复杂地层岩心钻探施工技术总结
复杂地层岩心钻探施工技术总结
岩心钻探是在进行固体矿产地质勘探时经常采用的勘探手段之一。在我国，岩心钻探仍然是目前和今后相当长一段时间内地质工作者在进行地质工程勘探时，获取直观地质资料的最主要方式。本文对复杂地层特性和岩心钻探施工方法进行叙述,并就如何进行复杂地层的岩心机械钻探施工技术进行研究，进而提高钻探质量，降低勘探成本，以达到提高找矿效率的目的。一、复杂地层分类
根据钻探施工特点及地质情况,把复杂地层分为以下几类:
(一)松散破碎地层:主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层,这种地层含有大量的砂岩,部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用,钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。
(二)水敏性地层:主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。
（三)漏、涌水地层:这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大,漏失分大、中、小漏;涌水地层一般涌水量为10m3/h～50m3/h。煤系地层硅质胶结,灰岩多破碎,且研磨性大,构造裂隙较发育,稳定性较差,透水性强,地下水丰富,承压水力大,钻孔缩径或涌水时有发生。二、钻探方法和设备的选择（一）钻进方法的选择《岩心钻探规程》中按岩石硬度的大小分为四类十二级:软--可钻性1～3级、中硬--可钻性4～6级、硬--可钻性7～9级、坚硬--可钻性10～12级;按研磨性的强弱分为三类:弱研磨性、中研磨性、强研磨性;按完整程度分为三类:完整、较完整、破碎。在具体施工中根据岩石可钻性、研磨性、完整程度等选择磨料和钻进方法。1～6级和部分7级岩石可选用硬质合金、金刚石、复合片钻进;4～12级岩石可选用金刚石回转钻进,7～12级岩石也可选用钢粒钻进;6～8级岩石可选用硬质合金冲击回转钻进;6～12级可选用金刚石冲击回转钻进。严格执行《岩心钻探规程》的规定是在复杂地层区提高钻探质量的保证。（二）钻孔结构的选择
钻孔结构设计和选择直接影响到钻探效率的提高和施工成本的降低,尤其是在复杂地层区的岩心机械钻探施工。因此,应充分考虑地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和设备情况,并合理选择开孔直径、换径次数与深度、套管程序等。根据经验对复杂地层深孔岩心机械钻探施工一般采用Φ130/Φ110/Φ91/Φ75/Φ60多径成孔,把Φ60mm口径作为技术口径备用,下部Φ75mm口径采用金刚石绳索取心钻进,采用优质泥浆护孔。（三）钻探设备的选择应根据钻孔设计深度、钻孔设计倾角、岩层条件、钻进方法以及钻孔设计结构等,合理地选择钻探设备。应尽量选择电动机动力机。钻探设备包括钻机型号、钻塔类型、联动型号、泥浆泵型号、拧管机型号等要配套,严格执行《岩心钻探规程》中规定的钻探常用设备配套标准。三、钻孔弯曲影响因素
钻孔弯曲(特别是深钻)会造成未能按设计穿过矿体或地质层位,可能歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探密度等,从而影响对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。通常在复杂地层区岩心机械钻探施工中钻孔弯曲的主要因素是地层因素和钻探工艺因素。四、钻探技术和冲洗液技术
（一）松散破碎地层:由于在此地层主要采用大径钻具钻进,增加冲洗液冲孔时的过流断面,减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孔壁破坏;同时,采用优质低固相冲洗液保护孔壁。在特殊孔段下入套管与技术套管的方法,一般能保证此类地层的稳定。冲洗液各项指标以控制在下列范围为宜:黏度18s～25s,比重1.05～1.15,失水量每30min小于15mL,泥皮厚度小于1mm,含砂量小于4%,pH值8～9。
(二)水敏性地层:此类地层主要是采用钻进冲洗液护孔,冲洗液的滤液性能和泥皮质量(或孔壁网状膜结构强度)是影响孔壁稳定的关键因素。因此,控制钻井液失水量,增强泥皮强度或冲洗液在孔壁所形成的高分子网状结构“胶膜”强度,减少冲洗液中自由水的含量,降低滤液对岩石的渗透水化和提高滤液对岩石的胶结力是至关重要的。冲洗液通常加入PHP,HPAN,CMC等聚合物和KHM与植物胶的低固相冲洗液。冲洗液性能为:失水量小于10mL,泥皮厚小于1mm。（三）漏、涌水地层:这类地层在钻探施工中难度是最大的。根据岩石结构与长期施工经验,这类地层的漏失大多由于裂隙漏失和含水量水层层位漏失与松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。目前,就各钻探施工中堵漏、防涌特点来看,主要有以下几类方法:胶结堵塞法:适用于中漏以下和较小的涌水地层。常采用浓泥浆加化学浆液加惰性材料与交联物的堵漏方法,涌水则加入加重剂,进行压漏作业。主要配方是浓泥浆中加入质量分数为50×10-6的PHP,再加入惰性材料搅拌均匀,随着钻进可逐渐堵塞漏失通道。水泥堵漏法:适用于中漏以上的漏失和中等的涌水地层。压力平衡法:此方法是利用冲洗液的液柱压力平衡地层压力,以达到孔壁稳定,保证冲洗液能正常循环的一种方法。它适用于中漏以下及小量涌水的任何孔隙、裂隙地层,特别是对长孔段漏失和断层裂隙漏失有效。比如在漏失地层使用泡沫泥浆,在涌水地层使用加重泥浆等。顶漏钻进法:这种方法多用于不便堵漏或代价太大的长孔段漏失地层。采用这种方法的条件是在孔壁失去平衡的情况下,裸眼稳定期须能满足施工的要求;同时,水源较近,用水比较方便。套管隔离法:该法是在其他办法难以达到护孔和堵漏目的时(特别是处理较大涌水)所采取的最可靠的办法,对任何孔深和漏失程度以及涌水都有效,但由于使用管材和需要停钻进行专门作业,故多用于浅孔。较深孔段有时先采用S91绳钻钻进至一定深度,将钻具留在孔内作为套管,再改用S75绳钻钻进。
