提高复杂地层取心质量的一种发夹式岩心提断器及其应用

廖远苏，胡啟锋，缪 赛，陈浩习，卓廉明

提高复杂地层取心质量的一种发夹式岩心提断器及其应用

廖远苏，胡啟锋，缪 赛，陈浩习，卓廉明

(江西有色地质勘查二队，江西 赣州 341000)

为了解决普通取心钻具在软弱、松散性复杂地层钻进中的取心问题，降低堵心、磨心概率，提高钻进回次进尺长度和岩心采取率，研制了安装在普通S95绳索取心钻具上的一种新式岩心提断器。该岩心提断器是利用女性头饰发夹卡取软弱、松散岩心，其构件由发夹、发夹座、发夹室组成，无须通过铆焊工艺固定，可在施工现场由手工借助一种发夹装配器进行组装。在某勘查区3个钻孔中进行了试验，试验孔段总进尺45.11 m，平均回次进尺1.16 m，平均岩心采取率91.42%。试验结果表明：该岩心提断器与底喷式钻头及“引心管”配合使用，能够在软弱、松散性破碎地层大幅度提高回次进尺量、岩心采取率及取心质量，解决了试验前应用普通绳索取心钻具，在钻遇松软夹石、水敏性强的复杂地层中岩心采取率不足30%的难题。用发夹卡取软弱、松散岩心的方法与类同现有技术中簧片的卡心方法比较，更具经济性、灵活性和普适性。其应用领域不限于矿山地质，还可拓展到水文地质、工程地质及环境地质的岩心钻探，具有广泛的应用前景。

发夹；岩心提断器；发夹装配器；复杂地层；取心钻具；底喷式钻头；引心管

地质岩心钻探普遍应用的双管单动取心钻具，配用一种卡簧式岩心提断器来收割岩心。该岩心提断器广泛用于坚硬、完整或一般裂隙地层，但是用于软弱、松散性复杂地层，导致堵心、磨心或卡不住塑性和松散性岩心的概率高、岩心采取率低，满足不了岩心质量要求[1]。为了解决软弱、松散性复杂地层取心问题，近年来又研制出拦簧式或双簧(簧片及卡簧)一体式岩心提断器[2]。该类岩心提断器与底喷式钻头配合使用，降低了堵心、磨心概率，能有效采集塑性和松散性岩心，提高了岩心采取率和回次进尺量。但是，其使用寿命低，加工工艺复杂，且较普通卡簧式岩心提断器的生产成本高，在实际应用中因加工难或使用成本高的问题很难得到普及推广应用[3-7]。基于此，在总结前人工作经验的基础上，以普通S95绳索取心钻具为基础，研制了一款与之适应的发夹式岩心提断器，及能在施工现场就地组装该岩心提断器的一种发夹装配器，并在某矿区松软夹石、水敏性强的复杂地层中，应用配带发夹式岩心提断器的S95绳索取心钻具进行试验，以期解决普通绳索取心钻具用于该类复杂地层岩心采取率不足的问题。

1 发夹式岩心提断器的组成及其组装方法

1.1 组成

发夹式岩心提断器[8-9]由发夹、发夹室、发夹座组成，如图1所示。

图1 发夹式岩心提断器

发夹是女性常用的一种头部饰品，选用类型有椭圆夹和水滴夹，在百货店或小商品超市有售，零售价为0.5~1.0元；发夹材质为65Mn弹簧钢片，厚为0.2~0.3 mm；成品发夹弯曲成弧形，表面有黑色烤漆，富有一定的弹性和防锈能力，如图2所示。

图2 椭圆夹和水滴夹

发夹座用普通S75绳索取心钻具外管材料加工，成品平均分布6~10个竖向发夹座铣槽。发夹室用普通S95绳索取心钻具内管材料加工，上端与内管为螺纹连接，下端挤压在发夹座的凸台部位，与发夹座为轴孔过渡配合连接[10-11]。发夹布置在发夹座铣槽中，且夹尾朝下，夹头指向发夹座轴心。为了保证发夹固定的可靠性，在发夹座铣槽还注有502瞬间粘结剂。

