硬脆碎地層取心工具研究及改進(jìn)

蔡 雋，呂敬尊，王 杰，賀前平，方國(guó)慶，楊 濤

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長(zhǎng)沙 410600）

在地質(zhì)取心鉆探工作中，經(jīng)常會(huì)遇到一類(lèi)在壓力、振力和扭力等地質(zhì)構(gòu)造作用力下形成的地層——主要由斷層泥、糜棱巖、斷層角礫、碎塊巖和片狀巖等組成，在經(jīng)過(guò)風(fēng)化后，地層堅(jiān)硬、解理發(fā)育，破碎十分嚴(yán)重，此類(lèi)地層稱(chēng)為硬脆碎地層［1］。

堅(jiān)硬完整地層施工時(shí)獲取巖心較為簡(jiǎn)單，硬脆碎地層采集巖心比較困難，有些地層甚至無(wú)法成功取心。因此，研究合適的鉆探取心工具來(lái)有效獲取符合要求的巖心具有重要的意義。

1 硬脆碎地層取心特點(diǎn)及要求

1.1 硬碎地層的取心特點(diǎn)

（1）利用鉆具可切削破碎石塊并收取巖心。礦產(chǎn)勘查工作中，成礦帶大多位于地層破碎的構(gòu)造帶中，地層特點(diǎn)為硬、脆、碎，而取土器、取沙器等工具只能在第四系等松散軟層中使用。

（2）非破碎地層中巖心較為完整。在非成礦帶或者周?chē)鷰r體鉆進(jìn)中，大多使用金剛石鉆頭，地層比較完整，取心工具需帶有卡簧以保證鉆具可拔斷完整巖心。

（3）沖刷或重復(fù)切削巖心。采用帶有卡簧結(jié)構(gòu)的取心工具時(shí)，在泥漿正循環(huán)條件下，巖石不會(huì)被鉆頭均勻切削，被研磨較細(xì)的顆粒隨鉆井液上返，而顆粒較大的石塊則會(huì)沉到井底被鉆頭重復(fù)研磨，既降低了施工效率，也造成了鉆頭的非必要損耗。

1.2 硬脆碎地層鉆進(jìn)設(shè)計(jì)原則

（1）滿(mǎn)足金剛石鉆進(jìn)的工藝技術(shù)要求。

（2）保證巖心質(zhì)量。

（3）有利于保護(hù)孔壁。

（4）能同時(shí)適應(yīng)完整和破碎巖層的取心特點(diǎn)。

（5）對(duì)配用液動(dòng)沖擊器不構(gòu)成技術(shù)障礙。

（6）取心技術(shù)方案簡(jiǎn)單易行，加工費(fèi)用低，易于推廣。

2 鉆具及改進(jìn)措施

巖心鉆探施工過(guò)程中，經(jīng)常碰到軟硬互層的地層，即硬脆碎地層中夾雜著松散軟地層，這就增加了取心工作的難度。本文所研究改進(jìn)的鉆具是三層管壓卡噴射反循環(huán)取樣鉆具，該鉆具是在三層管壓卡取樣鉆具的基礎(chǔ)上改進(jìn)成為噴射反循環(huán)鉆具。下面先分別介紹三層管壓卡取樣鉆具和噴射反循環(huán)鉆具的特點(diǎn)［2］。

2.1 三層管壓卡取樣鉆具

三層管壓卡式取樣鉆具的工作原理是：在當(dāng)前鉆進(jìn)回次完成采心時(shí)，投入鋼粒，使之落入內(nèi)管總成上部閥座口，造成泵壓升高使得內(nèi)管總成下移，爪簧被動(dòng)收攏切斷巖心，同時(shí)防止巖心脫落。該鉆具還具有單動(dòng)性能靈活，巖心采取率較高，巖心擾動(dòng)較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，使用方便和可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。

鉆具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）雙層滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。在懸掛滾球和懸掛環(huán)槽之間，增加了一個(gè)單動(dòng)層，與原有單動(dòng)機(jī)構(gòu)組合形成了雙層滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化了鉆具單動(dòng)性能。

（2）隔水防沖刷結(jié)構(gòu)。一是使用階梯鉆頭和側(cè)噴水口；二是設(shè)置3～6道U形槽于卡簧座外側(cè)，將鉆井液與巖心隔開(kāi)防止被沖刷。

