岩芯定向和求解岩层产状的方法.pdf

2.取样工具类型少,作用不可靠,是当前影响砂样质量提高的主要 问 题之一。目前,在含泥量很少,结构极其松散而粒度又较小的砂砾层中,用板式和球式抽筒可以取到能够满足地质设计要求的砂样,但还存在砂金串位的问题。干钻加自然堵塞的方法,虽然在含泥量较多的砂砾层中可以取得一定量的砂样,也能够满足 地质设 计 要求,但是,这两种目前认为效果较好的取 样 工 具(方法)也都存在着无法取上原来状态砂样的问题。其余的采样工具,如抓子等,其作用的可靠性和取出砂样的可信程度,也还值得研究。由于我国地域广阔,河流水系多,海滨砂砾地带也不少,可供勘探的工作量很大,而且在所施工的各类地层中,又存在着各种不同的特点,如 既有比较单纯的、基本上没有泥质成分的砂层,又有含泥量较多的砂砾层,既有含泥量很少而又以砾石(砾径在61 0 厘米之间)占5 06 0%的极为松散的砂砾层,又有粘土层和含泥量较多、砂砾混杂的泥质砂砾层,还有压实密度很大,硬度又较高的铁板砂和长年处于冰冻状态的永冻层。因此,目前生产上仅有的少数几种取样工具除其本身结构和作用 的可靠性尚需进一步改进完善外,无论在类型上、数量上都远远不能满足砂钻生产的需要。根据不同类型地层的特点,设计和试验各种不同类型的取样工具,不仅是提高砂样质量的一项根本性措施,同时,也是今后高速度、高质量发展砂矿钻探工艺技术的重要内容之一。3.砂矿钻机的性能单一,是影响砂钻质量和效率的主要关键。目前在生产中使用t最大的是龙江号半机械化砂矿钻机和6 5一2型机械化砂矿钻机。这两种砂矿钻机,对提高钻进效率来说,由于它们不具备回转加压和给进的性能,因此在较硬的泥质砂砾层、铁板砂或永冻层中,钻进效率特别低,最低时每班仅能进0.30.4米。对保证砂样质量来说,又 由于它们只能为采样工具 提供 上升、下降的手段,因而这就只能用抽筒而无法选用具有适应不同地层的其他取样工具。目前砂矿钻机这种性能单一的缺点,使进一步提高砂钻效率和砂样质量受到了极大限制。因此,改革现有砂矿钻机,发展和研制适应在不同地带、不同地层条件下使用的各种不同类型的砂矿钻机,不仅在当前,尤其对今后,都具有极为重要的意义。建议在砂钻设备上投人 一定的力量进行研制工作,迅速改变目前这种落后面貌,促使黄金地质勘探技术有一个较快的发展。岩芯定 向和求 解岩层产状的方法吴光琳利用钻探取得的岩芯确定地千岩(矿)层或断裂面的产状,是勘探工作的重要内容之一。层面产状数据对正确认识深部地质构造,查明矿体形态和延伸情况有很大价值,同时对指导勘探工程布置和矿床开采也非常重要。在覆盖层较厚的地区,通常用三点法求层面产状,即利用相近的三个钻孔穿过同一层面的标高计算岩(矿)层或断裂面的产仕要素。三点法是以岩(矿)层或断裂面为平面做基础的,因此它不能反映钻孔之 间 层面产状的变化,况且还要打三个孔才能算 出层面产状。当标志层不明显时,往往难以判定三孔穿过的同一层面,从而不能准 确了解层面产状。近年来,人们研究用两个钻孔或一个钻孔的岩芯和孔斜资料推算地下岩(矿)层或断裂面的产状。这种方法可用于缺乏标志层的地 区,能反映两邻孔间 层面产状的差异,、并且节省了钻探工作量,确实比三点法前进了一步。但是单孔法是从一个钻孔中岩层产状自上而千不变为前提的,同时还要求钻孔必须弯曲,垂直孔或不弯的倾斜孔都不行。只有满足这些条件,才能求出层面法线轨迹圆投影的共同切点或交点,从而确定出层面产状。如果上述条件不具备,层面产状也就无法得知(至多能了解岩层倾角,但不能得知岩层的倾向和走向)。根据单孔岩芯和孔斜资料推算层面产状所存在的 困难,以及在资料整理上所碰到的麻烦,主要是由于没有定向岩芯,不清楚岩芯在地下 的原始位置。