地质岩心钻探.docx

地质岩心钻探.docx

《地质岩心钻探.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地质岩心钻探.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

地质岩心钻探

地质岩心钻探

钻探工程质量有六项指标：

岩矿心采取率、钻孔弯曲度、简易水文地质观测、孔深误差测量与校正、原始报表填写、钻孔的封闭。

为了保证达到这六项指标的要求，我们就必须采取必要的方法与措施来提高钻探质量。

一、提高岩矿心采取率的措施

1.根据各矿区地质条件、岩矿层的物理机械性质和技术因素，正确地选择取心方法和工具。

2.取心困难的岩矿层中，应尽可能选用金刚石或硬质合金钻进。

3.在取心困难的矿层中钻进时，应限制转速、压力和泵量，适当控制回次进尺长度和时间。

4.钻进时回次进尺不得超过岩心管长度。

5.在矿层、矿层顶底板和重要标志层中，岩、矿心没有采取上来时，须专程捞取，不应继续钻进，必需钻时不得超过0.5米。

捞取岩、矿心时应尽量采用喷反、无泵或钢丝钻头等有效方法。

6.退取岩心时要细心，尽可能地避免人为地破碎，并严格防止岩、矿心上、下顺序颠倒。

二、预防钻孔弯曲的措施

1.确保安装质量，保证“天车、回转器、孔口”三点一线。

不准使用旷动的立轴（导管）。

2.开孔时，应选用锋利的钻头，主动钻杆不得有偏摆，轴心压力要均匀，要随钻孔加深而加长岩心管。

3.在易斜岩层地区施工，应根据地层、见矿深度等条件合理设计开孔角度和弯曲强度。

要尽量选用金刚石或硬质合金钻进。

4.深孔钻进时，应尽量采用钻铤加压。

5.遇到片岩地层、倾斜岩层、破碎带、软硬互层时，应使用锋利的钻头和长、直、重、厚、刚的钻具，有条件时也可试用冲击回转钻进。

6.扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器。

粗径钻具要用综合式异径接头连结，其中心线必须一致。

换径时导正管要长于4米，第一回次的小径岩心管长度要短于1米。

三、做好简易水文地质观测的措施

要及时观测水位及其他应测项目；水位观测的基准点必须一致，读数要准确，测绳不得任意割接。

四、降低孔深误差的措施

1.机场使用的木尺或铁尺必须保持两端平齐，刻度准确、清楚，并注意经常校正。

2.丈量机上就时应停止立轴回转，基准点必须一致，并应准确丈量，及时记录。

3.加减钻具必须用钢卷尺丈量尺寸。

4.校正孔深丈量钻具尺寸时必须使用钢卷尺，并将丈量结果逐根记录在班报表上。

五、做好原始记录的措施

记录员应认真负责地做好当班的各项记录，机长（或综合记录员）要每天校对原始记录发现错误要及时修正，无误后签字自存并定期移交统计部门保存。

六、提高封孔质量的措施

1.封孔前必须准确掌握封闭段孔深及隔离塞（架桥）的位置，正确选用有一定强度的架桥材料，并将其固定牢靠。

2.使用泥浆做冲洗液的钻孔，应根据情况自下而上清洗封闭段孔壁上的泥皮。

3.水泥必须用清水搅拌均匀，水灰比应小于50%。

4.可根据实际情况分别采用泵送、导管注入和注送器注入水泥浆的方法，水泥浆出口距隔离位置的距离应小于0.5米。

5.注浆过程不要中断，封闭长度在5米以内时不得提动钻具；水泥浆灌注完毕，要准确掌握替浆的清水用量，不得过多。

6.用套管护壁的钻孔，应先封好套管下部各封闭段后再起拔套管。

第一节钻进方法

钻探方法的主要类型：

按机械碎岩方式分有回转钻探、冲击钻探、冲击回转钻探等；按碎岩工具或磨料分有钢粒钻探、硬质合金钻探、金刚石钻探、复合片钻探、牙轮钻头钻探等；按获取岩心的方式分有提钻取心、绳索取心、反循环连续取心取样等；按冲洗液类型分有清水钻探、泥浆钻探、空气钻探等；按冲洗液循环方式分有正循环钻探、反循环钻探、孔底局部反循环钻探等。

