提高岩心钻探取心质量的研究和技术

提高岩心钻探取心质量的研究和技术

摘要：文章论述了作者二十多年来在研究深厚砂卵石覆盖层和基岩复杂地层金刚石钻进提高取心质量的成果和一套独立完整的工艺技术方法。上述地层岩心采取率可达到95%以上，并可取得原结构状岩心样。

关键词：岩心钻探,金刚石钻进,取心

岩心钻探仍然是目前和今后国内外地质工作者获取直观地质资料的主要手段之一。提高岩心钻探取心质量是钻探工作者的主要职责和奋斗目标。勘探工作者经过数十年的努力，不断取得了一些进步，如各种取样器的研制，绳索取心钻具的推广，都提高了岩心钻探的取心质量。尤其是S系列植物胶钻井液的研制和SDB（及SD）系列金刚石钻具的改进，岩心钻探取心质量有了新的突破。大多数松散地层（砂卵石覆盖层）和破碎地层（基岩复杂地层）岩心采取率可提高到95%-100%,而且可以取得保持原结构状态的岩心，砂卵石层金刚石钻进获得成功并已普及，曾获得国家和省部级科技进步奖，国际金奖，获准三项国家专利。

取心质量从最早的概念和要求来说，就是岩心采取率，只要取出的岩心数量多就可以了。现代由于工程勘察的发展和质量要求的提高，还要求取出代表岩层结构、构造、成分、颗粒级配的原结构状岩心样。即使矿床勘探，取得原结构状岩心也是必要的，如金矿，可以防止分选和人为贫化；对于任何脉状矿体，都可以防止打丢，并保证含矿层的真实厚度和品位。因此现在的取心质量应该包括岩心采取率和岩心的原状结构程度两个指标。

植物胶类钻井液的应用，金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善，为取原结构状岩心样创造了条件，它已成为一套完整的工艺技术。二十多年来在全国许多大、中、小水电站的勘探，部分黄金矿的勘探，煤田地质勘探和金属矿床勘探，公路、铁路、桥基勘探和成都市所有中、高层建筑基础及地铁勘探，都采用了上述材料和工艺技术，取得了可靠的地质资料，解决了大量工程勘探难题。有些是过去常规方法多年无法解决的难题，如铜街子电站解决了河床基岩深埋隐伏断层取样，太平驿电站解决了深厚河床砂卵石覆盖层中多层透镜体砂层取样，三峡电站花岗岩全强风化层和滑坡体滑带取样率达到100％，广西百色电站取得了硬、碎硅质岩柱状岩心才使电站获得批准立项。还有许多电站探明了100米以上深覆盖层结构和解决了软弱夹层和滑坡体取样等等，矿床勘探的实例也比比皆是。

但是就全国地质勘探及工程勘察行业来说，还有许多单位不了解上述材料和工艺技术的优越性，或者没有真正掌握它的要领。诚然，任何一项新的技术，新的工艺都不可能是万能的，都会有它的适应性和局限性。因此目前还有许多勘探工程取心质量上不够理想或者存在难题。

本文企图将自己二十多年在深厚砂卵石覆盖层和基岩复杂地层岩心钻探提高取心质量的研究、体会和实践整理出来，与同行共同探讨，希望在有生之年，能看到同仁们在更多的勘探工程解决取心质量的难题。借此机会，感谢曾协助研究和试验的边广儒、崔金海、陈德俊等同志及有关单位的支持。

影响取心质量的因素可归纳为三个方面，即地质因素、技术因素和人为因素。掌握影响

的因素就可探索提高取心质量的有利因素，消除不利因素。

2.1地质因素

地质因素是地质条件决定的取心难易程度，不论是覆盖层或者是基岩，大致可以分为三大类岩层：

第一类，是比较容易取心的地层，如比较完整或不很严重破碎的基岩以及泥岩等，用常规的钻探方法就可以满足取心的质量要求。

第二类，取心比较困难，或者相当困难的复杂地层，如砂卵石覆盖层、基岩的断层带、软弱夹层、严重破碎的挤压破碎带、软酥脆岩层以及自然状态下完整，但一经钻进就成为粗砂颗粒的岩层（如白云岩、硅质岩等），这类地层必须经过人们采用特殊的工艺技术措施和特殊的工具才能满足取心的质量要求。

