隨著資源勘探和環境科學鉆探的發展,對鉆探樣品提出了更高的要求。不僅要求高采取率,而且要求采取不擾動原位、保真的巖心樣。不擾動取心技術的關鍵是改變常規鉆具結構,使巖心在鉆進過程中不發生沖蝕、振動、自磨、翻轉、錯位、丟失等現象。目前國內常用的不擾動保真取心(樣)鉆具有:三重管取心鉆具、單動雙管半合管取心鉆具和活塞式取心鉆具等。
(壹)SCG型三重管取心鉆具
安徽省地礦局313地質隊探礦工程技術研究所研制的SCG型三重管取心鉆具可在第四紀、第三紀地層中取出不擾動原狀巖心樣。鉆進中巖心直接進入第三層有機透明塑料管中,取心時直接將塑料管連同巖心抽出,並密封塑料管兩端,保證巖心樣不受汙染、不失水、不二次風化,原態保存時間長。該鉆具曾獲國家專利(專利號:ZL200820041782.3)。
1.鉆具結構
SCG型三重管單動不擾動樣取心鉆具主要由外管總成、內管單動總成、巖心容納裝置三部分組成(圖4-2)。其中,外管總成包括:上接頭、外管、外管短節和外鉆頭;內管單動總成由上限位鋼球、軸承、軸承外殼、下軸承座、密封圈、軸、上調節鎖母、內管接頭、下調節鎖母、軸閥彈簧、球閥、閥座、內管、心管座或內管超前鉆頭等部件組成;巖心容納裝置由容納管閥蓋、活塞密封圈、活塞、球閥、巖心容納管等部件組成。
圖4-2 SCG型三重管不擾動取心鉆具結構圖
1—多用接頭;2—外管;3—鋼球;4—上軸承;5—軸承殼;6—下軸承;7—軸承座;8—密封圈;9—軸;10—鎖母;11—內管接頭;12—鎖母;13—彈簧;14—球閥;15—閥座;16—閥蓋;17—密封圈;18—活塞;19—球閥;20—內管;21—心管(有機玻璃管);22—外管短節及卡心器;23—心管座;24—鉆頭;超前鉆頭;鉆頭
2.鉆具工作原理
在鉆進過程中,該鉆具外管總成用於傳遞擴孔鉆進的回轉扭矩,內管總成不轉動以減少巖心擾動。同時內管中放置的巖心容納管(有機玻璃管)使巖心進入後不受汙染,保持原狀樣。在鉆進過程中,泥漿由上接頭分水孔通過內外管間隙送至鉆頭底部冷卻、潤滑鉆頭並攜屑上返至地表。內管及巖心容納管內無泥漿直接沖刷,下鉆中容納管內存有的少量泥漿將隨巖心進入而通過容納管單向閥和內管軸單向閥排至內外管間隙中,返至地表。回次鉆進終了,鉆具提出地表後,將內外管抽出,卸去內管接頭,接上專用接頭,通過泵送泥漿壓送容納管活塞,將整個容納管推出,這樣取出的巖心能保持很好的原狀性。然後將容納管兩頭密封好並標註巖樣方向、長度和孔深。
若鉆進較軟淤泥質地層,可換超前內管壓入式鉆頭或活瓣式外鉆頭。內外管的配合長度可通過調節內管心軸鎖母來實現微調。
3.特種鉆頭及巖心卡取器
為適應不同地層取出原狀不擾動樣的需求,設計了特種鉆頭和卡心器。其鉆頭結構及卡心器設計上具有以下特點。
(1)鉆頭磨料的選擇
1)第四系松散層選擇硬質合金鉆頭。壹般用八角式和方柱狀,遇到粗砂、卵礫石層選用球型和八角式合金。
2)第三系和4～6級巖層選擇硬質合金和金剛石復合片鉆頭。
3)卵礫石地層選擇金剛石(以孕鑲熱壓為主)或針狀合金鉆頭。
(2)唇部設計
第四系松散層鉆頭唇部設計為階梯式和外肋骨式,以免鉆孔縮徑包死鉆具,並可減少起下鉆具時的抽吸效應(圖4-3)。卵礫石地層鉆頭底唇部設計為平底式較好,以減小鉆進中震動,提高鉆頭壽命。
(3)水路設計
鉆進中松軟、松散地層易遇水沖蝕,因此鉆頭水路設計應避免泥漿直接沖刷和汙染巖心。為此多采用底噴和側噴式鉆頭結構,保證鉆進中泥漿既不沖刷巖心又能良好冷卻鉆頭和排除巖屑(圖4-3)。
圖4-3 特殊取心鉆頭及卡心裝置
(a)底側噴式合金鉆頭;(b)外肋骨底噴合金鉆頭;(c)環刀超前式取心器;(d)翻板式取心器;(e)倒刺式取心器
(4)巖心卡取器設計
三重管鉆具除用常規的鉆頭卡簧外,還根據不同的復雜情況在鉆頭本體或短節上設計了超前壓入式、翻板式和彈簧舌片式卡取心裝置,如圖4-3所示。
4.應用效果
