松软（散）地层不扰动样取心技术

随着资源勘探和环境科学钻探的发展,对钻探样品提出了更高的要求。不仅要求高采取率,而且要求采取不扰动原位、保真的岩心样。不扰动取心技术的关键是改变常规钻具结构,使岩心在钻进过程中不发生冲蚀、振动、自磨、翻转、错位、丢失等现象。目前国内常用的不扰动保真取心(样)钻具有:三重管取心钻具、单动双管半合管取心钻具和活塞式取心钻具等。

(一)SCG型三重管取心钻具

安徽省地矿局313地质队探矿工程技术研究所研制的SCG型三重管取心钻具可在第四纪、第三纪地层中取出不扰动原状岩心样。钻进中岩心直接进入第三层有机透明塑料管中,取心时直接将塑料管连同岩心抽出,并密封塑料管两端,保证岩心样不受污染、不失水、不二次风化,原态保存时间长。该钻具曾获国家专利(专利号:ZL2008200417823)。

1钻具结构

SCG型三重管单动不扰动样取心钻具主要由外管总成、内管单动总成、岩心容纳装置三部分组成(图4-2)。其中,外管总成包括:上接头、外管、外管短节和外钻头;内管单动总成由上限位钢球、轴承、轴承外壳、下轴承座、密封圈、轴、上调节锁母、内管接头、下调节锁母、轴阀弹簧、球阀、阀座、内管、心管座或内管超前钻头等部件组成;岩心容纳装置由容纳管阀盖、活塞密封圈、活塞、球阀、岩心容纳管等部件组成。

图4-2 SCG型三重管不扰动取心钻具结构图

1—多用接头;2—外管;3—钢球;4—上轴承;5—轴承壳;6—下轴承;7—轴承座;8—密封圈;9—轴;10—锁母;11—内管接头;12—锁母;13—弹簧;14—球阀;15—阀座;16—阀盖;17—密封圈;18—活塞;19—球阀;20—内管;21—心管(有机玻璃管);22—外管短节及卡心器;23—心管座;24—钻头;���超前钻头;���钻头

2钻具工作原理

在钻进过程中,该钻具外管总成用于传递扩孔钻进的回转扭矩,内管总成不转动以减少岩心扰动。同时内管中放置的岩心容纳管(有机玻璃管)使岩心进入后不受污染,保持原状样。在钻进过程中,泥浆由上接头分水孔通过内外管间隙送至钻头底部冷却、润滑钻头并携屑上返至地表。内管及岩心容纳管内无泥浆直接冲刷,下钻中容纳管内存有的少量泥浆将随岩心进入而通过容纳管单向阀和内管轴单向阀排至内外管间隙中,返至地表。回次钻进终了,钻具提出地表后,将内外管抽出,卸去内管接头,接上专用接头,通过泵送泥浆压送容纳管活塞,将整个容纳管推出,这样取出的岩心能保持很好的原状性。然后将容纳管两头密封好并标注岩样方向、长度和孔深。

若钻进较软淤泥质地层,可换超前内管压入式钻头或活瓣式外钻头。内外管的配合长度可通过调节内管心轴锁母来实现微调。

3特种钻头及岩心卡取器

为适应不同地层取出原状不扰动样的需求,设计了特种钻头和卡心器。其钻头结构及卡心器设计上具有以下特点。

(1)钻头磨料的选择

1)第四系松散层选择硬质合金钻头。一般用八角式和方柱状,遇到粗砂、卵砾石层选用球型和八角式合金。

2)第三系和4～6级岩层选择硬质合金和金刚石复合片钻头。

3)卵砾石地层选择金刚石(以孕镶热压为主)或针状合金钻头。

(2)唇部设计

第四系松散层钻头唇部设计为阶梯式和外肋骨式,以免钻孔缩径包死钻具,并可减少起下钻具时的抽吸效应(图4-3)。卵砾石地层钻头底唇部设计为平底式较好,以减小钻进中震动,提高钻头寿命。

(3)水路设计

钻进中松软、松散地层易遇水冲蚀,因此钻头水路设计应避免泥浆直接冲刷和污染岩心。为此多采用底喷和侧喷式钻头结构,保证钻进中泥浆既不冲刷岩心又能良好冷却钻头和排除岩屑(图4-3)。

图4-3 特殊取心钻头及卡心装置

(a)底侧喷式合金钻头;(b)外肋骨底喷合金钻头;(c)环刀超前式取心器;(d)翻板式取心器;(e)倒刺式取心器

(4)岩心卡取器设计

三重管钻具除用常规的钻头卡簧外,还根据不同的复杂情况在钻头本体或短节上设计了超前压入式、翻板式和弹簧舌片式卡取心装置,如图4-3所示。

4应用效果

SCG型三重管不扰动样取心钻具在21个地质找矿钻探和科学钻探孔中进行了推广应用(其中,环境科学钻探孔4个,地震断层剖面勘探三条剖面取样孔8个,城市三维立体地质调查孔7个,地质找矿勘探孔2个),累计完成钻探工作量648851m,最深钻孔86266m,不扰动岩心(样)平均采取率达到90%以上,完全满足地质科学研究样品要求。不扰动岩心样如图4-4所示。所施工的科学钻探孔取心质量指标如表4-1所列,不同地层岩心采取率见表4-2。