如果我们借助于专门工具定向地采取岩芯,并且能够确定岩芯在深部 的本来位置,则不难确定层面的产状。岩芯定向不仅能够反映不同钻孔中同一层位岩层的产状变化,而且能够反映同一钻孔中不同层位岩层产状的变化。利用岩芯定向求解层面产状的方法比较简单,答案也准确可靠。岩芯定向技术岩芯定向技术在国外石油钻探和工程地质钻探中使用较多,在金属、非金属矿和煤田钻探中也有应用。.岩芯定向有直接定向和间接定向两种。所谓直接定向就是通过钻杆在地面 连 环定向。下钻时,在钻杆立根下部连接刻有标志线的岩芯管和钻头,并且在钻杆立根上下端各安装一个定向夹板。定向夹板上也刻有标志线。在孔口远处用经纬仪(或瞄准器)瞄准,使定向夹板上的标志线与钻头及岩芯管上的标念线保持一致。此时卸除钻杆立根下端的定向夹板,将第一立根下人孔内。当上端定向夹板到达孔口位置时,把它夹持在孔口,并且拧接第二立根。在第二立根上端再安装定向夹板,仍用经纬仪瞄准,使上、下定向夹板 上的标志线保持一致。如此重复操作,直到钻头和岩芯管到达孔 底为止。此时岩芯管和钻头上标志线所处方位,就是经纬仪瞄准的方位。在此方位取出的岩芯,就是定向岩芯。根据岩芯上岩层走向(或倾向)与岩芯管和钻头上标志线的角度关系,就可以知道岩层 的走向(或倾向)。直接定向需要专门的经纬仪(或瞄准器)和定向夹板,操作麻烦。在钻孔较深时,费时较多,并且测量的累计误差较大。这种方法常用于垂直孔和浅孔。在倾斜孔和深孔中,目前主要采用间接定向方法。间接定向 的实质是孔内定向。即先在 孔底岩石的表面或未断根的岩芯的顶部作出标记,并且使此标记的位置与氢氟酸管或测角器上的起始母线的位置一致。测知钻孔方位与此起始母线方位之间 的角度关系后,就可以根据这一角度和钻孔顶角及方位角数据,在地表测量装置上恢复岩芯在地下的原始状态,实测出岩层产状,或者用图解,计算等手段求出岩层产状。间接定向操作方便,费时不多。定向工具结构简单,制作容易,便于推广使用。为了在孔底岩层的表面或未断根的岩芯的顶部作出与氢氟酸管或测角器上起始母线一致的标记,通常有三种不同的措施:1.打印先将孔底冲洗千净,确信岩粉已经排除以后,用钻杆把偏重打印器(图l)下人孔内。偏重打印器上部连接测斜仪(图中未画出),下部装有一支可以打出色点的色笔,或者一根可以冲出印痕的硬质合金尖形压头,并且使色笔或压头与偏心重锤方向一致。当把打印器下放到孔底时,利用钻杆和打印器的自重,就能够在孔底或未断根的岩芯的顶端,留下一个与岩石颜色不同的色点或一个被压 头压出来 的小圆穴。此色点或小圆穴与岩芯中心点的连线在水平面上的投影,就是钻孔的方位线。图1打印定 向示意 图1一钻杆,2一接头,3一外管,4一偏心重怪,5一色笔(或压头),6一色点(或印坑)取出定向岩芯后,根据测斜资料通过复位实测、图解或计算,求出岩层或断裂面 的产状。打印法的缺点是偏心重锤工作不大可靠,当钻孔顶角小于5。时,定向效果欠佳。2.刻痕先用不带卜 簧的钻具钻进1 5加厘米,将岩芯留在孔底不提断,然后下人带刻痕器及卡簧的取芯管专程采 集定向 岩芯。_.、刻痕器(图2)为一内壁镶有一颗粗粒金刚石或者装有钢质(或硬质合金)尖齿的空白钻头。钢齿或硬质合金通过钻头壁上的小孔伸出内壁,而外端用弹簧钢圈套封。当刻痕器沿未断根的岩芯 下移时,就在岩芯柱的侧面划出条痕。接头容纳器内装有氢氟酸管。氢氟酸管表面刻有起始母线。装置氢氟酸管时,使其上的起始母线与钢齿(或硬质合金齿,或金刚石刃)的方向一致。这样,钢齿在岩芯侧面划 出的条痕的方向当然也与氢氟酸管上起始母线的方向一致。而氢氟酸管上的起始母线的方向与氢氟酸液面蚀痕高、低点连线的方向之间呈一定的角度。这一角度也就是岩芯侧面刻痕方向和钻孔方位之间 的角度。