松软、松散及易溶地层钻进取心技术

程红文，朱恒银，王强，刘兵

（1.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；2.安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010)

0 引言

很多矿种蕴藏于复杂地层中，如铝土矿、褐铁矿、稀土、砂金、膨润土等都赋存于松散、水敏的强风化岩层中；汞矿、磷矿、黄铁矿等赋存于节理、裂隙发育的破碎岩层中；钾盐、石膏、芒硝等矿层则表现为松软、酥松易溶解性特征；环境科学钻探一般在海相沉积或陆相湖盆沉积地层中进行，岩心多为黏土、淤泥、卵砾石砂层、泥岩、砂岩和砾岩，酥松、水敏特性明显，钻孔易坍塌缩径；地震科学钻探则是在经过历史上无数次地震后的断裂带上钻进。在这些松散的特殊地层中钻进取心，岩心易冲蚀、溶蚀，岩心保真难度较大，采取常规钻进取心方法难以保证岩心采取质量，尤其科学钻探需采取原状不扰动样更面临着一种挑战[1]。

近年来，我国在科学钻探、深部矿体勘探中的松软、松散及易溶复杂地层取心方法及机具研究方面有了长足的进步，取得了良好的效果[2]。

1 松软、松散地层不扰动样取心技术

随着资源勘探和环境科学钻探的发展，对钻探样品提出了更高的要求。不仅要求高采取率，而且要求采取不扰动原位、保真的岩心样。不扰动取心技术的关键是改变常规钻具结构，使岩心在钻进过程中不发生冲蚀、振动、自磨、翻转、错位、丢失等现象。目前国内常用的不扰动保真取心（样）钻具有：三重管取心钻具、单动双管半合管取心钻具和液压活塞式取心钻具等。

1.1 SCG型三重管取心钻具

安徽省地质矿产勘查局313地质队探矿工程技术研究所研制的SCG型三重管取心钻具可在第四纪、第三纪地层中取出不扰动原状岩心样。钻进中岩心直接进入第三层有机透明塑料管中，取心时直接将塑料管连同岩心抽出，并密封塑料管两端，保证岩心样不受污染、不失水，不二次风化，原态保存时间长。该钻具曾获国家专利（专利号：ZL200820041782.3）。

1.1.1 钻具结构

SCG型三重管单动不扰动样取心钻具主要由外管总成、内管单动总成、岩心容纳装置三部分组成（图1）。其中，外管总成包括：上接头、外管、外管短节和外钻头；内管单动总成由上限位钢球、轴承、轴承外壳、下轴承座、密封圈、轴、上调节锁母、内管接头、下调节锁母、轴阀弹簧、球阀、阀座、内管、心管座或内管超前钻头等部件组成；岩心容纳装置由容纳管阀盖、活塞密封圈、活塞、球阀、岩心容纳管等部件组成。

图1 SCG型三重管不扰动取心钻具结构图Figure 1.Structure of SCG triple-tube undisturbed coring tool

1.1.2 钻具工作原理

在钻进过程中，该钻具外管总成用于传递扩孔钻进的回转扭矩，内管总成不转动以减少岩心扰动。同时内管中放置的岩心容纳管（有机玻璃管）使岩心进入后不受污染，保持原状样。在钻进过程中，泥浆由上接头分水孔通过内外管间隙送至钻头底部冷却、润滑钻头并携屑上返至地表。内管及岩心容纳管内无泥浆直接冲刷，下钻中容纳管内存有的少量泥浆将随岩心进入，并通过容纳管单向阀和内管轴单向阀排至内外管间隙中，返至地表。回次钻进结束后，钻具提出地表，将内外管抽出，卸去内管接头，接上专用接头，通过泵送泥浆压送容纳管活塞，将整个容纳管推出，这样取出的岩心能保持很好的原状性。然后将容纳管两头密封好并标注岩样方向、长度和孔深。

若钻进较软淤泥质地层，可换超前内管压入式钻头或活瓣式外钻头，内外管的配合长度可通过调节内管心轴锁母来实现微调。

1.1.3 特种钻头及岩心卡取器

为适应不同地层取出原状不扰动样的需求，设计了特种钻头和卡心器。其钻头结构及卡心器设计上具有以下特点。

（1）钻头磨料的选择。第四系松散层选择硬质合金钻头，一般用八角式和方柱状，遇到粗砂、卵砾石层选用球型和八角式合金；第三系和可钻性4～6级岩层选择硬质合金和金刚石复合片钻头[3]；卵砾石地层选择金刚石（以孕镶热压为主）或针状合金钻头。

