钻杆柱。

绳索取心钻具的应用范围很广，它不受钻孔深度的影响，从几十米的浅孔直至超万米的超深孔均可使用，而且钻孔越深其优越性越能显著；可以钻进任意方向的钻孔和钻进各种地层，在Ⅵ～Ⅸ级中等硬度的岩层中效果尤为显著；针对不同的地层，该钻具既可用清水，又可用优质泥浆，还可采用泡沫等作为冲洗介质。

绳索取心钻探技术最初用于石油、天然气钻探。1947年美国长年公司(Longyear Co.)研究用于金刚石地质岩心钻探，到50年代形成系列，目前已成为世界范围内应用最广的一种岩心钻探方法。绳索取心既用于地表岩心钻探，也用于坑道内岩心钻探，并发展用于海底钻探取样。绳索取心钻探世界最深钻孔为24米(1988)。

美国长年公司系列绳索取心钻探钻孔直径分为：AQ(48mm)、BQ(60mm)、NQ(75.7mm)、HQ(96mm)、PQ(122.6mm)、SQ(145.3mm)等规格，即所谓Q系列,为欧美国家广泛仿制与采用。美国的绳索取心钻具在70年代又开发了CQ系列（接头与钻杆采用焊接方式连接）；80年代进一步开发了重型绳索取心钻具系列，如CHD-76、CHD-101和CHD-134等，以专门用于深孔、超深孔条件下实现绳索取心。

1972年，中国地质矿产部开始研究绳索取心钻探技术。到目前为止，已研制出系列钻具：S46mm、S59mm、S75mm、S91mm和水文水井钻探用S130mm的绳索取心钻具。此外，还有用于坑道钻探的KS-46和KS-59绳索取心钻具。为了进一步提高钻速，已成功地研制了带液动

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冲击器的绳索取心钻具。绳索取心钻探现已在地质、冶金、有色金属、煤炭、化工、核工业和建材等系统的钻探部门推广。仅地质矿产部系统截至1987年，用绳索取心钻探累计进尺已达170万米,钻探钾盐的孔深已达2505米。钻孔愈深，绳索取心钻探的技术经济效益愈显著。

绳索取心钻进原理如图 0-5所示。

图 0-5 绳索取心钻进原理

一、绳索取心钻进的优缺点和应用范围

1、绳索取心钻进的优缺点

(1)减少起下钻的辅助时间，增加纯钻时间，钻孔愈深经济技术效果愈显著。 (2)岩心堵塞立即捞取岩心，提高岩心采取率。

(3)减少岩心扫孔磨损、拧卸及与孔壁碰撞机会，延长钻头寿命。 (4)减轻工人体力劳动。

(5)延长钻杆螺纹寿命，降低钻杆消耗。

(6)减少冲洗液抽吸和孔壁压力失去平衡机会，从而减少孔内事故。 (7)减少起下钻机械磨损和钢绳消耗。 (8)减小钻孔弯曲度，提高钻孔质量。

(9)有利于钻穿复杂地层。避免孔壁坍塌掉块。

(10)可以利用取心绞车钢丝绳在钻杆内下放测斜仪，进行测斜。

总之，由于绳索取心的上述优点，因此可保证岩(矿)心质量，大大降低钻进成本。 绳索取心也存在一些缺点和问题，例如:要求钻杆的材质要好、加工精度要高，使钻杆的成本昂贵；钻杆柱与孔壁的间隙小，增加了钻杆柱的磨损，也使冲洗液循环阻力增大；绳索取心钻头壁较厚，钻进坚硬岩石时，效果差些；另外，回转粗径的钻杆柱阻力大，因此其动力消耗大，在深孔中影响开高转速等等。

2、绳索取心钻进的应用范围

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绳索取心目前已成为金属、非金属、煤田及某些水文地质和工程地质钻探取心的主要方法之一。其应用范围可分述如下：

(1)绳索取心钻进的钻孔深度可以自几十米的浅孔直至千米以上的深孔； (2)绳索取心钻进的钻孔角度可以从0°～360°，即可钻进任意方向的钻孔；

(3)用绳索取心法可以钻进各种地层，既可采用清水，亦可采用优质泥浆作为冲洗液。对于回次进尺不长的岩矿层、取心困难的岩矿层、矿心易受污染或溶蚀的矿层、易坍塌掉块地层，若采用绳索取心钻进更为有利。

二、绳索取心钻具

国产S系列绳索取心钻具规格见表 0-1。

表 0-1 常规绳索取心钻具

钻头 型号 (外径/内径) SC56 S59 S75 S95 Φ56/Φ35 Φ59.5/Φ36 Φ75/Φ49 Φ95.5/Φ63 (外径/内径) Φ56.5/Φ44 Φ60/Φ47 Φ75.5/Φ62 Φ96/Φ78 (外径/内径) Φ/Φ45 Φ58/Φ49 Φ73/Φ63 Φ/Φ79 (外径/内径) Φ41/Φ37 Φ43/Φ38 Φ56/Φ51 Φ73/Φ67 (外径/内径) Φ53/Φ44 Φ55.5/Φ46 Φ71/Φ61 Φ/Φ79 (外径/内径) Φ/Φ43 Φ56.5/Φ46 Φ72/Φ61 Φ91/Φ78 扩孔器 外管 内管 钻杆 接头 (一)绳索取心钻具的结构和工作原理

现以S75绳索取心钻具为例，其结构如图 0-6所示。

整套绳索取心心钻具分为单动双层岩心管和打捞器两大部分。 双层岩心管部分由外管总成和内管总成组成。

外管总成包括弹卡挡头(1)、弹卡室(7)、稳定接头(23)(上扩孔器)、外管、下扩孔器和钻头组成；内管总成由捞矛头(2)、弹卡定位(8)(7)、悬挂(21)、到位报讯、岩心堵塞报警、单动，内管保护、调节、扶正、内管、岩心卡取等机构组成。

