松軟、松散及易溶地層鉆進取心技術(shù)

程紅文，朱恒銀，王強，劉兵

（1.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊，安徽六安 237010)

0 引言

很多礦種蘊藏于復(fù)雜地層中，如鋁土礦、褐鐵礦、稀土、砂金、膨潤土等都賦存于松散、水敏的強風(fēng)化巖層中；汞礦、磷礦、黃鐵礦等賦存于節(jié)理、裂隙發(fā)育的破碎巖層中；鉀鹽、石膏、芒硝等礦層則表現(xiàn)為松軟、酥松易溶解性特征；環(huán)境科學(xué)鉆探一般在海相沉積或陸相湖盆沉積地層中進行，巖心多為黏土、淤泥、卵礫石砂層、泥巖、砂巖和礫巖，酥松、水敏特性明顯，鉆孔易坍塌縮徑；地震科學(xué)鉆探則是在經(jīng)過歷史上無數(shù)次地震后的斷裂帶上鉆進。在這些松散的特殊地層中鉆進取心，巖心易沖蝕、溶蝕，巖心保真難度較大，采取常規(guī)鉆進取心方法難以保證巖心采取質(zhì)量，尤其科學(xué)鉆探需采取原狀不擾動樣更面臨著一種挑戰(zhàn)[1]。

近年來，我國在科學(xué)鉆探、深部礦體勘探中的松軟、松散及易溶復(fù)雜地層取心方法及機具研究方面有了長足的進步，取得了良好的效果[2]。

1 松軟、松散地層不擾動樣取心技術(shù)

隨著資源勘探和環(huán)境科學(xué)鉆探的發(fā)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(shù)的關(guān)鍵是改變常規(guī)鉆具結(jié)構(gòu)，使巖心在鉆進過程中不發(fā)生沖蝕、振動、自磨、翻轉(zhuǎn)、錯位、丟失等現(xiàn)象。目前國內(nèi)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液壓活塞式取心鉆具等。

1.1 SCG型三重管取心鉆具

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊探礦工程技術(shù)研究所研制的SCG型三重管取心鉆具可在第四紀(jì)、第三紀(jì)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，并密封塑料管兩端，保證巖心樣不受污染、不失水，不二次風(fēng)化，原態(tài)保存時間長。該鉆具曾獲國家專利（專利號：ZL200820041782.3）。

1.1.1 鉆具結(jié)構(gòu)

SCG型三重管單動不擾動樣取心鉆具主要由外管總成、內(nèi)管單動總成、巖心容納裝置三部分組成（圖1）。其中，外管總成包括：上接頭、外管、外管短節(jié)和外鉆頭；內(nèi)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(diào)節(jié)鎖母、內(nèi)管接頭、下調(diào)節(jié)鎖母、軸閥彈簧、球閥、閥座、內(nèi)管、心管座或內(nèi)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1 SCG型三重管不擾動取心鉆具結(jié)構(gòu)圖Figure 1.Structure of SCG triple-tube undisturbed coring tool

1.1.2 鉆具工作原理

在鉆進過程中，該鉆具外管總成用于傳遞擴孔鉆進的回轉(zhuǎn)扭矩，內(nèi)管總成不轉(zhuǎn)動以減少巖心擾動。同時內(nèi)管中放置的巖心容納管（有機玻璃管）使巖心進入后不受污染，保持原狀樣。在鉆進過程中，泥漿由上接頭分水孔通過內(nèi)外管間隙送至鉆頭底部冷卻、潤滑鉆頭并攜屑上返至地表。內(nèi)管及巖心容納管內(nèi)無泥漿直接沖刷，下鉆中容納管內(nèi)存有的少量泥漿將隨巖心進入，并通過容納管單向閥和內(nèi)管軸單向閥排至內(nèi)外管間隙中，返至地表?；卮毋@進結(jié)束后，鉆具提出地表，將內(nèi)外管抽出，卸去內(nèi)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。然后將容納管兩頭密封好并標(biāo)注巖樣方向、長度和孔深。