图1所示发夹为椭圆夹类型，发夹座可根据取心情况，平均分布3枚或6枚发夹。水滴夹类型的发夹座有10个发夹座铣槽，平均分布5枚或10枚发夹；该发夹座所置水滴夹与椭圆夹的夹尾形状不同，在凸台部位没有77°的内倒角。

1.2 组装方法

发夹式岩心提断器的组件由手工借助1种发夹装配器进行组装，如图3所示。

1.2.1 发夹装配器的组成

发夹装配器由3个螺母(M20)、2个推力球轴承(51104)、支撑盘、支撑板、托盘、压盘、支撑垫圈、定位套及丝杆组成。定位套与托盘为电焊连接，螺母及托盘与丝杆为螺纹连接，其余构件均自由套在丝杆上[11]。

1.2.2 发夹式岩心提断器的组装工序

①把托盘套在丝杆下端，用螺母从丝杆下端套入并将托盘锁紧。为了便于组装，在工作台放上1个ø108 mm套管接手，将托盘底面坐在套管接手上端。

②从丝杆上端，依次套上发夹座、支撑垫圈、支撑板。发夹座置于定位套内。支撑垫圈所需个数是根据发夹规格长度确定，当发夹长度为45 mm时，放置9个厚度2.5 mm的支撑垫圈。

图3 发夹式岩心提断器装配工艺图

③按发夹的夹尾朝下，夹头指向轴心的方位，把发夹插入发夹座铣槽。如果选用椭圆夹，应事先把夹尾的弯折厚度用钢丝钳适度压扁，以能插入发夹座铣槽为宜。

④从丝杆上端依次套上支撑盘、推力球轴承，端正发夹坐姿，拧上螺母，使发夹处于稳定姿态。

⑤从丝杆上端依次套上发夹室、压盘、推力球轴承，戴上螺母。

⑥发夹室的底端对准定位套端口，并扶正其上身至正中位置；右旋上端螺母，把发夹室底端压至发夹座底部的凸台面。

⑦松开上端螺母，取出岩心提断器，在发夹座铣槽内使用尾管(粘结剂配带的1种塑料滴管)注满502瞬间粘结剂，候凝10 min后即可使用。

2 发夹式岩心提断器的使用及注意事项

①发夹式岩心提断器适用于黏土层、煤层、风化层、断层破碎带、角砾破碎层等软弱、松散性地层；此外，还可用于基岩裂隙发育的一般性破碎层。只要岩心从钻头部位折断，进入岩心提断器就能被发夹卡住，不必担心个别残留孔底的未断岩心，在下一回次钻进时还能轻易套上。

②应用发夹式岩心提断器钻遇裂隙发育、岩样破碎的风化层，水敏性强的泥质地层或断层破碎带，宜安装3~6枚椭圆夹；钻遇砂砾状松散性地层，宜安装5~10枚水滴夹。

③发夹式岩心提断器宜选用底喷式钻头配合使用，且钻头内径宜比发夹座内径小2~4 mm。发夹座与钻头内台阶之间的悬挂间隙和调节方法与原钻具相同[12]。

④在发夹式岩心提断器内腔塞上1根“引心管”，有助于引导初出岩心顺畅进入内管。试验中的“引心管”用ø63 mm×3 mm规格的PVC管制作，长度为岩心直径的2~2.5倍，外径比发夹座内径小1 mm。“引心管”安插时其底端与发夹座底端平齐，上端伸入内管里头，中部被发夹卡住；钻进时“引心管”底端被初出岩心顶着上行，避免了初出岩心在进入内管前撑开发夹夹头的阻力；退心时“引心管”随岩心一起从内管退出[13]。“引心管”导心钻进状态如图4所示。