打捞器一般由打捞机构和安全脱卡机构组成。各机构的工作原理如下：

(1)绞链式矛头机构 由捞矛头、定位卡块、捞矛座等组成。由于捞矛头可在其转动平面内转动180°，因此，在提捞内管总成到地表面后，打捞器与内管总成可在0°～±90°内转动、变换位置。这样，在倒、取岩矿心时，内管总成不必放倒而可直接用打捞器吊着，使内管总成倾斜即可将岩(矿)心倒出。此外，在放倒内管时，本机构还可防止捞矛头从打捞器的捞钩中脱出，以免摔坏内管和弄弯内管(注：S75型钻具无此机构)。

(2)弹卡定位机构由弹卡挡头、弹卡板、张簧、弹卡室等零件组成。当内管总成在钻杆柱内下降时，张簧(5)使弹卡板(6)向外张开一定角度，并沿钻杆内壁向下滑动。当内管总成到达外管总成中的弹卡室(7)部位，弹卡板在张簧的作用下继续向外张开，使两翼贴附在弹卡室的内璧上。由于弹卡室内径较大，而其上端的弹卡挡头内径较小，所以在钻进过程中可防止内管总成上串，达到定位作用。另外，弹卡沿钻杆壁向下滑动时，张开一定角度。具有向内下放的倾斜面，如遇阻碍，钻具重量和向下运动的惯性力使弹卡向内压缩张簧，从而使钻具顺利通过。弹卡挡头下端设有拨叉，带动弹卡随外钻具一起转动，防止弹卡磨损。

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图 0-6 S75型绳索取心双管结构

1–弹卡挡头；2–捞矛头；3–弹簧销；4–回收管；5–弹簧；6–弹卡；7–弹卡室；8、9–弹卡销；10–弹卡座；11–弹卡架；12–复位簧；13–阀体；14–定位簧；15–螺钉；16–定位套；17–垫圈；I8–固紧环；19–弹簧；20–调节螺堵；21–悬挂环；22–座环；23–扩孔器；24–接头；25–滑套；26–轴；27–蝶簧；28–调节螺栓；29、31–轴承；30–轴承座；32–弹簧；33–弹簧座；34–垫圈；35–螺母；36–油杯；37–垫圈；38–悬挂接头；39–阀堵；40–螺母；41–弹簧销；42–开口销；43–钢球；44–调节螺母；45–调节接头；46–外管；47–内管；48–扶正环；49–挡圈；50–卡簧；51–卡簧座；52–钻

头

(3)悬挂机构 由内管总成中的悬挂环(21)和总成中的座环(22)组成。悬挂环的外径稍大于座环径(一般相差0.5~1.0mm)。当内管总成下降到外管的弹卡室位置时，悬挂环(21)座落在座环上，使内成下端的卡簧座(51)与钻头(52)内台阶保持2～4 间隙，以防止损坏卡簧座和钻头，并保证内管的性能和通水性能。

(4)到位报信机构 由复位簧(12)、阀体(13)、簧(14)、弹簧(19)、调节螺堵(20)、阀堵(39)、调节零件组成。

图 0-7 S75型绳索取心钻具打捞器结

当内管总成在钻杆柱内由冲洗液向下压送

构

阀体的粗径台阶位于定位簧(10)内，弹簧处于正常

1一打捞钩；2、8一弹簧销；3一捞钩

架；4一弹簧；5一铆钉；6一脱卡管；7一重锤；9一安全销，10、20一定位销；11一接头；12一油杯；13一开口销，14一螺母；15一垫圈；16一轴承；

外管

的内总成管总mm的单动定位圈等时，状

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态，阀堵在关闭位置，冲洗液由内管总成和钻杆柱的环状间隙流通(如图 0-8所示)；如果内管到达外管中的预定位置，内管总成的悬挂环座落在外管中的座环上，把冲洗液通道完全堵塞，迫使冲洗液改变流向，压缩弹簧，向下推动阀堵，直至阀体的粗径台阶移出定位簧，使阀堵打开，(如图 0-9所示)。与此同时，泵压表的压力明显升高[约升高5～10atm，即(5～10)×101325Pa]，表明内管总成已到达预定位置，可以开始扫孔钻进。由于定位簧的作用，可以防止阀堵自动关闭。所以，在钻进过程中，冲洗液流经此处几乎不消耗泵压。捞取岩心时，打捞器通过捞矛头(2)，回收管(4)和弹性销向上提拉阀体，使阀体的粗径台阶克服定位簧的弹力进入定位簧，并继续向上运动，复位簧受压，直至阀堵超过关闭位置，给冲洗液打开一条下泄通道(如图 0-10所示)。这样，一部分冲洗液就可以由此下泄，从而减小冲洗液对孔壁的抽吸作用和打捞阻力。

内管总成打捞到地表以后，由于复位簧(12)的作用，随着回收管的复位，则阀堵自动回到关闭位置。

根据钻孔深度的不同，通过调节螺堵(20)和调节圈(37)，可以改变弹簧的预紧力，以调节泵压的变化范围。

(5)岩心堵塞报警机构 由滑套(25)，轴(26)、蝶簧(21)等零件组成。钻进过程中，当发生岩(矿)心堵塞或岩(矿)心装满内管时，岩心对内管产生的顶推力压缩蝶簧，使滑套向上移动到悬挂接头(38)的台阶处，将通水孔堵塞，从而造成泵压升高，遂告诫操作者应停止钻进、捞取岩心。根据钻进地层软硬程度的不同，可以改变蝶簧(27)的排列形式，并调节蝶簧的弹力，使其既不影响正常钻进，又能在岩(矿)心堵塞时准确报信。

(6)单动机构 由两副推力轴承(29、31)(8203，8204)实现钻具的单动，使内管在钻进时不作旋转。

(7)内管保护机构 由滑动接头、键、弹簧等件组成，又称缓冲机构。

采取岩心时，拔断岩心的力使滑动接头压缩弹簧(32)向下移动，内管及卡簧座随之下移至钻头内台阶上，从而拔断岩心的力由钻头传递到外管，以保护内管不受损坏。

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图 0-8 内管总成下降状态

图 0-9 钻进状态

图 0-10 打捞状态

(8)调节机构 由调节螺母(44)、接头(45)、调节心轴等组成。内外管组装在一起时，如果卡簧座与钻头内台阶之间的间隙不合适，则可以通过调节心轴和接头的相互移动进行调节(调节范围0～30mm)，满足要求后，用调节螺母锁紧,以防松动。

