探討巖心定向新技術(shù)

文/關(guān)震，武警黃金第五支隊(duì)

巖心定向取心技術(shù)是確定巖心在地層里的原始產(chǎn)狀的技術(shù)，是我國(guó)工程地質(zhì)勘查關(guān)鍵技術(shù)之一。它不僅可以迅速而方便地確定地下巖土層和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，而且還可以判斷沉積物及有害化學(xué)物質(zhì)的移運(yùn)方向，放射源的方位，了解地下巖石的各種物理特征，地應(yīng)力場(chǎng)，以及預(yù)報(bào)鉆孔彎曲的趨勢(shì)。在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，利用定向取心參數(shù)確定地下巖層層面和斷裂后的產(chǎn)狀，地下流體運(yùn)動(dòng)和滲漏方向，巖體中潛在的分離面和滑動(dòng)面的傾角和傾斜方向等，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、礦山的勘查、巖土工程等提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1　巖心定向技術(shù)的分類

鉆井巖心定向技術(shù)有著廣泛的用途。目前國(guó)內(nèi)外巖心定向技術(shù)可歸納為直接定向和間接定向2種。

1.1直接定向技術(shù)

直接定向是指直接針對(duì)巖心本身實(shí)施各種手段恢復(fù)其在井下的原始方位。

1.1.1古地磁技術(shù)

古地磁技術(shù)通過測(cè)定巖石中的天然剩磁，分析剩磁特征、磁化歷史，研究導(dǎo)致它們磁化的地磁場(chǎng)的特征。應(yīng)用古地磁巖心定向技術(shù)需遵循以下2個(gè)原則：

1)巖心的黏滯剩磁(VRM)分量方向與現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向從統(tǒng)計(jì)意義上講是一致的：2)巖心的高溫剩磁分量(原生剩磁)方向與現(xiàn)代盆地周圍露頭同時(shí)代地層的高溫剩磁分量方向基本相同。只要準(zhǔn)確測(cè)定巖心的低溫和高溫剩磁分量，就能夠恢復(fù)巖心的原始產(chǎn)狀。

1.1.2機(jī)械技術(shù)

機(jī)械技術(shù)是利用工具和儀表對(duì)巖心實(shí)施定向的技術(shù)。目前使用的機(jī)械法定向儀器有很多種，但是不管形式如何變化，都包括以下3個(gè)過程：首先，對(duì)井下未斷離地層的巖心做定向標(biāo)記；其次，確定標(biāo)記與鉆孔的空間關(guān)系；最后，將巖心恢復(fù)原始產(chǎn)狀。

機(jī)械法需要專業(yè)的鉆井和取心設(shè)備。它使用一種昂貴的無(wú)磁鉆頭，普遍問題是巖心在刻劃線之前可能被鉆頭旋轉(zhuǎn)改變了方向。無(wú)法保證劃線方向的準(zhǔn)確性。

1.2間接定向技術(shù)

間接定向技術(shù)主要是利用測(cè)井技術(shù)對(duì)巖心定向。其原理是對(duì)井壁和井周圍物體進(jìn)行物理參數(shù)成像。其中的井壁成像測(cè)井技術(shù)最成熟，包括BTV、BHTV和FMS成像測(cè)井技術(shù)。井邊電阻率成像技術(shù)，包括方位側(cè)向測(cè)井和陣列感應(yīng)測(cè)井系列獲得定向的孔壁圖像，然后與巖心表面圖像進(jìn)行疊合對(duì)比。從而確定巖心的原位方向。

測(cè)井所用設(shè)備投資巨大，操作復(fù)雜，需要專業(yè)的解釋人員，依賴于對(duì)鉆井巖心與井壁成像特征的正確標(biāo)識(shí)與對(duì)比解釋，普遍問題是易受井壁和鉆井液的影響。

2　巖心定向新技術(shù)的應(yīng)用

2.1用巖心定向裝置，鉆具一次下孔同時(shí)完成打定向標(biāo)記、測(cè)量孔斜與標(biāo)記位置以及鉆取定向巖心等工序，并且提高定向的準(zhǔn)確性和成功率。鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

2.1.1用側(cè)面刻痕法作定向標(biāo)記，并且將測(cè)量?jī)x隨鉆置于內(nèi)管上部，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過程中刻痕，鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)測(cè)量孔斜和定向標(biāo)記位置，測(cè)量完畢后提斷巖心起鉆，在一個(gè)回次內(nèi)完成定向取心各項(xiàng)工序；