根据这一角度可以将岩芯在地表复位,实测出岩层的产状要素,或者通过图解或计算求出岩层的走向、倾向和倾角。用。刻痕器结构简单,制作方便。但是要隶先在孔底钻成1 5一2 0 厘米高的岩芯柱,并且不能断根。在岩石有裂隙时,这一点是狼难保证的。倘若岩芯断了根,则在刻痕时可能已经扭转易位,所得数据也就不可靠了。、近年来,国外已开始使用单动双管,甚“至绳索取芯单动双管 刻痕定向取芯器。外管连接钻头,钻进岩石,形成岩芯,而内管不转,其内壁装有刻刀,在岩芯侧面刻痕。另外在内管上部还装有测斜仪。这样,用一道工序就可以完成刻痕、测斜和取 出 定 向岩J臼。3.钻眼钻眼法的实质在于用微型钻头在孔底钻偏心小眼,作为定向标记。钻眼器(图3)中装有小型孔底扭簧式动力机。钻眼器下人孔内之前,应先用铣刀钻头将孔底磨平,去除残留岩芯或岩 石 碎图2亥j痕定向示意图1一钻杆,2一接头容纳器,3一氢氛酸竹,4一空心钻头,5一钢齿(硬质合金齿或金刚石刃),6一刻痕刻痕法在小口径金刚石钻孔中常被采图3定 向钻眼器示意图1一钻杆;2一取粉管,3一接头,4一伸墉杆呀5一加压弹簧6一偏重测角器,7一保护苍,8一制动器,9一扭簧动力 机,1 0一支撑弹丸11一导向接头,12一微型钻头/块,并且把岩粉排净,然后用侧、杆下人钻眼器。当钻!反器一且接触孔底,则文排弹簧在钻杆压力作用下压缩,微型钻头 转 动轴上行。待上行到一与导向接头底部位置平齐时,扭簧式动力机的制动器 打开,微型钻头就开始在孔底钻 眼,形成标记。当钻眼器提离孔底,则支撑弹簧伸张,钻眼器中的测角器被锁紧定位。测角器由动盘和静盘组成,动盘是一偏心垂锤,少 七卜面的零线永远处在 钻孔的倾斜面内,静盘 上刻有0“3 60“,其上面的起点线与钻偏心小眼 的微型钻头的位置一致。因此,动盘冷线所对准的静盘上的读数即为偏心眼方向与钻孔轴线方向之间的终点角。把钻眼器提出钻孔后,下人另一套取芯钻具,钻进1 5 2 0 厘米,最后取出带有偏心小侣反的岩芯。钻眼法可用于顶角大于5。的倾斜孔。诊、法与打印法相比,可得到更为清晰的偏心小眼标记,不存在先钻出岩 芯而可能产生 的岩芯折断易位 问题。打出的偏心小 眼比较可靠,数据比较准确。但是这种扭簧动力机钻眼器结构复杂,外径较大,目前多用于小9 1毫米以上 的钻孔。近年来,国外开始使用 另一种定向钻眼器,其结构类似于偏重定向造斜器。用万向节连接微型钻头,钻出偏心小眼。这种定向钾眼器可用于小5 7和中7 3 毫米的钻孔。2.图解法(1)正投影法(图4):首先作岩芯正横断面 的俯视图,并在投影圆上标出层面高、低点连线的投影ab和钻孔倾向线的投影。d(此线可根据定向标记印坑、刻痕或钻眼方向线与钻孔倾向线在岩芯正横断面上投影之间 的夹角定出)。通过这两条线在投影圆周上各自的高点a和c作切线,两切线 交于A,得到丫角(乙aAC),此角即为 仄面 和水平面在岩 芯正横断面上交线的夹角。“葱云7户丫代入肚八月、仙z/r卜,书卜以Y二义止二宝书介一令求解层面产状的方法用专门工具从孔底取出带有定向标记的岩芯 以后,如何根据岩芯上的定向标记求解岩矿 层或断裂面 的产状是很值得探讨的。求解方法的精确程度直接关系到最终获得的层面产状数据的准确性。下面 谈谈这伙方法,并进行一些对 比。1.复位实测 法进行复位实测时常用岩芯定向测量 仪。在该仪器上根据测斜数据和定向标 记,把岩芯夹持成与取芯处钻孔方位角及倾角相同的位态(即复位),然后用 地质罗盘测出层面的走向、倾向和倾角。笔者利用测斜仪校验 台作为岩 芯定向测量仪,对定向岩芯作了 复位实测,并且与图解和计算方法得到的数据进行了对 比研究,得到了比较满意的结果。