提高復雜地層取心質量的一種發夾式巖心提斷器及其應用

廖遠蘇，胡啟鋒，繆 賽，陳浩習，卓廉明

提高復雜地層取心質量的一種發夾式巖心提斷器及其應用

廖遠蘇，胡啟鋒，繆 賽，陳浩習，卓廉明

(江西有色地質勘查二隊，江西 贛州 341000)

為了解決普通取心鉆具在軟弱、松散性復雜地層鉆進中的取心問題，降低堵心、磨心概率，提高鉆進回次進尺長度和巖心采取率，研制了安裝在普通S95繩索取心鉆具上的一種新式巖心提斷器。該巖心提斷器是利用女性頭飾發夾卡取軟弱、松散巖心，其構件由發夾、發夾座、發夾室組成，無須通過鉚焊工藝固定，可在施工現場由手工借助一種發夾裝配器進行組裝。在某勘查區3個鉆孔中進行了試驗，試驗孔段總進尺45.11 m，平均回次進尺1.16 m，平均巖心采取率91.42%。試驗結果表明：該巖心提斷器與底噴式鉆頭及“引心管”配合使用，能夠在軟弱、松散性破碎地層大幅度提高回次進尺量、巖心采取率及取心質量，解決了試驗前應用普通繩索取心鉆具，在鉆遇松軟夾石、水敏性強的復雜地層中巖心采取率不足30%的難題。用發夾卡取軟弱、松散巖心的方法與類同現有技術中簧片的卡心方法比較，更具經濟性、靈活性和普適性。其應用領域不限于礦山地質，還可拓展到水文地質、工程地質及環境地質的巖心鉆探，具有廣泛的應用前景。

發夾；巖心提斷器；發夾裝配器；復雜地層；取心鉆具；底噴式鉆頭；引心管

地質巖心鉆探普遍應用的雙管單動取心鉆具，配用一種卡簧式巖心提斷器來收割巖心。該巖心提斷器廣泛用于堅硬、完整或一般裂隙地層，但是用于軟弱、松散性復雜地層，導致堵心、磨心或卡不住塑性和松散性巖心的概率高、巖心采取率低，滿足不了巖心質量要求[1]。為了解決軟弱、松散性復雜地層取心問題，近年來又研制出攔簧式或雙簧(簧片及卡簧)一體式巖心提斷器[2]。該類巖心提斷器與底噴式鉆頭配合使用，降低了堵心、磨心概率，能有效采集塑性和松散性巖心，提高了巖心采取率和回次進尺量。但是，其使用壽命低，加工工藝復雜，且較普通卡簧式巖心提斷器的生產成本高，在實際應用中因加工難或使用成本高的問題很難得到普及推廣應用[3-7]。基于此，在總結前人工作經驗的基礎上，以普通S95繩索取心鉆具為基礎，研制了一款與之適應的發夾式巖心提斷器，及能在施工現場就地組裝該巖心提斷器的一種發夾裝配器，并在某礦區松軟夾石、水敏性強的復雜地層中，應用配帶發夾式巖心提斷器的S95繩索取心鉆具進行試驗，以期解決普通繩索取心鉆具用于該類復雜地層巖心采取率不足的問題。

1 發夾式巖心提斷器的組成及其組裝方法

1.1 組成

發夾式巖心提斷器[8-9]由發夾、發夾室、發夾座組成，如圖1所示。

圖1 發夾式巖心提斷器

發夾是女性常用的一種頭部飾品，選用類型有橢圓夾和水滴夾，在百貨店或小商品超市有售，零售價為0.5~1.0元；發夾材質為65Mn彈簧鋼片，厚為0.2~0.3 mm；成品發夾彎曲成弧形，表面有黑色烤漆，富有一定的彈性和防銹能力，如圖2所示。

圖2 橢圓夾和水滴夾

發夾座用普通S75繩索取心鉆具外管材料加工，成品平均分布6~10個豎向發夾座銑槽。發夾室用普通S95繩索取心鉆具內管材料加工，上端與內管為螺紋連接，下端擠壓在發夾座的凸臺部位，與發夾座為軸孔過渡配合連接[10-11]。發夾布置在發夾座銑槽中，且夾尾朝下，夾頭指向發夾座軸心。為了保證發夾固定的可靠性，在發夾座銑槽還注有502瞬間粘結劑。

圖1所示發夾為橢圓夾類型，發夾座可根據取心情況，平均分布3枚或6枚發夾。水滴夾類型的發夾座有10個發夾座銑槽，平均分布5枚或10枚發夾；該發夾座所置水滴夾與橢圓夾的夾尾形狀不同，在凸臺部位沒有77°的內倒角。

