岩土钻掘工程学第7章.ppt

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1、2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第七章 土样与岩矿心的采取,1、土样的采取 2、岩矿心采取 3、常用取心工具及方法 4、绳索取心工具 5、反循环钻进取心 6、采集岩粉和补取岩样,国家精品课程,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第一节 土样的采取（另一门课程将展开，自习）第二节 岩矿心采取钻探工程是获得实物地质资料的唯一手段，直接影响着判断地质构造、岩层性质、矿产资源及水文地质与工程地质的准确性与可靠性。对提交地质调查及矿产储量有重要意义；工程地质勘察中取岩土样，了解地层的物理力学性质；抽心验桩时，取心样以检查桩基的质量；硬岩层中钻大直径钻孔时，为提高钻速也可采取取心钻进以

2、获取比全面钻进更高的钻进效率。因此，如何从钻孔中取出、取全、取准可靠的实物地质样品是钻探工作的关键技术之一。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,一、岩矿心采取的基本要求1、岩(矿)心的采取率岩(矿)心的采取率是指在回次钻进过程中，实际取出的岩(矿)心长度与实际钻进进尺的比值。对岩矿心采取率要求也不同，一般：岩心不低于65，矿心不低于75，如果不足应进行补取。2、完整性 取出的岩心、矿心要保持其天然的结构和构造。以便划分矿石类型，观察其原生结构和共生关系。在钻进取岩矿心尽量避免人为的破碎、颠倒和扰动。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质

3、大学勘查教研室,3、纯洁性取上的岩矿心不受外污的浸蚀，以免影响矿石的品位、物理性能等。4、避免选择性磨损选择性磨损会使其内在物质成分发生变化，造成矿物人为的贫化和富集。歪曲原来的品位和品级，丧失其代表性。5.取心部位准确要求取上岩矿心的位置准确，为了得到岩矿层准确的埋藏深度、厚度和产状、以准确地计算 矿产储量和确定其地质构造。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,二、影响岩矿心采取率与品质的因素1.自然因素 地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性、研磨性和易溶度等。钻进坚硬、致密、完整的岩矿时，岩矿心不怕冲刷、振动，取出的岩矿心完整，采心率高，能保持

4、其原生结构。钻进松散、破碎、节理发育的岩矿时，取出的岩矿心多呈粒状、块状和粉状，不仅原生结构遭到破坏，而且岩矿心的采取率也低，甚至取不上岩矿心；钻进强研磨性地层，切削具易磨钝，钻进效率低，回次时间长，岩矿心受外力作用时间也长，影响岩矿心采取的品级和采取率。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,2.人为因素 2.1 钻进方法选择不合理钢粒钻进岩矿心细对岩矿心的磨损作用；硬合金钻进磨损轻微；金刚石钻进磨损最小。2.2钻具结构选用不合理不合理的具组合离心力和水平振动，使岩心受损破坏。2.3 钻进规程不当压力钻具弯曲振动破坏岩心；压力。转速钻具振动岩心破坏加剧；转速

5、 泵量冲刷力冲毁和磨耗岩心。循环方式不当。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,2.4 操作方法不正确盲目追求进尺提钻不及时，增加岩矿心在孔底被破坏的可能性；提动钻具过猛或采心方法不当，则易造成岩矿心脱落；退心时过分敲打易造成岩矿心的人为破碎和上下顺序颠倒，影响岩矿心的完整性，歪曲岩矿心的层次。三、岩矿心取心难度分类根据我国目前钻探工作所遇到的岩矿层，可大致分为五类。是研究选用取心方法和工具的依据（表7-2）。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第七章 土样及岩矿心的采取,第三节 常用取心工具及方法一、卡取岩心的方法1.

6、卡料卡取法 回次终了时从地面投入卡料(小碎石、铁丝、钢粒)，卡紧扭断岩矿心。适于硬、中硬、完整岩矿层硬合金和钢粒钻进。2.卡簧卡取法 卡簧（也称提断器）卡取法在回次终了稍上提钻具，把岩心卡住并拉断。适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩矿层的金刚石钻进，取心方便可靠，但对岩心直径与卡簧的配合精度要求较高。,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第二节 单层岩心管取心工具,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,图1 常用卡芯工具的结构简图,图2.俄罗斯专用卡心工具-1,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,图3 俄罗斯专用卡心工具-2,图4 专用卡心工具-3,2023/8/13,中