随着科学技术的不断发展和新技术、新材料、新工艺的广泛应用，勘探机械设备的种类也更加齐全，结构更加复杂，对工程机械操作人员的要求也有新的要求。操作人员不仅要懂得工程机械的结构组成、原理、性能、掌握操作技巧，而且还要有工程机械的故障快速诊断和维修能力。因而，完善地质钻探现场设备工具、材料、仪表、仪器和工艺技术配套工作,加大对勘探技术人员的培训力度，是提高钻探经济技术效果和技术水平的重中之重。岩心钻探工程中的绳索取心工艺
近年来，绳索取心技术不断改进，其相对于常规钻进工艺的优越性愈加凸显出来，得以在行业中广泛应用。主要对钻探设备、钻具选择及应用中发现的问题进行探讨。岩心钻探的钻孔由以前的400～600m,到最近几年的1500～201*m,甚至在未来的施工中还要设计更深的钻孔。1000m左右的孔深,对于石油、天然气、地热等勘查和开采算不上是深孔,但是对于固体勘查的小口4实际钻进情况及钻探规程参数掌握钻压:根据经验公式,P=pA计算（其中p按金刚石孕镶钻头单位压力推荐表中,中硬-坚硬间选择:70～100kg/cm2;胎体外径Φ76.5mm、内径Φ49mm,水口数量为10的绳索取心钻头底面积A大约为20cm2,钻压）径岩心钻探来说,已经算得上是深孔了。深孔的钻探施工,对于钻探设备、应该在1400～201*kg。由某矿段上部覆盖坚硬致密的混合岩,个别段位甚管材、钻探工艺、冲洗液，钻探规程和参数、人员操作方式等等都有不同至出现钻头“打滑”现象,因此,实际钻进的钻压非常高,大约在3000kg左于浅孔施工的要求。右,甚至还要高些,远远大于经验推荐值;这里存在着一种矛盾,即选择胎
2钻探设备我国正规的小口径金刚石岩心钻探设备的专业生产厂家不多,钻机仅有张家口探矿机械厂、石家庄煤矿机械厂，连云港黄海机械厂和无锡探矿机械厂等生产;泥浆泵仅有衡阳探矿机械厂和吉林地质勘探公司修造厂等生产。目前,野外钻探施工应用最广泛的岩心钻机是连云港黄海机械厂生产的XY-4型、其次是张家口探矿机械厂生产的XY-5型和XU-1000型。XY-4型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用Φ42mm钻杆可我队以往应用的实际情况是钻进1000m;用Φ50mm钻杆可钻进700m。使用Φ50mm钻杆、采取普通单管工艺、Φ91mm孔径,最深钻进孔深为720m。其实,还可以继续钻进,但由于单管工艺提取岩心时每个回次都需要升上孔内全部钻具,不使用水刹车系统,钻机的升降系统消耗磨损严重,对钻机损坏相当大;使用水刹车系统,速度非常慢,效率极低,700多m钻具升降一次需要4、个h，5纯钻利用率极低。201*年,由于钻探深孔需要,为了提高钻机能力,厂家改进了XY-4型钻机,将标准配置为30kW电动机改装为45kW电动机。钻机的技术规格标明该型号钻机可以安装201*r/min、功率为60马力的4100型柴油机,60马力相当于44kW,因此,选用45kW的电动机不算超标。使用如此改造的钻机,采用Φ71mm绳索钻杆、绳索取心工艺、Φ77mm孔径,最深孔钻进1000m。XY-5型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用Φ50mm钻杆,孔径Φ56mm钻进深度为1500m;我队201*年首次使用XY-5型钻机,采用Φ71mm绳索钻杆、绳索取心工艺、Φ77mm孔径,最深孔钻进836m,根据实际使用情况采用该设备和工艺可以钻进1100～1200m的钻孔。3钻具级配选择前几年,由于整个岩心钻探行业的工作量偏低,我国生产配套绳索取心工艺钻探工具及管材的厂家很少,尤其是国家标准化与国际标准的接轨等工作,笔者认为还不完善。经过到生产厂家的调研、考察,结合我单位钻探工人的工作习惯,我单位绳索取心工艺采用如下级配:Φ71mm绳索取心钻杆（江西新余生产,材质45MnMoB,符合国家标准,按冶金YS75标准加工外螺纹。）Φ74mm重索钻杆接手（按冶金YS75标准加工接手内螺纹,按金刚石有限公司标准加工卡槽,可以使用NY-3型拧管机和卡槽式提引器。）JS75弹卡总成和JS75打捞器,为新地质标准:DZ2.1,2.2-87;这里注意的细节是冶金标准的接手和新地标的弹卡总成上部的短管（弹卡挡头的）内外螺纹连接。JS75弹卡总成由唐山金石超硬材料有限公司生产,该总成尤其是上扩孔器的设置,笔者个人认为要比YS系列更趋合理,长度不包括岩心管仅为850mm,使用更加方便;打捞器的长度为1300mm。重索Φ77mm扩孔器和重索Φ76.5mm金刚石钻头,长度、螺纹和内径均按新地标JS标准加工,为适应Φ74mm接手,扩孔器和钻头外径比标准加厚1.5mm。