第三类，取心非常困难，目前只能通过一定特殊工具采取部分代表性样品的地层，既不能保证岩心采取率要求，更不能保证岩样结构的地层，如基岩中已挤压破碎成均匀粗颗粒，又无粉状物充填的硬碎地层；砂卵石地层中的架空层，近代沉积的浅表层、人工堆积层、无细颗粒充填的均匀砾石层，石英砂岩卵石层，以及抽水井、降水井周围卵石层等等。后者砂卵石层通过一定的措施在一定的范围内，可以提高岩心采取率，但不能取得原结构岩心样。

下面重点研究解决的是第二类复杂地层钻进和取心问题。

2.2技术因素

技术因素是指人们采用的取心工具、材料和工艺技术措施对取心质量的影响。

2.2.1冲洗液的影响

从传统的要求来说，钻探冲洗液的作用只是冷却钻头，排除岩粉，保护孔壁（部分冲洗液）和润滑钻具（润滑冲洗液）四大功能。

传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液，都对岩心有冲刷、浸润和液化作用，岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉，因此很难取得高质量的岩心。

现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用，除了上述功能以外，还具有保护岩心（护胶作用），粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能，这三大特殊功能为上述第二类复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单，效果最好的粘弹性钻井液。

2.2.2取心钻具的影响

取心钻具的影响包括钻具的种类、结构和加工质量。单管钻具只在完整岩层和取心质量无严格要求的地层中使用，孔底反循环钻具因为岩心严重分选和混乱，现在也很少应用。

金刚石单动双管钻具（绳索取心钻具也属于单动双管钻具）是当代国内外普遍使用的取心钻具。它的基本原理都是一样，但各自的结构、技术性能和加工质量都不一样，在其他条件相同的情况下，取心质量有很大区别。

钻具的单动性能是钻具影响取心质量的主要因素，它是钻具的结构设计和加工质量的综合效果，只要其中有一个零部件加工和配合有问题，都将会影响取心效果。绳索取心钻具，由于加工精度要求较高，普遍单动性能较好，但由于各个厂家水平不一样，因而还是各有差别。SDB系列钻具由于它的结构设计比较合理，只要保证它的加工质量要求，目前仍然是国内外单动性能比较好的单动双管钻具。但在深孔钻探中，存在有起下钻的麻烦。

技术性能是指所用钻头的种类、技术参数和加工钻具的材料质量及磨损程度。单动双管钻具所用钻头可以是热压孕镶金刚石钻头、电镀金刚石钻头、硬质合金钻头和复合片钻头，根据岩石选择相适应的钻头的种类和设计技术参数，才能获得最好的取心效果。其基本要求是钻进速度快，不易堵岩心，不磨损岩心，不因切削具的振动而破碎岩心。不难理解：选择的钻头进尺快，岩心在钻头处停留的时间短，被冲洗液冲刷的时间短；钻头设计的保径效果好，内径磨损小，不呈喇叭口，则不易堵岩心，避免岩心自磨；硬质合金双管钻头和复合片钻头不设计内出刃，在软岩中钻进不会因为钻具的晃动使岩心直径变小；在某些硬度不高的脆性岩层中钻进如果选用硬质合金钻头和复合片钻头，会因为振动较大，岩心破碎呈小颗粒状和砂砾状而无法卡取（如白云岩、大理岩、硅质岩等），实践证明上述这些因素都对取心质量有重大影响。

生产钻具的材料质量（主要是钢材质量）及其热处理效果，直接影响钻具零部件寿命和变形程度。零部件很快磨损和变形到一定程度，就不能保证钻具的单动性能，都会严重影响到取心质量。

2.2.3操作技术的影响

操作技术包括钻进参数和施工工艺。

就岩心钻探来说，钻进参数是指钻进时的压力、转速和泵量。泵量是影响取心质量最关键的钻进参数。不论哪一种冲洗液，泵量越大，冲刷岩心越严重，对软弱、破碎的岩心十分不利，因此应根据岩石的性质选择冲洗液的种类，保证冷却钻头和排除岩粉的条件下，应尽量采用最小的泵量。

泵压在正常条件下不作为钻进参数的要求，但是泵压在不正常时，会影响取心质量，应引起操作者注意，查明原因，采取措施排除。如泵压迅速增高或蹩泵，其原因如果是孔壁缩径坍塌或者粘性岩层糊钻及钻头磨损后水口太浅，钻具内泵压增高，冲洗液在高压下会破坏软弱、破碎和松散的岩心，因而会降低取心质量。如果是钻具或钻杆内堵塞，则可能产生烧钻或金刚石微烧。

施工工艺包括施工设计方案和具体操作细则，内容较多，在以后各章节中陆续叙述。

2.3人为因素