《岩土钻掘工程学》第七章土样与岩矿心的采取培训T

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11/27/2022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11/27/2022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11/27/2022中国地质大学勘查教研室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11/27/2022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11/27/2022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↓······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11/27/2022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11/27/2022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.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。11/27/2022中国地质大学勘查教研室第二节单层岩心管取心工具11/27/2022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-111/27/2022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-311/25/2022中国国地地质质大大学学勘勘查查教教研研室室对卡卡簧簧及及卡卡心心操操作作的的要要求求卡簧簧应应有有足足够够强强度度和和弹弹性性。。用用弹弹簧簧钢钢65锰及及调调质质钢钢40铬加加工工，，硬硬度度HRC45——50。卡簧簧自自由由内内径径＜＜钻钻头头内内径径0.3mm±±，自由由内内径径过过大大卡卡不不牢牢岩岩心心→→中中途途脱脱落落。。自自由由内内径径过过小小→→岩岩心心堵堵塞塞。。检查查卡卡簧簧自自由由内内径径合合适适否否的的方方法法，，将将卡卡簧簧套套在在岩岩心心上上既既有有一一定定抱抱紧紧力力，，又又能能在在岩岩心心上上被被轻轻轻轻推推动动。。为减减少少残残留留岩岩心心，，卡卡簧簧安安放放位位置置应应尽尽量量靠靠近近钻钻头头底底部部。。正常钻进进时不能能提动钻钻具，否否则会过过早提断断岩心，，造成岩岩心堵塞塞。第七章土土样及及岩矿心心的采取取11/25/2022中国地质质大学勘勘查教研研室3.干钻卡取取法回次终了了停水干干钻一段段，让岩岩粉聚集集孔底塞塞住岩心心即可提提钻。但但有埋、、烧钻的的危险，，适用于于硬合金金钻软或或粘性岩岩层。4.沉淀卡取取法回次终了了停止循循环让管管内岩屑屑碎渣沉沉淀挤塞塞卡牢岩岩心。适适用软、、脆、碎碎的岩层层反循环环钻进。。常与干干钻法结结合使用用。5.楔断器卡卡取法回次终了了将钻具具提出孔孔外，下下入楔断断器，利利用吊锤锤冲击楔楔子将岩岩心楔断断，再下下入夹具具将岩心心提出。。该法适适用于大大直径和和岩石比比较坚硬硬、完整整的岩矿矿层钻进进。第七章土土样及及岩矿心心的采取取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室二、单单层岩岩心管管钻具具——最简单单的取取心钻钻具为↑采采取率率在单单管钻钻具中中增加加分水水投球球接头头和分分水帽帽。钻钻进时时冲洗洗液通通过分分水接接头中中心孔孔直接接进入入岩心心管内内，活活动分分水帽帽呈伞伞形保保护岩岩心不不受冲冲洗液液直接接冲刷刷，且且随岩岩心一一起上上移。。提钻前前投入入球阀阀封闭闭中心心水道道，在在水压压作用用下球球阀下下移超超过小小卡时时通水水孔被被打开开，使使孔底底形成成干钻钻条件件。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室三、双管钻钻具为克服单管管钻进时冲冲洗液对岩岩矿心的冲冲蚀。在岩岩心管内设设置内管容容纳岩心，，冲洗液从从二管之间间流动，避避免对岩心心的直接冲冲刷，保护护岩矿心。。钻进时双管管若同步转转动，内管管仍可能与与岩心相对对转动，对对岩心造成成的损害。。内管在钻进进时不随外外管转动，，既避免了了冲洗液对对岩心的冲冲刷，又避避免了钻具具转动对岩岩心造成的的不良影响响。在难取取心地层或或高速回转转的金刚石石钻进中，，往往能取取得较高的的取心质量量。