若鉆進較軟淤泥質(zhì)地層，可換超前內(nèi)管壓入式鉆頭或活瓣式外鉆頭，內(nèi)外管的配合長度可通過調(diào)節(jié)內(nèi)管心軸鎖母來實現(xiàn)微調(diào)。

1.1.3 特種鉆頭及巖心卡取器

為適應(yīng)不同地層取出原狀不擾動樣的需求，設(shè)計了特種鉆頭和卡心器。其鉆頭結(jié)構(gòu)及卡心器設(shè)計上具有以下特點。

（1）鉆頭磨料的選擇。第四系松散層選擇硬質(zhì)合金鉆頭，一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；第三系和可鉆性4～6級巖層選擇硬質(zhì)合金和金剛石復(fù)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(shè)計。第四系松散層鉆頭唇部設(shè)計為階梯式和外肋骨式（圖2），以免鉆孔縮徑包死鉆具，并可減少起下鉆具時的抽吸效應(yīng)。卵礫石地層鉆頭底唇部設(shè)計為平底式較好，以減小鉆進中震動，提高鉆頭壽命[4～5]。

（3）水路設(shè)計。鉆進中松軟、松散地層易遇水沖蝕，因此鉆頭水路設(shè)計應(yīng)避免泥漿直接沖刷和污染巖心。為此多采用底噴和側(cè)噴式鉆頭結(jié)構(gòu)（圖2），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。

（4）巖心卡取器設(shè)計。三重管鉆具除用常規(guī)的鉆頭卡簧外，還根據(jù)不同的復(fù)雜情況在鉆頭本體或短節(jié)上設(shè)計了超前壓入式、翻板式和彈簧舌片式卡取心裝置，如圖2所示。

圖2 特殊取心鉆頭及卡心鉆具Figure 2.Special coring bits and core-holding units

1.1.4 應(yīng)用效果

SCG型三重管不擾動樣取心鉆具在21個地質(zhì)找礦鉆探和科學(xué)鉆探孔中進行了推廣應(yīng)用（其中，環(huán)境科學(xué)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(zhì)調(diào)查孔7個，地質(zhì)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(dá)到90%以上，完全滿足地質(zhì)科學(xué)研究樣品要求。所施工的科學(xué)鉆探孔取心質(zhì)量指標(biāo)見表1，不同地層巖心采取率見表2。

表1 施工的科學(xué)鉆探孔取心質(zhì)量指標(biāo)一覽表Table 1.List of coring quality indexes of scientific drilling holes completed

表2 不同地層巖心采取率一覽表Table 2.List of core recovery rates in different formations

續(xù)表1

1.2 半合管取心鉆具

半合管鉆具是在普通單動雙管基礎(chǔ)上改進而成的不擾動巖心（樣）取心鉆具。目前國內(nèi)常用的半合管鉆具有：KZ系列（中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所設(shè)計）、SDB系列（成都李工鉆探設(shè)備有限公司設(shè)計）和WX系列（無錫鉆探工具廠有限公司設(shè)計）。該類型鉆具在復(fù)雜的破碎、松散地層采取不擾動樣時，具有較好的效果。

1.2.1 鉆具結(jié)構(gòu)

半合管取心鉆具由外管、單動總成、分水接頭、半合內(nèi)管總成、卡心系統(tǒng)、隔水鉆頭等部件組成，KZ和SDB系列半合管取心鉆具如圖3、圖4所示。

圖3 KZ單動雙管鉆具Figure 3.KZ single-acting double-tube drilling tool

圖4 SDB半合管取心鉆具Figure 4.SDB half-closed tube coring tool

1.2.2 鉆具工作原理

半合管鉆具將普通單動雙管的內(nèi)管設(shè)計成半合管，鉆進中外管回轉(zhuǎn)，半合內(nèi)管處于不回轉(zhuǎn)狀態(tài)，巖心進入半合管中，泥漿由分水接頭經(jīng)內(nèi)外管環(huán)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污染及攪動[6]。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(tǒng)方法，造成巖心出管時擾動、混淆、結(jié)構(gòu)失真。該類型鉆具配用的隔水、防沖蝕鉆頭如圖5所示。

