1.四川省地质矿产勘查开发局一O九地质队 610100;2.中国地质科学院探矿工艺研究所 611734
摘要：本文介绍了模块化取心钻具于2009年在四川省冕宁县牦牛坪稀土矿四川省地矿局一O九地质队机台进行了生产性试验，并在完整地层和破碎地层分别对模块化取心钻具的工作原理、结构和试验情况、和以往数据的比对、以及存在的一些问题进行了详细介绍，并对模块化取心钻具的应用前景进行了展望。
关键词：取心钻具；取心模块；完整地层；破碎地层；沙层；工作原理
一、前言
多功能模块化岩心钻探技术研究的Φ75完整地层和破碎地层模块化取心钻具于2009年10月21日—12月30日在四川省冕宁县牦牛坪稀土矿四川省地矿局一O九地质队所属机台进行了生产性试验。Φ75多功能模块化取心钻具主要在破碎地层中进行了试验，其试验进尺289.06m，取上岩心257.90m，平均岩心采取率89.22%，回次数186回次，平均回次进尺1.55m，各项指标达到了合同和总体设计中的要求，试验达到了预期目的。
二、试验钻具工作原理
完整地层模块化取心钻具由基础钻进装置和完整地层取心模块二部分组成。
破碎地层模块化取心钻具由基础钻进装置和破碎地层取心模块二部分组成。
其中基础钻进装置的结构和工作原理相同。
（一）基础钻进装置的结构和工作原理：
该装置是多功能模块化取心钻具的公共部分，由以下几部分组成：上接头（接钻杆）、沉沙机构、轴向滑动机构、二级单动机构、单向球阀、下接口（接外管，内管的螺纹），具体结构原理如图1所示。
图1 基础钻进装置的结构原理
上接头：与钻杆相连接。
沉沙机构：由内、外沉沙管构成沉沙空间，通过改变冲洗液的流向，让泥浆中的颗粒沉淀在沉沙空间中。该机构能减少冲洗液中沙子进入钻具中的数量，从而让单动机构单动性能更为可靠，轴承密封变得较为简单，延长轴承寿命。一般情况下，为了简化钻具结构，可以取消此机构。而只在含沙量重的地层使用。
密封机构：密封和单动是一对矛盾，密封好了，密封圈本身又影响到单动性能。密封差了，轴承寿命太短。我们的设计是：为了保证单动的可靠性，O形密封圈设计较松，只防沙子不防水。
二级单动机构：一级单动机构采用钢球，其特点是寿命较长，抗沙干扰能力比轴承好。二级单动机构采用二盘推力轴承加一盘扶正轴承，单动性能和同心度较好。通过二级单动，确保取心基础钻进装置具有良好的单动性能。
单向球阀：它的功能一是钻进过程中，岩心进入内管时，能将内管中的水排出；二是提钻过程中，没有冲洗液对岩心的液柱压力。
下接口：就是能与五种模块的内、外岩心管方便和快速地相连接的二处外螺纹。
（二）完整地层取心模块的结构和工作原理：
完整地层取心模块由内外岩心管、钻头、卡簧座、普通卡簧和扶正环等组成，如图2所示。
其设计特点是在外岩心管内，扩孔器的上方装有扶正环，既能保证内外管的同心度，又能保证足够的冲洗液通道。增加内外管的同心度，有以下几方面的优点：1、单动性能更好。2、有利于岩心进入内管，减少岩心在卡簧座处的堵塞，避免因此而引起的提钻。3、提高岩心采取率。
图2 完整地层取心模块的结构和工作原理
钻头类型结构：根据地层可钻性选择金刚石、复合片或合金钻头。如果夹有碎块，则选用底喷结构。
使用本模块时，如果基础钻具设计有轴向滑动机构，则必须通过加垫圈方式，让轴向滑动距离为零。
（三）破碎地层取心模块的结构和工作原理：
破碎地层取心模块由喷反机构、单向球阀、底喷式隔水机构、半合管和普通卡簧等组成。
喷反机构：因为碎块岩心容易自堵，所以在单动机构下部设计喷射式反循环。通过高压液流产生的抽吸作用，让碎块岩心在岩心内管中处于悬浮状态，减少岩心的堵塞和自磨。
单向球阀：基础钻进装置中的单向球阀必须取消，即用实心螺母堵死其水路。而在破碎地层取心模块设计中增加单向球阀，它位于承喷器的下方。
底喷式隔水机构：它由底喷式钻头和底喷式卡簧座组成，避免了液流阻碍碎块岩心进入内岩心管和冲刷岩心根部。
半合管：为方便退心和提高岩矿心采取率，内管拟采用半合管。半合管采用卡箍抱紧方式组装。对岩心内管的内壁进行抛光处理，增加其光洁度，减少岩心进入内管的阻力。
