SDB系列半合管取心钻具在“松散破碎及断层夹带”地层中的应用

摘要：总结和阐述了引进SDB系列半合管式取心钻具在结构呈粉状、片状、颗粒较小等，且与水易膨胀、研磨性弱的松散破碎岩层及断层夹带层中的钻进取心技术，通过该项技术的实践运用，取得了钻进效率高、取心质量好的效果，更有效地解决了在“松散破碎及断层夹带”地层中钻进取心较难的问题。

关键词：SDB系列半合管式取心钻具；“松散破碎及断层夹带”地层；绳索取心钻进

Abstract: Summary and elaborated introduction SDB series semi-synthetic tube coring drilling in the structure form of powder, flakes, granules and other small and easy expansion with water, abrasive loose broken rock and weak fault entrained layer aggressive drilling technology, through the practical application of the technology, and achieved high drilling efficiency, good quality coring effect, more effective solution to the "loose crushing and fault entrainment" aggressive drill formations difficult problems.Keywords: SDB series of semi-synthetic tube coring drill; "loose crushing and fault entrainment" strata; rope coring中图分类号：P634.4 文献标识码：A 文章编号：

前言

早在上个世纪70年代初期我国就普遍推广和应用了绳索取心钻探技术，经过多年来许多地质学家及专家们的不懈努力探索与论证、研究和实践，在绳索取心方面具备了一套先进的取心技术方案。在85年开始我队就广泛推广和应用了绳索取心钻探技术，而且得到了较好的发展。它具有钻进效率高、取心质量好、钻头寿命长、劳动强度低等优点。特别是在5-8级中硬完整地层中效率最为显著。但普通绳索取心工艺对胶结松散地层、断层夹带充填地层和极破碎地层等的取心依然存在问题，取心效果并不理想。钻进该类地层时，回次进尺较慢，钻进效率极低，而且钻具内容易堵心，冲洗液柱对孔底岩心冲刷等原因，造成回次进尺消耗岩心严重，岩（矿）心采取率较低。

例如陕西汉阴县长沟岩金矿普查钻探项目，勘探区域地层复杂，钻孔要穿过松散破碎层和厚达20米左右的断层充填夹带。使用普通的绳索取心技术，孔内较易坍塌，而且岩心采取率极低，。曾有回次进尺3米采取率为25%的最低采取率，为了解决这类较复杂地层取心问题，引进了成都李工岩心钻探设备有限公司研制的SDB系列半合管式取心钻具，配合绳索取心钻进，即在绳索取心钻进到松散、破碎层和断层夹带时，再使用半合管取心钻具的钻孔工艺钻进取心，取得了较好效果。

2钻具工况分析

在胶结松散的地层中，常规单动双管钻具取心困难的

原因有三个：（1）钻头刚体结构及其与卡簧座的配合形

式；（2）地面出心方式破坏岩心的外观与原状结构；

（3）钻具与孔壁间环状间隙，出现冲洗液抽吸作用。如图1，常规钻头与卡簧座的配合，在椭圆框位置形成锥面间隙，液流通过此间隙时，流向由

轴向变为轴向与径向的合成方向。钻头、卡簧座、岩心三

者之间的配合间隙很小，因此流液通过间隙时的流速很大，

岩心组份与结构首先遭径向液体的冲击被破坏，冲散的组

份随之被轴向与周向旋转液流带走。从而岩心采取率较低。

SDB系列半合管取心钻具钻头使用非标电镀金刚石

钻头或复合片钻头，径向胎体出刃较大，孔壁与钻具之间 1.卡簧座2. 液流 3. 钻头

环状间隙较大，冲洗液流量大，从而内管与钻头体之间液 图1 常规钻头配合液流流向

流与钻具外液流产生一压力恒，通过压力恒的作用消减了

轴向液流部分冲散部分岩心组份的可能性，因此对提高岩心采取率较为有利。孔壁与钻具间液流增大，提钻下钻对孔壁抽吸力减小，有利于孔壁稳定。再就是，半合管钻具的（内管）半合管光洁度较高，摩擦阻力小，不易堵心。从而采用半合管取心钻具适应胶结松散、岩层破碎和断层夹带等地层的取心钻探。