(9)扶正机构 外管总成下部的扶正环(48)，用于内管的导向，使内、外管保持同轴，便于岩(矿)心进入卡簧座(51)和内管(47)。

(10)打捞机构 由打捞钩(1)、打捞钩架(3)、重锤(7)和钢丝绳接头组成。 取心时，钢丝绳悬吊打捞器放入钻杆柱内，打捞钩靠重锤以1.5～2.0m/s的速度快速下降，由于捞钩架为圆筒状，故导向性好，当它达到内管总成上端时，能准确钩住捞矛头，把内管总成提升上来。

(11)安全脱卡机构 采用一根长为1m、内径比重锤稍大的套管进行安全脱卡。套管壁上(见图 6-11)开有一斜口。当需要安全脱卡时，将此套管从斜口处套入钢丝绳上，然后下放，套管靠自重下降；及至打捞器穿过钢丝绳接头和重锤，撞击和罩住打捞钩尾部，迫使其尾部向内收缩，端部张开，从而使打捞器与内管总成脱离。

(二)钻具的组装

首先，应按照装配图分别组装好内、外管总成和打捞器，并对钻具的主要零部件进行认真检查；然后，把内管总成装入外管总成中，调整内、外管的长度配合，并用打捞器试捞内管总成。经确认合乎技术要求后，方能下孔使用。

图 0-11 安全脱卡套管

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(1)外管总成的组装和检查要求如下： ①外管总成中有上、下两个扩孔器；上扩孔器主要起稳定作用；下扩孔器主要用于扩孔。所以，应检查上扩孔器外径是否略小于下扩孔器外径；

②装入座环和扶正环时，应放平摆正后用手推入。禁止用任何铁器敲击，以防损伤螺纹或使座环及扶正环变形，影响内管的升降；

③外管的弯曲度不应大干0.30mm/m，否则，应进行矫直。 ④外管总成上所有螺纹连接处，要涂抹丝扣油并拧紧。 (2)内管总成的组装和检查要求如下：

①首先，检查捞矛头，是否完整无缺，有无碎裂掉块现象；

②组装弹卡机构时，先将回收管(4)套于弹卡架(11)上；再通过回收管和弹卡架的槽，装入弹卡和张簧；最后，通过回收管的装配孔把弹性销打入。装入的弹卡动作应灵活，用手轻轻拉动捞矛头，回收管即可使弹卡缩回(两翼间距应小于或等于回收管直径)。推下回收管，弹卡应立刻张开，其两翼间距大于弹卡室内径；涂沫润滑油，以减小弹卡活动时的摩擦力；

③所有弹簧轴销要装正，其开口方向都应一致朝下或朝上，以改善其受力状态。轴销需用锤子打入并装配紧实，不能有幌动现象；

④组装到位报信机构时，应根据钻孔深度调节工作弹簧的力量(一般浅孔预紧力要小)； ⑤缓冲弹簧的锁母需用开口销锁住，并使缓冲弹簧有一定的预紧度；

⑥拧紧调节机构的调节螺母，以防松(倒)扣，使内管总成伸长而导致其上、下顶死，在外管总成中发生故障；

⑦单动轴承装配时，要注意调配好弹子盘的间隙(不能过紧，亦不能过松)，以用手转动灵活，不幌动为好。轴承装配完毕后，应通过黄油嘴向轴承注油，轴承座内应装满黄油；

⑧卡簧座、内管和内管总成的上部连接，必须同轴；内管应光滑平直，不得有弯曲或局部出现凹坑等现象；

⑨拧紧卡簧座并配好卡簧，一般卡簧的自由内径应比钻头内径小0.2～0.3mm。

(3)打捞器的组装和检查 打捞器与绳索取心绞车的钢丝绳相连接，并进行以下捡查： ①打捞钩要安装周正，不能向一侧偏斜；

②尾部弹簧应工作灵活可靠，头部张开距离以8～12mm为宜； ③试验脱卡管的作用——把脱卡管套在打捞器上，用手向下轻轻推动脱卡管，即可罩住打捞钩的尾部，并能使其头部张开(张开距离应大于内管总成的捞矛头直径)。

(4)内外管总成的装配与调整 把内管总成装入外管总成时，应认真调整如下间隙： ①弹卡与弹卡挡头的顶面应保持一定间隙。根据钻具规格尺寸的不同，一般为3～4mm。此间隙过小，使弹卡不能自由地出入弹卡室，使钻具在钻进时不能定位，若间隙过大，则在钻进过程中就会增大卡簧座与钻头内台阶的间隙，影响岩矿心的采取率；

②卡簧座与钻头内台阶之间应保持最优间隙。根据钻进地层的不同，该间隙一般为2～4mm。在保证冲洗液正常循环的前提下，应尽量减小此间隙，以减少冲洗液对岩(矿)心的冲蚀，提高岩(矿)心采取率。

③内管总成应牢固地卡住在外管总成中，不能自弹卡档头端自由倒出。只有当使用打捞器时，才能顺利捞出。

组装好内、外管总成后，再应组装一套外管总成和两套内管总成作为备用。 (三)钻具的维护保养

为了保证正常使用钻具，必须经常检查钻具，并作好平时经常性的维修保养工作： (1)检查弹卡磨损情况和张簧是否变形。弹卡处于张开状态时，两翼最大间距应比弹卡挡头内径大1.5mm，否则应及时更换。为了保证弹卡动作灵活，应经常用机油润滑。