这样,组成的钻具级配基本是钻杆和钻杆接手按冶金YS标准加工螺纹,弹卡挡头以下按新地标JS标准配备弹卡总成、打捞器、内外管、卡簧、卡簧座、扩孔器和钻头等。“打滑”,钻进效率极低,体硬度大的钻头,胎体磨损慢,金刚石出露差,甚至选择胎体软的钻头,效率明显提高,可钻头寿命又大降。较软的可钻性在6级左右的岩层,钻压在201*kg以下,进尺的速度也很快,时效可达3m/h,钻头的使用寿命最高可达150m。转速:根据金刚石孕镶钻头适用转数推荐表,可知Φ75mm的孕镶钻头转数在400～850r/min之间,配置1470e/min、45kW电动机的XY-4型钻机转数在101～119r/min之间,完全适合此钻头钻进的转数要求。实际应用情况是采用慢4档即388r/min的时候最多,此时Φ76.5mm钻头外圆的圆周线速度是1.55m/s,也可采用快2档574r/min,此时线速度可达2.30m/s,同时,由于钻杆与孔壁的环状间隙非常小,仅为3mm,钻杆接手部位的间隙仅为1.5mm,所以必须使用润滑剂,尤其是孔深超过300m以后,润滑剂更是重要,如不使用,慢4档也很难开动,效率十分低下;另外,过高的转数在实际钻进中也不适合,由于岩粉沉淀不彻底,在冲洗液中循环中被重复泵入孔内,流经钻杆时由于高速回转的离心力和钻杆壁的高温致使岩粉结垢附着在钻杆内壁,形成1～2mm甚至更厚的垢质,俗称“挂蜡”,这么厚的垢质足以妨碍弹卡总成和打捞矛的顺利通过,给钻探施工造成严重不便。泵量:根据金刚石钻进常用冲洗液量推荐表,可知Φ75mm左右的孔径泵量在40～60L/min即可,可见吉林产的BWJ-125型泵就足够用了,我队大多采用衡阳产的BW-250型泵,而且泵量使用偏高，一般在100L/min或120L/min两个档位上,现场施工为了避免烧钻的保守想法当然是尽量采取较大的泵量。大泵量对于孔底实际钻压的掌握有较大的影响。5工艺比较绳索取心工艺与普通单管、单动双管钻探工艺比较见表1。表1绳索取心工艺与普通单管、单动双管钻探工艺比较比较项目劳动强度纯钻时间综合效率纯钻效率普通单管大短一般高单动双管大短一般一般很高,完全达标一般,可以达标一般适应适中,比单管略高绳索取心小略长略高（深孔尤其明显）较低很高,完全达标略好,可以达标略好于双管很高,一般是单管的4倍,甚至更高完整层岩心采取率高,可以达标破碎层岩心采取率低,很难达标对于复杂地层适应不太适应相同岩层钻头寿命6结论及应用中存在的问题6.1使用加装45kW的XY-型钻机、Φ71mm绳索钻杆,采取绳索取心工艺、Φ77mm孔径可以钻进900m孔深的钻孔，并满足地质设计要求。6.2绳索取心工艺的发展仍需继续研究和解决两对基本矛盾。即比较薄的钻杆壁和足够强度之间的矛盾:由于要保证装有（下转122页）MYKJ11民营科技201*年第7期实践思考浅谈复杂构造地质条件下厚煤层开采方法易方胜（萍乡市跃进煤矿，江西萍乡337035）摘要：根据多年从事采煤工作得到的经验，提出了复杂构造地质条件下厚煤层开采方法。关键词：复杂地质：厚煤；滑动构造；开采方法引言近年来,我国厚煤层采煤方法的改革取得了十分可喜的成绩；可是矿井地质构造较复杂的矿井或某些矿井地质构造复杂的采区和工作面,采煤方法的改革相对落后；甚至有相当一部分地质构造较复杂、装备较差的地方煤矿的厚煤层仍采用“高落式”采煤方法,资源浪费严重。因此,很有必要探讨复杂地质条件下厚煤层的采煤方法,促进构造复杂地区厚煤层采煤方法的改革。江西省某井田层滑动构造比较发育,规模有大有小,多发育在煤层与顶、底板之间,煤层内部及其它软硬岩层的界面上,其特征如下。1滑动构造特征1断层滑动面产状变化较大。其变化最明显的是北部边界断层F26,）浅部倾角在70～80°;中部为25～35°;个别地段和煤(岩层倾角近于一）致;深部为10～25°,甚至近于水平，在剖面上呈凹面向上的铲状或梨状。它使煤系大量缺失,使可采煤层与奥灰之间的距离由190m减小到30m。断导倾角变化大的部位正好是煤层所在位置,深部与煤系基底相吻合。F26断层上盘伴生的低级序断层,与主断层倾向相同的断层倾角大,相反的断层倾角小。2断层带宽度大小不一。）小的仅数厘米,大的有几米到十多米,滑面附近发育碎裂岩(煤、）碎粒岩(煤、）鳞片煤、断层泥。滑动镜面、擦痕、阶步发育。煤层中或其附近岩层中发育的一些小的滑动构造,沿滑动面发育）一层土状软岩(煤分层。3滑动面上、）上盘构造不协调现象较明显。上盘构造较复杂,常见有揉皱、破碎等现象;而下盘相对简单,一般仅发生压碎等现象。4滑动构造在形成过程中,由于岩层结构、）强度不同,可导致构造组合的不协调现象。一般地煤层、粘土岩、砂页岩等软弱岩表现为塑性变形,而砂岩、页岩等则呈脆性变形。5滑动构造经常引起煤层顶板错乱现象,使顶板岩石插入煤层中）或顶板岩块落入煤层中,并继续被改成长条状或透镜状。6层滑构造在滑动过程中,由于强大的动力作用,引起煤层塑性流）变,使煤层发生动力变质作用及结构破坏等物理、化学变化,从而出现自燃倾向的差异。测试结果表明,粒度小的煤在120～500℃之间氧化放热有增加的趋势,有利于煤炭自燃的发展,流变层构造煤粒度小于正常煤的粒度,自燃倾向大于正常煤。7滑动构造往往改造早期形成的构造,使煤厚发生变化。）2复杂构造地质区的采煤方法研究1轻型综采放顶煤）轻型综采放顶煤与综采放顶煤的实质性差别在于支架的不同。