3SDB系列半合管钻具的结构及特点

3.1半合管结构：它是由导向除砂打捞机构，单向阀机构，双

级单动机构，内管机构和外管机构等五部分组成（见右图）。

3.2 SDB系列半合管钻具的结构特点：

①钻具功能齐全，单动性能可靠；②在钻进无胶结松散、破碎

层时较好地保证了岩心原状结构，为地质岩矿编层描述提供了必要

条件；③配合植物胶钻井液在砂卵石覆盖层和基岩松散破碎地层

钻进，岩心采取率可达到95%-100%。

4SDB系列半合管取心钻具的主要结构性能参数

钻具外径：73mm

钻头直径：77mm

内管长度：2.75m

外管长度：3.75m

内管长度可以根据钻孔深度和地层情况进行调节长度，一般在1.5-3m范围内，过长不宜。工作泵量在20-40L/min，工作泵压：0.5Mpa。

5施工设备及工艺配套

钻机：YDX-3型全液压动力头钻机

泥浆泵：BW160型

配套钻具：SDB77型半合管（或管式）式金刚石钻具

选用钻头：SDB系列非标电镀金刚石钻头

冲洗液类型：采用SH-1植物胶＋钠羧甲基纤维素（Na-CMC）无固相泥浆，性能参数为：粘度70-120s，配泥浆比例：SH-1植物胶／水1／100（重量比），根据配好的无固相泥浆加入0.5%以上的Na-CMC（按泥浆体积），密度：1.06-1.09K／L，失水量＜8mL/30min。

6钻孔施工情况

6.1钻孔地层情况

ZK3204孔设计孔深350m，自开孔表层至终孔地层依次为：0～30m为山坡地覆盖层及强风化粉砂岩、页岩，层厚30m,岩石可钻性V级；30～105m为较完整的变晶泥质片岩间夹石英脉条带，厚度75m，可钻性VI～Ⅷ级；105～118m为裂隙较发育的片岩和粉质砂岩破碎层，为片状、颗粒和粉状结构，厚度13m，可钻性V～VI级；118～136.5m为较完整的千枚岩、泥板岩，厚度18.5m，为块状、片状结构，可钻VI～Ⅷ级；136.5～156m为松散破碎的断层夹带，充填物松散、破碎，为粉粒状和片状结构，厚度19.5m，可钻性Ⅴ～Ⅶ级；156～300m为完整的泥质片岩、页岩互层并间夹石英脉，可钻性Ⅳ～Ⅴ级；300～350m较完整新鲜的块状的泥质灰岩段，岩石结构紧密，灰～黑色，厚度：50m，可钻性Ⅳ～Ⅴ级。

6.2钻孔结构

ZK3204孔设计钻孔倾角68°，方位角为240°。由于地层比较复杂，该孔采用Ф130mm孔径开孔，下Ф127mm套管至10m处，Ф77mm孔径终孔的三级四孔径的设计结构，其中Ф94mm孔径为预留孔径，Ф110mm孔径钻至完整稳定岩层下完Ф108mm套管后，直接换Ф77mm孔径钻至终孔。从施工结果验证，这种钻孔结构较为合理，为防止和处理松散破碎岩层和断层夹带对孔壁稳定的影响创造了条件。

6.3成孔工艺方法及SDB系列半合管钻具钻进技术参数

根据设计钻孔地层情况，ZK3204孔主要采用了金刚石绳索取心钻进技术方法钻进较完整地层孔段，运用SDB系列半合管取心钻具钻进松散破碎和断层夹带孔段，二者结合交替钻进的技术工艺方法，全孔段使用S系列植物胶配制的无固相泥浆冲洗液进行护壁、钻具。

