软(松散)地层原状取样取心技术
(1) SCG三管取心钻具
安徽省地矿局313地质队探矿工程技术研究所研制的SCG三管取心钻具，可从第四系和第三系地层中取原状岩心样品。钻井时，岩心直接进入第三层有机透明塑料管。取芯时直接将塑料管连同岩心一起拔出，塑料管两端密封，保证岩心样品不受污染、失水和二次风化，长期保持原状。该钻具已获得国家专利(专利号:ZL200820041782.3)。
1.钻具结构
SCG三管单动原状取心钻具主要由外管总成、内管单动总成和岩心夹持器组成(图4-2)。其中，外管组件包括上接头、外管、外管短节和外钻头；内胎单动组件由上限钢球、轴承、轴瓦、下轴承座、密封圈、轴、上调节锁紧螺母、内管接头、下调节锁紧螺母、轴阀弹簧、球阀、阀座、内胎、芯管座或内胎超前向钻头组成。容芯装置由容管阀盖、活塞密封圈、活塞、球阀、容芯管等部件组成。
图4-2 SCG三管无扰动取心钻具结构图
1—多用途连接器；2-外管；3-钢球；4—上轴承；5—轴瓦；6—下轴承；7—轴承座；8—密封环；9轴；10—锁定母亲；11-内管接头；12—锁定母亲；13—春天；14-球阀；15-气门座；16-阀盖；17-密封圈；18—活塞；19-球阀；20—内管；21—心脏管(有机玻璃管)；22—外管短节和夹紧装置；23—心管座；24—钻头；高级位；少量
2.钻具的工作原理
在钻进过程中，钻具外管组件用于传递扩孔钻进的旋转扭矩，内管组件不旋转以减少岩心扰动。同时，放置在内管中的含芯管(有机玻璃管)使芯无污染进入，保持其原始样品。在钻进过程中，泥浆通过上接头的分水孔，经内外管之间的间隙送到钻头底部，对钻头进行冷却和润滑，并带着切屑返回地面。在内管和岩心容纳管中没有泥浆被直接冲刷，在下钻过程中，容纳管中的少量泥浆将通过容纳管的单向阀和带岩心进入的内管轴的单向阀排入内管和外管之间的间隙，并返回地面。最后一次钻进结束，钻具提离地表后，拔出内外管，去掉内管接头，接上专用接头，用泵送泥浆的方法将围护管活塞抽出，将整个围护管推出，这样取出的岩心就能保持良好的原始状态。然后密封容纳管的两端，并标记岩样的方向、长度和孔深。
如果钻进软泥层，可以用先进的内管压入式钻头或翻板式外钻头代替。通过调节内管的主轴锁，可以微调内外管的配合长度。
3.特殊钻头和岩心捕捉器
为了满足不同地层取原状样的要求，设计了专用钻头和卡钻装置。其钻头结构和取芯装置的设计具有以下特点。
(1)钻头磨料的选择
1)第四系松散层选用硬质合金钻头。一般用八角柱和方柱，遇到粗砂砾石层用球形和八角合金。
2)第三系和4 ~ 6层选用硬质合金和金刚石复合片钻头。
3)砾石地层选用金刚石(主要是热压孕镶)或针状合金钻头。
(2)唇形设计
第四系松散层钻头的钻头唇设计成阶梯状和肋状，以防止钻孔收缩和堵塞钻具，并减少起下钻具时的抽吸作用(图4-3)。砾石地层中钻头的底唇最好设计成平底，以减少钻进时的振动，提高钻头的使用寿命。
(3)水路设计
松软地层在钻进过程中容易被水冲走，钻头水道的设计应避免泥浆直接冲刷和污染岩心。因此，底部喷射和侧部喷射钻头结构通常用于确保钻井过程中泥浆不会冲刷岩心，而且还可以冷却钻头并清除岩屑(图4-3)。
图4-3专用取芯钻头和取芯装置
(a)底侧注射合金钻头；(b)喷涂在外肋底部的合金钻头；(c)环刀先进取芯装置；(d)一个翻板式取芯装置；(e)带刺取芯装置
(4)岩心捕捉器的设计
除了常规的钻头卡簧外，三重管钻具还根据不同的复杂情况，在钻头体或短节上设计了先进的压入式取芯器、翻板式取芯器和弹簧舌式取芯器，如图4-3所示。
4.应用效果