（3）壓卡式爪簧結(jié)構(gòu)。爪簧在內(nèi)管總成下行時(shí)受到橫向應(yīng)力而剪切巖心，既可減少破壞巖心，又可防止巖心脫落。

（4）內(nèi)襯透明PC管。加入襯管后，由于PC管的材質(zhì)特性，摩擦阻力較小，使得巖心更易進(jìn)入內(nèi)管，從而降低堵心概率，回收內(nèi)管更為方便，同時(shí)還可保持樣品的原生結(jié)構(gòu)不受破壞。

2.2 噴射反循環(huán)鉆具

噴射式孔底反循環(huán)鉆具簡(jiǎn)稱(chēng)為噴反鉆具。當(dāng)泥漿泵開(kāi)啟后，鉆井液從鉆桿內(nèi)進(jìn)入射流元件上部錐形的擴(kuò)散器內(nèi)，擴(kuò)散器上大下小，故下部出口流速將大大提高而形成高速射流。由于壓力原因，一部分高速射流會(huì)向上返回井口，另一部分則通過(guò)下部環(huán)狀間隙流向孔底，經(jīng)鉆具底部和鉆頭水口流向鉆具內(nèi)部，補(bǔ)償擴(kuò)散器周邊流量，同時(shí)帶走噴嘴周邊部分鉆井液進(jìn)而形成負(fù)壓區(qū)，使巖心管內(nèi)鉆井液向上吸入混合室，與射流混合后通過(guò)喉管及水眼排出。排出的鉆井液一部分在壓力作用下攜帶巖屑經(jīng)環(huán)狀間隙上返井口，另一部分在壓差的作用下，在孔底形成一個(gè)局部反循環(huán)狀態(tài)，自下而上托舉和懸浮巖心或巖塊進(jìn)入內(nèi)管，同時(shí)冷卻潤(rùn)滑鉆頭。通過(guò)這種方式，可以有效避免正循環(huán)中鉆井液對(duì)巖心沖刷的情況發(fā)生［3］。

2.3 三層管壓卡噴射反循環(huán)取樣鉆具

根據(jù)硬脆碎地層取心難點(diǎn)，筆者對(duì)三層管壓卡取樣鉆具進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：①改進(jìn)爪簧使之更適合在硬脆碎地層工作；②在三層管壓卡取樣鉆具中加入了噴射反循環(huán)裝置，使鉆具更適合在硬脆碎地層鉆進(jìn)取心。

2.3.1 爪簧的改進(jìn)

三層管壓卡取樣鉆具的爪簧是按朝下布置。假定兩個(gè)相鄰的爪簧片分別為A和B，在爪簧片A與B之間存在一定的間隙，當(dāng)爪簧向下移動(dòng)收攏時(shí)，如果A與B的間隙存在有細(xì)碎巖石，爪簧片就不會(huì)按原定的軌跡運(yùn)動(dòng)，而是發(fā)生不確定的變形，爪簧片被擋在巖心管口，影響巖心進(jìn)入，從而無(wú)法達(dá)到取心的目的（圖1）。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者對(duì)爪簧部分做了改進(jìn)，將原來(lái)的爪簧片位置調(diào)整到爪簧機(jī)構(gòu)最上側(cè)，在爪簧與外管之間加上螺釘［4］，使爪簧不隨內(nèi)管一起運(yùn)動(dòng)。在巖心管最下端設(shè)置斜面，當(dāng)內(nèi)管整體下移時(shí)，內(nèi)管斜面將爪簧片擠壓收攏從而達(dá)到卡取巖心的目的。由于爪簧片在巖心進(jìn)口的最后側(cè)，不會(huì)因爪簧片變形而影響巖心進(jìn)入。優(yōu)化后的爪簧機(jī)構(gòu)既能達(dá)到卡斷巖心正常取心，又能避免爪簧片發(fā)生不確定變形而影響巖心正常進(jìn)入（圖2）。

圖1 改進(jìn)前的爪簧局部圖

圖2 改進(jìn)后的爪簧局部圖

2.3.2 射流式噴射反循環(huán)接頭

在三層管壓卡取樣鉆具的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)射流原件，鉆井液自上而下流入噴嘴，由公式：