7、国地质大学勘查教研室,对卡簧及卡心操作的要求卡簧应有足够强度和弹性。用弹簧钢65锰及调质钢40铬加工，硬度HRC4550。卡簧自由内径钻头内径0.3mm，自由内径过大卡不牢岩心中途脱落。自由内径过小岩心堵塞。检查卡簧自由内径合适否的方法，将卡簧套在岩心上既有一定抱紧力，又能在岩心上被轻轻推动。为减少残留岩心，卡簧安放位置应尽量靠近钻头底部。正常钻进时不能提动钻具，否则会过早提断岩心，造成岩心堵塞。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,3.干钻卡取法 回次终了停水干钻一段，让岩粉聚集孔底塞住岩心即可提钻。但有埋、烧钻的危险，适用于硬合金钻软或粘性岩层。4.沉淀

8、卡取法 回次终了停止循环让管内岩屑碎渣沉淀挤塞卡牢岩心。适用软、脆、碎的岩层反循环钻进。常与干钻法结合使用。5.楔断器卡取法 回次终了将钻具提出孔外，下入楔断器，利用吊锤冲击楔子将岩心楔断，再下入夹具将岩心提出。该法适用于大直径和岩石比较坚硬、完整的岩矿层钻进。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,二、单层岩心管钻具最简单的取心钻具为采取率在单管钻具中增加分水投球接头和分水帽。钻进时冲洗液通过分水接头中心孔直接进入岩心管内，活动分水帽呈伞形保护岩心不受冲洗液直接冲刷，且随岩心一起上移。提钻前投入球阀封闭中心水道，在水压作用下球阀下移超过小卡时通水孔被打开，使

9、孔底形成干钻条件。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,三、双管钻具为克服单管钻进时冲洗液对岩矿心的冲蚀。在岩心管内设置内管容纳岩心，冲洗液从二管之间流动，避免对岩心的直接冲刷，保护岩矿心。钻进时双管若同步转动，内管仍可能与岩心相对转动，对岩心造成的损害。内管在钻进时不随外管转动，既避免了冲洗液对岩心的冲刷，又避免了钻具转动对岩心造成的不良影响。在难取心地层或高速回转的金刚石钻进中，往往能取得较高的取心质量。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,双管钻具结构特点 为减弱机械力对岩心破坏，钻具中设置避振缓冲装置.为减轻对岩心

10、冲刷作用，钻具中设置隔水和分流装置.,为防止或缓解岩矿心互磨，双管钻具中增加减磨防磨装置.为防止岩矿心污染，设置隔浆活塞、压入式内管钻头、密封装置等.为防止岩矿心脱落，设置爪簧、压卡装置、隔水球阀等.,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,1、双动双管 由双管接头，内、外岩心管、钻头和止逆阀组成。一般用于钻进I一级的松散、易坍塌和怕冲刷的岩矿层。为保护岩矿心根部不被冲刷，钻具的内钻头大都超前于外钻头，一般为2050mm，岩层越松散，胶结性越差，超前距离就越大。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,2、单动双管钻具由异径接头、外管、内管、单动装置和卡心装

11、置等组成。单动轴承套与内管连接，内管下端与短节和卡簧座采用插接方式连接。利用心轴上端的螺纹调节卡簧座与钻头内台阶的间隙。卡心装置包括卡簧和卡簧座。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,冲洗液由内外管间隙到达卡簧座与钻头内台阶部分分流。岩心进入内管后，内管中的液体经单向阀排到内、外管之间。回次结束稍上提钻具，卡簧相对下移卡紧岩心，卡簧座下移并抵在钻头内台阶上。此时外管承受拉力，并提断岩心适用于为712级的完整、微裂隙或不均质、中等裂隙的岩矿层。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,3.活塞单动双管钻具 由分水接头、单动装置、

12、半合管、活塞和阶梯钻头等组成。严密防止冲洗液接触、污染和冲刷岩矿心。半合管保持岩矿心的原生结构；活塞使岩矿心与泥浆隔绝。钻进中岩矿心顶着活塞进入半合管，起刮浆和减振作用，提高了岩矿心的纯洁度和取心的可靠性。阶梯钻头体开有斜水口，冲洗液不冲刷孔底。在钻头水口下部与半合管间设有密封圈，防止岩矿心受到污染。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,下钻先送水将活塞推到底部再开车扫孔。扫孔完毕后投入钢球。钻进中水压推动球阀向下打开通水孔，改变液流方向，使活塞上部免受动水压力，防止孔底缺水烧钻。严禁提动钻具，以免污染矿心。适于可钻性为46级的松散、粉状、节理发育、怕污染的

13、岩矿层。在滑石、石墨矿中取心效果尤其显著。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第四节 绳索取心工具绳索取心：钻进中岩心充满岩心管后不需提钻，借助绳索和专用打捞工具从钻杆中把内管及岩心提至地表的取心方法。极大地减少了起下钻具时间，机械化程度高，增加纯钻进时间，虽然绳索取心钻头壁更厚，机械钻速略低于普通钻头。总的钻效提高了，且这种趋势随孔深的增大而增大。岩心堵塞后能即时报警，岩心采取率高，地质效果好。减少了提钻次数，钻杆与孔壁间隙小，钻头回转平稳，钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右。降低钻探成本。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查