(2)单动轴承应定期注入黄油，一般每提升一次即应擦净和注入黄油；如单动不灵活，必须拆开检查，轴承损坏要更换，进入岩粉颗粒或其它污物，应进行彻底清洗。

(3)内管弯曲变形超过0.5mm/m时，必须进行矫直，局部产生凹坑而妨碍岩心进人的内管，

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则应更换新的。

(4)若弹卡挡头有拨叉，则每次提钻应检查拨叉的磨损情况。发现磨出圆角时要用钢锉修平；检查出变形或有断裂现象时，则须更换。

(5)悬挂环、座环及扶正环因磨损变形影响打捞时，须及时修理或更换。 (6)到位报信机构的弹簧若产生疲劳永久变形，应及时更换。

(7)岩心堵塞报警机构的蝶簧经多次使用，由于疲劳损坏或减小了弹性，应增加蝶簧片数或更换变形蝶簧。

(8)使用带有水口的卡簧座时，其水口深度应保持在4mm。若发现磨损。应及时加深至4mm；卡簧座发生变形要及时更换。

(9)每次捞取岩心前，应检查打捞钩头部和尾部弹簧的磨损情况。若已磨损和变形严重，要及时更换。

三、附属设备及工具

绳索取心钻进由于所用的钻杆无切口，故起下钻时不能使用通常的垫叉和提引器，需要配用特制的夹持器和提引器，并且其钻杆亦有不同之处。下面将逐个介绍。

(一)夹持器

夹持器用于夹持外平的绳索取心钻杆，代替垫叉的作用。夹持器分为：人力操作夹持器和液压夹持器两类。下面主要介绍木马夹持器。

它由偏心座、卡瓦、曲柄、连杆、等组成。结构见图 0-12。

图 0-12 夹持器

1–偏心座；2–键；3–轴；4–卡瓦；5–开口销；6–柱销；7–垫圈；8–连杆；9–曲柄；10–键；11

–夹持板；12–底座；13–螺母；14–螺栓；15–脚踏板；16–安全销

其工作原理如下：夹持钻杆时，两个偏心座具有椭圆面的重头部分，具有向下的作用力，从而推动卡瓦4把钻杆夹紧，又由于钻杆的自重作用，进一步带动卡瓦4和椭圆重头向下移动，夹紧钻杆，钻杆重量越大夹持越紧。需要松开时，在提升钻杆的同时，脚踩偏心座的脚踏板15，使偏心座椭圆重头部分以支点为中心，向上转动，并通过曲柄9、连杆8使另一个偏心座椭圆重头部分也以支点为中心向上转动，从而使两个偏心座1中心间隔增大，卡瓦4向两边移动，把夹紧的钻杆松开。

夹持器的夹持能力为5～7t，夹持规格有Φ43mm、Φ53mm、Φ63mm和Φ72mm四种。 (二)提引器

提引器用于升降钻杆，有两种提引器：球卡提引器和手搓提引器。

球卡提引器如图6—13所示。它由卡球(4)、卡瓦(3)、卡套(5)、弹簧(7)、拨叉(12)、扳手(14)、提粱(8)等部件组成(如图 0-13所示)。

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提升钻杆时，借助弹簧力量向下推动卡套，使钢球沿着具有锥度的卡瓦向下滚动，此时，钢球向内突出卡住钻杆，而钻杆重量又带动钢球向下，从而把钻杆牢牢夹紧并提升上来。

松开钻杆时，用力搬动拨叉扳手，使卡套压缩弹簧带动钢球向上运动，由于锥度作用，钢球向外移动，从而把卡紧的钻杆松开。

图 0-13 球卡提引器

1–底座；2–壳体；3–卡瓦；4–卡球；5–卡套；6–穿钉；7–弹簧；8–提梁；9–螺钉；10–拨销；11–自锁板；12–拨叉；13–

弹性轴销；14–板手；15–销钉

图 0-14 手搓提引器

1–吊环；2–开口销；3–螺母；4–垫片；5–挡盖；6–轴承；7

–联轴；8–提引接头

实践证明：这种提引器具有工作性能可靠，操作方便，减轻劳动强度等优点。

提升能力：5～7t

提升规格：Φ50～Φ55mm的钻杆；Φ40～Φ45mm的钻杆；Φ60～Φ65mm的钻杆Φ70～Φ75mm的钻杆。

手搓提引器，如图 0-14所示。它是最简单的提引器，由8个零件组成，即吊环1、开口销2、螺母3、垫圈4、挡盖5、轴承6、联轴7和提引器接头8。此种提引器进行升降钻具是采用螺纹连接的方法，把外平的钻杆连接起来即可。其优点是工作可靠，制作简单。缺点是每次都需要人工拧卸，因而劳动强度大。

(三)钻杆

绳索取心钻杆除具有普通钻杆的功用外，还必须能在钻杆柱内升降打捞器和内管总成以获取岩(矿)心。所以，认真选用绳索取心钻杆是绳索取心钻进能否成功的关键因素。

1、绳索取心钻杆的特点

(1)钻杆壁内外平(或基本内外平)，以保证冲洗液的正常循环和使内管总成在钻杆柱内升降畅通无阻。

(2)钻杆内径大、壁薄，这样不仅可以增大内管总成与钻杆柱间的环隙，加快内管总成和打捞器在钻杆柱内的升降速度，而且还可增大岩心直径，减小钻头壁厚，降低金刚石消耗。

(3)钻杆直径大，外表面与孔壁间隙小。因此，钻杆(尤其是螺纹连接部分)应耐磨损。 (4)绳索取心钻头壁厚(约比普通双管钻头厚20％)，钻进时需要压力较大。这样，钻杆必然承受更大的压扭应力，这对钻杆的材质要求就高。

(5)钻杆螺纹应具有一定强度，且不易变形(尤其是公螺纹)，以免影响内管总成和打捞器的升降。

(6)钻杆平直度和同轴(心)度要符合要求。这一方面便于内管总成的打捞；另一方面可防

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止钻杆的偏磨。

(7)因钻杆与孔壁间隙小，使冲洗液循环阻力大，为此，要求泵压高。故而要求钻杆具有较好的密封性能。

2、绳索取心钻杆的规格

绳索取心钻杆的规格应与绳索取心钻具规格相配合。 目前地质系统常用的钻杆规格为：Φ43.5×4.75、Φ53×4.5、Φ55.5×4.75、Φ71×5、Φ87×5(注：前面的数字为直径，后面的数字为壁厚，单位均为mm)。