式中：Q為鉆井液流量，L／min；S為鉆井液液柱橫斷面積，m2；V為鉆井液流速，m／s。

通過(guò)公式可知，面積減小，流速則增大，從而得到高速射流。

由伯努力方程式：

式中：Z為鉆井液橫斷面位置高度，m；p為鉆井液橫斷面處壓力，Pa；γ為鉆井液密度，kg／m3；V為鉆井液在橫斷面處流速，m／s；g為重力加速度，m／s2。

由該公式可知，該斷面處液體壓力出現(xiàn)大幅度下降，同時(shí)帶走噴嘴周邊部分鉆井液進(jìn)入承噴器內(nèi)，使噴嘴周邊形成低壓區(qū)。進(jìn)入承噴器的液流經(jīng)混合室→兩股液流充分混合，喉管→流速穩(wěn)定，擴(kuò)散管→增高壓力，經(jīng)水口排出，排出的鉆井液一部分在壓力作用下攜帶巖屑經(jīng)環(huán)狀間隙上返井口，另一部分在壓差的作用下，實(shí)現(xiàn)鉆孔底部的局部反循環(huán)狀態(tài)。

2.3.3 噴反接頭參數(shù)確定

噴反鉆具實(shí)現(xiàn)井底局部反循環(huán)的關(guān)鍵部件是承噴器，它的結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)改進(jìn)是改良目標(biāo)鉆具的關(guān)鍵。

該元件的主要參數(shù)有：噴嘴出口的直徑和內(nèi)部錐度，喉管及混合室內(nèi)外徑和長(zhǎng)度，混合室收斂角，擴(kuò)散端長(zhǎng)度和出口直徑以及擴(kuò)散角，噴嘴至混合室之間的長(zhǎng)度，噴反接頭的排水?dāng)嗝娓讛嗝婷娣e之間的比例等（圖3）。

圖3 承噴器元件參數(shù)圖

（1）噴嘴出口內(nèi)徑D0：直徑減小，則流速增大。流速越高，則由壓差形成的負(fù)壓越大，噴反現(xiàn)象越明顯。D0太小易被鉆井液中固相堵塞，太大對(duì)泥漿泵能力要求增加，同時(shí)也受鉆孔直徑限制。

（2）噴嘴錐度β：從流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)了解，要獲得流速較高的流體，可以選擇圓錐形或者流線(xiàn)型，前者加工更方便。β角為13°24′最優(yōu)，在該角度條件下?lián)p失最小，流量系數(shù)最大。

（3）噴嘴入口內(nèi)徑D：為降低噴嘴中鉆井液收縮，以及噴嘴磨損后不會(huì)明顯擴(kuò)大。直徑比D0／D應(yīng)大于1／4。

（4）噴嘴長(zhǎng)度S0：當(dāng)β為13°時(shí)，S0則是2.2（DD0）＋D0。

（5）混合室喉管內(nèi)徑D2：要實(shí)現(xiàn)混合室處鉆井液均勻流動(dòng)且均勻混合，則D2須比D0大，D2越大，鉆孔返水情況越好，但受到鉆孔及鉆具直徑和泥漿泵性能影響不宜太大。

（6）混合室喉管長(zhǎng)度S2：按經(jīng)驗(yàn)取（1～1.2）D2或（4～8）D2。

（7）混合室入口錐度α：為增大吸入鉆井液的流速，削弱兩部分鉆井液速度差所出現(xiàn)的渦流，同時(shí)方便加工，使用收斂型圓錐類(lèi)型，大小及角度根據(jù)鉆具尺寸參數(shù)而定。

（8）混合室入口內(nèi)徑D1、混合室入口長(zhǎng)度S1：按經(jīng)驗(yàn)取（1.3～2）D2，4.75（D1－D2）。

（9）混合室出口內(nèi)徑D3、混合室出口長(zhǎng)度S3：按經(jīng)驗(yàn)取2.5D0，（3～5）D0。

（10）混合室出口錐度γ：太大或者太小，都會(huì)導(dǎo)致鉆井液通過(guò)擴(kuò)散管時(shí)流速差轉(zhuǎn)化為壓力差這一過(guò)程的能量損耗增大，一般取6°～12°為宜。

（11）噴嘴與混合室間距L：應(yīng)與D0的長(zhǎng)度成反比，與D2長(zhǎng)度成正比。L的大小對(duì)噴反效果無(wú)太大關(guān)聯(lián)性，可根據(jù)鉆具尺寸自行確定。