1.2 組裝方法

發夾式巖心提斷器的組件由手工借助1種發夾裝配器進行組裝，如圖3所示。

1.2.1 發夾裝配器的組成

發夾裝配器由3個螺母(M20)、2個推力球軸承(51104)、支撐盤、支撐板、托盤、壓盤、支撐墊圈、定位套及絲桿組成。定位套與托盤為電焊連接，螺母及托盤與絲桿為螺紋連接，其余構件均自由套在絲桿上[11]。

1.2.2 發夾式巖心提斷器的組裝工序

①把托盤套在絲桿下端，用螺母從絲桿下端套入并將托盤鎖緊。為了便于組裝，在工作臺放上1個?108 mm套管接手，將托盤底面坐在套管接手上端。

②從絲桿上端，依次套上發夾座、支撐墊圈、支撐板。發夾座置于定位套內。支撐墊圈所需個數是根據發夾規格長度確定，當發夾長度為45 mm時，放置9個厚度2.5 mm的支撐墊圈。

圖3 發夾式巖心提斷器裝配工藝圖

③按發夾的夾尾朝下，夾頭指向軸心的方位，把發夾插入發夾座銑槽。如果選用橢圓夾，應事先把夾尾的彎折厚度用鋼絲鉗適度壓扁，以能插入發夾座銑槽為宜。

④從絲桿上端依次套上支撐盤、推力球軸承，端正發夾坐姿，擰上螺母，使發夾處于穩定姿態。

⑤從絲桿上端依次套上發夾室、壓盤、推力球軸承，戴上螺母。

⑥發夾室的底端對準定位套端口，并扶正其上身至正中位置；右旋上端螺母，把發夾室底端壓至發夾座底部的凸臺面。

⑦松開上端螺母，取出巖心提斷器，在發夾座銑槽內使用尾管(粘結劑配帶的1種塑料滴管)注滿502瞬間粘結劑，候凝10 min后即可使用。

2 發夾式巖心提斷器的使用及注意事項

①發夾式巖心提斷器適用于黏土層、煤層、風化層、斷層破碎帶、角礫破碎層等軟弱、松散性地層；此外，還可用于基巖裂隙發育的一般性破碎層。只要巖心從鉆頭部位折斷，進入巖心提斷器就能被發夾卡住，不必擔心個別殘留孔底的未斷巖心，在下一回次鉆進時還能輕易套上。

②應用發夾式巖心提斷器鉆遇裂隙發育、巖樣破碎的風化層，水敏性強的泥質地層或斷層破碎帶，宜安裝3~6枚橢圓夾；鉆遇砂礫狀松散性地層，宜安裝5~10枚水滴夾。

③發夾式巖心提斷器宜選用底噴式鉆頭配合使用，且鉆頭內徑宜比發夾座內徑小2~4 mm。發夾座與鉆頭內臺階之間的懸掛間隙和調節方法與原鉆具相同[12]。

④在發夾式巖心提斷器內腔塞上1根“引心管”，有助于引導初出巖心順暢進入內管。試驗中的“引心管”用?63 mm×3 mm規格的PVC管制作，長度為巖心直徑的2~2.5倍，外徑比發夾座內徑小1 mm。“引心管”安插時其底端與發夾座底端平齊，上端伸入內管里頭，中部被發夾卡住；鉆進時“引心管”底端被初出巖心頂著上行，避免了初出巖心在進入內管前撐開發夾夾頭的阻力；退心時“引心管”隨巖心一起從內管退出[13]。“引心管”導心鉆進狀態如圖4所示。

圖4 引心管導心鉆進

⑤如果鉆進工況非常復雜，取心鉆具的單動性能差，堵心、磨心概率高，可在發夾中部折斷內層夾片來減輕發夾對巖心的擾動。

⑥當內管盈滿巖心或發生堵心時，應停止鉆進，立即打撈取心，嚴禁反復試探孔底或強行鉆進。

⑦內管退心時，先退出內管上端螺紋，倒出巖心后方可退出巖心提斷器。否則先拆卸巖心提斷器，勢必在退出內管下端螺紋時，發夾隨巖心提斷器旋轉被攪碎的巖心損壞。

⑧拆卸發夾式巖心提斷器組件時，宜用沖桿從發夾室上端的內腔插入，對稱敲擊發夾座頂端直至其松開，不可在發夾室底端橫向錘擊使其松動，否則發夾座和發夾室易變形，影響其使用壽命。

⑨發夾式巖心提斷器在組裝前必須清除油泥和水漬。更換發夾時，應用502解膠劑(FD-1型)涂抹在殘留固體膠表面，待其軟化后(3 min左右)，用刮刀清除才可再次使用。