SCG型三重管不擾動樣取心鉆具在21個地質找礦鉆探和科學鉆探孔中進行了推廣應用(其中,環境科學鉆探孔4個,地震斷層剖面勘探三條剖面取樣孔8個,城市三維立體地質調查孔7個,地質找礦勘探孔2個),累計完成鉆探工作量6488.51m,最深鉆孔862.66m,不擾動巖心(樣)平均采取率達到90%以上,完全滿足地質科學研究樣品要求。不擾動巖心樣如圖4-4所示。所施工的科學鉆探孔取心質量指標如表4-1所列,不同地層巖心采取率見表4-2。
圖4-4 三重管不擾動巖心樣
表4-1 施工的科學鉆探孔取心質量指標壹覽表
表4-2 不同地層巖心采取率壹覽表
(二)半合管取心鉆具
半合管鉆具是在普通單動雙管基礎上改進而成的不擾動巖心(樣)取心鉆具。目前國內常用的半合管鉆具有:KZ系列(中國地質科學院勘探技術研究所設計)、SDB系列(成都李工鉆探設備有限公司設計)和WX系列(無錫鉆探工具廠有限公司設計)。該鉆具已在復雜的破碎、松散地層鉆進中顯示出很好的取不擾動樣性能優勢。
1.鉆具結構
半合管取心鉆具由外管、單動總成、分水接頭、半合內管總成、卡心系統、隔水鉆頭等部件組成。KZ和SDB系列半合管取心鉆具如圖4-5、圖4-6所示。
圖4-5 KZ單動雙管鉆具
1—上接頭;2—軸承腔;3—彈簧;4—心軸;5—擴孔器;6—螺母;7—內管接頭;8—外管;9—內管;10—扶正環;11—卡簧座;12—卡簧;13—鉆頭;
B1—軸承;B2—軸承;B3—隔水鋼球;B4—彈性墊圈
2.鉆具工作原理
半合管鉆具將普通單動雙管的內管設計成半合管,鉆進中外管回轉,半合內管處於不回轉狀態,巖心進入半合管中,泥漿由分水接頭經內外管環隙至隔水鉆頭,再由外管與孔壁間隙返至孔口,使半合管中巖心不受泥漿沖蝕汙染及攪動。取心時將半合管從外管中抽出,卸掉半合管卡箍即可從半合管中取出原狀巖心。從而避免用敲擊外管或水泵憋出巖心的傳統方法,造成巖心出管時擾動、混淆、結構失真。該鉆具配用的隔水、防沖蝕鉆頭如圖4-7所示。
3.應用效果
KZ、SDB、WX三種型號的半合管取心鉆具曾用於汶川地震斷裂帶科學鉆探項目5個鉆孔施工,在罕見的復雜地層條件下,保證了不擾動巖心的原狀性(圖4-8),巖心平均采取率均達90%以上,完全滿足科學鉆探要求,為地學研究提供了高質量的實物樣品。如安徽省地礦局313地質隊所施工的汶川地震斷裂帶科學鉆探 WFSD-3孔,終孔深度為1502.30m,全孔采用半合管取心,平均巖心采取率達92.5%。不同口徑半合管取心鉆進的統計數據見表4-3。
圖4-6 SDB半合管取心鉆具
1—外管;2—半合管;3—定中環;4—沈砂管;5—單向閥機構;6—上單動機構;7—軸;8—下單動機構
圖4-7 典型的隔水防沖蝕鉆頭
圖4-8 不擾動巖心樣圖片
表4-3 WFSD-3孔取心鉆進數據壹覽表
(三)液壓活塞式取心鉆具
北京探礦工程研究所研制的液壓活塞式取心鉆具主要用於松軟或半固結地層中采取不擾動巖心(樣)。該鉆具曾獲國家專利(專利號:ZL201120295071)。
1.鉆具結構
液壓活塞式取心鉆具由內管總成、打撈接頭、剪切銷、內管密封環、外管密封環、迅速釋放器、鉆桿、鉆鋌、下支撐軸承、緩沖器、活塞頭和密封環、切削鞋和外鉆頭等組成,如圖4-9所示。
圖4-9 液壓活塞取心鉆具結構及原理
2.鉆具工作原理
該鉆具內管總成坐落和密封在繩索取心外管中,來自於地表泵的高壓泥漿通過鉆桿給內管總成加壓,壓力逐漸升高直至剪斷安全銷,瞬間將內管壓入地層。其壓入速度可達6～12m/s,由於快速壓入且鉆具不回轉,巖心受到最小的擾動,上下層不會混淆,巖心采取率達100%。由於有活塞隔開泥漿,使巖心免受汙染,取出的巖心精細、原位、保真。
3.使用方法及效果
該具在松軟(散)地層中取樣時,外管及外鉆頭主要起取心後擴孔作用,內管及切削鞋用於靜壓快速切入地層取心。巖心進入內管後,用繩索取心打撈器把內管總成打撈上來,取出原狀巖心樣。然後用外管鉆具擴孔至上壹回次取樣孔底,再向鉆桿內投入另壹套取樣鉆具,如此循環。
該取心鉆具曾在南海進行了三次海上深水取樣,成功率和原狀巖心采取率均達到100%,獲得了良好的使用效果。