图4用正投影法求解层面产状其次,通过钻孔倾向线的投影Cd和层面高、低点连线的投影ab,分别作岩芯的纵剖面图。在这两个纵剖面图上表示出钻孔倾角日和钻孔遇 层角各,并且在两剖面 的高点各自向下取单位长 距离作岩芯轴线的垂肖面,分别与水平面和 层 面相交,得到两条交线,这两条交线的交点P,既在水平I苗上,又在层面上。把P点投向岩芯正 横断而,连接A P,则AP即为水平面 与层 面的交线在岩芯正横断面上的投影。过AP上的P点作AP的垂直面交Aa和A。各自的延长线于X和Y。然后,作垂直于水平面 的视 图,定 出AP在水平面上的位置,得到A P与钻孔轴线在水平面上的投影之 间 的夹角万,此角即刀岩层走向线与钻孔方位线的夹角。而岩层走向姚二钻 孔方位角叭士艺,岩层倾向二岩层走向士90。最 后,作l乒直于岩层 走向的 视图。PY为水平而的投影,PX为尺 而投影,PX与P丁之间 的小于9 0。的交角八即是 岩),咨的倾角。这种作图求解的方法比较繁琐,但是比较直观。(2)亦平极射投 影法(图5):在吴尔弗投影网(即通常称的吴氏网)上,通过透明作业纸,以岩芯正横断面为赤平极射投影面,作水平面在岩芯正横断面上的投影大圆弧(其方位按水平液面高、低点连线的方位,交角按水平液面与岩芯正横 断面 的夹角)。然后,根据层面和水平面在岩芯正横断面上各自的交线所成的夹角Y、钻孔轴线与层面交角各(即遇层角),作层面在岩芯正横断面上的投影大圆弧。艺二此处_,e o sysin日+tg色eo sp5iny丫一层面和水平面在岩芯正横断面上交线的夹角6一钻孔遇层角日一钻孔倾角根据下面的示意图(图6)岩层倾角可按下式计算:横断面枷乙轴线方向6=图一一OD.图5用赤平极射投影法求解层面产状最后,把水平面按其与岩芯正横断面之间的夹角(即90 0一p)旋 转到 基圆上,再把层面也.以同样的角度旋转到基圆上。为此,只需旋转两点即可。一点是上述两大圆弧的交点,此点既在层面上,又 在水平 面上,所以旋转后应在基圆上。另一点可选用层面倾角最大点,旋转9 0。一日后得到 一新点,连接基圆上的点与此新点成一大圆弧,这个大圆弧即代表层面。因此可 以从这个大回弧上直接读出层 面走向、倾向和倾角。用赤平极射投影法求解层面产状简易而迅速,但不直观。3.公 式 计算法根据正投影法中层面、水平面和岩芯正横断面 三者的空间 几何关系,岩层走向姚可用下式计算:ab=ab士艺式 中叽一钻孔方位角艺一钻孔轴线方向与岩层走向之间的夹角岩芯中层面、水平面和岩芯正橄断两的几何关 系180“一色一日:式中p:一钻孔轴线与岩层倾向 线在 水平面上的投影之间的夹角此处所以180。一180。丝(。o。一艺)+日18 0“一乙一1 801o一2日二二几犷一一X吕U-(9 00一艺)+日层面产状实测、图解和计算结果的对比下面举两个实例说明求解岩(矿)层或断裂面产状的方法具体运用的情况。例一钻孔方位角姚=N29。“W,倾角日=6 6“,钻孔遇层角乙二54 0,层 面和水平面在岩芯正横断面上的交线之间的夹角丫=68“,求岩层走向姚和倾角。1,实测a=2420,八=46。2.图解(1)正投影法(图7)a=2460,=500椒(9 00一4 4015产)+66勺=47”50,例二钻孔方位角a=NsooE,倾角日二4 5。,遇层角各=5 4。,层面和水平面在岩芯正横断面上交线之间的夹角丫=11 2。,求a和。1.实测a=6 60,=5002.图解(1)正投影法(图9)a=65“,=520卜图7(2)赤平极射投影法(图8)“=244。一二50.图9(2)赤平极射投影法(图1 0)a=67.,=5403.计算艺二tg-些旦些坦土燮些巫siny=tg一1e osllZOsin45。+tg54“e o s45。