不见光密封取芯钻探工艺在地质调查中的应用

2022-09-08李晶

世界有色金属 2022年12期

关键词：钻具钻头黏土

随着地质调查技术的不断发展，地质调查工作逐渐向精细化发展，不仅趋向于微观地质调查，而且在样品采集中也有新的技术突破，如气体测量，特殊样品采集等

。此时，如何在钻孔岩芯样品采集过程中防止样品氧化、见光以及污染等问题成为当前研究的热点之一。根据地质调查所需要的最终目的，对样品采集方法以及钻进工艺提出了更高的要求，不见光密封取芯钻探工艺就是较为常用的一种取样技术

。因此，本文结合某地质调查过程中不见光密封取芯钻探工作过程，分析该工艺在地质调查中的应用，为特殊样品的采集提供参考。

1 研究区地质概况

研究区地质结构相对较简单，主要出露第四系和新近系地层。其中，前者根据时代可进一步分为全新世、上更新世、中更新世和下更新世等，不同层位的地质体特征如下所述：

（1）第四系全新世地层：该层厚度变化较大，一般介于0～18.80m之间，最厚为18.80m。该层主要岩性为粉砂土、细砂和棕灰色砂质黏土，为疏松软弱层位之一。

（2）第四系上更新世地层：该层位于第四系全新世地层之下，厚度一般介于18.80全新世地层52.50m之间，平均厚为33.70m。该层主要岩性为顶层棕黑色黏土、棕灰棕黄色砂质黏土、粉砂土、细砂、中细砂和卵石层。

（3）第四系中更新世地层：空间上位于第四系上更新世地层之下，位于第四系下更新世地层之上，该层厚度介于52.50m～109.50m之间，平均厚为57.0m。该层主要岩性为顶层棕褐红褐色黏土、棕褐棕黄色砂质黏土、细砂、中细砂。

（4）第四系下更新世地层：空间上位于第四系中更新世地层和新近系地层之间，厚度一般介于109.50m～248.50m之间，平均厚为139.0m。该层主要岩性为顶层风化碳酸盐、红褐色黏土、棕红色砂质黏土、浅黄色砂土、细砂、中细砂和卵石层。

（5）新近纪地层：该层是研究区最为古老的地层，空间上位于第四系下更新世地层之下。该层厚度一般介于248.50m～302.30m之间，平均厚为253.80m。该层主要岩性为浅红色、红褐色黏土质粉砂，棕黄色、棕红色砂质泥岩、棕黄色砂岩等，该层常见有灰绿色砂质泥岩。

2 钻具基本概况

根据研究区基本地质概况可知，研究区上部以软弱层为主，主要由一套中卵石、砂砾、黏土等组成，在钻进过程中容易出现岩芯提取困难等现象。因此，结合地质概况，本次选择的钻具为三重管单动塑料内管取芯钻具。

三重管单动塑料内管取芯钻具：外管外径108mm，第二层管外径84mm，内管外径75mm，开孔直径110mm，总长150cm，一次取样长度99.5cm。取样管超前长度35mm，超前部分伸缩范围0～35mm。

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取芯钻具下放到孔底，给水回转加压钻进＜105cm。停钻后打开地面回水阀门即可起吊至地面；连钻头卸下外管，卸下管靴，拔出塑料内管，盖上封盖，用防水胶布或绵纸、熔蜡封土

；清洗后重新组装，螺纹配合部涂少许润滑油。

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3 取芯钻探施工与钻探工艺

3.1 取芯钻探设备

为保证本次不见光密封取芯质量，结合研究区地质特征，本次钻探设备采用XY-44型取芯钻机（图1）。

XY-44型取芯钻机配置BW250型泥浆泵，钻塔类型为人字塔，塔高12m。动力机类型为柴油机，钻具组合自下而上采用φ150mm、φ130mm、φ110mm钻具+φ108mm岩芯管+主动钻杆钻进。

（3）从钻头接触井底开始，直至取芯钻进工作进程完毕为止，钻头应始终保留在井底，不能离开井底。若在钻进过程中遇到特殊情况需要提取钻头时，则应割芯起钻。

缸筒材质为合金结构钢35CrMoV，热处理技术要求：①外径φ100.14mm±0.05mm处硬度≥50HRC，淬硬层深度（淬硬层深度定义为从表面以下硬度在35HRC以上的厚度）1～1.5mm。②表面不可有熔化、裂纹、变形等缺陷。③产品表面不可碰划伤。缸筒外形形状及尺寸如图2所示。

3.2 钻进方法、钻孔结构

本次施工采用XY-44型钻机，在甲方指定地点根据设计要求进行场地检查、平整确定无隐患后安装设备，设备安装时钻机、孔口、钻塔天车三点一线，钻塔、钻机水平，各附属设施安装完善，经技术人员检查验收后开钻。取芯钻孔开孔采用φ150mm和φ130mm钻具钻进，穿过地表第四系地层后，下入φ127mm套管，之后换用φ110mm钻具钻进，岩芯管管径φ108mm，管长1.5m，孔径φ110mm，一径到底，钻进至设计深度，施工过程顺利。

（4）在钻进过程中必须处理好钻时记录，并随时关注钻进过程中的变化

。若发现钻时突然猛增以及转盘负荷变轻等现象时，就可能出现了堵芯现象。若判断确实为堵芯现象时，则应果断割芯起钻处理。

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（2）在钻具钻进过程中不能停止泥浆泵，不能停止转盘。若在钻进过程中出现跳钻等现象时，应及时调整钻井的参数。

