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定向取心技術現狀

定向取心技術是20世紀70年代發展起來的。它利用機械專用工具和儀器對巖心進行實時定向取心,在地表復位,獲取巖礦層的結構面產狀。目前國內外具有代表性的機械核心定向器有瑞典阿特拉斯科普柯公司的克雷留斯核心定向器,美國的奧德格斯和克裏斯滕森核心定向器,英國的阿徹威核心定向器,德國的KTB核心定向器,前蘇聯的K-5核心定向器,中國的SDQ-94A、YCO-II、YD-56和YDX-1核心定向器等定向取心的關鍵是獲得清晰可靠的定向標記,主要包括巖心側劃線、巖心端鉆孔和打印三種標記方法。

表10-1國內外典型機械巖心定向工具概述

(壹)芯側切口法

在這種方法中,安裝在芯管中的彈簧雕刻刀用於在芯的側面劃線,作為定向的依據。八五、九五期間研制的SDQ系列,十五期間研制的SDQ-94A定向取芯器(圖10-1)都屬於這壹類型。它由兩部分組成:用於傳輸WOB和扭矩的外管系統和用於定向劃線和取芯的內管系統。在內管短節內安裝三把從內管內壁突出的彈簧刻刀,在芯體進入內管時定向標記芯體的側缺口。壹般情況下,伸縮式彈簧刀可以獲得清晰的定向標記,但當刃口磨損或芯體過硬時,芯體表面的定向標記不清晰,甚至無法雕刻,彈簧刀不易拆卸。當工藝或地層因素造成巖心過薄或被侵蝕時,也會造成槽口不清,使定向取心失敗。

圖10-1 SDQ-94A定向取芯器

1—鉆柱;2-異徑接頭;3-上部外管;4-扶正器;5-彈簧;6方向鍵;7—重力加速度計;8—測量儀器容納管;9—定向接頭;10軸;11-密封圈;12-軸承;13-水連接;14-軸承;15-調節螺母;16—定向螺釘;17—核心筒;18—外管;19—彈簧雕刻刀;20—卡簧座;21—卡簧;22—鉆頭

(2)巖心末端鉆孔法

該方法利用微型鉆頭在巖心端面鉆孔作為定向標記,標記和定向測量同時完成。我國八五期間研制的YDX-1巖心定向儀(圖10-2)將渦輪軸輸出的扭矩傳遞給兩個金剛石微鉆,通過傳動箱用壓簧給微鉆加壓。適用孔徑≥91mm;適用孔深≤200m,驅動渦輪泵能力≥120L/min。

通過這種方法,在型芯形成之前,定位標記清晰,不會因型芯斷裂和扭曲而產生定位誤差。缺點是孔底渦輪結構復雜,體積大,成本高。當渦輪產生的振動達到壹定程度時,容易造成孔壁坍塌,影響打標效果,無法滿足小直徑深孔的要求。

(3)印刷方法

打印芯定位裝置如圖10-3所示。定向取芯前,用專用鉆頭磨平孔底並沖洗幹凈,然後用鉆桿將偏置的打印機下入孔中。打印機下部裝有與偏心重錘同向的硬質合金壓頭或彩筆,利用鉆桿和打印機的自重,在孔底或未破碎巖心頂部留下打孔痕跡(或色點)。位於巖心下壁最低位置的穿孔標誌(或色點)與巖心中心之間的直線的水平投影為鉆孔的方位線。然後把打印機提出來,再把鉆頭放下來,抓住有方向標記的巖心。

打印法的優點是定向和打印機構比較簡單,缺點是偏心重錘工作可靠性差,鉆孔頂角小於5°時定向效果不好,不能用於垂直孔,在堅硬巖層中難以獲得清晰的標記。

以上三種巖心定向儀都是用來從鉆孔底壁計算巖礦層結構面產狀的,當鉆孔有壹定頂角時可以使用。由於壹些不成熟的問題,這項技術至今沒有得到廣泛應用。為了解決利用單孔巖心確定巖層產狀的問題,有必要研究和改進巖心定向技術,提高其可靠性和定向精度,簡化作業程序,降低施工成本。安徽省地礦局313地質隊與中國地質大學(北京)合作開展了深部找礦中小直徑鉆孔孔底電定向打印取心技術研究,克服了傳統巖心定向儀的壹些缺點,使巖心定向標記清晰可靠,解決了直孔、斜孔硬巖層巖心定向的技術難題,擴大了應用範圍。研制的孔底電動定向扶正器獲得國家發明專利(專利號:ZL200910170005.8)。下面重點介紹儀器和定向取芯技術。

圖10-2 YDX-1核心導向器結構圖

I-方向測量儀;ⅱ-孔底動力機;ⅲ-傳動工作頭

1—鉆桿;2-上部非磁性管;3-磁體塊;4—上部測斜儀;5—放下測斜儀;6—非磁性管接頭;7-下部非磁性管;8—非磁性管-動力機殼接頭;9—上軸承座;10—上部調節環;11-動力機器外殼;12-定子;13—轉子;14—旋轉軸;15—下調節環;16-下軸承座-;17-滑槽聯軸器;18—連接管;19—壓力彈簧;20—中心軸;21-變速箱;22—傳動軸;23—支撐管套;24—標記位

圖10-3印刷法巖心定向示意圖

1—鉆桿;2-接頭;3-外管;4-偏心重量;5—壓頭(或彩色筆);6—凹痕坑(或色點)

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