⑩發夾室和發夾座經多次拆卸磨損后，軸孔之間配合的緊密度低，只要鋼體變形量不影響正常鉆進和打撈取心，仍然可以繼續使用，不過注膠后宜停待24 h再用。

?組裝1個發夾式巖心提斷器大約需要10 min，但是為便于隨機可用，施工現場應有備用，且宜備用多個不同發夾規格、類型的發夾座，以便應對不同復雜地層類型時選用。

3 應用實例

3.1 工程簡況

勘查區隸屬于江西省石城縣，勘探工程是區域礦產調查與找礦預測項目，施工時間為2018年12月。上鉆前，無可供參考的勘查資料，只是根據現行地表調查工作，設計了3個75°斜孔，孔深均為120 m。首個ZK001孔，最初以?110 mm口徑開孔，采用干鉆法勉強進尺16.15 m，坐下?108套管后，換用普通S95繩索取心鉆具，采取泥漿護孔鉆進。由于鉆遇地層水敏性強，松軟夾石，該孔施工15 d，總進尺49.50 m，繩索取心鉆進孔段的巖心采取率不足30%，且多個鉆進回次出現打撈空管現象，從而導致該孔廢棄。為了保證難鉆孔段的巖礦心質量要求，在3個斜孔中試用發夾式巖心提斷器并取得成功，保證了鉆孔施工的順利進行。

勘探區主要巖性為寒武系黑云斜長變粒巖，夾二云片巖，鈮鉭鈹礦體蘊藏在侵入式偉晶巖中。黑云斜長變粒巖及二云片巖，風化后成泥質或泥夾石，吸水膨脹率大，風化層埋深0~70 m。基巖可鉆性 7~9級，研磨性強，裂隙發育。偉晶巖全風化為灰白色，夾雜淺綠－紅褐色，粉末狀，易被沖洗液沖蝕；微風化結構松散，脆性大，易碎，研磨性強。

3.2 鉆孔施工要求

巖心采取率＞80%，礦心采取率及礦體頂底板3~5 m的圍巖采取率＞85%，近礦圍巖及礦體中鉆進提升間隔不大于3 m，最小終孔口徑75 mm。

3.3 主要儀器設備

陸續開動2臺鉆機，配置XY-4型鉆機2臺，BW-250型泥漿泵2臺，9 m簡易鉆架2副，S75JC-1型繩索取心絞車2臺，泥漿攪拌機2臺，泥漿性能測試儀1套，普通S95和S75繩索取心鉆具各2套。

3.4 鉆孔結構

應用發夾式巖心提斷器依次在ZK001、ZK003、ZK002三個鉆孔?95 mm口徑中進行了試驗，各鉆孔結構如圖5所示。

圖5 試驗孔的鉆孔結構情況

3.5 鉆進方法及技術措施

?130 mm、?110 mm開孔口徑采用干鉆法鉆進；在松軟夾石、水敏性強的上部孔段采用普通S95繩索取心鉆具，HV-CMC泥漿護孔鉆進；在一般性破碎或完整地層，采用普通S75繩索取心鉆具，PAM低固相泥漿護孔鉆進，或清水鉆進至終孔。

在?95 mm口徑鉆遇極軟、可塑、易沖蝕的水敏性復雜地層時，為了保證巖礦心采取率，在普通S95繩索取心鉆具上，把卡簧式巖心提斷器更換為發夾式巖心提斷器，并配上底噴式鉆頭鉆進。該鉆進孔段使用泥漿性能為：蘇氏漏斗黏度：30~50 s，密度1.07~1.15 g/cm3，含砂量2.5%~5.5%；鉆進技術參數為：鉆壓8~12 kN，轉速187~267 r/min，泵量60~90 L/min。

3.6 生產試驗效果

應用發夾式巖心提斷器進行生產試驗，各孔采集的試驗數據見表1。

表1 發夾式巖心提斷器生產試驗的基本情況

ZK001孔在試驗孔段的裝箱巖心如圖6a所示。該孔段主要巖性為風化變粒巖和片巖，間夾少量0.30~1.50 m厚的風化偉晶巖巖株，鉆取巖心含泥量高，可塑，易沖蝕；所用鉆具的內管長度為1.60 m，回次進尺量大多控制在0.30~1.20 m，平均巖心采取率為96.98%。

ZK003孔在試驗孔段的裝箱巖心如圖6b所示。該孔段巖性及其物理特性與ZK001孔類同，所用鉆具的內管長度為2.00 m，回次進尺量不少于1.00 m，平均巖心采取率為83.05%，比ZK003孔低13.93%。其原因是操作者未注意控制回次進尺量，發生堵心、磨心時巖心堵塞報信機構無信號反映，全憑進尺快慢來判斷。