此外还有一些特殊的方法，如底动力驱动钻探、定向钻探等，也可以是上述方法的组合。

地质岩心钻探采用的主要钻探方法有硬质合金钻探、金刚石钻探（含绳索取心钻探）、复合片钻探、冲击回转钻探、定向钻探、反循环取心取样钻探等。

钻进方法的选择与矿区地质条件、岩矿层的物理机械性质和技术因素有关；与岩石的可钻性、研磨性、完整程度有关。

把与钻进工艺有关的几个特性将岩石做如下分类：

1.按硬度的大小分为四类，按可钻性的高低分为十二级，其相应关系为：

（1）软—可钻性1～3级；

（2）中硬—可钻性4～6级；

（3）硬—可钻性7～9级；

（4）坚硬—可钻性10～12级。

2.按研磨性的强弱分为三类：

弱研磨性、中研磨性、强研磨性；

3.按完整程度分为三类：

完整、较完整、破碎。

4.针对主要岩层特点，依据岩石硬度、研磨性及完整程度，结合口径、钻孔深度等，选定钻探方法。

6级以下岩石可选用硬质合金钻进方法，7级以上岩石应以金刚石钻进方法为主，金刚石复合片及聚晶金刚石钻进适用于4～7级、部分8级岩石；中深孔、深孔钻探为减少提钻次数，宜采用绳索取心钻进方法；坚硬致密打滑岩层宜采用冲击回转钻进方法；治理孔斜及施工定向孔、多分支孔宜采用定向钻进方法；在坚硬破碎、易于坍塌、漏失复杂地层钻进时，推荐采用空气反循环连续取心（样）钻进方法。

钻进方法的选择如下表：

岩石特性

岩石硬度

软

中硬

硬

坚硬

岩石可钻性级别

1～3

4～6

7～9

10～12

岩石研磨性

弱

弱

中

强

弱

中

强

弱

中

强

钻进方法

硬质合金钻进

●

●

●

●

表镶金刚石钻进

●

●

●

●

孕镶金刚石钻进

●

●

●

●

●

●

●

冲击回转硬质合金钻进

●

●

●

●

冲击回转金刚石钻进

●

●

●

●

●

●

聚晶、复合片钻进

●

●

●

●

●

空气潜孔锤钻进

●

●

●

●

●

●

●

一、金刚石钻探

金刚石钻探的钻进效率高低和钻头寿命长短一般取决于金刚石钻头与地层岩性的匹配。

对于表镶金刚石钻头，特级用于特坚硬岩层，优质级用于坚硬岩层，标准级、低品级和等外级用于硬和中硬岩层。

最常用的金刚石粒度范围是25粒/ct～60粒/ct。

人造金刚石孕镶钻头磨料粒度多为40目、60目、80目和100目，坚硬致密岩层应选用细粒度金刚石或不同粒度混合的孕镶磨料。

根据岩石的硬度、可钻性、研磨性和完整程度及孔内条件，合理选择金刚石钻头与扩孔器的镶嵌类型、胎体性能、金刚石的质量和粒度、金刚石浓度、水口形状及其数量和大小、底唇形状等。

