安徽省煤田地质局第二勘探队 安徽芜湖 241006
摘要：近年来，随着地勘行业向深部勘探延伸和加大非常规天然气的勘探开发，在钻探过程中的取心要求更加严格，取心工具的使用也越来越规范。本文简要介绍有关地质钻探中的岩心采取知识。
关键词：地质勘探 岩心采取 取心工具 取心方法
钻井取心是获得地层资料主要手段和最直接方法，通过地层岩样的分析研究，可以了解底层构造、岩层性质、矿产资源、岩层渗透率、孔隙度等地层特点，并根据地层特点制定科学合理的勘探施工设计方案。因此钻探岩心采取在钻探施工中十分重要，因此，如何从钻孔中取出取全取准可靠的实物地质样品是钻探工作的关键技术之一。为了做好岩心的采取工作，笔者认为首先要掌握勘探区地质设计对岩心采取的要求，其次要根据设计要求选择取心工具和取心方法。
1.岩心采取的基本要求
1.1.岩心的采取率
是指在回次钻进过程中实际取出的岩心长度与实际钻进进尺的比值。按照需要与可能原则，工程合同中或设计部门应先规定出取心孔段的岩心采取率的具体指标。可按以下公式计算、考核：岩心采取率=[岩心长度÷取岩心进尺长度〕x100%。式中的进尺和岩心长度，系指在固体岩层中的实际进尺和取出的岩心长度。除设计要求外，一般不包括废矿坑、空洞、表面覆盖物、浮土层、流砂层的进尺及取出物。
1.2.岩心采取要求
钻探施工单位应根据合同要求或设计部门设计，可全孔取心，部分孔段取心或全孔不取心。
钻探施工单位负责做好以下工作：取出的岩心、矿心要保持其天然的结构和构造，不受外污的浸蚀。以便划分矿石类型，观察其原生结构和共生关系，避免影响矿石的品位、物理性能。清洗岩心，尽量避免人为的破碎、颠倒和扰动以保持岩矿心的完整性。同时，应自上而下按顺序装进岩心箱（松软、破碎、粉状或易溶的岩心应装入塑料袋中）；按规定给岩心编号，放好岩心隔板并妥善保管；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其地质构造，要求取出岩矿心的位置准确。如果岩心采取不足，应进行补取。
2.影响岩心采取率与品质的因素
2.1.自然因素
地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性研磨性和易溶度等。钻进坚硬、致密、完整的岩矿时，岩心不怕冲刷、振动，取出的岩心完整，采心率高，能保持其原生结构；钻进松散破碎、节理发育的岩矿时，取出的岩心多呈粒状、块状和粉状，不仅原生结构遭到破坏，而且岩心的采取率也低，甚至取不上岩心；钻进强研磨性地层，切削具易磨钝，钻进效率低，回次时间长，岩矿心受外力作用时间也长，影响岩矿心采取的品级和采取率。
2.2.人为因素
钻进方法选择不合理：钢粒钻进→岩心细→对岩心的磨损作用；硬合金钻进→磨损轻微；金刚石钻进→磨损最小。钻具结构选用不合理：不合理的具组合→离心力和水平振动，使岩心受损破坏。钻进规程不合理：压力过大→钻具弯曲振动→破坏岩心；转速过大→钻具振动大→岩心破坏加剧；泵量过大→冲刷力大→易冲毁和磨耗岩心。 操作方法不正确：盲目追求进尺提钻不及时，增加岩心在孔底被破坏的可能性；提动钻具过猛或采心方法不当，则易造成岩心脱落；退心时过分敲打易造成岩心的人为破碎和上下顺序颠倒，影响岩心的完整性和真实性。
3.取心工具的种类
取芯工具主要用于石油、煤田、冶金等地质勘探钻井中获取岩样。为了提高岩矿心采取率与品质，根据钻进岩矿层完整程度不同，分别采用不同类型和结构的取心器具，取心工具的类型较多，按工具结构可分为：单筒式和双筒式取心工具：按割心方式可分为：自锁式、加压式、差动式和砂卡式取心工具；按取心长度可分为：短筒取心工具和中长筒取心工具；按取心方式与取心目的又可分为：常规取心工具和特殊取心的工具。
4.岩心采取的方法
4.1.卡取岩心的方法
卡料卡取法：回次终了时从地面投入卡料（小碎石、铁丝、铁河
砂），卡紧扭断岩心。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆适于硬、中硬、完整岩层硬合金和钢粒钻进。
卡簧卡取法：卡簧（也称提断器）卡取法在回次终了稍上提钻具，把岩心卡住并拉断。适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩层的金刚石钻进取心方便可靠，但对岩心直径与卡簧的配合精度要求较高。对卡簧及卡心操作的要求：卡簧应有足够强度和弹性。用弹簧钢65锰及调质钢40铬加工，硬度HRC45-50。卡簧自由内径<钻头内径0.3mm，自由内径过大卡不牢岩心→中途脱落。自由内径过小→岩心堵塞。检查卡簧自由内径是否合适的方法，将卡簧套在岩心上既有一定抱紧力，又能在岩心上被轻轻推动。为减少留岩心，卡簧安放位置应尽量靠近钻头底部正常钻进时不能提动具，否则会过早抛断容心，造成岩心结塞。