图4 引心管导心钻进

⑤如果钻进工况非常复杂，取心钻具的单动性能差，堵心、磨心概率高，可在发夹中部折断内层夹片来减轻发夹对岩心的扰动。

⑥当内管盈满岩心或发生堵心时，应停止钻进，立即打捞取心，严禁反复试探孔底或强行钻进。

⑦内管退心时，先退出内管上端螺纹，倒出岩心后方可退出岩心提断器。否则先拆卸岩心提断器，势必在退出内管下端螺纹时，发夹随岩心提断器旋转被搅碎的岩心损坏。

⑧拆卸发夹式岩心提断器组件时，宜用冲杆从发夹室上端的内腔插入，对称敲击发夹座顶端直至其松开，不可在发夹室底端横向锤击使其松动，否则发夹座和发夹室易变形，影响其使用寿命。

⑨发夹式岩心提断器在组装前必须清除油泥和水渍。更换发夹时，应用502解胶剂(FD-1型)涂抹在残留固体胶表面，待其软化后(3 min左右)，用刮刀清除才可再次使用。

⑩发夹室和发夹座经多次拆卸磨损后，轴孔之间配合的紧密度低，只要钢体变形量不影响正常钻进和打捞取心，仍然可以继续使用，不过注胶后宜停待24 h再用。

⑪组装1个发夹式岩心提断器大约需要10 min，但是为便于随机可用，施工现场应有备用，且宜备用多个不同发夹规格、类型的发夹座，以便应对不同复杂地层类型时选用。

3 应用实例

3.1 工程简况

勘查区隶属于江西省石城县，勘探工程是区域矿产调查与找矿预测项目，施工时间为2018年12月。上钻前，无可供参考的勘查资料，只是根据现行地表调查工作，设计了3个75°斜孔，孔深均为120 m。首个ZK001孔，最初以ø110 mm口径开孔，采用干钻法勉强进尺16.15 m，坐下ø108套管后，换用普通S95绳索取心钻具，采取泥浆护孔钻进。由于钻遇地层水敏性强，松软夹石，该孔施工15 d，总进尺49.50 m，绳索取心钻进孔段的岩心采取率不足30%，且多个钻进回次出现打捞空管现象，从而导致该孔废弃。为了保证难钻孔段的岩矿心质量要求，在3个斜孔中试用发夹式岩心提断器并取得成功，保证了钻孔施工的顺利进行。

勘探区主要岩性为寒武系黑云斜长变粒岩，夹二云片岩，铌钽铍矿体蕴藏在侵入式伟晶岩中。黑云斜长变粒岩及二云片岩，风化后成泥质或泥夹石，吸水膨胀率大，风化层埋深0~70 m。基岩可钻性 7~9级，研磨性强，裂隙发育。伟晶岩全风化为灰白色，夹杂浅绿－红褐色，粉末状，易被冲洗液冲蚀；微风化结构松散，脆性大，易碎，研磨性强。

3.2 钻孔施工要求

岩心采取率＞80%，矿心采取率及矿体顶底板3~5 m的围岩采取率＞85%，近矿围岩及矿体中钻进提升间隔不大于3 m，最小终孔口径75 mm。

3.3 主要仪器设备

陆续开动2台钻机，配置XY-4型钻机2台，BW-250型泥浆泵2台，9 m简易钻架2副，S75JC-1型绳索取心绞车2台，泥浆搅拌机2台，泥浆性能测试仪1套，普通S95和S75绳索取心钻具各2套。

3.4 钻孔结构

应用发夹式岩心提断器依次在ZK001、ZK003、ZK002三个钻孔ø95 mm口径中进行了试验，各钻孔结构如图5所示。

图5 试验孔的钻孔结构情况

3.5 钻进方法及技术措施

ø130 mm、ø110 mm开孔口径采用干钻法钻进；在松软夹石、水敏性强的上部孔段采用普通S95绳索取心钻具，HV-CMC泥浆护孔钻进；在一般性破碎或完整地层，采用普通S75绳索取心钻具，PAM低固相泥浆护孔钻进，或清水钻进至终孔。