目前应用于综放工作面的液压支架单架重量较重,而轻型综采放顶煤液压支架单架重量较轻,并要求其具备综放支架的推移溜、移架、临时支护、防倒、防漏、导向、放顶煤等功能。经过近几年综放工作面的矿压观测，发现放顶煤工作面周期来压显现较弱,综采支架的实测初撑力和工作阻力与额定值相差较大,有较大的余量；并由于简易支架放顶煤实践的成功,更说明轻型综采放顶煤在非坚硬顶板条件下的厚煤层中应用完全可行；而且具有投资少、运输安装方便、对复杂地质构造的适应性好于综采放顶煤。在构造复杂地区厚煤层及中型矿井厚煤层中应积极推广使用该工艺。2简易支架放顶煤）我国研制出滑移顶梁及悬移顶梁支架,用于放顶煤工作面,在国有地方煤矿得到了较为广泛的应用,对我国地方煤矿厚煤层采煤方法改革起到了推动作用。由于这类支架便于拆装,有利于在复杂地质条件下应用；该矿于年初开始使用滑移顶梁支架放顶煤,到年底,先后在多个工作面使用,并对这些工作面进行了矿压观测。3分层开采与放顶煤开采）分层开采是厚煤层传统的采煤方法之一,具有回收率高、煤质好的优点,也存在着送巷多、成本高、工效低等缺点,特别是分层工作面中最上层与底分层工作面对地质构造的适应性差。放顶煤采煤具有送巷少、效率高、经济效益好的优点,对不稳定厚煤层及构造复杂地区的厚煤层煤层硬度及有独特的优势。当然,放顶煤开采工艺也要受到煤层厚度、层理裂隙发育程度、煤层夹研厚度、顶板坚硬程度等因素的制约,影响着厚煤层是否可以合理地进行放顶煤开采。工作面使用相似设备条件下,放顶煤采煤比分层开采对复杂地质构造的适应性强。总之，选择厚煤层特别是构造复杂地区的厚煤层的采煤方法要综合考虑煤层厚度，构造复杂程度，煤层硬度及层理裂隙发育程度，顶底板状况，矿井生产能力及技术装备水平等因素；从而确定技术上可行,并能保证资源回收,经济上合理,安全上可靠的采煤方法。对于顶煤可放性差的厚煤层,只能采用分层开采。对于顶煤具有可放性及其它条件适宜的厚煤层,应优先选择放顶煤开采。对于技术及装备水平较好的大中型矿井,应该发展综采和轻型综采放顶煤,充分发挥其技术优势。对于大中型矿井中地质构造复杂的小块段及边角煤,应该考虑采用适应性强、灵活性好的简易支架放顶煤和单体支柱长钢梁放顶煤工艺。3结束语我们对该煤矿进行了探测，经过研究发现，不同放顶煤工艺及其对复杂地质构造的适应性不同，因此需要根据不同的情况采取相应的措施。只有这样才能更好的开采复杂构造地质条件下的厚煤层。（上接11页）岩心的内管顺利通过、同时,金刚石钻头胎体唇面不能卸钻杆时,因为孔内钻杆柱自重很大,致使垫叉开口磨损严重,拧卸时垫叉要在拧管机的井口圈内旋转1/4圈左右,然后卡住拧管,突然卡住时,应该平行接触的钻杆接手卡槽和垫叉切口此时有小的夹角,即垫叉冲击钻杆接手,时间长、次数多、致使接手内壁向里凹陷内径变小,情况严重的内管和打捞矛难以通过。6.5钻杆内壁结垢技术难点突出：无法满足金刚石钻进高转速的要求，钻杆内壁结垢严重影响打捞总成的上下作业，主要与地质情况和冲洗液中的固相含量有关。如何结合钻场实际情况选择冲洗液的类型是关键技术所在。太厚而降低纯钻效率,要求钻杆的壁厚不能太厚,较薄的壁厚还要保证足抗弯、抗压及抗疲劳破坏强度,因此需要在钻杆材质上继续研够的抗扭、究;比较厚的钻头和较高纯钻效率要求的矛盾:由于双层岩心管的存在,势必造成金刚石钻头胎体唇面比较厚的实际情况,厚的唇面需要较大的钻压,同时纯钻效率偏低,因此需要在金刚石钻头胎体唇面的形状和形式上继续投入研究。6.36.4深孔钻进机械设备、钻杆及钻杆接手螺纹连接等多方面的强度校实际施工中,钻杆接手使用寿命偏低,主要原因在于使用拧管机拧核,不仅是经验方面的定性结论,还需要材料力学上定量的数值计算。
扩展阅读：浅谈岩心钻探在复杂地层中应用
浅谈岩心钻探在复杂地层中应用
肖伟伟
岩心钻探仍然是目前和今后国内外地质工作者获取直观地质资料的主要手段之一。提高岩心钻探取心质量是钻探工作者的主要职责和奋斗目标。
取心质量从最早的概念和要求来说，就是岩心采取率，只要取出的岩心数量多就可以了。现代随着工程勘察的发展和质量要求的提高，还要求取出代表岩层结构、构造、成分、颗粒级配的原结构状岩心样。即使矿床勘探，取得原结构状岩心也是必要的，可以防止分选和人为贫化；对于任何脉状矿体，都可以防止打丢，并保证含矿层的真实厚度和品位。因此现在的取心质量应该包括岩心采取率和岩心的原状结构程度两个指标。
植物胶类钻井液的应用，金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善，为取原结构状岩心样创造了条件，它已成为一套完整的工艺技术。
但是就全国地质勘探及工程勘察行业来说，还有许多单位不了解上述材料和工艺技术的优越性，或者没有真正掌握它的要领。诚然，任何一项新的技术，新的工艺都不可能是万能的，都会有它的适应性和局限性。因此目前还有许多勘探工程取心质量上不够理想或者存在难题。
本文企图将自己多年在深厚砂卵石覆盖层和基岩复杂地层岩心钻探提高取心质量的研究、体会和实践整理出来，与同行共同探讨，能看到同仁们在更多的勘探工程解决取心质量的难题。借此机会，感谢前书记王江侠的、路桥公司的经理多方支持。
在这里，我们的员工没有经验，老员工也为数不多，而且已经不能不从事该行业了，可以说是我们的队伍已经很难取得好的成绩。下面就影响的几大因素介绍给大家，以供参考。
1.影响因素：影响取心质量的因素可归纳为三个方面，即地质因素、技术因素和人为因素。掌握影响的因素就可探索提高取心质量的有利因素，消除不利因素。
