双出口旋流取样器在RC钻探试验中的应用

刘 杰， 刘跳民， 杨胜兴， 王安刚， 底衡波， 钱书伟

(1.中色地科矿产勘查股份有限公司，北京 100012； 2.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012； 3.贵州省有色金属和核工业地质勘查局，贵州 贵阳 550005)

1 概述

2014—2016年，有色金属矿产地质调查中心在新疆哈密地区开展了“卡拉塔格整装勘查区成矿规律与找矿预测研究”项目，该项目是国土资源部公益性行业科研专项经费项目，项目的研究目标是：查明卡拉塔格整装勘查区成矿地质背景、关键控矿因素和盆-弧构造演化机制和规律；研究开发一套适应荒漠-浅覆盖区VMS型和斑岩型铜多金属矿床快速勘查评价技术方法，集成成矿规律和勘查技术研究成果，构建VMS型、斑岩型矿床找矿预测标志体系和勘查模型，为找矿突破提供技术支撑；开展找矿靶区预测与快速评价示范；开展RC(空气反循环)钻探技术对比研究与应用示范，为制定空气反循环钻探行业技术规范提供科学依据，为整装勘查区提供先进的钻探技术手段。

该研究项目分4个课题，其中一个是“RC钻探与金刚石岩心钻探对比试验(编号：201411026-4)”，在实施RC钻探与金刚石岩心钻探对比试验研究中，课题组对岩样收集工具——旋流取样器进行了研究，针对国内普遍使用的单出口旋流取样器存在的问题做出了改进，研制出了双出口旋流取样器。

2 国内外取样器简介

国外发达国家的RC钻探样品收集装置大多把旋流取样器与样品缩分器做成一个整体(参见图1)，并悬挂于钻机旁边，样品收集后直接进入缩分器，出来的样品只收集2个小样，大部分样品弃掉，节省收集成本，提高了施工效率。

图1 取样、缩分一体的采样系统

国内的取样器大多是单出口旋流取样器，取样和缩分是分开的，先取大样，即所有段长的样品收集于一个大塑料袋中，再倒入缩分器中进行缩分(参见图2、图3)。这种两步走的样品收集方式效率低，工人劳动强度大。

图2 单出口取样器

图3 缩分器

3 单出口旋流取样器存在的问题

本课题实验中采用国内用得较多的单出口旋流取样器，高速空气携带孔底样品从切线方向进入旋流取样器，通过离心力及重力作用使气体和固体在取样器中分离，质量大的固体颗粒沿旋流器内壁下落，从下出口进入样袋；一部分很细小的粉尘被气流携带从旋流器的排气口排出到环境中。

试验发现，单出口取样器存在以下问题。

(1)由于不规范操作造成取样、换样品袋间隙的样品遗漏。

单出口取样器取样过程：一个取样段长施工结束，取样工得到司钻人员指令后取下样袋，再把空样袋套到取样器出口上绑好。按操作流程，在取样时间段内是不能进尺的，但实际生产过程中，操作人员往往会不按规程操作，连续进尺。经试验实测，换样品袋的时间一般3～5 s，钻进时效18～37 m/h，据此计算，造成每米样品流失0.02～0.05 m。图4为试验钻孔MRC0904在孔深102 m时遗漏的样品。

图4 遗漏的样品

(2)取样造成环境污染。

取下样品袋后，大量气体、粉尘从下出口排出，弥漫在取样器周围，影响操作人员健康，对环境造成了很大的污染。因出口周围粉尘大，操作人员看不清，换样袋时只能凭感觉(见图5)。

4 双出口旋流取样器

为解决上述问题，课题组对单出口旋流取样器进行了改进，设计了双出口旋流取样器(见图6)，并已获得了国家专利(专利号：ZL 2014 2 0766736.5)。主要的改进有两点。

(1)增加了一个出料口。把单出口改成双出口，两个出口共用一个阀门，一个关闭时另一个敞开。这样可进行连续取样，避免了换样品袋间歇的样品遗漏及粉尘污染，减小对工人的健康危害。