（2）唇部设计。第四系松散层钻头唇部设计为阶梯式和外肋骨式（图2），以免钻孔缩径包死钻具，并可减少起下钻具时的抽吸效应。卵砾石地层钻头底唇部设计为平底式较好，以减小钻进中震动，提高钻头寿命[4～5]。

（3）水路设计。钻进中松软、松散地层易遇水冲蚀，因此钻头水路设计应避免泥浆直接冲刷和污染岩心。为此多采用底喷和侧喷式钻头结构（图2），保证钻进中泥浆既不冲刷岩心又能良好冷却钻头和排除岩屑。

（4）岩心卡取器设计。三重管钻具除用常规的钻头卡簧外，还根据不同的复杂情况在钻头本体或短节上设计了超前压入式、翻板式和弹簧舌片式卡取心装置，如图2所示。

图2 特殊取心钻头及卡心钻具Figure 2.Special coring bits and core-holding units

1.1.4 应用效果

SCG型三重管不扰动样取心钻具在21个地质找矿钻探和科学钻探孔中进行了推广应用（其中，环境科学钻探孔4个，地震断层剖面勘探三条剖面取样孔8个，城市三维立体地质调查孔7个，地质找矿勘探孔2个），累计完成钻探工作量6488.51m，最深钻孔862.66m，不扰动岩心（样）平均采取率达到90%以上，完全满足地质科学研究样品要求。所施工的科学钻探孔取心质量指标见表1，不同地层岩心采取率见表2。

表1 施工的科学钻探孔取心质量指标一览表Table 1.List of coring quality indexes of scientific drilling holes completed

表2 不同地层岩心采取率一览表Table 2.List of core recovery rates in different formations

续表1

1.2 半合管取心钻具

半合管钻具是在普通单动双管基础上改进而成的不扰动岩心（样）取心钻具。目前国内常用的半合管钻具有：KZ系列（中国地质科学院勘探技术研究所设计）、SDB系列（成都李工钻探设备有限公司设计）和WX系列（无锡钻探工具厂有限公司设计）。该类型钻具在复杂的破碎、松散地层采取不扰动样时，具有较好的效果。

1.2.1 钻具结构

半合管取心钻具由外管、单动总成、分水接头、半合内管总成、卡心系统、隔水钻头等部件组成，KZ和SDB系列半合管取心钻具如图3、图4所示。

图3 KZ单动双管钻具Figure 3.KZ single-acting double-tube drilling tool

图4 SDB半合管取心钻具Figure 4.SDB half-closed tube coring tool

1.2.2 钻具工作原理

半合管钻具将普通单动双管的内管设计成半合管，钻进中外管回转，半合内管处于不回转状态，岩心进入半合管中，泥浆由分水接头经内外管环隙至隔水钻头，再由外管与孔壁间隙返至孔口，使半合管中岩心不受泥浆冲蚀污染及搅动[6]。取心时将半合管从外管中抽出，卸掉半合管卡箍即可从半合管中取出原状岩心。从而避免用敲击外管或水泵憋出岩心的传统方法，造成岩心出管时扰动、混淆、结构失真。该类型钻具配用的隔水、防冲蚀钻头如图5所示。

图5 典型的隔水防冲蚀钻头Figure 5.Typical water-resistant and erosion-resistant bit

1.2.3 应用效果

表3 WFSD-3孔取心钻进数据一览表Table 3.List of WFSD-3 hole coring drilling data

图6 不扰动岩心样图片Figure 6.Undisturbed core sample

1.3 液压活塞式取心钻具

北京探矿工程研究所研制的液压活塞式取心钻具主要用于松软或半固结地层中采取不扰动岩心（样）。该钻具曾获国家专利（专利号：ZL201120295071）。

1.3.1 钻具结构

液压活塞式取心钻具由内管总成、打捞接头、剪切销、内管密封环、外管密封环、迅速释放器、钻杆、钻铤、下支撑轴承、缓冲器、活塞头和密封环、切削鞋和外钻头等组成，如图7所示。

图7 液压活塞取心钻具结构及原理Figure 7.Structure and principle of hydraulic piston coring tool

1.3.2 钻具工作原理

该钻具内管总成坐落和密封在绳索取心外管中，来自于地表泵的高压泥浆通过钻杆给内管总成加压，压力逐渐升高直至剪断安全销，瞬间将内管压入地层。其压入速度可达6～12m/s。由于快速压入且钻具不回转，岩心受到最小的扰动，上下层不会混淆，岩心采取率达100%。由于有活塞隔开泥浆，使岩心免受污染，取出的岩心精细、原位、保真。