14、教研室,缺点：钻杆的内径大而管壁薄，钻头壁较厚，钻进时碎岩功率消耗较大。绳索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大。地质条件：适于各种地层，在69级中硬岩层中效果最好。一般不宜钻1012级岩石。这时钻效极低，钻头极易磨损，不能充分发挥绳索取心钻进的优越性。绳索取心与液动冲击器相配合，钻进硬地层有良好的前景。绳索取心一般在深孔中采用。通常钻孔越深其经济技术效果越好,但最大深度受钻杆强度制约。若绳索取心钻头寿命短，便失去了绳索取心的意义。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,绳索取心钻具的规格和型号,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查

15、教研室,一、绳索取心单动双层岩心管由外管总成和内管总成组成外管总成：弹卡挡头1、弹卡室7、稳定接头23（上扩孔器）、外管46和钻头52。内管总成：捞矛、弹卡定位、悬挂、到位报讯、岩心堵塞报警、单动、内管保护和调节机构。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(1)捞矛机构由捞矛头2和回收管4等组成。取心时打捞器在钻杆内下放到内管总成上端，打捞钩抓住捞矛，向上提升打捞器使回收管上移，并向内压缩弹卡6使其收拢，于是内管 总成和外管总成脱离，从而把内管总成提升上来。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(2)弹卡定位机构：弹卡6、

16、张簧5和弹卡座10。内管总成在钻杆内下放时 弹卡外张，一旦到达外管的弹卡室 7，弹卡两翼贴附在弹卡室内壁。弹卡室挡头即可防止内管向上串动，又可带动内管总成轴承上部与外管一起旋转，以免因相对运动造成弹卡磨损。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(3)悬挂机构：内管悬挂环21与外管座环22的直径相差0.51.0mm。内管总成下降到外管弹卡室时，悬挂环座在座环上，使内管总成下端卡簧座51与钻头52内台阶24mm的间隙，保证内管单动。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(4)到位报信机构：冲洗液下送内管总成时，冲洗液由内管外环

17、间隙通过；内管坐在悬挂机构上时，冲洗液通道被堵泵压明显升高(0.51MPa)，表明内管已到位。此时阀堵39打开，泵压恢复正常，可以正常钻进。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(5)岩心堵塞报警机构：钻进中发生岩心堵塞或装满内管时，岩心对内管产生的顶推力压缩碟簧，使滑套24上移堵塞接头38的通水孔，造成泵压升高，告诫操作者应停止钻进，捞取岩心。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,(6)单动机构：两副推力轴承29、31使内管不随外管转动。(7)内管保护（缓冲机构）：拉断岩心时内管及卡簧座下移至钻头内台阶上，拉力由钻头传至

18、外管，内管不受损坏。(8)调节机构：内外管组装时，调节卡簧座与钻头内台阶之间隙（030mm）。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,二、打捞器由打捞和安全脱卡机构组成打捞机构：打捞钩1、打捞钩架3、重锤7和钢丝绳接头。取心时，用钢丝绳把打捞器放入钻杆内靠重锤以1.52.0 m/s的速度下降，当它到达内管总成上端时，能准确钩住捞矛头，把内管总成提升上来。(2)安全脱卡机构：需脱卡时将内径比重锤稍大的1m长套管(壁上开有斜口)套入钢丝绳,靠自重下降，撞击并罩住打捞钩尾部，迫使其向内收缩，端部张开，从而使打捞 器与内管总成脱离。,第七章 土样及岩矿心的采取,202

19、3/8/13,中国地质大学勘查教研室,三、绳索取心附属工具1、钻杆内外平（包括接头）、强度、同心、垂直。2、绳索取心绞车：专用于下放打捞器和打捞岩心管。3、钻杆夹持器：用于夹持外平的绳索取心钻杆 的夹持器有脚踏夹持器(木马夹持器)和球卡 夹持器两种型式。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,四、工艺过程注意事项打捞器到底可缓慢提动钢丝绳。若有冲洗液由钻杆中溢出说明打捞可能成功，否则需再次下打捞器。当判明外管和钻杆内无岩心时，将备用内管从孔口下入钻杆内。此时可开机缓慢转动并开泵冲送，加快内管下降速度。若打捞不成功，则应提钻处理。干孔中不能直接投内管，在钻杆柱内

20、注入冲洗液，然后迅速投入内管。确认内管已经到位才开始扫孔钻进。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第五节 反循环钻进取心 一、孔底局部反循环取心1.无泵反循环钻具在钻进中关水泵利用孔内的静水柱压力和上下提动钻具在孔底形成局部反循环冲洗孔底钻进。,2.喷射式孔底反循环钻具喷射式孔底反循环钻具（喷反钻具）不必频繁提动钻具，而是利用射流泵工作原理形成孔底反循环。喷反钻具是在一般钻具上增设喷反元件，喷反元件由喷嘴、混合室、喉管、扩散管、分水接头等组成。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,工作原理：高压冲洗液沿钻杆进入喷嘴4，高