投球反循环法：回次终了停水投球，上下串转钻具让岩粉聚集并塞住心即可提钻。但有埋、烧钻的危险，适用于硬合金对软或粘性岩层的钻进。
沉淀卡取法：回次终了停止循环让管内岩屑碎渣沉淀挤塞卡牢岩心。适用软、脆、碎的岩层反循环钻进。常与干钻法结合使用。
楔断器卡取法：回次终了将钻具提出孔外，下入楔断器，利用吊锤冲击楔子将岩心楔断，再下入夹具将岩心提出。该法适用于大直径和岩石比较坚硬、完整的岩层钻进。
4.2.单层岩心管钻具
为提高岩、煤芯采取率在单管钻具中增加分水投球接头和分水帽。钻进时冲洗液通过分水接头中心孔直接进入岩心管内，活动分水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且随岩心一起上移。
4.3.双管钻具
为克服单管钻进时冲洗液对岩心的冲蚀。在岩心管内设置内管容纳岩心，冲洗液从两管之间流动，避免对岩心的直接冲刷，保护岩心。钻进时双管若同步转动，内管仍可能与岩心相对转动，对岩心造成的损害。内管在钻进时不随外管转动，既避免了冲洗液对岩心的冲刷，又避免了钻具转动对岩心造成的不良影响。在取心困难的地层或高速回转的金刚石钻进中，往往能取得较高的取心质量。
双管钻具结构特点：为减弱机械力对岩心破坏，钻具中设置避振缓冲装置；为减轻对岩心冲刷作用，钻具中设置隔水和分流装置；为防止或缓解岩心互磨，双管钻具中增加减磨防磨装置；为防止岩心污染，设置隔浆活塞、压入内管钻头、密封装置等；为防止岩矿心脱落，设置爪簧、压卡装置、隔水球阀等。
5.提高岩心采取率的措施
应根据施工矿区地质条件、岩层的物理机械性质，正确选择取心操作工艺、取心器具、钻进参数和冲洗液类型；下钻前应对取心器性能进行全面检查，取心器应单动灵活、水路畅通、半合管封闭严密可靠、钻头切削具出刃锋利、各种间隙匹配合理。使用后应检查、清洗注油；任何情况下，回次进尺长度不应超过岩心管有效容纳长度。禁止使用已弯曲的粗径钻具；钻进取心困难的岩层时，应适当控制转速、压力、小泵量，并限制回次进尺时间和进尺长度；应优先选用金刚石绳索取心钻进工艺；采用卡料卡取岩心时，应根据岩性及岩心长度确定卡料规格及投人数量，并充分冲孔，确保卡取牢固。卡取岩心时，禁止干钻或猛暾钻具；接到见煤预告书后，钻机应根据煤层情况，研究、制订“见煤”及“打煤”措施。应严格执行守煤制度及班长负责操作制，各小班应统一操作，禁止各行其是；严格执行“见软就提钻”和“进尺缓慢就提钻”打捞岩心的原则，防止因出现岩心堵塞而把煤层打丢、打薄的情况。同时切实做好判层记录工作，准确记录见软、见硬的孔深。煤层第一回次进尺，应控制在0.5m以内；在矿层、矿层顶底板和重要标志层中，岩、矿心没有取上来时应专程捞取。需要钻进时，回次进尺长度严格控制在0.5m以内；煤层顶板岩石坚硬时应采用金刚石钻头钻进；严禁采用钢粒钻进煤层顶板；严禁使用金属卡取煤层顶板岩心；应捞尽岩心后方可钻进煤层；采用绳索取心钻进煤层顶板时，应确保内管总成到位后才能开始扫孔钻进。以防造成打“单管”把煤打薄、打丢；退出岩心时应细心，防止造成岩心人为二次破碎。必要时应使用专用工具，如丝杠、水压器等。取出的岩心应及时清洗干净，自上而下按顺序放入岩心箱内，不得颠倒。
结束语：提高岩心采取率是提高钻探效率和质量的重要内容，当前根据深部钻探的需要，钻探取心技术十分重要。要提高钻探施工人员对提高岩心采取率的认识，增强钻探人员的责任心。积极开发和推广新的钻探工艺，根据地层特点和地质设计要求，合理选择取心工具和方法。
参考文献：
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[3]齐波、牛文明、张一飞.滨海新区钻探取芯技术的改良及应用[J].工程勘察.2011，12：25-27，76.
论文作者:张利伟
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第7期
论文发表时间:2019/10/14
标签：岩心论文; 进尺论文; 卡簧论文; 岩层论文; 煤层论文; 钻具论文; 工具论文; 《建筑细部》2019年第7期论文;