定向取心应用效果

应用效果评价~

1)安徽寿县正阳关ZK04孔和江西赣州南岭科学钻探NLSD-1孔的应用结果表明,研制的岩心定向仪密封性能良好,工作可靠,定向标志清晰,定向岩心产状求解方法简单,所获岩矿层产状信息与实际较为吻合。
2)定向取心技术在小口径倾斜孔及直孔中均可应用,亦可在泥浆护壁的钻孔中进行,仪器结构简单,操作方便,利于推广应用。
3)在深部找矿中应用定向取心技术成功地解决了单孔确定岩矿层产状、结构面及矿脉延伸方向的预测难题,可以为矿区普查和初探提供较为准确的岩矿层产状趋势,对特殊异形矿体结构分析、地质勘探布孔、深部地质找矿及矿区钻孔自然弯曲规律分析具有指导意义。
4)定向取心技术不仅可用于深部找矿,在水文地质、工程地质、基础工程、地质灾害治理质量监测和探矿工程事故监测等领域亦有良好的应用前景。
5)为扩大定向取心技术应用范围,提高定向取心效率,还需进一步研制无缆式岩心定向打印储存系统、可靠的随钻定向取心仪器、简便的岩心复位装置等。

定向取心技术是20世纪70年代发展起来的,它采用机械式专用工具和仪器对岩心实时定向取心,在地表复位,取得岩矿层结构面产状。目前国内外具代表性的机械式岩心定向装置有:瑞典 Atlas Copco公司的Craelius岩心定向器,美国的Odgers和Christensen岩心定向钻具,英国的Archway岩心定向器,德国的KTB岩心定向系统,前苏联的K-5岩心定向器,以及我国的SDQ-94A、YCO-Ⅱ、YD-56和YDX-1岩心定向器等(表10-1)。定向取心的关键是获取清晰可靠的定向标记,主要有岩心侧面刻痕、岩心端面钻孔和打印三种标记方法。

表10-1 国内外典型机械法岩心定向工具概况

(一)岩心侧面刻痕法
该方法采用安装在岩心管内的弹簧刻刀在岩心侧面刻痕作为定向的依据。我国“八五”和“九五”期间研制的SDQ系列,“十五”期间研制的SDQ-94A定向取心器(图10-1)属于该类型。它由传递钻压及扭矩的外管系统和定向刻痕取心的内管系统两部分组成。在内管短节内安装有三把突出于管内壁的弹簧刻刀,在岩心进入内管过程中对其侧面刻痕作定向标记。在一般情况下,可伸缩的弹簧刻刀可获得清晰的定向标记刻痕,但当刻刀刃磨损或岩心过硬时岩心表面定向标记不清晰,甚至无法刻出,且弹簧刻刀不易拆装。当工艺或地层因素造成岩心过细或岩心冲蚀时,也会造成刻痕不清晰,使定向取心失败。

图10-1 SDQ-94A定向取心器

1—钻杆柱;2—异径接头;3—上外管;4—扶正器;5—弹簧;6—定向键;7—重力加速度计;8—测量仪容纳管;9—定向接头;10—轴;11—密封圈;12—轴承;13—通水接头;14—轴承;15—调节螺母;16—定向螺钉;17—岩心管;18—外管;19—弹簧刻刀;20—卡簧座;21—卡簧;22—钻头
(二)岩心端面钻孔法
该方法用微型钻头在岩心端面钻孔作为定向标记,打标记与定向测量在同一回次完成。我国“八五”期间研制的YDX-1型岩心定向器(图10-2)通过滑槽式联轴节将涡轮转轴输出的扭矩传给两个金刚石微型钻头,用施压弹簧通过传动箱给微型钻头加压。适用孔径≥91mm;适用孔深≤200m,驱动涡轮泵量≥120L/min。
该方法,在岩心形成前打的定向标记清晰,不会因岩心折断、扭动而造成定向错误。缺点是孔底涡轮机结构复杂,体积大,造价昂贵,涡轮产生的震动达到一定程度时易引发孔壁坍塌,影响标记的效果,不能满足小口径深孔要求。
(三)打印法
打印法岩心定向装置如图10-3所示。定向取心前先用专门钻头磨平孔底并冲洗干净,再用钻杆把偏重打印器下入孔内。打印器下部装有一根与偏心重锤方向一致的硬质合金压头或色笔,利用钻杆和打印器的自重在孔底或未断根的岩心顶端留下一个冲痕(或色点)。位于岩心下帮最低位置的冲痕(或色点)与岩心中心连线的水平投影就是钻孔的方位线。然后提出打印器,再下钻头卡取带定向标记的岩心。
打印法的优点是定向和打印机构比较简单,缺点是偏心重锤工作可靠性差,钻孔顶角小于5°时定向效果欠佳,不能用于垂直孔,在坚硬岩层中难以获得清晰的标记。
上述三类岩心定向器均是以钻孔下帮为起始点来推算岩矿层结构面产状,在钻孔有一定顶角情况下方可使用。由于该技术还存在一些不成熟的问题,至今未能广泛应用。为了解决利用单孔岩心确定岩矿层产状的难题,必须研究和改进岩心定向技术,以提高其可靠性和定向精度,简化操作程序,降低施工费用。安徽省地矿局313地质队与中国地质大学(北京)合作开展了用于深部找矿小口径钻孔的孔底电动定向打印取心技术研究,克服了传统岩心定向器的一些弊端,岩心定向标记清晰、可靠,解决了在垂直孔和斜孔中坚硬岩层进行岩心定向的技术难题,扩大了应用范围。研制的孔底电动定向取心仪获国家发明专利(专利号:ZL200910170005.8)。下面重点介绍该仪器及定向取心技术。