钻杆的连接结构的基本形式有三种：

(1)直接加工公母螺纹(见

图 0-15) 在钻杆体两端直接加工公母锥螺纹，然后钻杆与钻杆相连。这种结构具有螺纹数量少、加工简便、同心度好等优点，但其管壁较厚并需经热处理提高强度；连接螺纹磨损后再加工就不成定长钻杆。

(2)螺纹粘结公母接头(见图 0-16) 钻杆体两端车公螺纹，在其一端粘结两端母螺纹的接头，另一端粘结一端母螺纹一端公螺纹的接头。由于公母接头材质较好，壁较厚(一般比钻杆壁厚1mm)，而且经调质、淬火、镀铬等处理，所以提高了螺纹部位的强度。采用粘结和螺纹连接相结合，可以增加配合表面间的磨擦力，减小螺纹连接的滑移量，相对提高了钻杆的抗扭矩和疲劳强度，同时也增强了螺纹间的密封性能。但存在着螺纹加工量大，粘结剂抗冲击性能差，钻杆体螺纹强度低等缺点。

图 0-15 直接加工公母螺纹钻杆

图 0-16 螺纹粘结公母接头钻杆

1–公接头；2、4–粘接；3–钻杆体；4–母接头

(3)焊接公母接头(见图 0-17) 在钻杆体两端分别焊接一个公接头和一个母接头。焊接钻杆除了具有螺纹粘接钻杆的优点外，还具有螺纹数量少、公母接头与钻杆体连接强度高、钻杆体可以采用普通碳素钢制作和减小其壁厚等优点，从而减轻重量，节省钢材，降低成本。但使用焊接钻杆要解决就地修复的问题。适合野外使用的小型摩擦焊机已经研制成功。

目前，绳索取心钻杆采用的焊接方法主要有两种，即等离子弧焊接和摩擦焊接。

图 0-17 焊接公母接头钻杆

3、钻杆螺纹

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由于圆锥梯型螺纹具有强度高、密封性好、拧卸方便等优点，所以目前我国绳索取心钻杆均采用圆锥梯型螺纹连接。

4、钻杆的合理使用

(1)在柠卸过程中必须坚持使用丝扣油 丝扣油具有润滑、减少螺纹磨损、提高螺纹密封性能等一系列优点。

提、下钻杆时，应使用毛刷把丝扣油均匀地涂抹在每根立根的公螺纹上，其用量要适当。 (2)经常检查钻杆弯曲度和磨损量，如弯曲量超过2mm/3m，则应矫正后再继续使用。钻杆和接头单边磨损允许量为1mm，均匀磨损允许量为1.5mm。对磨损、出现裂纹和螺纹不合格的(丝扣旷动和明显变形)钻杆和接头，禁止使用。

(3)拧卸钻杆时，应使用多触点自由钳

(4)机场钻杆立根台应垫木板以保护螺纹，还应按立根长度设置合适的立根框架和中间支架，以免立根在摆放时发生弯曲。

(5)钻杆搬运时，应拧上护丝。运输中应轻拿轻放，绝不准扔摔。禁止在地面上拖拉钻杆。

(6)应将备用钻杆的丝扣刷净，涂上防锈油并套上护丝，放置于平地。下垫至少须有三处，以防止中间部分受力弯曲。钻杆上面严禁堆压重物。

(四)绞车

绞车用于打捞绳索取心钻具，取心时把绞车钢丝绳带着的打捞器放人钻杆内。利用打捞器自重下降，当打捞器捕捉住内管总成矛头后，开动绞车把装满岩心的内管提升上来。也可用于下放测试仪表，进行孔内测试。

对绞车的要求：

1、绳索取心钻进时，因捞取岩心较频繁，故要求绞车起动和制动方便，且应有单独的离合器装置；

2、绞车应有调速装置，以满足钻进不同地层和不同孔深的需要；

3、绞车应有排绳机构，以使钢丝绳均匀排列．减少钢丝绳的磨损和避免岩心脱落； 4、绞车的结构要紧凑，重量轻，安全可靠，操作方便，适合野外施工的需要。 绞车提升速度1～1.5m/s，负荷为5～10kN，可以选用各种符合要求的提升绞车。例如S56J–1绞车为机械传动绞车，配XU–600钻机使用；JSJ–1000型电驱动绳索取心绞车为北京地质机械厂研制；廊坊勘探技术研究所研制的SJ–X型绳索取心绞车等。

(五)拧卸工具

绳索取心钻进用的拧卸工具包括：钻杆钳、拧管机、内管钳及卡簧扳手等。由于绳索取心钻进所用管材壁薄，而有些管材表面经高频淬火后很硬，冲洗液中的润滑剂还经常在管材外表面形成一层很薄的油膜，使拧卸时易于将钻杆和内外管夹偏或产生打滑现象。所以，选择、使用安全可靠、灵活耐用的拧卸工具，对于延长钻杆和钻具的使用寿命。加快钻杆升降速度，提高钻进效率，都具有重要意义。拧卸工具如下所示，合金自由钳（图 0-18）、拧管机（图 0-19）和卡簧扳手（图 0-20）。

图 0-18 合金自由钳

1–中片；2–合金；3–压片；4–下片；5–铆钉；6–把手

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图 0-19 拧管机

图 0-20 卡簧扳手

四、绳索取心钻进规程和操作技术

(一)钻头的选择和合理使用

绳索取心钻头的选择原则基本上与普通双管钻头相同。选择时，要结合绳索取心钻头所具有的特点，特别注意以下几点。

1、钻头的排队使用

绳索取心钻头的特点是在孔底工作时间长，只有当钻头磨损到一定程度时才提钻检查更换，所以对绳索取心钻头排队使用更为重要。若不注意钻头排队使用，就容易造成跟换的新钻头下不到孔底，增加扩孔工作量。同理扩孔器也应排队使用。