SCG三管原状样取心钻具已在21个地质勘探钻孔和科学钻探孔(包括4个环境科学钻探孔、8个地震断层剖面取样孔、7个城市三维地质调查孔和2个地质勘探孔)推广应用，累计钻探工作量6488.51m，最深钻孔862.66m，原状样见图4-4。施工的科学钻孔取心质量指标见表4-1，不同地层取心收获率见表4-2。
图4-4不干扰岩心样品的三重管
表4-1施工科学钻孔取芯质量指标一览表
表4-2不同地层岩心采取率一览表
(2)半封闭取心钻具
半组合管钻具是在普通单作用双管的基础上改进而成的一种不扰动岩心(样品)的取心工具。目前，国内常用的半组合钻杆钻具有KZ系列(中国地质科学院勘探技术研究所设计)、SDB系列(成都巩俐钻探设备有限公司设计)、WX系列(无锡钻具厂有限公司设计)。该钻具在钻进复杂破碎松散地层时表现出无扰动取样的良好性能优势。
1.钻具结构
半封闭管取心钻具由外管、单作用组件、引水接头、半封闭内管组件、岩心夹持系统和钻井隔离头组成。KZ和SDB系列半接取心钻具如图4-5和图4-6所示。
图4-5 KZ单动双管钻具
1—上部连接器；2—轴承腔；3-弹簧；4-心轴；5-铰刀；6—螺母；7—内管接头；8-外管；9—内管；10-扶正环；11—卡簧座；12—卡簧；13位；
b 1-轴承；B2轴承；B3——防水钢球；B4-弹性垫圈
2.钻具的工作原理
本发明将普通单动双管的内管设计成半组合管。钻孔时，内管和外管旋转，半组合管处于不旋转状态。岩心进入半组合管，泥浆通过内管和外管之间的环形间隙到达防水钻头，再从外管和孔壁之间的间隙返回孔口，使半组合管中的岩心不被泥浆冲蚀污染和搅动。取芯时，将半管从外管中拔出，去掉半管的夹子，即可从半管中取出原芯。从而避免了传统的敲外管或抽芯方法带来的干扰、混乱和结构变形。与该钻具配套的防水防腐钻头如图4-7所示。
3.应用效果
KZ、SDB和WX的半管状取芯工具已经在汶川地震断裂带科学钻探项目的五个钻探项目中使用。在罕见复杂的地层条件下，保证了岩心的原状(图4-8)，平均岩心收获率达90%以上，完全满足科学钻探的要求，为地学研究提供了高质量的实物样品。如安徽省地矿局313地质队施工的汶川地震断裂带科学钻探WFSD 3孔，最终孔深1502.30m，全孔采用半封闭管取心，平均岩心收获率92.5%。不同直径半封闭管取心钻井统计数据见表4-3。
图4-6 SDB半封闭管取心钻具
1—外管；2-半封闭管；3-钟鼎；4-沉砂池；5—单向阀机构；6—上部单动机构；7轴；8—单动机构
图4-7典型防水防腐蚀钻头
图4-8原状岩心样品图片
表4-3 WFSD 3孔岩心钻探数据一览表
(3)水力活塞取心钻具
北京勘察工程研究院研制的液压活塞取心钻具主要用于在松软或半固结地层中取原状岩心(样)。该钻具已获得国家专利(专利号:ZL 201120295071)。
1.钻具结构
水力活塞取心钻具由内管组件、打捞接头、剪切销、内管密封圈、外管密封圈、快速释放装置、钻杆、钻铤、下支撑轴承、缓冲器、活塞头和密封圈、切割鞋和外钻头组成，如图4-9所示。
图4-9水力活塞取心钻具的结构和原理
2.钻具的工作原理
钻具内管组件定位并密封在绳索取心外管内。来自地面泵的高压泥浆通过钻杆给内管总成加压，压力逐渐增大，直至剪断安全销，瞬间将内管压入地层。其压下速度可达6 ~ 12m/s，由于压下速度快，钻具不转动，岩心扰动极小，上下不混淆，岩心收获率达100%。由于活塞分离泥浆，岩心无污染，取出的岩心精细、原位、保真。
3.使用方法和效果
在软(松散)地层取样时，外管和外钻头主要起到取芯后扩孔的作用，内管和切割鞋用于静压快速切入地层取芯。岩心进入内管后，用绳索取心打捞器打捞内管组件，取出原状岩心样品。然后用外管钻具扩孔最后一个取样孔的底部，再将另一套取样钻具放入钻杆内，以此类推。
该取心钻具已在南海进行了三次海上深水取样，成功率和岩心原状回收率达到100%，取得了良好的应用效果。