图4-4 三重管不扰动岩心样

表4-1 施工的科学钻探孔取心质量指标一览表

表4-2 不同地层岩心采取率一览表

(二)半合管取心钻具

半合管钻具是在普通单动双管基础上改进而成的不扰动岩心(样)取心钻具。目前国内常用的半合管钻具有:KZ系列(中国地质科学院勘探技术研究所设计)、SDB系列(成都李工钻探设备有限公司设计)和WX系列(无锡钻探工具厂有限公司设计)。该钻具已在复杂的破碎、松散地层钻进中显示出很好的取不扰动样性能优势。

1钻具结构

半合管取心钻具由外管、单动总成、分水接头、半合内管总成、卡心系统、隔水钻头等部件组成。KZ和SDB系列半合管取心钻具如图4-5、图4-6所示。

图4-5 KZ单动双管钻具

1—上接头;2—轴承腔;3—弹簧;4—心轴;5—扩孔器;6—螺母;7—内管接头;8—外管;9—内管;10—扶正环;11—卡簧座;12—卡簧;13—钻头;

B1—轴承;B2—轴承;B3—隔水钢球;B4—弹性垫圈

2钻具工作原理

半合管钻具将普通单动双管的内管设计成半合管,钻进中外管回转,半合内管处于不回转状态,岩心进入半合管中,泥浆由分水接头经内外管环隙至隔水钻头,再由外管与孔壁间隙返至孔口,使半合管中岩心不受泥浆冲蚀污染及搅动。取心时将半合管从外管中抽出,卸掉半合管卡箍即可从半合管中取出原状岩心。从而避免用敲击外管或水泵憋出岩心的传统方法,造成岩心出管时扰动、混淆、结构失真。该钻具配用的隔水、防冲蚀钻头如图4-7所示。

3应用效果

KZ、SDB、WX三种型号的半合管取心钻具曾用于汶川地震断裂带科学钻探项目5个钻孔施工,在罕见的复杂地层条件下,保证了不扰动岩心的原状性(图4-8),岩心平均采取率均达90%以上,完全满足科学钻探要求,为地学研究提供了高质量的实物样品。如安徽省地矿局313地质队所施工的汶川地震断裂带科学钻探 WFSD-3孔,终孔深度为150230m,全孔采用半合管取心,平均岩心采取率达925%。不同口径半合管取心钻进的统计数据见表4-3。

图4-6 SDB半合管取心钻具

1—外管;2—半合管;3—定中环;4—沉砂管;5—单向阀机构;6—上单动机构;7—轴;8—下单动机构

图4-7 典型的隔水防冲蚀钻头

图4-8 不扰动岩心样

表4-3 WFSD-3孔取心钻进数据一览表

(三)液压活塞式取心钻具

北京探矿工程研究所研制的液压活塞式取心钻具主要用于松软或半固结地层中采取不扰动岩心(样)。该钻具曾获国家专利(专利号:ZL201120295071)。

1钻具结构

液压活塞式取心钻具由内管总成、打捞接头、剪切销、内管密封环、外管密封环、迅速释放器、钻杆、钻铤、下支撑轴承、缓冲器、活塞头和密封环、切削鞋和外钻头等组成,如图4-9所示。

图4-9 液压活塞取心钻具结构及原理

2钻具工作原理

该钻具内管总成坐落和密封在绳索取心外管中,来自于地表泵的高压泥浆通过钻杆给内管总成加压,压力逐渐升高直至剪断安全销,瞬间将内管压入地层。其压入速度可达6～12m/s,由于快速压入且钻具不回转,岩心受到最小的扰动,上下层不会混淆,岩心采取率达100%。由于有活塞隔开泥浆,使岩心免受污染,取出的岩心精细、原位、保真。

3使用方法及效果

该具在松软(散)地层中取样时,外管及外钻头主要起取心后扩孔作用,内管及切削鞋用于静压快速切入地层取心。岩心进入内管后,用绳索取心打捞器把内管总成打捞上来,取出原状岩心样。然后用外管钻具扩孔至上一回次取样孔底,再向钻杆内投入另一套取样钻具,如此循环。

该取心钻具曾在南海进行了三次海上深水取样,成功率和原状岩心采取率均达到100%,获得了良好的使用效果。

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吉凶指数：84（仅供参考）

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