2、新钻头下到孔底要初磨

绳索取心钻头唇面壁厚而且具有多种唇面造型，为了使金刚石钻头唇面与孔底形状相吻合，防止因钻头唇面与孔底形状不一致而造成钻头的唇面受力不均，使表镶钻头金刚石崩刃或剥落，孕镶钻头产生非正常磨损或胎体掉块；同时使孕镶钻头磨出刃口。新钻头下孔后必须进行初磨，即采用轻压力（正常钻压的1/3以内）、慢转速（200～300r/min）、钻进10分钟左右，然后再采用正常技术参数继续钻进。

3、确定合理的时效

绳索取心钻进要求钻头不仅时效高，更重要的是提高钻头使用寿命。如果钻头时效很高，而钻头寿命很短，不得不经常提下钻更换钻头，这样将降低钻进效率，增加成本，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。所以必须根据具体岩层性质和实践经验，确定合理的时效。根据我国目前金刚石钻进技术条件和金刚石钻头质量水平，时效一般不要超过3m/h为宜。在相同的条件下，绳索取心钻头和普通金刚石钻头相比，宁可时效控制稍低，而获得较长的钻头使用寿命也是值得的。

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4、确定合理的提钻间隔

绳索取心钻进的提钻间隔，不仅影响钻进效率，而且影响钻头寿命，提钻间隔越大，纯钻时间愈多，钻进效率愈高；但是盲目追求大的提钻间隔，往往使金刚石钻头磨损严重，增加金刚石消耗，所以应确定合理的提钻间隔，即合适的更换钻头时间。

(1)从钻速的变化，判断钻头底唇磨损。

一般情况下，如钻头选择适当，钻进技术参数稳定，钻速下降便表示钻头磨损。但是，岩心堵塞也会引起钻速下降，一般说来，岩心堵塞引起的钻速下降幅度较大，而钻头磨损则钻速下降幅度较小。为了确定钻速下降原因，可在打捞岩心前和打捞岩心后采用测定钻速方法帮助分析，如打捞岩心后的钻速比打捞前提高，可说明钻速的降低是由岩心堵塞引起的；如打扮岩心前和打捞后的钻速一样，则说明钻速的降低是由钻头磨损造成的。

(2)根据岩心直径的变化，判断钻头内径磨损。

由于绳索取心钻头内径采用了补强措施，一般情况下，岩心直径变化量不超过0.50mm。如果捞取上来的岩心直径接近或等于钻头内径，并且钻进过程中，频繁地发生岩心堵塞，这说明钻头内径已严重磨损。

(3)根据泵压变化，判断钻头底唇和水口磨损

钻进过程中，如果钻头底唇磨损较大，水口变小或磨平，会造成泵压比正常泵压升高现象。但是岩心堵塞或冲洗液循环通道受阻，也会引起泵压升高。为了区别泵压升高的原因，应把内管总成捞取上来，观察确定是否发生岩心堵塞。如果岩心和卡簧配合适宜，说明泵压升高不是由岩心堵塞引起的。然后，在钻具提离孔底的情况下，向孔内泵送冲洗液，如果冲洗液循环正常，则把钻具轻轻放到孔底，这时如冲洗液循环受阻，应反复上下提动钻具，冲洗孔底，如泵压仍升高，则说明钻头底唇和水口已磨损严重。

至于金刚石钻头磨损到何种程度需要提钻检查和更换，应根据孔深和钻速的下降幅度等因素确定。要能保证在金刚石消耗量最少的情况下，而获得每只钻头的最高进尺，以增大提钻间隔，提高钻进效率，降低钻探成本。

5、防止烧钻事故

绳索取心钻头唇面壁厚，钻进时产生的岩粉多，因此必须使冲洗液充分冷却钻头，及时排除岩粉，否则将造成烧钻事故。由于绳索取心钻具内外管总成比普通双管结构复杂，而且有些零部件经过了热处理，所以绳索取心发生烧钻事故不仅难以处理，而且处理烧钻事故将对薄壁钻杆造成严重损伤，因此，绳索取心钻进必须杜绝烧钻事故。

(二)绳索取心钻进技术参数

绳索取心钻进规程与普通双管钻进规程有所不同。但确定规程的方法基本相同。首先，由于绳索取心钻头唇面比普通钻头要厚，因此钻压比普通双管钻头要大（一般要大25%左右）。

转速同样是提高绳索取心钻速的主导因素，因此，只要其它条件允许，应高转速钻进。当然，要防止不分岩层是否完整；钻具和钻孔是否弯曲，以及超径等不利条件下盲目开高速。由于绳索取心钻杆柱较粗，所以深孔因钻机的功率所限开高转速会受些影响。至于冲洗液量和泵压，因钻头壁厚，钻进时产生的岩粉多，所以选用冲洗液量稍比普通双管钻进时大。由于钻杆与孔壁间隙小，泵压比普通小口径钻进时高些。

(三)在易斜岩层中钻进要注意防斜

因绳索取心钻进采用粗径钻杆，与钻孔直径的配合关系比较合理，如钻Φ59mm的钻孔采用Φ55.5mm的钻杆，钻杆与孔壁之间的环状间隙小，只有1.75mm，因此钻杆不易弯曲，这一点十分有利于防斜。但值得注意的是：绳索取心钻杆的壁较薄（一般为4.5mm)，轴压又比普通双管钻进时大25%左右，故钻杆的刚性差了，而传递的轴压反而大，所以容易弯曲，特别是孔内有坍塌空腔，钻杆更容易弯曲而导致孔斜。我国曾有地质队产生过这种情况，即由于孔斜严重而被迫停止使用。国外也有类似的资料报导：如60年代初，瑞典地质调查所使用美国长年公司的Q型钻具过程中，曾发生严重孔斜问题，孔斜大于用普通方法钻进的钻孔，