2.1地质因素
地质因素是地质条件决定的取心难易程度，不论是覆盖层或者是基岩，大致可以分为三大类岩层：
第一类，是比较容易取心的地层，如比较完整或不很严重破碎的基岩以及泥岩等，用常规的钻探方法就可以满足取心的质量要求。
第二类，取心比较困难，或者相当困难的复杂地层，如砂卵石覆盖层、基岩的断层带、软弱夹层、严重破碎的挤压破碎带、软酥脆岩层以及自然状态下完整，但一经钻进就成为粗砂颗粒的岩层（如白云岩、硅质岩等），这类地层必须经过人们采用特殊的工艺技术措施和特殊的工具才能满足取心的质量要求。
第三类，取心非常困难，目前只能通过一定特殊工具采取部分代表性样品的地层，既不能保证岩心采取率要求，更不能保证岩样结构的地层，如基岩中已挤压破碎成均匀粗颗粒，又无粉状物充填的硬碎地层；砂卵石地层中的架空层，近代沉积的浅表层、人工堆积层、无细颗粒充填的均匀砾石层，石英砂岩卵石层，以及抽水井、降水井周围卵石层等等。后者砂卵石层通过一定的措施在一定的范围内，可以提高岩心采取率，但不能取得原结构岩心样。
下面重点研究解决的是第二类复杂地层钻进和取心问题。2.2技术因素
技术因素是指人们采用的取心工具、材料和工艺技术措施对取心质量的影响。2.2.1冲洗液的影响
从传统的要求来说，钻探冲洗液的作用只是冷却钻头，排除岩粉，保护孔壁（部分冲洗液）和润滑钻具（润滑冲洗液）四大功能。
传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液，都对岩心有冲刷、浸润和液化作用，岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉，因此
很难取得高质量的岩心。
对于前者来书，地质队的工勘所，严格的讲是用清水打钻，最多可以几十米。对于该段复杂的底层，可以说是不可能的。
现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用，除了上述功能以外，还具有保护岩心（护胶作用），粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能，这三大特殊功能为上述第二类复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单，效果最好的粘弹性钻井液。
2.2.2取心钻具的影响
取心钻具的影响包括钻具的种类、结构和加工质量。单管钻具只在完整岩层和取心质量无严格要求的地层中使用，孔底反循环钻具因为岩心严重分选和混乱，现在也很少应用。
金刚石单动双管钻具（绳索取心钻具也属于单动双管钻具）是当代国内外普遍使用的取心钻具。它的基本原理都是一样，但各自的结构、技术性能和加工质量都不一样，在其他条件相同的情况下，取心质量有很大区别。
钻具的单动性能是钻具影响取心质量的主要因素，它是钻具的结构设计和加工质量的综合效果，只要其中有一个零部件加工和配合有问题，都将会影响取心效果。绳索取心钻具，由于加工精度要求较高，普遍单动性能较好，但由于各个厂家水平不一样，因而还是各有差别。SDB系列钻具由于它的结构设计比较合理，只要保证它的加工质量要求，目前仍然是国内外单动性能比较好的单动双管钻具。但在深孔钻探中，存在有起下钻的麻烦。
技术性能是指所用钻头的种类、技术参数和加工钻具的材料质量及磨损程度。单动双管钻具所用钻头可以是热压孕镶金刚石钻头、电镀金刚石钻头、硬质合金钻头和复合片钻头，根据岩石选择相适应的钻头的种类和设计技术参数，才能获得最好的取心效果。其基本要求是钻进速度快，不易堵岩心，不磨损岩心，不因切削具的振动而破碎岩心。不难理解：选择的钻头进尺快，岩心在钻头处停留的时间短，被冲洗液冲刷的时间短；钻头设计的保径效果好，内径磨损小，不呈喇叭口，则不易堵岩心，避免岩心自磨；硬质合金双管钻头和复合片钻头不设计内出刃，在软岩中钻进不会因为钻具的晃动使岩心直径变小；在某些硬度不高的脆性岩层中钻进如果选用硬质合金钻头和复合片钻头，会因为振动较大，岩心破碎呈小颗粒状和砂砾状而无法卡取（如白云岩、大理岩、硅质岩等），实践证明上述这些因素都对取心质量有重大影响。
生产钻具的材料质量（主要是钢材质量）及其热处理效果，直接影响钻具零部件寿命和变形程度。零部件很快磨损和变形到一定程度，就不能保证钻具的单动性能，都会严重影响到取心质量。
在实际生产过程中，我们只能选取热压孕镶金刚石钻头。2.2.3操作技术的影响
操作技术包括钻进参数和施工工艺。
就岩心钻探来说，钻进参数是指钻进时的压力、转速和泵量。泵量是影响取心质量最关键的钻进参数。不论哪一种冲洗液，泵量越大，冲刷岩心越严重，对软弱、破碎的岩心十分不利，因此应根据岩石的性质选择冲洗液的种类，保证冷却钻头和排除岩粉的条件下，应尽量采用最小的泵量。
在金刚石钻探中，为了保证岩心质量，泵量越小越好。
泵压在正常条件下不作为钻进参数的要求，但是泵压在不正常时，会影响取心质量，应引起操注意，查明原因，采取措施排除。如泵压迅速增高或蹩泵，其原因如果是孔壁缩径坍塌或者粘性岩层糊钻及钻头磨损后水口太浅，钻具内泵压增高，冲洗液在高压下会破坏软弱、破碎和松散的岩心，因而会降低取心质量。如果是钻具或钻杆内堵塞，则可能产生烧钻或金刚石微烧。
施工工艺包括施工设计方案和具体操作细则，内容较多，在以后各章节中陆续叙述。2.3人为因素
