探讨岩心定向新技术

文/关震，武警黄金第五支队

岩心定向取心技术是确定岩心在地层里的原始产状的技术，是我国工程地质勘查关键技术之一。它不仅可以迅速而方便地确定地下岩土层和结构面的产状，而且还可以判断沉积物及有害化学物质的移运方向，放射源的方位，了解地下岩石的各种物理特征，地应力场，以及预报钻孔弯曲的趋势。在地质灾害领域，利用定向取心参数确定地下岩层层面和断裂后的产状，地下流体运动和渗漏方向，岩体中潜在的分离面和滑动面的倾角和倾斜方向等，为地质灾害预警、矿山的勘查、岩土工程等提供可靠的地质依据。

1　岩心定向技术的分类

钻井岩心定向技术有着广泛的用途。目前国内外岩心定向技术可归纳为直接定向和间接定向2种。

1.1直接定向技术

直接定向是指直接针对岩心本身实施各种手段恢复其在井下的原始方位。

1.1.1古地磁技术

古地磁技术通过测定岩石中的天然剩磁，分析剩磁特征、磁化历史，研究导致它们磁化的地磁场的特征。应用古地磁岩心定向技术需遵循以下2个原则：

1)岩心的黏滞剩磁(VRM)分量方向与现代地磁场方向从统计意义上讲是一致的：2)岩心的高温剩磁分量(原生剩磁)方向与现代盆地周围露头同时代地层的高温剩磁分量方向基本相同。只要准确测定岩心的低温和高温剩磁分量，就能够恢复岩心的原始产状。

1.1.2机械技术

机械技术是利用工具和仪表对岩心实施定向的技术。目前使用的机械法定向仪器有很多种，但是不管形式如何变化，都包括以下3个过程：首先，对井下未断离地层的岩心做定向标记；其次，确定标记与钻孔的空间关系；最后，将岩心恢复原始产状。

机械法需要专业的钻井和取心设备。它使用一种昂贵的无磁钻头，普遍问题是岩心在刻划线之前可能被钻头旋转改变了方向。无法保证划线方向的准确性。

1.2间接定向技术

间接定向技术主要是利用测井技术对岩心定向。其原理是对井壁和井周围物体进行物理参数成像。其中的井壁成像测井技术最成熟，包括BTV、BHTV和FMS成像测井技术。井边电阻率成像技术，包括方位侧向测井和阵列感应测井系列获得定向的孔壁图像，然后与岩心表面图像进行叠合对比。从而确定岩心的原位方向。

测井所用设备投资巨大，操作复杂，需要专业的解释人员，依赖于对钻井岩心与井壁成像特征的正确标识与对比解释，普遍问题是易受井壁和钻井液的影响。

2　岩心定向新技术的应用

2.1用岩心定向装置，钻具一次下孔同时完成打定向标记、测量孔斜与标记位置以及钻取定向岩心等工序，并且提高定向的准确性和成功率。钻具的结构特点如下：

2.1.1用侧面刻痕法作定向标记，并且将测量仪随钻置于内管上部，实现了钻进过程中刻痕，钻进结束时测量孔斜和定向标记位置，测量完毕后提断岩心起钻，在一个回次内完成定向取心各项工序；

2.1.2从测量仪到卡簧之间各零件的连接，采用了定位键、槽、销、榫和焊接方式，从而保证了拆装过程中不发生母线错位，避免了操作上的麻烦，提高了定向的准确性；

2.1.3配备出刃大小不同的两种刻刀作定向标记。内管导正环的刻刀出刃较大，用于4～7级中等硬度的岩心。卡簧上的刻刀出刃较小，用于7～9级坚硬的岩心。当岩心硬度超过9级和万一因刻刀磨损难以刻痕时，可以在退出岩心前，在卡簧座定位销和内管下端定位槽处的岩心根部，用色笔补作定向标记。因此，该钻具可用于除严重破碎外的各种岩层的定向取心，并能够保证较高的成功率；

2.1.4配备可以互换的无缝内管和半合内管。当岩心中断裂面发育、岩心比较破碎或岩心软硬交替时，可采用半合内管，以避免退心时使岩心发生人为破碎或上下混乱；

2.1.5钻具结构简单，拆卸安装方便，轴承用盒式密封，工作可靠，使用寿命长。

2.2选用并改进定向测量仪器，使之适用于垂直孔和倾斜孔，提高抗振性和耐用性，满足随钻测量的需要，并且保证读数可靠。

要在一个回次内完成定向取心的一切工序，就必须随钻测量孔斜和定向标记位置。要实现随钻测量，比较方便的一种方法就是在回次钻进即将结束时、在不提钻的情况下，从钻杆内下入仪器进行测量；另一种方法是在下钻之前将仪器置于钻具中，一起下入孔内，钻进完毕后测量。因为一般的测斜仪器不能通过常用的f50mm钻杆。研制的测量仪器应具有如下特点：

2.2.1在回次钻进中，测量仪置于孔中钻具内会受到强烈的纵向振动、横向振动和冲击，因此，需具有良好的抗振性；

2.2.2测量仪必须既能测量钻孔顶角和方位角，又能测量定向标记刻痕的方位角，同时既可用于垂直孔，又可用于倾斜孔；

2.2.3测量仪应结构简单，使用方便，性能可靠，读数准确；

2.2.4仪器应成本低廉，利于推广使用。

重力加速度计和磁通门类测斜仪抗振性能好，但其成本太高，不利于在实际生产中推广。而一般磁针和重锤类测斜仪虽然售价便宜，但其抗振性能不能满足随钻测量的条件。经过综合对比，决定选用磁球定向测斜仪。磁球定向测斜仪可同时测量钻孔的顶角、方位角和定向标记的方位角。它无轴承、顶尖和框架，结构简单，抗振性好，精度高，测程大，读数直观，操作方便。但是，该仪器通常是用钻杆或钢绳连接探管下孔。有数学计算和作图求解岩层层面及断裂面产状的功能。计算和作图结果可以相互验证，并且还具有岩心定向数据库的功能，可以随时查阅历次岩心定向数据。

2.3研究定向取心操作工艺，制订随钻测量定向取心钻具的操作规范。

3　结语

综上所述，岩心钻探技术对资源开发，促进科技发展有着重要的意义。随着现代科技的发展，将不断的推动钻探技术的发展。钻探技术属于国家重点工程科学，在我国地质勘察、资源勘探、地质灾害预警等有着重要的作用。我们应秉着坚持不懈的精神，进行钻探技术的研究，为我国构建一个良好的环境基础，有效的保障我国人民的生命财产安全，不断促进社会的和谐发展。

【参考文献】

[1]张金昌.地质岩心钻探技术及其在资源勘探中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2010

[2]杨剑英.地质岩心钻探技术及在资源勘探中的应用[J].科技创新与应用.2012. 17