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后采用了抉正器、长导向钻头等措施，但仍未能彻底解决问题。

因此，在容易产生孔斜的岩层中，使用绳索取心钻进应适当控制钻压和转速，并采取相应的防斜措施。

(四)泥浆钻进 1、泥浆特点

在地层条件允许的情况下，绳索取心钻进应尽量采用清水加润滑剂作为冲洗液，这不但便于内岩心管在钻杆内的升降，而且使钻杆旋转的阻力变小，有利于开高速。但是在钻进松软破碎、易于坍塌掉块的岩层中，则必须采用泥浆钻进。

由于绳索取心钻进有一系列特点——例如钻杆与孔壁之间的环状间隙小、内管要在钻杆柱内下投等，故对泥浆就有一些特殊要求，即：泥浆粘度低、比重小、沉砂快，流动性好又具有防塌能力。

目前，常采用不分散低固相泥浆或无固相冲洗液。前者有聚丙烯酰胺类泥浆、聚物泥浆等，后者常用聚丙烯酰胺冲洗液、水玻璃冲洗液等。

不分散低固相泥浆的性能指标见表 0-2所列。

表 0-2 不分散低固相泥浆的性能指标

比重 gf/cm3 1.01～1.07 粘度 s 17～19 失水量 ml/30min 6～8 静切力 mgf/cm3 1～10 泥皮厚 mm ≤0.5 2、泥皮分析

当绳索取心钻进中使用泥浆时，往往在靠近孔口3～5根立根处，钻杆内壁上形成一层很致密的泥皮，影响内管总成的上下。泥皮产生的原因有待进一步研究，一般认为：

①由于泥浆中固相含量多，含砂量大；地表净化工作差，因此较大的颗粒很容易在管壁结泥皮。

②绳索取心钻杆的半径大，泥浆中的固相颗粒随钻杆一起旋转，产生的离心力也大，容易甩至管壁。

③另外，通过对钻杆内泥浆的流态分析，按常用的泥浆流量和泥浆粘度计算雷诺数时，发现它小于2300，这就说明钻杆内的泥浆流动呈层流状态。而层流对管壁的冲刷能力差，也促使颗粒粘附在管壁上。

从上述原因分析中可知：欲使管内不结泥皮的根本性措施，还得从泥浆本身着手。即首先要保证造浆用粘土粉的质量，高质量的粘土粉结泥皮现象就轻，其次要注意地表泥浆的净化工作，加长泥浆沉淀槽，采用旋涡式除砂器等，使泥浆始终保持低固相状态，此外，稍稍降低转速、加大冲洗液量，有时也能减轻泥皮的产生。

进行泥浆钻进时，还需注意使用超规格钻头（即外径比标准钻头外径大的钻头）。超规格钻头能增加环空间隙，从而能减轻回转阻力和减少循环液的压力损失，也有利于泥浆在孔壁形成护壁的泥皮。

(五)操作注意事项

1、要避免打\"单管\"现象（即不在内管未到底就抢先钻进）。绳索取心钻进一旦打“单管”，就会打捞不上岩心，造成提钻后重新套扫，带来不少麻烦。例如；当孔内不干净．有残留岩心，则下外管时不能一下到底。否则残留岩心进入外管，内管总成就下不到预定位置；定位机构失灵，内管上窜，钻杆柱内有脱落岩心，钻杆和内管弯曲等，都会造成打“单管”。

为了确切判断内管是否座到底，除了根据钻具到底报信机构的报信外，还可根据经验数据估算（即泵送内管的速度每分钟约20m)，或观察泵送内管到底产生蹩泵时，高压胶管和泵压表上的反映。

2、严防卡簧座和内管接头反扣，一旦反扣内管总成便顶死在弹卡室内，从而造成打捞失灵的后果。

3、提钻时，应先打捞出内管总成以增加冲洗液的流通断面，以及减小抽吸作用和压力

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激动对孔壁的影响。提钻后重新下钻时，同样应先下外管，再投内管，以减小下降的冲击力，有利于孔壁稳定。

4、绳索取心钻进时因环空间隙小，故上、下钻时引起的压力激动值大（特别是孔内的动水压力与提、下钻速度成正比），所以应合理控制提、下钻速度。当钻进复杂地层时，应放慢提、下钻速度。

5、提升钻具及打捞内管总成时，均须向孔内回灌一定量的冲洗液，避免因钻杆柱外的液柱下降，造成钻杆柱内外之间的压力差而致使孔壁坍塌。

6、钻进时，严禁盲目加压。压力过大压弯双管，将带来不少不良后果。

7、内管总成中调长螺杆处的强度较低，操作时（特别是当提拉内管总成时），要严防调长螺杆弯曲而造成内管弯曲。

8、停钻时需及时打捞内管总成。

9、若确认已发生烧钻，就应先将钻具提离孔底，然后用打捞器提升内管总成，最后提外管总成并进行检查。切勿内、外管一起提升，否则就有可能将内管留在孔内，使事故更复杂化。

若遇到断钻杆事故，一般采用套管公锥去打捞。若遇卡、埋钻事故，则不能采用强拉或顶的办法，应用反丝钻杆来反。

(六)取心操作技术

当钻进到岩心快装满内管（进尺不准超过内管长度）或发生岩心堵塞时，应立即进行打捞岩心：停泵后先将钻具提离孔底，卡断岩心，提起机上钻杆，并在接头处卸开；钻机后退，拧上钻杆护丝，下放打捞器（打捞器在冲洗液中以1.5～2m/s的速度下降），当确认打捞器捞钩已钩住捞矛头时，即可以开动绞车提升内管。

当内管捞出孔口后，卸开捞钩，缓慢下放，以免调长螺杆部分被折弯。此时应检查岩心采取情况。确认钻杆柱内无岩心时，可将另一套备用内管由孔口投入钻杆内，并对上机上钻杆、开泵压送内管，以促使内管加速向下滑行。