图10-2 YDX-1型岩心定向器结构示意图

Ⅰ—定向测量仪;Ⅱ—孔底动力机;Ⅲ—传动工作头
1—钻杆;2—上非磁管;3—磁铁块;4—上测斜仪;5—下测斜仪;6—非磁管接头;7—下非磁管;8—非磁管-动力机外壳接头;9—上轴承座;10—上调节环;11—动力机外壳;12—定子;13—转子;14—转轴;15—下调节环;16—下轴承座—;17—滑槽式联轴节;18—连接管;19—施压弹簧;20—中心轴;21—传动箱;22—传动轴;23—支承管靴;24—标记钻头

图10-3 打印法岩心定向示意图

1—钻杆;2—接头;3—外管;4—偏心重锤;5—压头(或色笔);6—印坑(或色点)

(一)应用概况

定向取心技术在安徽寿县正阳关ZK04孔和国家“地壳深部探测计划”预研究项目江西于都银坑“赣州南岭科学钻探NLSD-1孔”中进行了生产应用。目的是验证研制的电动定向取心仪、电动打印系统密封性及岩心打印测量定向系统的可靠性,对取出的定向岩心进行地表复位求解,以解决单孔解析岩矿层产状的地质难题,为深部地质勘探提供技术支撑。

两钻孔设计孔深分别为2000m和3000m,试验最深孔段为1058.63m,累计定向取心6回次,定向取心岩石可钻性6～8级。生产应用表明,所研制的孔底电动岩心定向仪工作可靠,利用所取定向岩心求解得出的地层产状结果真实、准确。

(二)应用效果

寿县正阳关铁矿异常验证孔ZK04孔在577.38m～609.53m孔段定向取心4回次。江西赣州南岭科学钻探NLSD-1孔在1051.88～1058.63m孔段定向取心2回次。取出的定向岩心如图10-18、图10-19所示。ZK04孔3、4号岩心属同一种岩石、同一层位,NLSD-1孔1、2号岩心属同一种岩石、同一层位。两孔定向取心原始数据见表10-2。

图10-18 ZK04孔定向岩心实物图

由表10-2定向取心参数对取出的定向岩心进行地表复位和公式求解,得出定向取心孔段地层的倾角和倾向数值如表10-3所列。

分析表10-3中的结果可以看出:

1)ZK04孔1、2号定向岩心通过地表复位及公式求解所获得的岩层倾向分别为166.8°、185.6°,二者倾向有一定的差异主要是由于层位有一定变化。

图10-19 NLSD-1孔定向岩心实物图

2)用地表复位及公式求解法处理ZK04孔3、4号定向岩心所获数据,发现两者的岩层倾向基本一致。实际上3、4号定向岩心属于同一岩石、同一层位,因此应用定向取心技术所获得的产状数据与实际情况较为吻合。

3)用地表复位及公式求解法处理对NLSD-1孔1、2号定向岩心所获数据,发现两者的岩层倾向基本一致。实际上1、2号岩心属于同一层位,同属花岗闪长斑岩,因此应用定向取心技术所获得的数据与实际情况较为吻合。

由此可以看出:孔底定向取心技术所获资料正确可靠;地表复位和公式求解结果基本一致;通过定向取心可以了解同一层位岩层产状趋势。

表10-2 定向岩心原始数据

表10-3 定向岩心产状求解结果

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