探討巖心定向新技術

文/關震，武警黃金第五支隊

巖心定向取心技術是確定巖心在地層里的原始產狀的技術，是我國工程地質勘查關鍵技術之一。它不僅可以迅速而方便地確定地下巖土層和結構面的產狀，而且還可以判斷沉積物及有害化學物質的移運方向，放射源的方位，了解地下巖石的各種物理特征，地應力場，以及預報鉆孔彎曲的趨勢。在地質災害領域，利用定向取心參數確定地下巖層層面和斷裂后的產狀，地下流體運動和滲漏方向，巖體中潛在的分離面和滑動面的傾角和傾斜方向等，為地質災害預警、礦山的勘查、巖土工程等提供可靠的地質依據。

1　巖心定向技術的分類

鉆井巖心定向技術有著廣泛的用途。目前國內外巖心定向技術可歸納為直接定向和間接定向2種。

1.1直接定向技術

直接定向是指直接針對巖心本身實施各種手段恢復其在井下的原始方位。

1.1.1古地磁技術

古地磁技術通過測定巖石中的天然剩磁，分析剩磁特征、磁化歷史，研究導致它們磁化的地磁場的特征。應用古地磁巖心定向技術需遵循以下2個原則：

1)巖心的黏滯剩磁(VRM)分量方向與現代地磁場方向從統計意義上講是一致的：2)巖心的高溫剩磁分量(原生剩磁)方向與現代盆地周圍露頭同時代地層的高溫剩磁分量方向基本相同。只要準確測定巖心的低溫和高溫剩磁分量，就能夠恢復巖心的原始產狀。

1.1.2機械技術

機械技術是利用工具和儀表對巖心實施定向的技術。目前使用的機械法定向儀器有很多種，但是不管形式如何變化，都包括以下3個過程：首先，對井下未斷離地層的巖心做定向標記；其次，確定標記與鉆孔的空間關系；最后，將巖心恢復原始產狀。

機械法需要專業的鉆井和取心設備。它使用一種昂貴的無磁鉆頭，普遍問題是巖心在刻劃線之前可能被鉆頭旋轉改變了方向。無法保證劃線方向的準確性。

1.2間接定向技術

間接定向技術主要是利用測井技術對巖心定向。其原理是對井壁和井周圍物體進行物理參數成像。其中的井壁成像測井技術最成熟，包括BTV、BHTV和FMS成像測井技術。井邊電阻率成像技術，包括方位側向測井和陣列感應測井系列獲得定向的孔壁圖像，然后與巖心表面圖像進行疊合對比。從而確定巖心的原位方向。

測井所用設備投資巨大，操作復雜，需要專業的解釋人員，依賴于對鉆井巖心與井壁成像特征的正確標識與對比解釋，普遍問題是易受井壁和鉆井液的影響。

2　巖心定向新技術的應用

2.1用巖心定向裝置，鉆具一次下孔同時完成打定向標記、測量孔斜與標記位置以及鉆取定向巖心等工序，并且提高定向的準確性和成功率。鉆具的結構特點如下：

2.1.1用側面刻痕法作定向標記，并且將測量儀隨鉆置于內管上部，實現了鉆進過程中刻痕，鉆進結束時測量孔斜和定向標記位置，測量完畢后提斷巖心起鉆，在一個回次內完成定向取心各項工序；

2.1.2從測量儀到卡簧之間各零件的連接，采用了定位鍵、槽、銷、榫和焊接方式，從而保證了拆裝過程中不發生母線錯位，避免了操作上的麻煩，提高了定向的準確性；

2.1.3配備出刃大小不同的兩種刻刀作定向標記。內管導正環的刻刀出刃較大，用于4～7級中等硬度的巖心。卡簧上的刻刀出刃較小，用于7～9級堅硬的巖心。當巖心硬度超過9級和萬一因刻刀磨損難以刻痕時，可以在退出巖心前，在卡簧座定位銷和內管下端定位槽處的巖心根部，用色筆補作定向標記。因此，該鉆具可用于除嚴重破碎外的各種巖層的定向取心，并能夠保證較高的成功率；

2.1.4配備可以互換的無縫內管和半合內管。當巖心中斷裂面發育、巖心比較破碎或巖心軟硬交替時，可采用半合內管，以避免退心時使巖心發生人為破碎或上下混亂；

2.1.5鉆具結構簡單，拆卸安裝方便，軸承用盒式密封，工作可靠，使用壽命長。

2.2選用并改進定向測量儀器，使之適用于垂直孔和傾斜孔，提高抗振性和耐用性，滿足隨鉆測量的需要，并且保證讀數可靠。

要在一個回次內完成定向取心的一切工序，就必須隨鉆測量孔斜和定向標記位置。要實現隨鉆測量，比較方便的一種方法就是在回次鉆進即將結束時、在不提鉆的情況下，從鉆桿內下入儀器進行測量；另一種方法是在下鉆之前將儀器置于鉆具中，一起下入孔內，鉆進完畢后測量。因為一般的測斜儀器不能通過常用的f50mm鉆桿。研制的測量儀器應具有如下特點：

2.2.1在回次鉆進中，測量儀置于孔中鉆具內會受到強烈的縱向振動、橫向振動和沖擊，因此，需具有良好的抗振性；

2.2.2測量儀必須既能測量鉆孔頂角和方位角，又能測量定向標記刻痕的方位角，同時既可用于垂直孔，又可用于傾斜孔；

2.2.3測量儀應結構簡單，使用方便，性能可靠，讀數準確；

2.2.4儀器應成本低廉，利于推廣使用。

重力加速度計和磁通門類測斜儀抗振性能好，但其成本太高，不利于在實際生產中推廣。而一般磁針和重錘類測斜儀雖然售價便宜，但其抗振性能不能滿足隨鉆測量的條件。經過綜合對比，決定選用磁球定向測斜儀。磁球定向測斜儀可同時測量鉆孔的頂角、方位角和定向標記的方位角。它無軸承、頂尖和框架，結構簡單，抗振性好，精度高，測程大，讀數直觀，操作方便。但是，該儀器通常是用鉆桿或鋼繩連接探管下孔。有數學計算和作圖求解巖層層面及斷裂面產狀的功能。計算和作圖結果可以相互驗證，并且還具有巖心定向數據庫的功能，可以隨時查閱歷次巖心定向數據。

2.3研究定向取心操作工藝，制訂隨鉆測量定向取心鉆具的操作規范。

3　結語

綜上所述，巖心鉆探技術對資源開發，促進科技發展有著重要的意義。隨著現代科技的發展，將不斷的推動鉆探技術的發展。鉆探技術屬于國家重點工程科學，在我國地質勘察、資源勘探、地質災害預警等有著重要的作用。我們應秉著堅持不懈的精神，進行鉆探技術的研究，為我國構建一個良好的環境基礎，有效的保障我國人民的生命財產安全，不斷促進社會的和諧發展。

【參考文獻】

[1]張金昌.地質巖心鉆探技術及其在資源勘探中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010

[2]楊劍英.地質巖心鉆探技術及在資源勘探中的應用[J].科技創新與應用.2012. 17