21、速315m/s射入扩散管5。喷嘴与扩散管周围的液体被射流带走一部分而形成负压区。在压差作用下，下部岩心管8中液体被抽吸到喷射器里，高速液流和吸入的液体在混合室1 2内混合，进行能量传递和交换后流入喉管13；再经扩散管和出水孔11或弯管排出。排出的冲洗液一部分沿钻杆外环返回地面；一部分在负压下流向孔底，冲洗孔底。改变冲洗液量或调节喷射器元件参数，就能控制孔底反循环冲洗的强弱。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,二、全孔反循环取心 1.全孔反循环分类：气举反循环、泵吸反循环、泵压反循环。2.全孔反循环工作原理冲洗液经双管水龙头进入双层钻杆内外管环隙，到达孔底分

22、流，大部分进入内管中，以反循环方式向上流动把岩心及岩屑携带到水龙头处，通过软管将岩心排至岩心收集器内；另一小部冲洗液从钻杆外环以正循环方式缓慢向上流，稳定孔壁和润滑钻具用。改变所用钻头形式可分别得到岩心和岩屑。取心钻头在钻具内管下部装有岩心切断器，岩心成段地连续从孔底输至地表。若采用牙轮钻头，那么得到的就是岩屑被输至地表。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第七章 土样及岩矿心的采取,全孔反循环连续取心的优点无需提钻减少了辅助时间，钻效高。岩心采取率达95以上，取心质量好。岩粉及时被排出孔底干净，减少孔底重复破碎大幅度提高时效，延长钻头寿命。易于穿过坍、漏

23、、破碎等复杂地层。单位成本低。相同地层条件下，反循环连续取心钻进的成本，仅为普通取心钻进的1/51/3。,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,目前存在的问题（1）钻进深度和岩层有一定的局限性，远不能完全取代普通岩心钻探；（2）碎屑状的岩样破坏了地层的原状结构，难以直接获得所钻地层的真实属性；（3）坚硬岩层，岩心难以切断或岩心切断器磨损严重；（4）另外钻探设备和附属工具过于笨重，一次性投资大。这些问题严重影响了它的推广。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第六节 采集岩粉和补取岩样 一、采集岩粉 正循环钻进时采集的岩粉只作为辅助样品；孔底局部反循环岩

24、粉收集装置获得的岩粉才具有代表性。1.岩粉沉淀槽：岩粉沉淀槽坡度1125保证液流速度低于临界值，设有隔板便于岩粉沉淀。2.旋流分离器：含岩粉的冲洗液以切线方向进入扩散器作旋转运动，岩粉颗粒在离心力作用下抛向扩散器壁，同时在重力作用下沉落并聚集在下部从排粉孔中取出，清除了岩粉的液体由上部出液管排出。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,旋流除砂过程观察表明：旋流除砂器工作时在其中轴部位形成旋涡状气柱类似龙卷风。圆形截面的气柱绕自身轴旋转呈拉长的螺旋状。将诱导一些在离心力作用下已离开除砂器轴

25、线的大颗粒随气柱上升进入溢流管，从而破坏净化效果。为了保持气柱的稳定性，降低上升流区域中的紊流扰动强度，可以在除砂器中心加一根直径=气柱直径的圆杆。由于杆件直径等于气柱直径，引发杆件产生小幅度的横向振荡。从而可提高从泥浆中分离岩粉的效果，且有助于防止排砂口附近产生堵塞。实验表明，圆杆直径最佳时除砂的效果最好，不仅1.0mm的粗颗粒被100%排出，而且总的除砂效果达91%。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,二、补取岩样1.侧壁取样有弹簧压筒式、水力刮刀式、水力冲射式等，仅介绍弹簧压筒取样器。取样器外壳侧面开切槽内藏弹簧和取样压筒（可绕轴转动）补样时用钻杆或钢绳下入孔内补取处，压筒靠弹簧拉力紧贴于孔壁，上提取样器，压筒压进孔壁岩矿层，装满样品并转动约180压筒朝下，卡簧将岩样保持在压筒内，万一岩样从压筒中脱落，也会掉在取样器的底座内。,第七章 土样及岩矿心的采取,2023/8/13,中国地质大学勘查教研室,2.偏斜补心借助于导斜楔使取样筒沿楔面压入孔壁岩矿层取心，或者打分支孔钻取岩矿层取心。这两种方法都类似于定向钻进，将在后续课程中讲述，不再赘述。,第七章 土样及岩矿心的采取,