人为因素对取心质量的影响是人们对取心质量的要求和付出的努力的程度。由于工程勘探的目的不同，对取心质量的要求不一样，对于取心质量要求不高的钻孔，自然毋须花大的代价去追求高的取心质量。但对于取心质量要求高的工程和钻孔，特别是取心难度大的钻孔，不花代价是较难达到目的的。
这个代价包括单位领导直到机组人员的重视程度、组织措施和经费的付出。质量管理亦如逆水行舟，不进则退，不可能一劳永逸，窍门就是一个字--"抓"。
S系列植物胶钻井液最早创于1984年，当时只有唯一的一个产品，商品名称叫SM植物胶钻井液，系发明专利。在国内地质勘探中畅销二十余年，由于原料资源减少，故已逐渐淘汰。201*年以来新研制开发的产品有SH和ST两种类型的植物胶，与SM胶一起统称为S系列植物胶。
SH和ST与SM胶一样，它们配制的钻井液，都是粘弹性钻井液，不仅具有其他钻探冲洗液的基本性能，而且具有与其他冲洗液不同的特殊功能；它们不仅可以配制无固相钻井液，而且是多功能的泥浆处理剂。
SH和ST植物胶配制的钻井液，与SM胶一样，由于胶体的吸附成膜作用，失水量较低，一般在10毫升/30分钟左右，在钻孔中，尤其是软、酥、脆地层和砂卵石地层护壁效果较好；使用中因为配制的表观粘度比较高，即使采用较小的泵量，排粉的能力也很强，可以排除3毫米以上的砂砾；它本身具有一定的润滑性，可降低水的润滑系数，起到润滑钻具的作用。在采用必须的泵量保证冷却钻头的条件下，它们能够充分地起到普通钻探冲洗液四大功能的作用。
值得深入探索和充分利用的是S系列植物胶（也包括其他较好的植物胶）配制的钻井液的特殊功能，这些特殊功能起到了普通钻探冲洗液不能起到的作用，因而解决了岩心钻探中一些较难解决的难题。
S系列植物胶配制的粘弹性钻井液表现出突出的特殊功能有三项：1、护胶作用（也叫护心作用）；2、粘弹性减振作用；3、减摩阻效应。
3.1护胶作用
S系列植物胶是天然多糖类支链型高分子材料，用水溶胀后形成体型网状结构，在岩心表面吸附形成胶膜，防止水份渗入和穿透，避免液化和崩塌，因此也避免岩心被冲刷，起到隔水的作用。浓度越高，网状胶膜越厚而密实，因而护心、护壁的效果好。同时这种粘弹性胶体在砂样和软弱岩心表面及一定深度的表层具有胶结作用和粘弹性强度，抵抗钻具的振动破坏和地表其他外力的破坏，保持原状结构，而泥浆产生的泥皮是粘塑性体，胶体很少，大多是固体颗粒，护壁原理不一样，效果也就不一样，因而不能护心。
3.2粘弹性减振作用
粘弹性是指流体既有粘性又有弹性，是高分子类流体的一种特性。它的性能有一个很重要的特点是时间效应，外力作用于该流体的时间越短，该流体的弹性模量越高，流体的变形和位移也就越小。钻杆在粘弹性冲洗液的钻孔中高速旋转时，转速越高，横向振动力越大，但钻杆某一点横向作用于冲洗液某一点的时间就越短，冲洗液对钻杆的径向反作用力就越大，这个力阻止钻杆弯曲变形就象钻杆在同口径的直孔中旋转一样，这样就增大了钻杆弯曲的半波长度，减小了振动，也减轻了钻杆对孔壁的敲击作用，这就是粘弹性钻井液能减振的原因。现场实践证明，S系列植物胶钻井液粘度越高，钻杆转速越高，减振的效果越明显，振动越小，越平稳。在同等条件下，它比其他冲洗液钻进，转速可高开1－2档。在数十米砂卵石层钻孔中，Φ94口径可开800－1000转/分转速。
金刚石钻进需要高转速，才可能高效率，进尺快，减少岩心在钻头处被冲刷的时间，有
利于提高取心质量。实践证明，松软地层和软弱岩层钻进进尺很慢时，取心效果就不好。
同时，钻具旋转平稳，振动小，也减少了钻具对岩心的机械破坏作用。有利于提高取心质量，也减小了动力消耗。
3.3减摩阻效应
润滑冲洗液是为了降低钻井液的摩擦系数，减少在循环通道中的摩擦阻力，而达到降低泵压，减小钻具振动的目的，在钻井液中加入润滑剂。S系列植物胶钻井液具有较好的减摩阻效应，不是因为本身摩擦系数大小的原因，而是一种层间滑动，它的摩擦系数为0.26，水中加入皂化油的摩擦系数是0.12，但是S系列植物胶钻井液比皂化液、清水、低固相泥浆（含PHP）的降摩阻效果都好。几十米的砂卵石钻孔，泵压不超过0.5MPa，而且粘度达10分钟以上，泵压也不增加，且不影响泵汲，而清水，低固相泥浆泵压则在1MPa以上，低固相泥浆能泵汲的最高粘度只有60S左右。
泵压低，不仅减少动力消耗，减少机械故障，并为配制高粘度的粘弹性钻井液提供了可能性。在钻具内冲洗液的压力小，减小对岩心的冲刷力和浸润破坏程度，因而可提高取心质量。实践证明，钻进时泵压不正常升高或蹩泵，则岩心取不好。
以上S系列植物胶粘弹性钻井液在很大程度上解决了复杂地层取心质量，金刚石钻进开高转速和降泵压的难题。
SDB系列金刚石钻具（实用新型专利）是在SD系列金刚石钻具（发明专利）的基础上改进的换代产品。SDB系列金刚石钻具是双级单动机构的双层岩心管钻具。它适用于砂卵石覆盖层和中深孔以内基岩复杂地层岩心钻探。它适用于植物胶钻井液和低固相泥浆钻进，也适用于清水钻进。它的特点是功能齐全，单动性能好。配合S系列植物胶钻井液在砂卵石覆盖层和基岩破碎地层钻进，岩心采取率可达95％－100％，而且可以取得松散、破碎地层的原结构柱状岩心。
SDB系列金刚石钻具（以下简称SDB钻具）目前有三级口径：SDB110,SDB94,SDB77。它们是以非标准钻头外径标称钻具口径，当然也可以配其他口径的非标准钻头，因钢体长度不一样，应专门订制（如SDB91、SDB95、SDB75等）。
SDB钻具的结构包括导向除砂打捞机构，单向阀机构，双级单动机构，内管机构和外管机构五大部分。