在ø95 mm口径钻遇极软、可塑、易冲蚀的水敏性复杂地层时，为了保证岩矿心采取率，在普通S95绳索取心钻具上，把卡簧式岩心提断器更换为发夹式岩心提断器，并配上底喷式钻头钻进。该钻进孔段使用泥浆性能为：苏氏漏斗黏度：30~50 s，密度1.07~1.15 g/cm3，含砂量2.5%~5.5%；钻进技术参数为：钻压8~12 kN，转速187~267 r/min，泵量60~90 L/min。

3.6 生产试验效果

应用发夹式岩心提断器进行生产试验，各孔采集的试验数据见表1。

表1 发夹式岩心提断器生产试验的基本情况

ZK001孔在试验孔段的装箱岩心如图6a所示。该孔段主要岩性为风化变粒岩和片岩，间夹少量0.30~1.50 m厚的风化伟晶岩岩株，钻取岩心含泥量高，可塑，易冲蚀；所用钻具的内管长度为1.60 m，回次进尺量大多控制在0.30~1.20 m，平均岩心采取率为96.98%。

ZK003孔在试验孔段的装箱岩心如图6b所示。该孔段岩性及其物理特性与ZK001孔类同，所用钻具的内管长度为2.00 m，回次进尺量不少于1.00 m，平均岩心采取率为83.05%，比ZK003孔低13.93%。其原因是操作者未注意控制回次进尺量，发生堵心、磨心时岩心堵塞报信机构无信号反映，全凭进尺快慢来判断。

图6 应用发夹式岩心提断器获取的岩心

ZK002孔在试验孔段的装箱岩心如图6c所示。该孔段岩性为风化变粒岩，钻取岩心破碎，间夹断层泥，所用钻具的内管长度为2.00 m，进尺2回次，平均岩心采取率为82.78%。该孔段试验时，在发夹式岩心提断器内腔塞了1根“引心管”。从表1可知，应用“引心管”可明显提高破碎地层的回次进尺量。

4 存在问题与应对措施

发夹与普通岩心提断器的卡心构件，如卡簧、拦簧等对初出岩心进入内管或岩心容纳管都有一定的阻拦障碍，是钻进软弱、松散性破碎地层堵心、磨心的关键部位。本次试验在解决该问题时，虽然在岩心提断器内腔塞了1根用PVC管制作的“引心管”有助于初出岩心进入内管，但是在退心时很难从内管里头退出。该“引心管”的外径与内管内径相差不足4 mm，因其材质软，外表磨损粗糙粘泥，易被内管里头的沉积岩屑夹持，同样会增加岩心上行的摩擦阻力，限制回次进尺量。针对该问题提出两点应对措施：一是改用ø63 mm×0.7 mm的不锈钢装饰管制作“引心管”，因其外表光滑摩擦阻力小，便于在内管里头通行；二是降低泥浆含砂量，尽可能控制在1.5%以内。

本次试验更换发夹11次，发夹的平均使用寿命4.10 m，最高使用寿命8.75 m。影响发夹使用寿命的主要因素取决于钻具工作的单动性。堵心是导致钻具单动性失效的主要原因。磨心由堵心引起，是钻进中损坏发夹的直接原因。软弱、松散性岩心不成形、吸水膨胀、怕冲蚀是堵心的内在原因；岩心在自重力和钻具振动力作用下产生开裂、破碎、堆积和挤压是堵心的外在原因[14-15]。针对复杂地层钻进中的堵心、磨心问题，提高发夹使用寿命拟采取以下几点应对措施：

①采用ø95 mm或更大的钻孔口径钻进，因岩心粗，成形好，有益增强岩心的抗冲蚀能力；

②适当降低钻进参数，提高钻具工作的稳定性，避免钻具因公转扩大复杂地层孔段的孔径，及由此造成的孔壁坍塌、掉块、钻头径向跳动等不利钻进因素影响钻具的单动性[16-17]；