金刚石钻头和扩孔器的选用见下表：

金刚石钻头和扩孔器的选用

常见岩石举例

泥灰岩，绿泥石片岩，页岩，千枚岩，泥质砂岩，硬质片岩

大理岩，石灰岩，泥灰岩，蛇纹岩，辉绿岩，安山岩，辉长岩，片岩，白云岩，硬砂岩，橄榄岩

片麻岩，玄武岩，闪长岩，石英二长岩，混合岩，矽卡岩，伟晶岩，花岗闪长岩，流纹岩，花岗岩，钠长岩

石英斑岩，高硅化灰岩，坚硬花岗岩，碧玉岩，霏细岩，石英岩，石英脉，含铁石英岩

可钻性

类别

软

中硬

硬

坚硬

级别

1～3

4～6

7～9

10～12

研磨性

弱

弱

中

强

弱

中

强

弱

中

强

表镶钻头

聚晶金刚石烧结体

●

●

●

●

●

天然金刚石粒度（粒/ct）

10-25

●

●

25-40

●

●

●

●

40-60

●

●

●

60-100

●

●

●

●

胎体硬度（HRC）

20-30

●

●

●

35-40

●

●

●

●

＞45

●

●

孕镶钻头

人造或天然金刚石（目）

20-40

●

●

●

●

●

40-60

●

●

●

●

●

60-80

●

●

●

●

80-100

●

●

●

●

●

胎体硬度（HRC）

10-20

●

20-30

●

●

●

●

30-35

●

●

●

●

35-40

●

●

●

●

40-45

●

●

●

＞45

●

复合片钻头

●

●

●

扩孔器

表镶

●

●

●

●

●

孕镶

●

●

●

●

●

●

●

●

金刚石钻头的合理使用：

1根据设计孔深，按钻头和扩孔器外径尺寸，由大到小排序，轮换使用。

2钻头与扩孔器及卡簧间要合理配合,要求如下：

a）扩孔器的外径应比钻头外径大0.3mm～0.5mm，岩层坚硬时应采用下限数值；

b）卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3mm～0.5mm。

卡簧应在上一回次岩心上测试，以不脱落、不卡死为宜。

3新钻头到达孔底后，应进行“初磨”，即轻压（正常钻压的1/3左右），慢转（100r/min左右），钻进10min左右，再采用正常参数继续钻进。

不宜用新钻头扫孔和残留岩心。

（一）金刚石钻单动双管取心钻探

1、钻具应符合如下条件：

a）单动性能好，异径接头、扩孔器、钻头、短节和卡簧座等零部件连接应同心；

b）内、外管平直无裂伤，螺纹符合要求；

c）内管与短节、短节与卡簧座装配后垂直提起时，不允许自由脱落；

d）装配好的钻具卡簧座底端与钻头内台阶的距离应为3mm～4mm；

e）保证水路畅通；

f）在易斜地层中钻进时，取心钻具上部应配有稳定接头、扶正器等导向装置。

2、使用金刚石取心钻具时的操作要求：

a）钻探现场应有两套以上与施工口径对应规格的完好钻具；

b）定期拆卸清洗、加油保养，螺纹或外径磨损要及时更换；

c）拧卸钻头、扩孔器、卡簧座与内管应使用多触点钳或摩擦钳，不允许使用管钳；

d）退出岩心时，要用橡皮锤或木锤敲打内管；

e）钻具在移动时不准猛力拖拉或撞击；存放时要摆平，不得重压；运输时要装箱；装卸时应轻放；

f）钻杆接头不经常拧卸的一端应使用粘接剂密封粘牢，经常拧卸部位应涂抹丝扣油；

g）钻杆和接头单边磨损量和均匀磨损量符合表26的规定；

h）钻杆螺纹连接要保证密封良好。

3、钻进技术参数

（1）钻压

根据岩石可钻性、研磨性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量选择钻压。

钻压值见下表。

金刚石钻进适用钻压（单位：

千牛）

钻头种类

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

表镶钻头

初压力

0.5～1.0

1.0～2.0

2.5

3.0

3.5

正常压力

3～6

4～7.5

6～10

8～11

10～13

11～14

孕镶钻头

4～7

4.5～8.5

6～11

8～15

12～17

14～19

在软岩层中钻进应用较小的钻压，在完整、中硬到坚硬或强研磨性的岩层中钻进应适当加大钻压；在破碎、裂隙和非均质的岩层中钻进应适当减小钻压，一般降低25%～50%。

在钻孔弯曲、超径的情况下，钻压应适当减小。

（2）转速

根据岩石性质、钻孔结构及设备能力等因素选择转速见下表。

金刚石钻进适用转速（单位：

转/分）

钻头种类

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

表镶钻头

500～1000

400～800

300～550

250～500

180～350

150～300

孕镶钻头

750～1500

600～1200

400～850

350～700

260～520

220～440

中硬完整岩层宜采用高转速；岩层破碎、裂隙发育、软硬不均，钻进时振动大，则应适当降低转速。

在软岩层中钻进效率很高时，应适当限制钻速。

正常钻进时，在机械能力、管材强度、钻具稳定性及其减震、润滑等条件允许的前提下，视地层情况适当提高转速。

（3）泵量与泵压

泵量应视岩石性质、环状间隙、钻头类型、金刚石粒度、胎体性能等因素，适当调整:

a）钻进坚硬、颗粒细的岩层，泵量可小些；钻进软、中硬、颗粒粗的岩层，泵量应大些；钻进裂隙，有轻微漏失的岩层，泵量要稍大于正常情况；

b）孕镶钻头应采用较大泵量，表镶钻头采用较小泵量，复合片钻头选用的泵量可超过表镶或孕镶钻头泵量的20%～50%；

c）在转速较高，钻进速度较快，岩层研磨性较强，岩屑颗粒较粗时，应选用较大泵量，反之泵量应减小；

d）钻头水口的大小，直接影响钻头内外的冲洗液压差，保持适当的压差，有利于钻头底部岩粉的排出和冷却。

随着钻头胎体消耗，钻头水口要进行修磨，修磨后其高度不得小于3mm；

金刚石钻进中要随时观察泵压，根据泵压的变化判断孔内情况。

泵压发生小幅度的上升或下降，一般是孔底换层的征兆；泵压猛然大幅度增高，伴随钻速下降或不进尺，可能发生岩心堵塞；如果泵压突然大幅度下降，多是钻具折断或脱扣。

钻进不同孔径所需泵量见下表。

金刚石钻进适用泵量（单位：

升/分）

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

适用泵量

25～40

30～45

40～65

50～80

60～100

80～120

（二）金刚石绳索取心钻探

1、绳索取心钻具总成应具备的技术性能

a）内管总成能从钻杆柱内下到外管中的预定限位和悬挂部位，并可向地面传递信号；

b）钻进进程中，一旦发生岩心堵塞，应能及时向地面发出信号；

c）内管总成的长度能够调节，使卡簧与钻头内台阶保持合理距离；

d）卡取岩心时，卡簧座应坐在钻头内台阶上，通过钻头将拔断岩心的力传到外管；

e）内外管应同轴，单动灵活；

f）打捞器能在钻杆柱内以一定的速度下降到内管总成上端，并把装有岩心的内管打捞上来；

g）打捞器抓住内管提拉不动或提升过程中遇阻时，能够安全解脱；

h）钻进严重漏失地层或干孔时，打捞器能把内管总成安全地送到预定位置。

2、绳索取心钻具总成的装配和检查注意事项

（1）外管总成的组装和检查注意事项：

a）上扩孔器外径应略小于下扩孔器外径；

b）装入座环和扶正环时，应放平摆正后用手推入，不允许用铁器敲击；

c）外管平直度要符合规定要求。

（2）内管总成的组装和检查注意事项：

a）各零部件连接螺纹应拧紧；

b）所有弹性销的开口方向都应一致向下或向上；

c）组装弹卡机构时，应先将回收管装入弹卡架，然后装入弹卡和张簧，并将弹簧销打入，装入的弹卡动作应灵活；

d）根据钻孔深度调节到位报信机构工作弹簧预压力；

e）卡簧座、内管和内管总成上部连接要同轴，内管要求光滑平直；

f）卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3mm～0.5mm。

（3）打捞器的组装和检查注意事项：

a）打捞器与绳索取心绞车的钢丝绳连接要牢靠；

b）打捞钩要安装周正；

c）尾部弹簧应工作灵活可靠，头部张开距离以8mm～12mm为宜；

d）打捞器在脱卡管作用下可安全脱卡。

（4）内外管总成的装配和调整注意事项：

a）弹卡与弹卡挡头的顶面保持一定距离，一般为3mm～4mm；

b）卡簧座与钻头内台阶之间应保持最优距离，一般为2mm～4mm（卡簧座有水口时应取小值）；

c）内管总成应牢固地卡在外管总成中，不能自弹卡挡头端自由倒出。

（5）现场应备用一套外管总成和两套内管总成。

3、取心操作

（1）投放内管

当确认外管和钻杆内已无岩心时，将内管总成由孔口投入钻杆内，对上机上钻杆，开泵压送，应注意观察泵压变化，泵压明显升高或降低时，说明内管总成已到达预定位置。

遇地层严重漏失，孔内没有冲洗液或水位很深时，不准直接投放内管总成，应采用打捞器把内管总成送入孔内；或用机上钻杆对准孔口，泵入适量的冲洗液，然后迅速投放内管总成。

（2）打捞岩心

首先用回转器或动力头顶起钻具50mm～70mm，缓慢回转钻柱，扭断岩心，再提起并卸掉机上钻杆后，下放打捞器。

打捞器在冲洗液中以1.5m/s～2m/s的速度下降，当将要到达内管总成上端时，应适当减慢下降速度，1000m孔深范围内，可以听到轻微的撞击声，然后开动绳索取心绞车，缓慢提升钢丝绳，确认内管总成已提动后可正常提升。