圖5 典型的隔水防沖蝕鉆頭Figure 5.Typical water-resistant and erosion-resistant bit

1.2.3 應(yīng)用效果

表3 WFSD-3孔取心鉆進數(shù)據(jù)一覽表Table 3.List of WFSD-3 hole coring drilling data

圖6 不擾動巖心樣圖片F(xiàn)igure 6.Undisturbed core sample

1.3 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于松軟或半固結(jié)地層中采取不擾動巖心（樣）。該鉆具曾獲國家專利（專利號：ZL201120295071）。

1.3.1 鉆具結(jié)構(gòu)

液壓活塞式取心鉆具由內(nèi)管總成、打撈接頭、剪切銷、內(nèi)管密封環(huán)、外管密封環(huán)、迅速釋放器、鉆桿、鉆鋌、下支撐軸承、緩沖器、活塞頭和密封環(huán)、切削鞋和外鉆頭等組成，如圖7所示。

圖7 液壓活塞取心鉆具結(jié)構(gòu)及原理Figure 7.Structure and principle of hydraulic piston coring tool

1.3.2 鉆具工作原理

該鉆具內(nèi)管總成坐落和密封在繩索取心外管中，來自于地表泵的高壓泥漿通過鉆桿給內(nèi)管總成加壓，壓力逐漸升高直至剪斷安全銷，瞬間將內(nèi)管壓入地層。其壓入速度可達(dá)6～12m/s。由于快速壓入且鉆具不回轉(zhuǎn)，巖心受到最小的擾動，上下層不會混淆，巖心采取率達(dá)100%。由于有活塞隔開泥漿，使巖心免受污染，取出的巖心精細(xì)、原位、保真。

1.3.3 使用方法及效果

該鉆具在松軟（散）地層中取樣時，外管及外鉆頭主要起取心后擴孔作用，內(nèi)管及切削鞋用于靜壓快速切入地層取心[7～8]。巖心進入內(nèi)管后，用繩索取心打撈器把內(nèi)管總成打撈上來，取出原狀巖心樣。然后用外管鉆具擴孔至上一回次取樣孔底，再向鉆桿內(nèi)投入另一套取樣鉆具，如此循環(huán)。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(dá)到100%，獲得了良好的使用效果。

2 易溶性地層鉆進取心技術(shù)

2.1 鉆進取心方法

易溶性地層主要采用普通單動雙管、單動半合管鉆具，配合隔水式底噴金剛石和復(fù)合片鉆頭鉆進，以減少泥漿對巖心的沖刷、溶蝕作用。該地層鉆進的關(guān)鍵是如何有針對性地選擇泥漿，抑制易溶性地層分解溶蝕，以保證巖心完整性和孔壁穩(wěn)定性。其作用原理是使用與所鉆易溶地層化學(xué)性質(zhì)相近的泥漿處理劑，促使同離子效應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡，以抑制地層溶蝕。

鉆進過程中，若泥漿中與地層的同號離子濃度未達(dá)到飽和狀態(tài)，地層中大量離子將進入泥漿，造成地層逐漸被溶蝕；若泥漿中同號離子的濃度達(dá)到飽和，地層將不被溶蝕而保持穩(wěn)定。依據(jù)同離子相互交換吸附原理，在泥漿中加入與溶蝕地層相同離子的處理劑（如KCl、NaCl、Na2SO4、Na2CO3、CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2等），可達(dá)到抑制地層防止孔壁超徑、巖心溶蝕之目的。