1.3.3 使用方法及效果

该钻具在松软（散）地层中取样时，外管及外钻头主要起取心后扩孔作用，内管及切削鞋用于静压快速切入地层取心[7～8]。岩心进入内管后，用绳索取心打捞器把内管总成打捞上来，取出原状岩心样。然后用外管钻具扩孔至上一回次取样孔底，再向钻杆内投入另一套取样钻具，如此循环。该取心钻具曾在南海进行了三次海上深水取样，成功率和原状岩心采取率均达到100%，获得了良好的使用效果。

2 易溶性地层钻进取心技术

2.1 钻进取心方法

易溶性地层主要采用普通单动双管、单动半合管钻具，配合隔水式底喷金刚石和复合片钻头钻进，以减少泥浆对岩心的冲刷、溶蚀作用。该地层钻进的关键是如何有针对性地选择泥浆，抑制易溶性地层分解溶蚀，以保证岩心完整性和孔壁稳定性。其作用原理是使用与所钻易溶地层化学性质相近的泥浆处理剂，促使同离子效应达到动态平衡，以抑制地层溶蚀。

钻进过程中，若泥浆中与地层的同号离子浓度未达到饱和状态，地层中大量离子将进入泥浆，造成地层逐渐被溶蚀；若泥浆中同号离子的浓度达到饱和，地层将不被溶蚀而保持稳定。依据同离子相互交换吸附原理，在泥浆中加入与溶蚀地层相同离子的处理剂（如KCl、NaCl、Na2SO4、Na2CO3、CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2等），可达到抑制地层防止孔壁超径、岩心溶蚀之目的。

1952年Markowitz［9］创造性地提出均值—方差模型，使用期望度量投资收益，使用方差度量投资风险，其核心思想是投资者要想获得理想的收益而又不承担太大的风险，就要进行合理适当的分散投资。黄晓霞将模糊的思想和信息熵运用到投资组合中，提出分散化的均值—方差模糊投资组合模型［5-6］：

2.2 应用效果

安徽省地质矿产勘查局313地质队在广东东莞中堂盐矿和广东龙归盐矿两矿区（矿层属纯盐层），采用PHP低固相泥浆加入卤水作为冲洗液，共施工10口探采结合盐井，均获成功，盐心采取率达85%以上。实践证明，只要保证泥浆滤液盐含量≥35%，达到波美度25°B´，即可满足钻进需要。

安徽明光定远盐矿区用抗盐、抗钙泥浆钻进盐膏泥复合层，克服了钻孔超径现象，岩心采取率达90%以上[9]。采出的纯盐矿心及盐膏泥复合层岩心见图8。

图8 易溶盐矿及岩膏层岩心样Figure 8.Core samples of soluble salt deposit and gypsolyte

3 松软（散）、易溶地层钻进取心工艺要点

为保证松软（散）、易溶地层取心质量和安全钻进，除正确使用取心钻具和泥浆外，还应注意以下作业要点。

（1）回转钻进取心时应采用小泵量、低转速、中钻压的钻进规程参数，以保证岩心采取率。

（2）钻具下到孔底钻进前应大泵量冲孔排渣，保持孔底干净。

（3）钻具应有良好的单动性能，钻具长度一般不应超过3m。

（4）取心钻具及粗径钻具同心度和刚性要好，应有良好的扶正装置，以减小钻进时摆动，保证岩心的原状性[10]。

（5）钻头外径应比完整地层用钻头大5～10mm，以防钻进时抱钻和提钻时的抽吸效应。

（6）用半合管及三重管取心钻进时应少钻多提，一般回次进尺不得超过2m。

（7）钻进易溶性地层时，除控制回次进尺外，还应控制回次钻进时间，若进尺慢，时间过长，岩心自溶变细，难以卡取。

（8）回转取心钻进回次结束时，应停泵干钻1～2min，使钻头部位岩心卡牢。

（9）提钻过程中应及时向孔内回灌泥浆，使取心钻具始终不脱离孔内泥浆液面，以防岩心脱落。

（10）提钻时慎防敲击、撞击钻杆，应做到慢提轻放。

4 结语

钻进松软、松散及易溶地层为岩心钻探领域的一大难点，需要采用特殊的钻进技术工艺、钻探（取样）工具，才能保证岩心采取率和岩（土）样原状性。本文总结了一些以往取得的经验和研究成果，详细介绍了松软、松散及易溶地层的特殊钻进取心技术，且在实际工程中取得了良好的应用效果，可为今后同类地层钻进提供技术参考。但仍面临不少技术难题，需广大专业技术人员日后攻破，进一步推动我国钻探技术的发展。