4.1导向除砂打捞机构在钻具的上部，钻杆和单动接头之间增设一根与岩心外管同口径的，长度可任定的沉砂管，以便增加粗径钻具长度，防止孔斜，并作为除砂管用。外管接头内装有单向阀机构，单向阀上阀座安有一根隔砂管，冲洗液不能从沉砂管下端直接进入单向阀，而必须从隔砂管上部的侧孔经隔砂管进入单向阀，经外管接头进入内外管之间。
沉砂管内径比钻杆内径大，冲洗液进入沉砂管后流速降低，由于钻杆和钻具的高速旋转，带动冲洗液高速旋转使泥砂分离。沉砂管起到了离心除砂作用，冲洗液中的岩屑沉积于管壁和沉砂管下部。进入隔沙管的冲洗液则是比较纯净的，含砂量较低的浆液，起到净化钻井液的作用，这就是除砂机构的原理。
SDB钻具单动机构比较复杂，掉钻具时打捞比较困难，因此在单向阀上阀座之上加工有打捞头（Φ50内方钻杆公接头丝扣），可用Φ50内方钻杆打捞。
4.2单向阀机构
由于砂卵石覆盖层和基岩破碎地层钻进，采用浓度较高的冲洗液（植物胶或泥浆），钻孔底部浆液含砂量较重，而且孔底沉积的岩屑和砂子也多，钻具下钻时，钻杆内液柱压力低，快速下到孔底，造成较大的内外压差，孔底冲洗液夹带着泥砂从钻头进入内外管并从钻杆上返，有时直达孔口，停止下钻后，粗颗粒泥砂迅速下沉，堵塞在内外管之间及钻杆下部，重者造成蹩泵和钻具失去单动作用无法钻进，轻者影响钻具单动性能，降低取心质量。因此在
外管接头内设置有单向阀机构，下钻时封闭，钻进时冲洗液下压阀体，实现正循环钻进，避免了上述故障。
4.3双级单动机构
SDB钻具的单动作用由两副结构完全一样的单动接头通过一根轴串联实现。老式SD钻具是由两根轴串连两副单动机构，同轴度较难保证；两副单动机构的结构和密封圈也不一样，下单动接头的O型密封圈直径大，摩擦力也大，且耐磨性和密封效果不如Yx密封圈好，下单动接头的单动性能不如上单动接头好。单动作用主要由上单动接头承担，较难起到双级单动接头的作用。
SDB钻具上下单动机构由一根轴串联，容易保证同轴度，上下单动副结构和密封圈（Yx密封圈）完全一样，摩擦系数一样，则单动性能完全相同。
双级单动机构两个单动副同时起单动作用，降低了每个单动副的相对转速差，如钻杆转速1000转/分，理论上每副单动机构的轴和轴承套相对转速差是500转/分。显然，在较低相对转速差的情况下，单动的效果更好，部件的使用寿命更长；在孔内即使其中有一个单动副损坏，另一个单动副则承担起全部作用，避免内管转动，因此双级单动机构比单级单动接头单动效果好，性能可靠，使用寿命长。这一点对取心质量至关重要。
4.4内管机构
SDB钻具的内管机构包括半合管（或整体式内管）、定中环、卡簧座和卡簧。半合管由钢质卡箍箍抱，不会产生弹性变形而裂缝。半合管取心是为了防止内管中柱状的松散，破碎岩心在地表人为损坏，保持原状结构。半合管只是在要求取原状结构岩心时使用。
半合管和整体式内管每次只用其中一种，可以互换。短节管与内管（半合管）成为一体，提高内外管同轴度，有利于保障单动性能；它们的内壁都是磨光的，减少岩心堵塞现象，有利于增加回次进尺和提高取心质量。
4.5外管机构
SDB钻具的外管机构与普通单动双管钻具一样，包括外管、扩孔器（或连接管）、钻头。它的特点重点在钻头上。SDB钻具的钻头是非标准钻头，可以是热压金刚石钻头，电镀金刚石钻头、复合片钻头和硬质合金双管钻头。
砂卵石覆盖层和基岩破碎地层，磨性较大，钻头内外径磨损严重，岩心变粗，因岩心堵塞、自磨而降低取心质量，也降低了回次进尺；由于钻头中圈金刚石工作层不能磨完而报废，因而钻头的寿命低。
研制的李工牌热压金刚石钻头（双管或单管）采用了特殊的保径技术，钻头工作层内、中、外同步磨损，钻头使用的过程中近似于平底形，而不是圆弧形。由于内径磨损小，基本解决了堵岩心的问题，1.5米半合管（内管）可以打满；金刚石能全部磨光，在同等条件下，钻头寿命可提高30％以上，四川地区，砂卵石覆盖层钻孔，钻头寿命一般达40米－70米。
SDB钻具的内外管长度差是固定的，内管（半合管）标准长度是1.5米，可以根据钻孔深度和用户需要同时加长内外管，但内管（半合管）长度尽量不应超过3米，过长难保证同轴度，会影响单动性能。
5.1对钻探设备的要求
用S系列植物胶钻井液和SDB系列钻具（或绳索取心钻具）钻进基岩和砂卵石覆盖层，对设备的要求是相同的。即要用立轴式高速金刚石钻机，变量泥浆泵（要有最小泵量32升/分以下的并配有柴油机动力），立式高速泥浆搅拌机（宜配柴油机动力以便变速）或软轴搅拌器。
变量泵配柴油机动力是为了选择最小泵量钻进取心，不宜采用定量泥浆泵和电动机动力，因为泵量大，无法调节，难以达到取心目的。
不能采用卧式泥浆搅拌机和水泥搅拌机搅拌植物胶，因为必然产生疙瘩随时可能堵塞钻具，无法钻进。
砂卵石层钻进和基岩钻进所用薄壁套管最好用反丝扣连接，在高转速钻进时可以防止退扣。
5.2砂卵石覆盖层钻进须配备的特殊器材：
1、要配备一定数量的厚壁套管。砂卵石地层的浅表层及很松散的卵石层在一定的深度范围内需要跟管护壁。
（1）陆地钻探，应配备10米－50米Φ127厚壁套管，以Φ127×9.19石油旧钻杆料加工成公母连接的反方扣套管最好。既价廉，强度又很高，可以跟管50米以上。下打和起拔阻力都不大。
（2）水上钻探，如河流上游，水流较急时，应配备Φ168×10的套管10－30米，水较深时，数量应相应增加。连接丝扣仍以公母连接的反方扣为佳。
同时应配备更多数量的Φ127×9.19的套管。Φ168和Φ127套管数量计划的依据是水的深度、水流速度和砂卵石覆盖层的深度。特殊条件下还应配备Φ219厚壁套管。