1952年Markowitz［9］創(chuàng)造性地提出均值—方差模型，使用期望度量投資收益，使用方差度量投資風(fēng)險，其核心思想是投資者要想獲得理想的收益而又不承擔(dān)太大的風(fēng)險，就要進行合理適當(dāng)?shù)姆稚⑼顿Y。黃曉霞將模糊的思想和信息熵運用到投資組合中，提出分散化的均值—方差模糊投資組合模型［5-6］：

2.2 應(yīng)用效果

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊在廣東東莞中堂鹽礦和廣東龍歸鹽礦兩礦區(qū)（礦層屬純鹽層），采用PHP低固相泥漿加入鹵水作為沖洗液，共施工10口探采結(jié)合鹽井，均獲成功，鹽心采取率達(dá)85%以上。實踐證明，只要保證泥漿濾液鹽含量≥35%，達(dá)到波美度25°B′，即可滿足鉆進需要。

安徽明光定遠(yuǎn)鹽礦區(qū)用抗鹽、抗鈣泥漿鉆進鹽膏泥復(fù)合層，克服了鉆孔超徑現(xiàn)象，巖心采取率達(dá)90%以上[9]。采出的純鹽礦心及鹽膏泥復(fù)合層巖心見圖8。

圖8 易溶鹽礦及巖膏層巖心樣Figure 8.Core samples of soluble salt deposit and gypsolyte

3 松軟（散）、易溶地層鉆進取心工藝要點

為保證松軟（散）、易溶地層取心質(zhì)量和安全鉆進，除正確使用取心鉆具和泥漿外，還應(yīng)注意以下作業(yè)要點。

（1）回轉(zhuǎn)鉆進取心時應(yīng)采用小泵量、低轉(zhuǎn)速、中鉆壓的鉆進規(guī)程參數(shù)，以保證巖心采取率。

（2）鉆具下到孔底鉆進前應(yīng)大泵量沖孔排渣，保持孔底干凈。

（3）鉆具應(yīng)有良好的單動性能，鉆具長度一般不應(yīng)超過3m。

（4）取心鉆具及粗徑鉆具同心度和剛性要好，應(yīng)有良好的扶正裝置，以減小鉆進時擺動，保證巖心的原狀性[10]。

（5）鉆頭外徑應(yīng)比完整地層用鉆頭大5～10mm，以防鉆進時抱鉆和提鉆時的抽吸效應(yīng)。

（6）用半合管及三重管取心鉆進時應(yīng)少鉆多提，一般回次進尺不得超過2m。

（7）鉆進易溶性地層時，除控制回次進尺外，還應(yīng)控制回次鉆進時間，若進尺慢，時間過長，巖心自溶變細(xì)，難以卡取。

（8）回轉(zhuǎn)取心鉆進回次結(jié)束時，應(yīng)停泵干鉆1～2min，使鉆頭部位巖心卡牢。

（9）提鉆過程中應(yīng)及時向孔內(nèi)回灌泥漿，使取心鉆具始終不脫離孔內(nèi)泥漿液面，以防巖心脫落。

（10）提鉆時慎防敲擊、撞擊鉆桿，應(yīng)做到慢提輕放。

4 結(jié)語

鉆進松軟、松散及易溶地層為巖心鉆探領(lǐng)域的一大難點，需要采用特殊的鉆進技術(shù)工藝、鉆探（取樣）工具，才能保證巖心采取率和巖（土）樣原狀性。本文總結(jié)了一些以往取得的經(jīng)驗和研究成果，詳細(xì)介紹了松軟、松散及易溶地層的特殊鉆進取心技術(shù)，且在實際工程中取得了良好的應(yīng)用效果，可為今后同類地層鉆進提供技術(shù)參考。但仍面臨不少技術(shù)難題，需廣大專業(yè)技術(shù)人員日后攻破，進一步推動我國鉆探技術(shù)的發(fā)展。