使用SDB系列取心钻具钻进胶结松散破碎或断层夹带等复杂地层，应采用“一高二小”的钻进操作要素，即高转速、小钻压、小泵量。一般参数：钻压为5～7（KN），转速为600～800r/min，泵量要小，以冷却钻头为宜，使用15～30L/min，工作泵压小于0.5Mpa。

7应用效果

汉阴长沟金矿勘探孔ZK3102孔和ZK3204孔分别终孔深度为280m和350m，地层情况基本相同，而采用了不同的钻进方法。ZK3102孔采用的是常规的金刚石绳索取心钻进方法，而ZK3204孔运用了半合管取心钻具加绳索取心钻进的二合一钻进方法，经实践证明，后者二合一钻进方法保证了钻孔的取心质量，平均岩（矿）心采取率达到了90%以上，特别是半合管钻具在松散破碎地层和断层夹带地层中钻进

取心效果较好，岩心采取率达95%以上，并保证

了岩心的原位结构（取心情况见右图片）。 钻速

也相对提高30%左右。SDB系列半合管取心钻具

钻进与常规的金刚石绳索钻进松散破碎岩层、断

层夹带孔段完成的主要技术指标对比情况见表1。

表1：在松散破碎层和断层夹带层孔段完成的主要技术指标对比情况

运用SDB系列半合管钻具钻孔方法为提钻取心方式，劳动强度较大，但能弥补绳索取心在松散破碎层及断层夹带取心效果的不足。一个用于较完整地岩层孔段钻进，另一个用于松散破碎、取心较难的地层孔段钻进，二者结合，既保证了钻孔取心质量，也提高了钻探经济效益。ZK3204孔二合一钻进方法与ZK3102孔绳索取心钻进方法的经济技术指标效果对比情况见（表2）。

表2：ZK3204孔二合一钻进与ZK3102孔绳索取心钻进的主要技术指标对比情况

从表中分析可以看出，半合管取心钻具的应用，钻进辅助时间减少，纯钻时间增多，钻孔的钻探台月效率明显提高。非正常钻进时间缩短，钻速提高，从而增长了平均钻头使用寿命。

总之，通过SDB系列半合管取心钻具取心技术的实践，取得了良好的取心技术效果，克服了绳索取心钻进在“松散破碎及断层夹带”地层中取心难题，回次进尺和岩矿心采取率都有了显著提高，而且提高了岩心质量和钻探综合技术效应，突出了半合管钻具取心技术在岩心钻探中的技术优势。

8 结论和建议

（1）SDB系列拌合管取心钻具是能够提高在“胶结松散、破碎和断层夹带”地层中钻进效率，克服了复杂地层岩心采取率低的有效新技术。为今后解决绳索取心钻孔在破碎层段取心困难的问题提供了一项有效工具，值得推广。

（2）SDB系列拌合管取心钻具具有功能齐全、单动性能可靠、岩心采取率高和能保证岩心原状结构等优越特点，虽然我们初步应用，操作技术掌握的还不很不熟练，但已取得了较好效果，也显示出了该项技术的巨大优势，今后还得加强在“胶结松散、破碎和断层夹带”地层中推广应用。

目前，半合管钻具仅为提钻取心钻具，不能充分发挥绳索取心钻进的优点，建议如果能够研究设计制造出不提钻取心的绳索取心式半合管取心钻具，将会极大的减少劳动强度，缩短钻孔辅助时间，增强其更广泛的适应性和发挥更好的技术优势。

参考文献：

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[5]李月良、李映华.提高岩心钻探取心质量的研究和技术.成都李工钻探设备有限公司，2007.12

作者简介：罗 辉 (1969.10)，男(汉族)，陕西安康人，陕西省地矿局第一地质队探矿副总工程师、工程师，钻探工程专业，从事岩心钻探和工程勘察钻探工作，陕西安康市南环路中段地质一队.