圖6 應用發夾式巖心提斷器獲取的巖心

ZK002孔在試驗孔段的裝箱巖心如圖6c所示。該孔段巖性為風化變粒巖，鉆取巖心破碎，間夾斷層泥，所用鉆具的內管長度為2.00 m，進尺2回次，平均巖心采取率為82.78%。該孔段試驗時，在發夾式巖心提斷器內腔塞了1根“引心管”。從表1可知，應用“引心管”可明顯提高破碎地層的回次進尺量。

4 存在問題與應對措施

發夾與普通巖心提斷器的卡心構件，如卡簧、攔簧等對初出巖心進入內管或巖心容納管都有一定的阻攔障礙，是鉆進軟弱、松散性破碎地層堵心、磨心的關鍵部位。本次試驗在解決該問題時，雖然在巖心提斷器內腔塞了1根用PVC管制作的“引心管”有助于初出巖心進入內管，但是在退心時很難從內管里頭退出。該“引心管”的外徑與內管內徑相差不足4 mm，因其材質軟，外表磨損粗糙粘泥，易被內管里頭的沉積巖屑夾持，同樣會增加巖心上行的摩擦阻力，限制回次進尺量。針對該問題提出兩點應對措施：一是改用?63 mm×0.7 mm的不銹鋼裝飾管制作“引心管”，因其外表光滑摩擦阻力小，便于在內管里頭通行；二是降低泥漿含砂量，盡可能控制在1.5%以內。

本次試驗更換發夾11次，發夾的平均使用壽命4.10 m，最高使用壽命8.75 m。影響發夾使用壽命的主要因素取決于鉆具工作的單動性。堵心是導致鉆具單動性失效的主要原因。磨心由堵心引起，是鉆進中損壞發夾的直接原因。軟弱、松散性巖心不成形、吸水膨脹、怕沖蝕是堵心的內在原因；巖心在自重力和鉆具振動力作用下產生開裂、破碎、堆積和擠壓是堵心的外在原因[14-15]。針對復雜地層鉆進中的堵心、磨心問題，提高發夾使用壽命擬采取以下幾點應對措施：

①采用?95 mm或更大的鉆孔口徑鉆進，因巖心粗，成形好，有益增強巖心的抗沖蝕能力；

②適當降低鉆進參數，提高鉆具工作的穩定性，避免鉆具因公轉擴大復雜地層孔段的孔徑，及由此造成的孔壁坍塌、掉塊、鉆頭徑向跳動等不利鉆進因素影響鉆具的單動性[16-17]；

③宜使用成膜性、潤滑性好及濾失量小的優質泥漿，保護巖心的原狀性，降低巖心通行內管或巖心容納管內壁的摩擦阻力[18-19]；

④調整巖心堵塞報信機構中的碟形彈簧或圓柱螺旋壓縮彈簧壓力，使之與鉆進地層相適應，提高堵心報信的靈敏度。

5 結論

a.利用女性頭飾發夾卡取軟弱、松散巖心的一種發夾式巖心提斷器，其構件無須通過鉚焊工藝固定，可在施工現場由手工借助一種發夾裝配器進行組裝；發夾成本低廉，取用方便，磨損后可及時更換。用發夾取代攔簧式巖心提斷器簧片的卡心方法，更具經濟性、靈活性和普適性。

b.應用發夾式巖心提斷器在某勘查區軟弱、松散性破碎地層中進行了39個鉆進回次的生產試驗，總進尺45.11 m，平均回次進尺1.16 m，平均巖心采取率91.42%，對比普通繩索取心鉆具的巖心采取率提高了60% 以上。試驗結果表明，發夾式巖心提斷器與底噴式鉆頭及“引心管”配合使用，能夠大幅度提高軟弱、松散性破碎地層鉆進中的回次進尺量、巖心采取率及取心質量。

c.發夾的可選規格長度有45~78 mm不等；發夾的應用不限于?95 mm鉆孔口徑，還可拓寬到?110 mm、?130 mm、?150 mm等鉆孔口徑。實際應用過程中，發夾類型、規格及安裝數量可根據復雜地層變化情況進行選擇和調整；發夾式巖心提斷器的應用領域不限于礦山地質，還可拓展到水文地質、工程地質及環境地質的巖心鉆探，具有廣泛的應用前景。

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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

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P634.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.033

1001-1986(2020)06-0249-07

2020-08-21；

2020-09-27

江西有色地質勘查局科技開發基金項目(KF201802)

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

廖遠蘇，1962年生，男，江西贛州人，高級工程師，從事復雜地層治理及取心鉆具研究工作. E-mail：15970096813@126.com

廖遠蘇，胡啟鋒，繆賽，等. 提高復雜地層取心質量的一種發夾式巖心提斷器及其應用[J]. 煤田地質與勘探，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.

(責任編輯 聶愛蘭)