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室双管钻具结结构特点为减弱机械械力对岩心心破坏，钻钻具中设置置避振缓冲冲装置.为减轻对岩岩心冲刷作作用，钻具具中设置隔隔水和分流流装置.为防止或缓缓解岩矿心心互磨，双管钻具中中增加减磨磨防磨装置置.为防止岩矿矿心污染，，设置隔浆活活塞、压入入式内管钻钻头、密封封装置等.为防止岩矿矿心脱落，，设置爪簧、、压卡装置置、隔水球球阀等.11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室1、双动双管管由双管接头头，内、外外岩心管、、钻头和止止逆阀组成成。一般用于钻进I一Ⅶ级的的松松散散、、易易坍坍塌塌和和怕怕冲冲刷刷的的岩岩矿矿层层。。为保保护护岩岩矿矿心心根根部部不不被被冲冲刷刷，，钻钻具具的的内内钻钻头头大大都都超超前前于于外钻钻头头，，一一般般为为20~50mm，岩层层越越松松散散，，胶胶结结性性越越差差，，超超前前距离就越大。。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地质大学学勘查教研室室2、单动双管钻钻具由异径接头、、外管、内管管、单动装置置和卡心装置置等组成。单动轴承套与与内管连接，，内管下端与与短节和卡簧簧座采用插接接方式连接。。利用心轴上上端的螺纹调调节卡簧座与与钻头内台阶阶的间隙。卡心装置包括括卡簧和卡簧簧座。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地质大学学勘查教研室室冲洗液由内外外管间隙到达达卡簧座与钻钻头内台阶部部分分流。岩岩心进入内管管后，内管中中的液体经单单向阀排到内内、外管之间间。回次结束稍上上提钻具，卡卡簧相对下移移卡紧岩心，，卡簧座下移移并抵在钻头头内台阶上。。此时外管承承受拉力，并并提断岩心适用于为7～12级的完整、微微裂隙或不均均质、中等裂裂隙的岩矿层层。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室3.活塞单单动双双管钻钻具由分水水接头头、单动装装置、、半合合管、、活塞塞和阶阶梯钻钻头等等组成成。严严密防防止冲冲洗液液接触触、污污染和和冲刷刷岩矿矿心。。半合管管保持持岩矿矿心的的原生生结构构；活活塞使使岩矿矿心与与泥浆浆隔绝绝。钻钻进中中岩矿矿心顶顶着活活塞进进入半半合管管，起起刮浆浆和减减振作作用，，提高高了岩岩矿心心的纯纯洁度度和取取心的的可靠靠性。。阶梯钻钻头体体开有有斜水水口，，冲洗洗液不不冲刷刷孔底底。在钻头头水口口下部部与半半合管管间设设有密密封圈圈，防防止岩岩矿心心受到到污染染。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室下钻先先送水水将活活塞推推到底底部再再开车车扫孔孔。扫孔完完毕后后投入入钢球球。钻进中中水压压推动动球阀阀向下下打开开通水水孔，，改变变液流流方向向，使使活塞塞上部部免受受动水水压力力，防防止孔孔底缺缺水烧烧钻。。严禁提提动钻钻具，，以免免污染染矿心心。适于可可钻性性为4～6级的松松散、、粉状状、节节理发发育、、怕污污染的的岩矿矿层。。在滑滑石、、石墨墨矿中中取心心效果果尤其其显著著。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国国地地质质大大学学勘勘查查教教研研室室第四四节节绳绳索索取取心心工工具具绳索索取取心心：：钻钻进进中中岩岩心心充充满满岩岩心心管管后后不不需需提提钻钻，，借借助助绳绳索索和和专专用用打打捞捞工工具具从从钻钻杆杆中中把把内内管管及及岩岩心心提提至至地地表表的的取取心心方方法法。。极大大地地减减少少了了起起下下钻钻具具时时间间，，机机械械化化程程度度高高，，增增加加纯纯钻钻进进时时间间，，虽虽然然绳绳索索取取心心钻钻头头壁壁更更厚厚，，机机械械钻钻速速略略低低于于普普通通钻钻头头。。总总的的钻钻效效提提高高了了，，且且这这种种趋趋势势随随孔孔深深的的增增大大而而增增大大。。岩心心堵堵塞塞后后能能即即时时报报警警，，岩岩心心采采取取率率高高，，地地质质效效果果好好。。减少少了了提提钻钻次次数数，，钻钻杆杆与与孔孔壁壁间间隙隙小小，，钻钻头头回回转转平平稳稳，，钻钻头头寿寿命命比比普普通通钻钻头头寿寿命命高高一一倍倍左左右右。。降低低钻钻探探成成本本。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取11/25/2022中国地质质大学勘勘查教研研室缺点：钻钻杆的内内径大而而管壁薄薄，钻头头壁较厚厚，钻进进时碎岩岩功率消消耗较大大。