普通卡簧：因为岩心容易自堵，所以使用普通卡簧卡取岩心就可以了，不需要莲蓬卡簧。
三、矿区钻探工程布置及质量要求
四川省冕宁县牦牛坪稀土矿区补充（南段）地质勘探设计，设计投入钻探工作量18800米，计77个孔，平均孔深244米。
地质要求：
1、按《岩心钻探规程》六项质量指标执行。
2、矿心采取率≥80%，由于矿区全孔矿化严重，因此全孔采取率均按矿层要求。
3、在疏松易碎矿层中尽量保持矿层原有的结构和完整性。
4、取心直径≥45mm。
四、试验矿区地层情况
矿区地质条件非常复杂，软硬互层，换层较频繁，薄层仅几十厘米，岩性硬、脆、碎。其基本地层为：
（1）冲洪积层：厚数米至数十米，胶结性差，漏失严重。
（2）霓石英碱正长岩：主要为中—细粒花岗岩结构，是矿区主要矿体围岩，矿带呈网脉状，在钻孔中与稀土矿互层。岩性：硬、脆，裂隙极为发育，在震动及冲洗液的作用下，岩矿心极易粉碎，影响岩心采取率。可钻性≥8级。
（3）碱长花岗岩：岩性完整，可钻性≥8级。
（4）碳酸岩型稀土矿层：主要矿物为氟碳铈稀土矿石，松散、无胶结、破碎、漏失严重，矿心遇水易流失。可钻性5级。
（5）霓石碱长岩型稀土矿：主要矿物成分为花岗岩石，稀土矿等；硬、碎、酥，采心困难。可钻性6级。
（6）碱长伟晶岩型稀土矿：主要矿物成分为伟晶岩和稀土矿等，风化强烈，碎、酥、脆，采心困难，漏失严重。可钻性6级。
五、设备工艺情况
钻机：XY-4立轴式钻机（柴油机）。
泥浆泵：衡阳产BW250型泥浆泵。
钻杆：Φ50普通钻杆。
钻进方法：提钻取心。
泥浆：（1）小裂隙地层：优质钠土（200目）4.5%，CMC 0.5%（工业纯），PHP（≥200万）500ppm，润滑剂（太古油）适量。比重1.03-1.06，漏斗粘度20-25秒，B≤15ml/30min，K=0.5mm。
（2）中裂隙地层：优质钠土（200目）4.5-6%，CMC 0.5%（工业纯），PHP（≥200万）500ppm，水玻璃（模数2.4-3）5-7%，801堵漏剂0.5-5%，润滑剂（太古油）适量。比重1.05-1.08，漏斗粘度30-35秒，B≤15ml/30min。
六、试验情况
（一）Φ75多功能完整地层模块化取心钻具，试验孔号为ZK518孔，机台为1号机，试验孔段（连续）为：167.24—271.23m，完成试验进尺103.99m，取上岩心88.55m，平均岩心采取率85.15%，回次数67回次，平均回次进尺1.55m。
（二）Φ75多功能破碎地层模块化取心钻具，试验孔号为ZK679和ZK5011孔，机台都是4号机，试验孔段分别为：174.20—251.55m，168.80—380.51m，完成试验进尺289.06m，取上岩心257.90m，平均岩心采取率89.22%，回次数186回次，平均回次进尺1.55m。
七、钻进工艺
采用的钻进工艺参数如下：
完整地层取心钻头：外径Ф75mm，内径Ф54.5mm。
破碎地层取心钻头：外径Ф75mm，内径Ф54.5mm。
钻压：3－5KN。
转速：200-400转/分。
钻压和转速的配合：根据不同地层，主要以控制机械钻速为主，要求机械钻速在1-2.5米/小时之间。
八、试验结论
（一）完整地层取心钻具
Φ75多功能完整地层模块化取心钻具在ZK518孔完成试验进尺103.99m。从试验过程和试验数据分析，有如下结论：
1、Φ75多功能完整地层模块化取心钻具，完成试验进尺103.99m，钻具经受住了考验，顺利地完成了预定的试验工作。岩矿心平均采取率达85.15%，超过地质上全孔岩矿心采取率≥80%要求，也超过了本项目总体设计中松散地层采取率≥80%要求。回次最低采取率为78.26%，回次最高采取率为90.4%。
2、试验回次数67回次，平均回次进尺1.55m，达到了本项目总体设计中松散地层平均回次进尺≥1m的要求。
3、钻具设计合理，各机构工作可靠，扶正环的设计是成功的，对提高岩矿心采取率有明显的效果。