提升过程中，若冲洗液由钻杆溢出，说明打捞成功，否则重复试捞，严禁猛冲硬蹾，反复捞取无效应提钻处理。

4、绳索取心钻具总成和打捞器的维护保养

（1）每回次需检查弹卡磨损情况和张簧是否变形，弹卡处于张开状态时，两翼最大间距应比弹卡挡头内径大1.5mm。

（2）单动轴承应定期注入黄油，发现单动不灵活，需拆开检查，彻底清洗。

（3）每次提钻检查弹卡挡头拨叉、悬挂环和座环，不符要求应进行修复或更换。

（4）每次打捞岩心前，检查打捞钩头部和尾部弹簧，打捞钩头部严重磨损和尾部弹簧变形要及时更换。

5、绳索取心钻杆的使用和维护保养

（1）拧卸时，应使用多触点专用钻杆钳，并扶正立根上部，不允许用普通管钳拧卸或用铁锤敲击钻杆。

（2）坚持使用丝扣油和冲洗液润滑剂。

（3）下钻时钻杆连接螺纹应达到规定的预扭矩值。

（4）钻杆立根长度以12m为宜，钻杆与套管间隙不宜过大，钻进中不盲目加压。

（5）防止钻杆螺纹损伤，应做到：

a）钻杆下孔前检查螺纹，清除螺纹上的污垢；

b）钻杆立根摆放台应垫放木板、橡皮等，防止螺纹端部直接与铁器接触；

c）下钻时，钻杆立根应与孔内钻杆柱严格对中，防止压伤螺纹；

d）每次提下钻时，注意检查内螺纹接头的磨损情况，直径磨损超过母接头外径1.2mm，应及时更换；

e）使用粘结剂粘结钻杆螺纹时，应检查接头内径部分，如有粘结剂堆积应及时清除。

在拧卸过程中，发现粘结不牢的钻杆应重新粘结；

f）钻杆搬运时，螺纹部分应拧上护丝，轻拿轻放。

钻杆停止使用时，应用清水洗净并擦干，钻杆外表涂防锈油，内外螺纹涂丝扣油，钻杆宜放在室内保管，并用枕木垫放，保持水平，排列整齐。

6、钻探技术参数

（1）钻压

绳索取心钻具钻进时对钻压选择原则与单动双管取心钻具是一致的，但绳索取心钻头比普通双管钻头钻压稍大，详见下表。

不同规格钻头适用钻压（单位：

千牛）

钻头种类

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

表镶钻头

最大压力

8

10

12

15

17

19

正常压力

4～6

6～8

7～9

8～12

10～14

12～16

孕镶钻头

最大压力

10

12

15

18

20

22

正常压力

6～8

8～10

10～12

12～15

14～18

16～20

钻进节理发育岩石和产状陡立、松散破碎、软硬互层、强研磨性等地层及钻孔弯曲、超径的情况下，应适当减压；经初磨的新钻头，采用正常钻压可获得高钻速。

钻进中随着金刚石磨钝，钻速下降，应逐渐平稳增大钻压。

（2）转速

a）钻进坚硬弱研磨性地层、裂隙破碎地层、软硬互层及产状陡立易斜地层时，应适当降低转速；在软岩层中钻进，亦应限制转速；

b）钻孔结构和钻具级配要合理，钻杆与孔壁间隙小，适于采用高转速。

钻孔结构复杂，换径多，环状间隙大，钻具回转的稳定性差，不宜开高转速。

绳索取心钻探适用转速范围见下表。

绳索取心钻探适用转速（单位：

转/分）

钻头种类

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

表镶钻头

400～800

300～650

300～500

220～450

170～350

140～300

孕镶钻头