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为调高钻进质量，确保岩芯采取率，应注意以下几点事项：

3.3 取芯方法

下部第四系和新近系采用新研制的三重管单动钻进方式，这一钻具是针对砂卵石覆盖层钻进专用系列钻具，是配有普通内管和半合式PVC内管的两级单动机构的双层岩芯管钻具，它使用于未胶结的砂卵石覆盖层及所有基岩地层金刚石岩芯钻探，配合植物胶类钻井液，岩芯采取率更高，且能实现密封取芯（岩芯不见光）（图2）。

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3.4 钻头扩孔器的选用

取芯钻头的选用根据地层情况，依据钻效高、寿命长、成本低、取芯效果好的原则，在施工中灵活选择钻头。本次施工地层为第四系覆盖层和第三系半成岩，地层较软，由于地层中含有卵石层的原由，根据我公司多年钻探经验特选取加硬合金钻头来施工。

3.5 钻进技术参数

3.5.1 钻压

相位噪声是PLL合成频率源衡量其频谱纯度的重要参量。PLL合成频率源的噪声主要来源于4个部分，分别是参考信号源、鉴相器、VCO以及数字N分频器，图2为PLL合成频率源的相位噪声模型。其中，Kd为鉴相器的增益，Kv为压控灵敏度，θnr,θnd,θnv,θnn,θno分别为参考信号源、鉴相器、VCO、数字N分频器和PLL合成频率源输出信号的相位噪声。

钻压按具体岩层条件、钻头类型、钻头实际尺寸（如超径钻头）等，通过实践合理确定。为减少钻孔弯曲，保证岩芯采取率，本次施工降低钻压，施工压力小于600kg。

3.5.2 转速

同常规合金钻头取芯钻探一样，在孔径、孔深、冲洗润滑条件、孔壁稳定性、岩层研磨性、钻杆坚固性等条件允许下，为保证岩芯采取率尽量取低转速钻进

。平均钻头的线速度一般为1.0m/s～2.0m/s。

3.5.3 冲洗液和冲洗液量

采用层次分析法(AHP)与模糊综合评价法相结合方式对矿山企业进行绿色矿山建设评价起着重要作用，本文通过实例分析，对绿色矿山建设评价指标和评价方法做出详细介绍，为我国绿色矿山建设提供参考依据。

本次施工采用泥浆钻进，泥浆采用优质黏土作原料，防止在钻杆内结泥皮现象。冲洗液量的确定要素有二：①保持环状间隙上返流速在0.45m/s～1.0m/s～1.5m/s范围内；②保持钻头唇面单位面积（cm

）冲洗液量在3L/min～5L/min。

在河湖周边区，结合平原区造林，在城市河道两侧50～100 m范围内，按照乔灌草立体配置模式，建设河滨植物过滤带，进一步过滤、净化入河水质。

（1）钻具在钻进过程中要均匀，在增加压力的过程中要缓慢匀速增加，不免突然增加压力等现象，严禁溜钻现象出现。

如地层较硬，特殊情况下可不装塑料内管，待试样取上之后，再装入不开缝的塑料管内，封盖；为方便拔出塑料内管，可在塑料管外壁涂润滑剂；时间用久，刃口磨损，进口扩大，进土困难，可将管靴拆下，刃口向上，用锤敲打刃口部，使进口口径略缩小。

3.6 岩芯取样注意事项

为提高不见光密封取芯质量，在注意上述操作的基础上，应经可能的注意以下几点事项，才能获取更加可靠的样品。

（1）在雨天条件下，岩芯是不能够提取出岩芯筒的，并且将钻杆等工具保留在井口以内。同时，还需要在井眼中灌满相应型号的钻井液，可较好的减少水体影响取样质量的概率。

（2）当天气条件适宜时，若岩芯提取属于正常出筒，则应该在两个小时内完成岩芯的出筒以及取样工作。同时，在岩芯出筒以及取样过程中应确保岩芯不与水接触，可显著的提高岩芯的取样质量，减少取样过程中干扰因素的影响。

（3）不见光密封取芯的要求较高，且岩芯出筒至取样的全过程必须在两个小时内完成。故为提高取芯质量以及效率，出筒岩芯必须严格按照岩芯提取顺序排好，进一步丈量岩芯长度，并计采取率（表1）。

由表1可知：本次岩芯采取率较高，仅在卵石层内的采取率较低，为0.19。此外，在粉砂土中的采取率也相对较低，为0.52。其余层位的采取率较高，均大于0.70，一般介于0.80～0.97之间，说明本次岩芯采取率能够满足取样工作的基本要求。

三项考评办法的重点和核心是内控考核与评价办法，其中，考核与评价指标的设立是关键。内蒙古财政厅在积极谋划、仔细研究、广泛查询的基础上，与中国内控中心行政事业研究所等权威部门合作，借助第三方力量，共同创造性地制定了内控考评指标体系。从内部控制制度体系建立健全、内部控制执行体系有效实施、内控信息化、风险管理与自评四个方面构建了评价指标。其中，一级指标4个，二级指标15个，三级指标30个。三项内控考评办法出台后即着手组织全厅开展内控对标与自评工作。通过梳理，进一步查找风险点，完善原有操作规程，对处室、单位实施内控进行自评打分，撰写内控自评报告。

（4）对于回收的工具，若使用大钳紧扣的部位，需要使用大钳松扣，可提高回收工具的使用寿命，减少取样成本。