图5 取样时的粉尘

图6 双出口取样器示意图

(2)增加了一个喷雾接口。借鉴已有的设计，增加了一个喷雾接口，需要时可通过高压雾水喷淋粉尘，这样可以有效地减少粉尘外溢。

双出口旋流取样器包括溢流口1、直筒体3、锥筒体4、分渣室6、双出渣口7构成。直筒体上设有进渣口和支腿。分渣室内设有阀门，阀门外焊接一换向手柄，可通过换向手柄控制阀门的位置。分渣室两侧镶有磁铁，可吸附固定阀门。分渣室外侧设有锁定装置，可以固定换向手柄的位置。分渣室下设有2个出渣口，通过调节换向挡板可以控制2个出渣口的开关。

实际应用中，先准备两个样品袋分别连接在两个出渣口上，通过换向手柄使一侧出渣通道打开，另外一侧处于关闭状态。空气与岩粉样品的混合物从进渣口进入旋流取样器内部，在重力及离心力的作用下，气体、轻量粉尘上升从溢流口排出，质量大的颗粒在直筒体内壁旋转过程中不断下落，到达分渣室后，从开启一侧的出渣口进入下方的样品袋中。当达到一个取样段长度后，立刻通过换向手柄调节阀门位置，关闭本侧出渣口通道的同时开启另外一侧出渣口，并用锁定装置锁定好换向手柄位置，使样品进入另一个样品袋。然后将装了样品的袋子取下，套上新的空样品袋，重复以上过程，直至施工结束。

如果需要，可安装小水泵，连接进渣口处的喷雾装置，对进入取样器的样品喷雾，进一步降低粉尘。在取样钻探中，喷雾装置一般不用，因为影响取样品质。

设计的双出口旋流取样器是整体式的，在加工过程中我们做了修改，改成分体式的。利用原单出口取样器，在出口下方加上双出口部分，与单出口取样器用法兰盘连接。这样有以下好处：

(1)节省加工费用。只要加工双出口部分，上部利用原单出口取样器，费用大大降低。

(2)便于维修。若双出口部分坏了可拆下来维修，整体式的维修不方便。

(3)便于转换。万一双出口部分出故障一时修不好，拆下双出口部分后单出口取样器可以继续使用。

图7是加工好的双出口部件，图8是工人在单出口取样器的出口法兰上钻眼。

图7 双出口旋流取样器分渣器

双出口部件加工好后到工地，加工好连接法兰，组装好。经过初步试验，发现两个问题，一是出口部位太低，不方便装样；二是阀门转轴位置缝隙大，有漏气漏样现象。经过改进，缩短了双出口部件，阀门转轴部位及阀门两面贴橡胶板密封。

改装好后再到工地试验，出口的位置还是太低，操作不方便，在出口下的地面挖20 cm的坑可以解决，以后可考虑改变支架形式，提高支架高度。

图8 正在为单出口取样器的出口法兰钻眼

5 双出口旋流取样器的使用效果

经过试验，双出口旋流取样器的使用效果很好，样品流失现象没有了，粉尘大大降低，仅解开绑带时有少许粉尘外溢，之后粉尘全无，说明密封效果很好(见图9)。

图9 取样瞬间

为进一步检查阀门的密封性，我们在正常钻进时特意只装一个样袋，另一个出口关闭，不装样袋，观察该出口的冒气和粉尘溢出情况。结果发现，该出口没有冒气现象，更无粉尘溢出(见图10)，说明阀门的密封性很好。

后又在施工RC14201孔时全孔用双出口旋流取样器取样，完全解决了单出口取样器的两个问题。用了双出口取样器后，不仅解决了样品流失和粉尘的问题，取样工的操作也方便多了。原来取样、装样袋很紧张(为避免更多的样品流失)，不规范，采用双出口取样器后，因为有足够的时间取样、装样袋，操作更加规范、简便。原来粉尘大，解开绑带后取样、装样袋往往看不清楚，凭感觉操作，现在几乎没有粉尘。

图10 溢尘试验

6 结语

RC钻探中，取样工具对样品质量及施工效率起着重要作用。双出口旋流取样器结构简单，加工方便，较之国内通用的单出口旋流取样器在取样质量、环保及操作便利上都更优越，值得推广。

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