为避免在滑行过程中，被钻杆接头台阶部分顶住，可以适当开车幌动钻具，如孔内漏失变成干孔，则需用专用的干孔投放器下放内管。

当确认内管已准确可靠的到达外管中时，方准缓慢扫孔及钻进。

捞取岩心后，若发现内管中无岩心或岩心欠缺时，应当判断原因。如岩心脱落在钻杆柱内时，应立即提钻处理。

一旦发现钻杆折断，则不准下入打捞器进行捞取内管的工作。 拧卸内管须用专用多触点自由钳；拧卸卡簧座须用专用的卡簧座扳子。拧开内管任意一端（卡簧座或内管接头）后，可轻轻敲击内管倒出岩心，切勿用铁锤猛击，以免管壁产生凹坑，使钻进时堵塞岩心。

取出岩心后，应清洗并检查内管总成，然后重新组装起来，经过检查认为合格后，放在不易被压、踩的地方，以备下个回次再用。

五、绳索取心钻具常见故障及其原因

(一)打捞器捕捞不住内管

1、因跑钻等原因，孔壁的岩石碎块或其它杂物落到内管总成上端，卡在捞矛头处 2、冲洗液中岩粉较多，停钻后又未及时打捞，沉淀岩粉覆盖住捞矛头。 3、内管总成的捞矛头损坏，打捞器钩挂不住。

4、打捞器捞钩损坏或其尾部弹簧断裂，使打捞器失效。

遇到这种情况，上下提放打捞器，反复捞取几次，如不见效，则可把打捞器提升上来进行检查，若打捞器完好无损，则应提钻处理。

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(二)打捞器捕捞住内管总成后提拉不动 打捞器到达内管总成上端，而且捕捞住内管总成，但提拉不动，则多数是由以下原因所致：

1、因岩心堵塞或卡簧座倒扣，使内管总成在钻头内台阶和弹卡挡头之间顶死；弹卡不能收拢。

2、因地层原因，提断的岩心下端呈蘑菇头状，卡在钻头底部如图 6-21所示，使得内管总成提拉不动。

3、由于轴承损坏，滚珠落入内外管间隙中被卡死。

4、弹卡的弹性轴销脱出，卡住回收节不能上移。

5、卡簧座下端和内管的螺纹部分因岩心堵

塞后未及时打捞并盲日加压而变形，使其通不过图 0-21 提断的岩心下端呈蘑菇头状 外管总成中的座环。 1–岩心；2–内管；3–扩孔器；4–卡

6、弹卡挡头的拨叉折断，内管总成被卡。 簧座；5–钻头；6–卡簧 7、悬挂环和座环严重磨损，拔断岩心时，悬挂环卡死在座环中。

出现上述情况，应使用安全脱卡机构使打捞器与内管总成脱开，把打捞器提升上来。根据所钻地层情况，认为有可能是因岩心蘑菇头造成的，则将钻具放到孔底，开始研磨片刻，再下放打捞器试捞，如仍无效，则需提钻处理。

(三)打捞途中遇阻而提拉不上来

如打捞器己把内管总成提离孔底，而在提升过程中突然遇阻，提拉不动，一般是由以下原因所致：

1、钻杆螺纹发生变形，如公扣收口，使内管总成的悬挂环不能通过。 2、钻杆或内管严重弯曲，使内管总成卡死在钻杆柱内。 3、钻杆脱扣或断裂，把内管总成卡在断口处。

4、泥浆钻进时，因泥浆质量低劣，含砂量多，钻杆内壁结泥皮，使内管总成无法通过。 此时，应先使用安全脱卡机构，把打捞器提升上来，然后提钻检查并更换不合技术要求的钻杆或内管。

(四)打捞出的内管岩心不够或无岩心

打捞出内管总成以后，首先应检查岩心采取情况，若岩心采取率很低或无岩心，切匆投放另一套内管总成，而应分析原因，采取措施。

1、岩心直径与卡簧内径配合不当，岩心直径过小，使得卡簧卡不住或卡不紧、造成没有拔断岩心或岩心在打捞途中脱落。

2、弹卡或弹卡挡头被严重磨损，失去定位作用，钻进时内管总成向上窜动，形成“单管”钻进。

3、由于钻杆柱内卡有脱落岩心或结泥皮过厚、钻杆柱严重弯曲、螺纹部分变形等原因，使内管总成卡在钻杆柱内而没有到达外管总成中的预定位置。

4、投入钻杆柱中的内管总成还未到达预定位置就开始扫孔钻进，导致岩心过早地进入钻头，使内管总成不能进入钻进位置而形成“单管”钻进。

遇到上述情况，若岩心采取率很低，首先应检查卡簧与岩心直径的配合，并更换不合格的卡簧；同时，在钻具提离孔底的情况下，开钻晃动钻具，并开泵送入大泵量的冲洗液，以免打捞途中脱落的岩心碎块卡在钻头内；然后把内管总成投放下去，确认内管总成到达预定位置后，再开动钻机，以低压慢转套扫岩心。如果回次进尺较长但内管中无岩心，则必须提

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钻处理，不能继续投放内管总成，否则，不但会降低岩矿心采取率，还可能因内管总成不到位而形成“单管”钻进，造成弹卡和钻头严重磨损。

(五)钻进效率低

绳索取心钻进和普通金刚石钻进一样，经常遇到钻头不进尺或进尺缓慢的情况，其原因如下：

1、岩石坚硬致密，金刚石质量差，钻头与岩石性质不适应，钻进规程选择不合理等。 2、钻头内径超径，岩心太粗，通不过卡簧及卡簧座，发生岩心堵塞。 3、卡簧被顶坏或被顶入内管中，使岩心不易进入内管。

4、内管受到损伤，如出现凹坑等，增加了岩心进入内管的阻力。

遇到上述情况，应把内管总成打捞出来，检查内管、卡簧座、卡簧及卡簧与岩心尺寸的配合，若均合乎技术要求，则必须提钻检查或更换钻头，并根据岩石性质，采用合理的钻进规程。

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