sinllZ“奋=tg一Io.7 e37=37022,a=a+艺=30。+37“2 2,=67“22,图83认计算习=t g一=tg一le o sysin日+tg乙eQs日51nye os68“sin6 6。+tg5 4Oeos6 6。sin68。含=tg一10.974 2=遵 4015,a=a一艺二290“一4 4“15,一18 00一2日=180“一各一二竺子石不吕二x_-一、180“=24 5045,(900一艺)+日二100。一冬4。一卫丝o一1 320不万万矿袄今Q 甘图10了A=180“一5一、翌二鱼旦18 0“(90“一芝)+日二18。一54。一哗煞藉竺、10U(90“一3 7022,)+4 5“二54“41,结语1。岩芯定向技术对正确判定地下岩(矿)层和断裂面产状、查明深部 地质构造和矿体延伸,指导地质勘探设计和矿床开采都有很大意义。2.用定向岩芯求解层面产状比 用 三点法、双孔或单孔测斜数据推算法简单,适用性广,结果可靠。3.对孔底岩芯作定向标记时,要求岩芯不 断根,孔底干净。刻痕法所用工具比较简单,可用于小口径钻孔,所得到的标记比打印法清晰。钻眼法所用钻具结构比较复杂,并且多用于大口径钻孔。由于这种方法是先打标记后钻岩芯,所以不怕岩芯折断易位。4.在求解层面产状的诸方法中,以赤平极射投影法最为简便,实测法最为直观。在没有岩芯定向测量 仪器和不熟悉赤平投影的情况下,可用正投影法。计算法可 用于校核其它方法得到的结果。5.据研究发现,四种求解方法得到的层面产状数据非常接近,误差一般在1“2。左右。不超过 测斜仪对方位角测量的精度。求解答案的准确程度取 决于原始数据测量的准确性。机油标尺遗失了怎么办?华道生用于地质钻探的柴油机均装有机油 标尺,标 尺上有两条 刻线。按规定要求,油面应保持在两刻线之间。若机油标尺遗失而需重新制作时,如 何正确刻划机油标尺 上表示机油油面高度的 这两条刻线呢?机油标尺的上刻线是表示机油 油面 的最大高 度;而下刻线则表示危险的机油油面高度。这二条刻线位置是否正确,直接影响柴油机的润滑效果。因为地质钻探用的柴油机多采用压力强制 和 飞溅式润滑。这种润滑方式的特点是靠机油泵以一定 的压力,将机油压送到曲轴、主轴承、连杆轴承及摇臂轴等处。同时利 用曲轴旋转时,从曲轴主轴承和连杆轴 承间隙 中挤出的机油激 溅至气缸套和活塞之间。好些人 认为飞溅润 滑即靠曲柄或连杆大端浸人 机 油面中而实现 飞溅。其实 对于驱 动钻机或泥浆 泵均柴油机来说,这种认识是错误 的。因为地质钻探 柴油机多采用 混合式润滑,如果曲柄和连杆大端碰触到机油油面高度,运转时必将机油 甩到气缸壁 上。在这 种情况下即使最好的i舌塞环 也不能防止机油渗人燃烧室和气缸内,就会在气缸盖、气门及活塞顶部形成大量 的积炭,使活塞上的回油槽与 回油孔 胶络从而使活塞环的密封作用降低,此时不但加剧串油,.且油温也增高,促使机油变质。当然,机油油面过低也不利于柴油机的正常运转。因为油面低于机油泵吸油器滤网时,则空气进人机油泵中,造成机油泵的泵油压力降低,从而导致各部分的零件过热而加速磨损,甚至引起烧瓦等事故的发生。通常,机油标尺上 的这二条刻线的标定可按以下方式进行:将柴油机任一缸的活塞摇转至下止点为止。此时在干净的油底壳内加人机油,并注意观察所加入的机油到 低于连杆大端轴承 盖能最下点1 0毫米左右的距离时为止。这时标尺上被机油 浸 湿处即为机油最高油面高度。至于表示危险的最低油面高度刻线,则应高出机油泵吸 油器滤网20 功毫米即可。检查正确的机油油面高度应在停车之后进行。因为柴油机在运转时振动使油底壳内仗汕面发生波动和飞溅。在这样的情况下,检查油面高度是不准确的,