4、虽然试验使用的是完整地层取心模块，但试验地层极为破碎，岩心采取率和平均回次进尺，不能按照完整地层来要求。如果按照破碎地层来要求，所有钻探技术指标都达到了任务书的要求。
（二）破碎地层取心钻具
Φ75多功能破碎地层模块化取心钻具在ZK679和ZK5011孔中共完成试验进尺289.06m。从试验过程和试验数据分析，有如下结论：
1、Φ75多功能破碎地层模块化取心钻具，完成试验进尺289.06m，钻具经受住了考验，顺利地完成了预定的试验工作。岩矿心平均采取率达89.22%，超过地质上全孔岩矿心采取率≥80%要求，也超过了本项目总体设计中松散地层采取率≥80%要求。回次最低采取率为79.7%，回次最高采取率为97.1%。
2、试验回次数136回次，平均回次进尺1.56m，达到了本项目总体设计中松散地层平均回次进尺≥1m的要求。
3、钻具设计合理，各机构工作可靠。
（三）与原有取心方法的效果对比
队上原有取心钻具有：（1）球阀式双动双管合金钻具。（2）集心式双动双管合金钻具。（3）喷射式反循环双动双管合金钻具。（4）喷射式反循环单动双管合金钻具。前三种都是双动双管，由于机械破坏作用导致采心率较低。第四种虽为单动双管，但一般喷射式反循环对此类地层并不适合，因为矿心普通怕水。选取的对比孔ZK555采用的是Φ75常规的单动双管钻具，其钻进取心效果如下：
钻进孔段（连续）为：138.56—265.77m，进尺127.21m，取上岩心104.1m，平均岩心采取率81.83%，回次数89回次，平均回次进尺1.43m。因为纯钻时间记录误差太大，机械钻速不进行对比。
1、岩矿心采取率的对比：Φ75多功能破碎地层模块化取心钻具与常规单动双管比较，采取率从81.83%提高到89.22%，提高了7.39个百分点，提高了9.03%。
2、平均回次进尺的对比：Φ75多功能破碎地层模块化取心钻具与常规单动双管比较，平均回次进尺从1.43提高到1.55，提高了8.39%。
提高岩矿心采取率，可以增加优质孔率、避免或减少补心工作量、减少报废进尺；提高回次进尺长度，可以提高纯钻时间利用率；因而都可以达到降低综合钻进成本的目的。但由于试验进尺有限，时间紧迫导致数据收集困难，所以难以进行全面的经济数据对比分析。
九、存在的问题和建议
1、在不降低岩心采取率的前提下，建议简化钻具结构。
2、合金钻头寿命较低。建议优化钻头结构参数，保证合金焊接质量。
3、本次试验钻具其中一种是Φ75完整地层模块化取心钻具，而本矿区地层非常复杂，不是完整地层。虽然Φ75完整地层模块化取心钻具在复杂破碎地层中也取得了不错的效果，但有必要在真正完整地层中进行生产试验，检验其技术指标。
十、技术展望
复杂地层取心困难是岩心钻探长期存在的一个难题，虽然在不断地研究和不断地进步，但问题依然存在。
我们研制的多功能模块化取心钻具，具有广泛的适应性，能兼顾完整地层、硬煤层、软煤层、破碎地层和沙层等五种地层的取心技术要求。该多功能模块化取心钻具以取心基础钻进装置为主体，通过更换取心模块，在上述五种地层的钻进取心中，均能获得良好的取心质量。因此它应当具有很好的推广应用前景和市场开发价值。
但本工作项目在研究过程中存在如下问题：煤层模块化取心钻具（包括硬、软两种）和沙层模块化取心钻具由于试验工作量太少，需要继续试验，并在试验中改进和完善设计。钻具结构较为复杂，在保证取心效果的前提下进行简化和优化工作是今后的努力方向。
参考文献：
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［5］尤建武等.汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）不同取心方法的应用效果分析［J］,探矿工程，2009，（12）
论文作者:付建金1,邓梦春2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/31
标签：地层论文; 岩心论文; 进尺论文; 钻具论文; 多功能论文; 完整论文; 机构论文; 《防护工程》2017年第27期论文;