河流上游水上钻探，一般水流速度较急，套管在急流冲击下，会产生很强的高频共振，将有可能折断套管。
2、应配备下打套管和起拔套管的工具，如150－200kg吊锤和100kg以上冲击杠（起拔套管用）。
3、跟管钻进的孔深范围内如果有大于套管直接的孤石或漂砾时，应准备一定数量的炸药和电雷管。炸药以胶质炸药为最好，亦可用乳化炸药。必须进行孔内爆破，套管才能跟下去，否则很难达到计划孔深。
201*年以来，研制开发的新产品植物胶钻井液有SH和ST两类。其中SH胶到目前又分为SH和SH-1两个品种（成分和性能相同，但SH-1比SH的胶质含量要高）。ST胶目前有ST-1一个产品，ST-1含胶质最高，配方用量最少。SH和ST两类胶都可以即搅即用，不须浸泡，比SM胶更方便。同时，SH和ST搅制的两类钻井液比SM胶更稳定，不容易腐化变质，不须加入防腐剂，因此使用更安全。6.1S系列植物胶钻井液的配方和应用
一、基本配方
1、SH胶的配方：
配制无固相冲洗液，SH:水＝2:100（重量比）加入烧碱（氢氧化钠），加量为SH干粉重量的8％。
配制低固相泥浆，SH:水:钠土＝1:100:（5－6）（重量比）加入烧碱（氢氧化钠），加量为SH干粉重量的8％。注：宜用钠土，不宜用钙土。SH胶先制浆加碱，后加钠土。
2、SH－1胶的配方：SH－1与水的比例为1.5％，其他类推。3、ST-1胶的配方：
配制无固相冲洗液，ST-1:水＝（0.8－1）:100（重量比）加入烧碱（氢氧化钠），加量为ST-1干粉重量的8％。
配制低固相泥浆,ST-1:水:钠土＝（0.4－0.5）:100:（5－6）加入烧碱（氢氧化钠），加量为ST-1干粉重量的8％。注：宜用钠土，不宜用钙土。ST-1先制浆加碱，后加钠土。
二、特殊地层的配方
1、水敏性地层，易吸水膨胀、缩径的地层：
（1）一般水敏性地层：SH和ST-1按基本无固相配方制浆后加入0.2％以上（按浆液重量）的Na-CMC（钠羧甲基纤维素），降低失水量；
（2）较强水敏性地层：SH或ST-1按低固相泥浆配方制浆后加入0.2％－0.3％（按泥
浆重量）Na-CMC，可进一步降低失水量，抑制地层水化膨胀。
2、基岩挤压破碎带，护壁比较困难，易坍塌掉块地层；可在SH或ST-1无固相或低固相泥浆中加入：KHm（腐植酸钾）1－1.5％Na-CMC0.2％以上
3、承压水地层：
植物胶类无固相冲洗液不能直接悬浮加重剂，承压水地层使用植物胶时，必须先将植物胶配成低固相泥浆，然后再加入加重剂（如重晶石粉或铁矿粉）才能制备成加重泥浆。
三、SH和ST两类植物胶使用的促溶剂只能用烧碱（氢氧化钠）不能用纯碱（碳酸钠）代替。
四、配制好的S系列植物胶新浆漏斗粘度必须达到60秒以上，低固相泥浆更高，才能表现出植物胶的优越性。
五、S系列植物胶配制低固相泥浆时，植物胶的用量不得低于配制无固相浆液用量的一半。低于一半则植物胶的功能效果不明显。
六、ST-1抗盐性能较差，不能用二价以上可溶性盐类作处理剂，不宜钻进水泥地层。七、SH胶抗盐性能强，可以使用任何泥浆处理剂，亦可以钻进任何地层。用水泥护壁堵漏时，SH胶浆液保护水泥不被水稀释，效果极好。
八、ST-1胶不宜用于5℃以下气温条件下钻进。九、SH胶可用于低温条件下钻进。
十、SH和ST植物胶抗温性能较差，深孔温度在60℃以上不宜使用。6.2钻探现场制浆工艺
1、现场制备S系列植物胶钻探冲洗液的搅拌机要采用高速立式泥浆搅拌机，叶轮转速须在500－700转/分为宜，转速不宜超过700转/分；亦可采用软轴搅拌器；不宜采用卧式泥浆搅拌机和水泥搅拌机。
2、搅拌机可以单独安装动力，或者用水泵的动力带动，但要注意运转方向，即保证搅拌机叶轮转动时，桶内液浆面呈正漏斗形，否则植物胶不易搅散，产生疙瘩。
3、制浆程序：（1）、先向搅拌机中加入1/2罐清水，开动机器以500-700转/分速度高速搅拌，并一次性倒入植物胶粉，搅拌5分钟，待干粉充分分散无疙瘩。（2）、然后加满清水继续搅拌，并加入烧碱水溶液以中低速搅拌5－10分钟即可；
（3）、注意，不能长时间高速搅拌，否则将造成高分子断链，浆液粘度低。（4）、水温较低时，植物胶不易溶胀，可在初搅时加入温水（如柴油机冷却水），可以得到好的效果。
（5）、绳索取心钻进，搅制的新浆要用14－20目筛网过滤。4、循环系统：
循环系统根据钻孔深度和所钻岩层设计。其中包括泥浆池和循环槽。（1）、30－50米的砂卵石层钻孔，可以只用一个1－1.5m3，的泥浆池；60米以上的砂卵石层钻孔，应设计两个泥浆池，总体积应在2m3以上。基岩钻进可参照上述设计。矿山数百米深孔钻进，泥浆池容积应在5m3以上。
（2）、循环槽的长度5－15米，根据现场条件和孔深确定，槽宽15－20厘米，高度10－12厘米，每隔30厘米一块挡板沉砂。
5、浆液的维护管理：（1）、及时除砂，除砂方法根据条件选择：a.及时排掉循环槽中沉淀的岩粉和砂子；b.安装离心除砂器或除砂机专门除砂；
c.在浆液中加入聚丙烯酰胺水溶液加速岩屑沉降；
d.浆液含砂量太重，无法净化时，全部排掉换新浆。（2）、浆液在使用中，由于胶质消耗，粘度逐渐降低，是正常现象。当漏斗粘度降低到40秒以下时，要及时补充新的浆液。
（3）、泥浆池和循环槽不得有地表水和天上降雨浸入。
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