（12）排水孔斷面積應(yīng)大于吸水孔斷面積。

3 注意事項(xiàng)與其他說(shuō)明

為充分發(fā)揮噴反功效，需按下列操作規(guī)程使用該鉆具：

（1）巖心內(nèi)管長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，盡量不超過(guò)1 m。該鉆具受到泥漿泵能力制約，負(fù)壓吸力有限，過(guò)長(zhǎng)的巖心管會(huì)使噴反效果大打折扣。

（2）該鉆具對(duì)鉆井液要求較高，循環(huán)體系中不得有大顆粒固相，以避免噴嘴被堵塞導(dǎo)致失去功能。

（3）回次開(kāi)始前或是處理燒鉆井故時(shí)，應(yīng)在鉆具未達(dá)到井底或事故頭前開(kāi)高泵量，并持續(xù)一段時(shí)間，讓孔底反循環(huán)進(jìn)行充分。

（4）使用過(guò)程中可能會(huì)由于部分碎石塊未順利進(jìn)入鉆頭而發(fā)生震動(dòng)，應(yīng)適當(dāng)提高鉆具至震動(dòng)消失，不可強(qiáng)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）當(dāng)鉆具恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行后，可按規(guī)程提高回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)壓力，但不可隨意上提鉆具避免已吸入的固相塊體掉入孔底。

（6）磨削井內(nèi)殘余鐵塊等物體時(shí)，當(dāng)過(guò)了事故頭后，仍需正常鉆進(jìn)一段深度，根據(jù)地層和鉆具實(shí)際情況自行把握，目的是防止已進(jìn)入內(nèi)管的鐵塊等掉出。

（7）因鉆具的尺寸和強(qiáng)度等因素影響，噴嘴、吸水口、排水口尺寸要適中，不能設(shè)計(jì)太大。原則上完成一個(gè)回次進(jìn)尺采心后，需卸開(kāi)清洗。

（8）加鉆桿時(shí)，必須檢查，防止異物進(jìn)入鉆桿堵塞噴嘴。

（9）在鉆進(jìn)破碎帶時(shí)，要適當(dāng)降低鉆壓轉(zhuǎn)速，放緩進(jìn)尺速度防止堵心。鉆進(jìn)完整地層時(shí)，鉆頭內(nèi)徑和卡簧內(nèi)徑尺寸要配合，巖心太粗會(huì)使噴反效果受到影響。

（10）鉆具下入前，需檢查各元件是否完好，有無(wú)堵塞，安裝是否到位。防止出現(xiàn)“假循環(huán)”現(xiàn)象導(dǎo)致燒鉆。加桿后應(yīng)立即開(kāi)泵，在鉆具離井底1～2 m時(shí)慢掃下行，下行速度不宜太快，防止鉆具插入巖粉堵塞鉆具。同時(shí)，鉆具到達(dá)孔底后要上下活動(dòng)，此時(shí)孔內(nèi)殘留物能充分懸浮。鉆進(jìn)時(shí)如果需停泵5 min以上，鉆具應(yīng)提離孔底3 m以上，并旋轉(zhuǎn)鉆具甩掉巖粉，可正常施工后，如上重新掃孔。回次完成后，需大泵量沖4 min左右，之后停泵等待3 min左右，使其充分沉淀卡心，方可起鉆。

在鉆具結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，第一是要預(yù)防巖心堵塞內(nèi)管或卡簧，第二是要改善內(nèi)管儲(chǔ)存巖心條件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可從以下幾點(diǎn)入手：

（1）可選用鍍鉻處理的巖心管，減少巖心管摩擦力。

（2）可在內(nèi)管中安裝噴射式裝置和水力振動(dòng)器，以防巖心自卡。

（3）可采用半合管，三層管和內(nèi)管超前的鉆具，以獲得與地層結(jié)構(gòu)大致相同的巖礦心。

其次是要及時(shí)測(cè)斜，防止鉆孔彎曲度過(guò)大，當(dāng)遇到軟硬互層、易斜地層時(shí)，除換徑，改變鉆進(jìn)參數(shù)等常規(guī)辦法外，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出合理的鉆具結(jié)構(gòu)使之在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下保持較好的穩(wěn)定性。再次是完善施工工藝，如使用防斜鉆頭、糾斜鉆頭、人工造斜等方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞硬脆碎地層巖心采取率不足的問(wèn)題，研究并改進(jìn)三層管壓卡取樣鉆具，通過(guò)倒置爪簧，加入噴反接頭等方法，使之能夠更合理有效的提高硬脆碎地層取心率。