600～1200

500～1000

400～800

350～700

250～500

200～400

（3）泵量

a）钻进坚硬、颗粒细的岩层，钻速低，岩粉少，泵量可小些；钻进软及中硬岩层，钻速高，岩粉多，泵量应大些。

钻进裂隙，有轻微漏失地层，泵量应稍大于正常情况。

钻进研磨性强的岩层，泵量可增大；

b）应保持上返流速为0.5m/s～1.5m/s。

表镶钻头采用的泵量应比孕镶钻头稍小。

孕镶钻头泵量范围见下表。

不同规格孕镶钻头泵量（单位：

升/分）

钻头规格（φmm）

48

60

76

96

122

150

适用泵量

25～40

30～50

40～70

60～90

90～110

100～130

二、冲击回转钻探

1、技术特点和适用条件

（1）坚硬、破碎地层液动冲击回转钻进，可减轻岩心堵塞，增加回次进尺，提高机械钻速。

（2）冲击回转钻进通常可减缓钻孔弯曲。

绳索取心液动冲击回转钻进还可减轻绳索取心钻杆内壁结垢现象。

（3）硬质合金液动冲击回转钻进适合于可钻性级别5～6级和部分7级岩层。

（4）金刚石液动冲击回转钻进适用于可钻性级别6～12级。

在坚硬、致密的“打滑”岩层应用液动冲击回转钻进，可缓解金刚石钻头“打滑”问题。

2、液动冲击器类型

（1）液动冲击器按照作用原理分为阀式正作用液动冲击器、阀式反作用液动冲击器、阀式双作用液动冲击器。

阀式双作用液动冲击器主要有压差式、射流式、射吸式和复合式等类型。

（2）液动冲击器可与绳索取心钻具配套组成金刚石绳索取心液动冲击器。

（3）应根据钻进方法、钻孔深度、钻孔直径、岩石可钻性和破碎程度以及冲洗介质类型等合理选用液动冲击器。

硬质合金冲击回转钻进宜选用低频高功型冲击器，金刚石冲击回转钻进宜选用高频低功型冲击器。

硬质合金冲击回转钻进，可采取低转速、适当钻压的钻进参数。

3、金刚石冲击回转钻进参数一般与金刚石钻进相近。

三、定向钻探与定向取心

1、技术特点和适用条件

（1）岩心钻探定向钻进技术多应用于急倾斜（陡立）矿体、深部矿体和自然造斜严重矿区勘探，亦可用于纠正钻孔弯曲，补取岩矿心，绕过孔内复杂事故层段。

（2）因地形、地面建筑限制无法安装钻探设备时，宜采用定向钻进技术。

为减少钻探设备搬迁，避免多次钻进上部复杂覆盖层，在勘探网度密，矿体埋藏深等情况下，可利用定向钻进技术施工分支定向孔或集束孔。

2、初级定向钻进是利用钻孔自然弯曲规律，辅以部分工艺措施，以求达到预定目标的定向钻进技术。

3、受控定向钻进是利用人工造斜工具使钻孔按设计轨迹钻到预定目标的一种钻进方法。

4、纠斜钻进：

当钻孔实际轴线偏离设计轴线超过最大允许值时，应根据地质要求进行纠斜。

四、空气反循环取样钻探

1、技术特点

空气反循环取样钻进是将压缩空气作为冲洗介质从双壁钻杆环状间隙送至孔底，携带岩样从中心通道高速返回地表的钻进方法，主要特点有：

a）冲洗介质流速快，携带岩屑能力强，洗孔效果好；

b）孔底清洁，冷却钻头效果好，钻头寿命长；

c）通常配用潜孔锤冲击钻进，效率高；

d）钻进中连续、实时采取岩矿样品，采取率高；

e）适应复杂地层钻进；

f）适合干旱缺水地区使用。

2、适用条件

a）地质异常验证及矿体边沿追索；

b）已掌握基本地质构造资料的老矿区补充勘探；

c）在地层