岩芯定向技术：提高勘探效率的必备工具

岩芯定向就是在钻探过程中,利用一定的技术手段(如刻线、打印、钻眼等),使取出的岩芯能够在地面上恢复其孔底的原始状态。这一技术可分为两大部分:孔内定向部分与地面测量定向部分。岩芯定向技术的关键是如何从孔底取出定向岩芯,并分析岩芯在钻孔中存在的状态。

近十几年来,世界各国岩芯定向技术发展较快。原苏联应用岩芯定向技术比较广泛,手段较多。其中,阿尔泰-57型岩芯定向钻具有一定代表性,其特点是定向可靠、结构简单。美国的岩芯定向技术,在石油勘探部门发展较快,其中以克里斯坦森公司的多点随钻岩芯定向钻具最具代表性。瑞典克瑞留斯公司20世纪60年代研制的杆式定向器,曾获得12国家的专利。近年来,我国在岩芯定向技术方面有较大发展。其中,有代表性的岩芯定向钻具和定向器如下。

(1)YCO-Ⅱ型岩芯定向钻具。YCO-Ⅱ型岩芯定向钻具由冶金部有色矿产地质研究院研制。该钻具是在定向钻具内管下端装上有定向卡簧座,其上镶嵌三把刻刀,主刻刀与内管定向标记点在同一直线上。内管按需要分为多节,每节的连接处均悬挂有SZ型随钻定向器。在钻进过程中,随着岩芯柱逐渐进入内管,刻刀就在岩芯侧面刻出三条标志线,主刻线与定向器零读数在一直线上。当岩芯柱与定向器顶尖接触后即推动顶尖托着钢球上行并压缩弹簧,直到钢球被压在印有0°～360°刻度的读数铝盘上,并压出一个凹痕。YCO-Ⅱ型岩芯定向钻具的性能特点是确定岩芯最下方的位置。其规格有口径75mm、91mm、110mm 等系列。黄河水利委员会勘测设计院勘测总队1985年在黄河小浪底水利枢纽坝址地质勘探工作中,应用YCO-Ⅱ型岩芯定向钻具与套钻取芯相结合的方法,在破碎岩层与软弱夹层中进行岩芯定向(三点法),取得良好效果,共完成套钻与岩芯定向钻孔38个,总进尺1424m。

(2)YD-56型岩芯定向器。YD-56型岩芯定向器由冶金工业部勘察科学技术研究所研制。该设备为单点杆式岩芯定向器,它由岩芯桩顶面模拟装置、岩芯基准线标记装置、闭锁装置和弹起装置四部分组成。原长江委三峡区勘测大队1986～1992年在长江三峡工程坝址应用YD-56型岩芯定向器查明三峡坝址岩层缓倾角结构面对坝基稳定性的影响勘探工作中,共完成24 个钻孔,总进尺2845.50m。根据15个钻孔的统计资料,岩芯定向钻进进尺1379.67m,取出定向岩芯1078.80m,平均岩芯定向成功率77.2%,最高成功率97.7%。共取出含缓倾角结构面产状的岩芯688组,为评价三峡工程坝基稳定性提供了较好的地质成果。

(3)YCD75型多点随钻岩芯定向仪。1987年,首钢地质勘察院为进行首钢水厂大型露天铁矿边坡深部工程地质、水文地质的研究,应用冶金工业部东北地质勘察院制造的YCD75型多点随钻岩芯定向仪取芯钻进,完成两个钻孔,进尺499.48m,取得良好效果。(www.xing528.com)

(4)P-1型岩芯定向器。P-1型岩芯定向器工作过程是将定向器代替钻头装在钻具底部,下入孔内,轻轻接触孔底,用适当的力量敲击钻杆,在岩芯桩端面打下刻痕,提出定向器,取出第一节岩芯,其端面上刻痕和岩芯轴线构成平面与岩芯桩表面的交线就是基准线(即岩芯桩最低母线);其后各节岩芯顺序吻合对接,延续基准线。原长江委三峡区勘测大队为配合三峡工程三向渗流压水试验科研项目,1988年7月～12月在三峡坝址8号平硐内,利用自己研制的P-1型岩芯定向器,完成24个水平孔岩芯定向工作,总进尺196.76m,基本上能获得全孔的定向岩芯,圆满地完成岩芯定向任务。

(5)SDQ-91型随钻定向取芯器。“九五”期间为适应溪洛渡水电站高坝坝址快速勘测的需要,原成都理工学院和成都勘测设计研究院,共同研制成功SDQ-91型随钻定向取芯器,经溪洛渡坝址现场试验,证明该定向器结构简单、操作方便、易损零件少、定向标记成功率高,岩芯定向效果良好,在国内具有领先水平。该技术设备的特点是用侧面刻痕法作定向标记,并且将测量仪置于内管上部,实现钻进时刻痕、钻进结束时测量孔斜和定向标记位置,测量完毕后提断岩芯起钻,并且在一个回次内完成定向取芯各项工序。此外,一同开发的微机软件包具有数学计算和作图求解岩层层面和断裂面产状的功能。

(6)φ53mm 钻孔电视录像岩芯定向。三峡工程左岸1号～6号机组厂房坝段基岩深层抗滑稳定问题,长江委三峡勘测研究院1995年采用改进的φ53mm 钻孔彩色电视录像岩芯定向技术,圆满地解决了这个争论多年的疑难问题。在北京召开的审查会上,著名水电专家张光斗、潘家铮等对该院研究开发的这项新技术成果给以高度的评价,认为达到很高的水平,是坝基工程勘察的一项新技术。