2.1.2從測(cè)量?jī)x到卡簧之間各零件的連接，采用了定位鍵、槽、銷、榫和焊接方式，從而保證了拆裝過程中不發(fā)生母線錯(cuò)位，避免了操作上的麻煩，提高了定向的準(zhǔn)確性；

2.1.3配備出刃大小不同的兩種刻刀作定向標(biāo)記。內(nèi)管導(dǎo)正環(huán)的刻刀出刃較大，用于4～7級(jí)中等硬度的巖心。卡簧上的刻刀出刃較小，用于7～9級(jí)堅(jiān)硬的巖心。當(dāng)巖心硬度超過9級(jí)和萬(wàn)一因刻刀磨損難以刻痕時(shí)，可以在退出巖心前，在卡簧座定位銷和內(nèi)管下端定位槽處的巖心根部，用色筆補(bǔ)作定向標(biāo)記。因此，該鉆具可用于除嚴(yán)重破碎外的各種巖層的定向取心，并能夠保證較高的成功率；

2.1.4配備可以互換的無(wú)縫內(nèi)管和半合內(nèi)管。當(dāng)巖心中斷裂面發(fā)育、巖心比較破碎或巖心軟硬交替時(shí)，可采用半合內(nèi)管，以避免退心時(shí)使巖心發(fā)生人為破碎或上下混亂；

2.1.5鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸安裝方便，軸承用盒式密封，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)。

2.2選用并改進(jìn)定向測(cè)量?jī)x器，使之適用于垂直孔和傾斜孔，提高抗振性和耐用性，滿足隨鉆測(cè)量的需要，并且保證讀數(shù)可靠。

要在一個(gè)回次內(nèi)完成定向取心的一切工序，就必須隨鉆測(cè)量孔斜和定向標(biāo)記位置。要實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量，比較方便的一種方法就是在回次鉆進(jìn)即將結(jié)束時(shí)、在不提鉆的情況下，從鉆桿內(nèi)下入儀器進(jìn)行測(cè)量；另一種方法是在下鉆之前將儀器置于鉆具中，一起下入孔內(nèi)，鉆進(jìn)完畢后測(cè)量。因?yàn)橐话愕臏y(cè)斜儀器不能通過常用的f50mm鉆桿。研制的測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

2.2.1在回次鉆進(jìn)中，測(cè)量?jī)x置于孔中鉆具內(nèi)會(huì)受到強(qiáng)烈的縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)和沖擊，因此，需具有良好的抗振性；

2.2.2測(cè)量?jī)x必須既能測(cè)量鉆孔頂角和方位角，又能測(cè)量定向標(biāo)記刻痕的方位角，同時(shí)既可用于垂直孔，又可用于傾斜孔；

2.2.3測(cè)量?jī)x應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能可靠，讀數(shù)準(zhǔn)確；

2.2.4儀器應(yīng)成本低廉，利于推廣使用。

重力加速度計(jì)和磁通門類測(cè)斜儀抗振性能好，但其成本太高，不利于在實(shí)際生產(chǎn)中推廣。而一般磁針和重錘類測(cè)斜儀雖然售價(jià)便宜，但其抗振性能不能滿足隨鉆測(cè)量的條件。經(jīng)過綜合對(duì)比，決定選用磁球定向測(cè)斜儀。磁球定向測(cè)斜儀可同時(shí)測(cè)量鉆孔的頂角、方位角和定向標(biāo)記的方位角。它無(wú)軸承、頂尖和框架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振性好，精度高，測(cè)程大，讀數(shù)直觀，操作方便。但是，該儀器通常是用鉆桿或鋼繩連接探管下孔。有數(shù)學(xué)計(jì)算和作圖求解巖層層面及斷裂面產(chǎn)狀的功能。計(jì)算和作圖結(jié)果可以相互驗(yàn)證，并且還具有巖心定向數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，可以隨時(shí)查閱歷次巖心定向數(shù)據(jù)。

2.3研究定向取心操作工藝，制訂隨鉆測(cè)量定向取心鉆具的操作規(guī)范。

3　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，巖心鉆探技術(shù)對(duì)資源開發(fā)，促進(jìn)科技發(fā)展有著重要的意義。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，將不斷的推動(dòng)鉆探技術(shù)的發(fā)展。鉆探技術(shù)屬于國(guó)家重點(diǎn)工程科學(xué)，在我國(guó)地質(zhì)勘察、資源勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等有著重要的作用。我們應(yīng)秉著堅(jiān)持不懈的精神，進(jìn)行鉆探技術(shù)的研究，為我國(guó)構(gòu)建一個(gè)良好的環(huán)境基礎(chǔ)，有效的保障我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，不斷促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

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