③宜使用成膜性、润滑性好及滤失量小的优质泥浆，保护岩心的原状性，降低岩心通行内管或岩心容纳管内壁的摩擦阻力[18-19]；

④调整岩心堵塞报信机构中的碟形弹簧或圆柱螺旋压缩弹簧压力，使之与钻进地层相适应，提高堵心报信的灵敏度。

5 结论

a.利用女性头饰发夹卡取软弱、松散岩心的一种发夹式岩心提断器，其构件无须通过铆焊工艺固定，可在施工现场由手工借助一种发夹装配器进行组装；发夹成本低廉，取用方便，磨损后可及时更换。用发夹取代拦簧式岩心提断器簧片的卡心方法，更具经济性、灵活性和普适性。

b.应用发夹式岩心提断器在某勘查区软弱、松散性破碎地层中进行了39个钻进回次的生产试验，总进尺45.11 m，平均回次进尺1.16 m，平均岩心采取率91.42%，对比普通绳索取心钻具的岩心采取率提高了60% 以上。试验结果表明，发夹式岩心提断器与底喷式钻头及“引心管”配合使用，能够大幅度提高软弱、松散性破碎地层钻进中的回次进尺量、岩心采取率及取心质量。

c.发夹的可选规格长度有45~78 mm不等；发夹的应用不限于ø95 mm钻孔口径，还可拓宽到ø110 mm、ø130 mm、ø150 mm等钻孔口径。实际应用过程中，发夹类型、规格及安装数量可根据复杂地层变化情况进行选择和调整；发夹式岩心提断器的应用领域不限于矿山地质，还可拓展到水文地质、工程地质及环境地质的岩心钻探，具有广泛的应用前景。

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Hair clip type core lifter for improving coring quality in complex formation and its application

LIAO Yuansu, HU Qifeng, MIAO Sai, CHEN Haoxi, ZHUO Lianming

(No.2 Geological ServeyTeam of Jiangxi Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau, Ganzhou 341000, China)

In order to solve the coring problem of the coring tools during drilling weak loose and complex formation, to decrease the probability of the blocking and wearing core, to increase the footage per round trip and the coring rate, a new type coring lifter installed in the common S95 wire coring drilling tool has been developed. The coring lifter uses the female hair clip to collect the weak loose core. The hair clip core lifter is composed of a hair clip, a hair clip seat and a hair clip room, doesn’t need to be fixed trough rivet welding technology, can be assemble manually in the working site with the help of a hair clip assembler. It has been tested in three boreholes in a coal mine. The total footage of the tested interval was 45.11 m, the average footage per round trip was 1.16 m, the average coring rate was 91.42%. The test results show that when combined with the bottom jet bit and the core-guiding barrel the hair clip core lifter can increase greatly the footage per round trip, improve the coring rate and quality, solve the difficult problem that before the test with the common wire coring drilling tool, the coring rate of the soft intercalated stones and strongly water-sensitive complex formation was less than 30%. Compared with the current similar technology of clipping core with plate spring, the method of using the hair clip to collect the weak and loose core is more economical, more flexible and more adoptable. Its application field is not only not limited in mine geology, but also can be expanded to the coring drilling in hydrogeology, engineering geology, environmental geology, it has a wide application prospect.

hair clips; core lifter; clip assembler; complex formation; core drilling tool; bottom jet bit; core-guiding barrel

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

P634.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.033

1001-1986(2020)06-0249-07

2020-08-21；

2020-09-27

江西有色地质勘查局科技开发基金项目(KF201802)

Technique Development Project of Jiangxi Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau(KF201802)

廖远苏，1962年生，男，江西赣州人，高级工程师，从事复杂地层治理及取心钻具研究工作. E-mail：15970096813@126.com

廖远苏，胡啟锋，缪赛，等. 提高复杂地层取心质量的一种发夹式岩心提断器及其应用[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(6)：249–255.

LIAO Yuansu，HU Qifeng，MIAO Sai，et al. Hair clip type core lifter for improving coring quality in complex formation and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：249–255.

(责任编辑 聂爱兰)