绳索取心心钻具配配套设备备较多，，一次性性投资较较大。地质条件件：适于于各种地地层，在在6~9级中硬岩岩层中效效果最好好。一般般不宜钻钻10~12级岩石。。这时钻钻效极低低，钻头头极易磨磨损，不不能充分分发挥绳绳索取心心钻进的的优越性性。绳索取心心与液动动冲击器器相配合合，钻进进硬地层层有良好好的前景景。绳索取心心一般在在深孔中中采用。。通常钻钻孔越深深其经济济技术效效果越好好,但最大深深度受钻钻杆强度度制约。。若绳索取取心钻头头寿命短短，便失失去了绳绳索取心心的意义义。第七章土土样及及岩矿心心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室绳索取心钻钻具的规格格和型号第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室一、绳索取取心单动双层岩岩心管——由外管总成成和内管总总成组成外管总成：：弹卡挡头头1、弹卡室7、稳定接头头23（上扩孔器器）、外管管46和钻头52。内管总成：：捞矛、弹弹卡定位、、悬挂、到位报讯讯、岩心堵堵塞报警、、单动、内内管保护和和调节机构构。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室(1)捞矛机构由由捞矛头2和回收管4等组成。取取心时打捞捞器在钻杆杆内下放到到内管总成成上端，打捞钩抓抓住捞矛，，向上提升升打捞器使使回收管上上移，并向向内压缩弹弹卡6使其收拢，，于是内管管总成和外管管总成脱离离，从而把把内管总成成提升上来来。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室(2)弹卡定位机机构：弹卡卡6、张簧5和弹卡座10。内管总成成在钻杆内内下放时弹卡外张，，一旦到达达外管的弹弹卡室7，弹卡两翼翼贴附在弹弹卡室内壁壁。弹卡室室挡头即可可防止内管管向上串动动，又可带带动内管总总成轴承上上部与外管管一起旋转转，以免因因相对运动动造成弹卡卡磨损。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室(3)悬挂机构：：内管悬挂挂环21与外管座环环22的直径相差差0.5~1.0mm。内管总成下降降到外管弹卡卡室时，悬挂挂环座在座环环上，使内管管总成下端卡卡簧座51与钻头52内台阶2~4mm的间隙，保证证内管单动。。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地质大学学勘查教研室室(4)到位报信机构构：冲洗液下下送内管总成成时，冲洗液液由内管外环环间隙通过；；内管坐在悬悬挂机构上时时，冲洗液通通道被堵泵压压明显升高(0.5~1MPa)，表明内管已已到位。此时时阀堵39打开，泵压恢恢复正常，可可以正常钻进进。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室(5)岩心堵堵塞报报警机机构：：钻进进中发发生岩岩心堵堵塞或或装满满内管管时，，岩心心对内内管产产生的的顶推推力压压缩碟碟簧，，使滑滑套24上移堵堵塞接接头38的通水水孔，，造成成泵压压升高高，告告诫操操作者者应停停止钻钻进，，捞取取岩心心。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国国地地质质大大学学勘勘查查教教研研室室(6)单动动机机构构：：两两副副推推力力轴轴承承29、31使内内管管不不随随外外管管转转动动。。(7)内管管保保护护（（缓缓冲冲机机构构））：：拉拉断断岩岩心心时时内内管管及及卡卡簧簧座座下下移移至至钻钻头头内内台台阶阶上上，，拉拉力力由由钻钻头头传传至至外外管管，，内内管管不不受受损损坏坏。。(8)调节节机机构构：：内内外外管管组组装装时时，，调调节节卡卡簧簧座座与与钻钻头头内内台台阶阶之之间间隙隙（（0~30mm）。。第七七章章土土样样及及岩岩矿矿心心的的采采取取11/25/2022中国国地地质质大大学学勘勘查查教教研研室室二、、打打捞捞器器———由打打捞捞和和安安全全脱脱卡卡机机构构组组成成打捞机构构：打捞捞钩1、打捞钩钩架3、重锤7和钢丝绳绳接头。。取心时时，用钢钢丝绳把把打捞器器放入钻钻杆内靠靠重锤以以1.5~2.0m/s的速度下下降，当当它到达达内管总总成上端端时，能能准确钩钩住捞矛矛头，把把内管总总成提升升上来。。(2)安全脱卡卡机构：：需脱卡卡时将内内径比重重锤稍大大的1m长套管(壁上开有有斜口)套入钢丝丝绳,靠自重下下降，撞撞击并罩罩住打捞捞钩尾部部，迫使使其向内内收缩，，端部张张开，从从而使打打捞器与内管管总成脱脱离。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室三、绳绳索取取心附附属工工具1、钻杆——内外平平（包包括接接头））、强强度、、同心心、垂垂直。。2、绳索索取心心绞车车：专专用于于下放放打捞捞器和和打捞捞岩心心管。。3、钻杆杆夹持持器：：用于于夹持持外平平的绳绳索取取心钻钻杆的夹持持器有有脚踏踏夹持持器(木马夹夹持器器)和球卡卡夹持器器两种种型式式。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室四、工艺过程注注意事项打捞器到底底可缓慢提提动钢丝绳绳。若有冲冲洗液由钻钻杆中溢出出说明打捞捞可能成功功，否则需需再次下打打捞器。当判明外管管和钻杆内内无岩心时时，将备用用内管从孔孔口下入钻钻杆内。此此时可开机机缓慢转动动并开泵冲冲送，加快快内管下降降速度。若打捞不成成功，则应应提钻处理理。干孔中不能能直接投内内管，在钻钻杆柱内注注入冲洗液液，然后迅迅速投入内内管。确认内管已已经到位才才开始扫孔孔钻进。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室第五节反反循环钻进进取心一、孔底局局部反循环环取心1.无泵反循环环钻具在钻进中关关水泵利用用孔内的静静水柱压力力和上下提提动钻具在在孔底形成成局部反循循环冲洗孔孔底钻进。。2.喷射式孔底底反循环钻钻具喷射式孔底底反循环钻钻具（喷反反钻具）不不必频繁提提动钻具，，而是利用用射流泵工工作原理形形成孔底反反循环。喷反钻具是是在一般钻钻具上增设设喷反元件件，喷反元元件由喷嘴嘴、混合室室、喉管、、扩散管、、分水接头头等组成。。第七章土土样及岩矿矿心的采取取11/25/2022中国国地地质质大大学学勘勘查查教教研研室室工作作原原理理：：高高压压冲冲洗洗液液沿沿钻钻杆杆进进入入喷喷嘴嘴4，高高速速3~15m/s射入入扩扩散散管管5。喷喷嘴嘴与与扩扩散散管管周周围围的的液液体体被被射射流流带带走走一一部部分分而而形形成成负负压压区区。。在压压差差作作用用下下，，下下部部岩岩心心管管8中液液体体被被抽抽吸吸到到喷喷射射器器里里，，高高速速液液流流和和吸吸入入的的液液体体在在混混合合室室12内混混合合，，进进行行能能量量传传递递和和交交换换后后流流入入喉喉管管13；再经扩散管管和出水孔11或弯管排出。。排出的冲洗液液一部分沿钻钻杆外环返回回地面；一部部分在负压下下流向孔底，，冲洗孔底。。改变冲洗液量量或调节喷射射器元件参数数，就能控制制孔底反循环环冲洗的强弱弱。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地质大学学勘查教研室室二、全孔反循循环取心1.全孔反循环分分类：气举反循环、、泵吸反循环环、泵压反循循环。2.全孔反循环工工作原理冲洗液经双管管水龙头进入入双层钻杆内内外管环隙，，到达孔底分分流，大部分分进入内管中中，以反循环环方式向上流流动把岩心及及岩屑携带到到水龙头处，，通过软管将将岩心排至岩岩心收集器内内；另一小部冲洗洗液从钻杆外外环以正循环环方式缓慢向向上流，稳定定孔壁和润滑滑钻具用。改变所用钻头头形式可分别别得到岩心和和岩屑。取心心钻头在钻具具内管下部装装有岩心切断断器，岩心成成段地连续从从孔底输至地地表。若采用用牙轮钻头，，那么得到的的就是岩屑被被输至地表。。第七章土样样及岩矿心的的采取11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取全孔反反循环环连续续取心心的优优点无需提提钻减减少了了辅助助时间间，钻钻效高高。岩心采采取率率达95％以上上，取取心质质量好好。岩粉及及时被被排出出孔底底干净净，减减少孔孔底重重复破破碎大大幅度度提高高时效效，延延长钻钻头寿寿命。。易于穿穿过坍坍、漏漏、破破碎等等复杂杂地层层。单位成成本低低。相相同地地层条条件下下，反反循环环连续续取心心钻进进的成成本，，仅为为普通通取心心钻进进的1/5~1/3。11/25/2022中国地地质大大学勘勘查教教研室室目前存存在的的问题题（1）钻进进深度度和岩岩层有有一定定的局局限性性，远远不能能完全全取代代普通岩岩心钻钻探；；（2）碎屑屑状的的岩样样破坏坏了地地层的的原状状结构构，难难以直直接获获得所钻钻地层层的真真实属属性；；（3）坚硬硬岩层层，岩岩心难难以切切断或或岩心心切断断器磨磨损严严重；；（4）另外外钻探探设备备和附附属工工具过过于笨笨重，，一次次性投投资大大。这些问问题严严重影影响了了它的的推广广。第七章章土土样及及岩矿矿心的的采取取11/25/2022中国地质大大学勘查教教研室第六节采集岩粉和和补取岩样样一、采集岩岩粉正循环钻进进时采集的的岩粉只作作为辅助样样品；孔底底局部反循循