弹簧加紧式钢球重力岩心定向器的结构原理

弹簧加紧式钢球重力岩心定向器的结构原理

马长付滕涛

山东正元建设工程有限责任公司烟台分公司山东烟台264000

摘要：定向取心技术在60-70年代发展较迅速。岩心定向方法主要有机械法、古地磁法、图像法。机械法岩心定向设备和器具比较简单，成本低廉，直观性强，在我国应用相对较多。随钻钢球滚动重力法夹紧式岩心定向器（SG-2型）属于机械法岩心定向类型，适用于0°-75°的钻孔。其工作原理是利用岩心刻痕、钢球滚动重力法确定岩心最低母线方向。

关键词：定向取心；重力法；定向器；原理

1定向取心技术发展现状

1.1发展历史

钻取定向岩心的技术称为定向取心。定向取心技术是能反映岩心在井下原有位置的取心方法。定向取心技术的发展可以追溯到金刚石钻进伊始时期，但较快的发展在60-70年代。为取得定向岩心，首先要给岩心定向。最早在生产上使用的岩心定向方法是机械法，这种方法是利用工具和仪表对岩心实行定向。其中有代表性的岩心定向器有欧洲的Craelius岩心定向装置、美国的Odsers定向器、Christensen岩心定向钻具、前苏联的K-5岩心定向器等，而我国则有YD-56定向器和KD-1刻痕定向器。机械法岩心定向近十几年来已发展成为标准方法，在地质勘探中得到广泛的应用。

1.2机械法岩心定向简介

机械法岩心定向一般包括5个工序：

（1）打标记：主要包括打印、刻痕、钻眼3种方法。

（2）确定标记位置：也就是给标记定向，可以直接定向，也可以间接定向。

（3）测量孔斜：直接定向时定向与测斜同时完成，而间接定向时定向与测斜往往分两个回次完成。

（4）取出带定向标记的岩心：钻取岩心可用单管钻具、单动双管钻具或绳索取心钻具。

（5）岩心复位：根据定向标记位置和测斜数据使岩心位置复原。

1.3古地磁法岩心定向简介

70年代，出现了古地磁法岩心定向。它不需要任何专门的孔内定向仪器，而只要求取出常规岩心，测量保存在岩心中的磁场方向，与钻孔测斜资料进行对比分析和计算，确定岩心的原位方向。

1.4图像法岩心定向简介

80年代，又推出了钻探与钻孔声波电视器或岩层显微扫描仪相结合的方法，即图像法，对岩心进行定向。这种方法是利用己确定方向的孔壁展开图像与岩心表面展开图像进行叠合，确定岩心原来的空间位置。孔壁图像由钻孔声波电视器（BHTV)或岩层显微扫描仪（FMS)获得，岩心表面图像则由低感光复印机复印而出。图像叠合由人工进行或计算机辅助进行。

1.5几种岩心定向方法比较

机械法岩心定向设备和器具比较简单，成本低廉，直观性强，提供定向信息迅速，并且定向精度较高，岩类不限，在完整和微裂隙岩石中都可取得较好的定向岩心。尽管其操作工序有时繁复，耽误钻探工时较多，但权衡利弊，结合我国国情，此法仍不失为一种切实可行、能够满足工程地质勘察耍求的、投资较少的一种岩心定向方法。

2随钻钢球滚动重力法夹紧式岩心定向器的工作原理

随钻钢球滚动重力法夹紧式岩心定向器（SG-2型）属于机械法岩心定向类型，适用于0°-75°的钻孔，其基本原理与前面所述机械法岩心定向原理类似，同样包括5个工序，其中岩心定向与测量孔斜分开进行。

（1）打标记：该型号岩心定向取心钻具是将1-3个随钻定向器与金刚石绳索取心钻具内管有机地结合起来使用的。在绳索取心钻具内管下端的卡簧座底端内侧环状分布3把刻刀，一把主刻刀，两把副刻刀。钻进时，岩心逐渐进入内管，3把刻刀对岩心柱面进行连续刻出3条痕线。把主刻刀刻出的痕线作为岩心定向的基础标记（注：主副刻刀对应的圆心角不等，可以区分出那条是主刻刀线）。刻刀卡簧座如图1所示。

（2）确定标记位置：内管分为四节，每节的连接处均可悬挂一个随钻钢球滚动重力法夹紧式岩心定向器。定向器安装好后，与内管、卡簧座、刻刀形成一个整体，相对位置关系固定。相对位置包括轴向距离、圆心角，安装时可以利用直尺、量角器等工具测量出来并做好记录。

图2主刻刀线与岩心最低母线位置关系图

该定向器有一个自由活动的小钢球，因为重力作用，定向器工作前钢球始终位于最低点，它反映的是岩心最低母线空间位置。随着岩心柱逐渐进入内管，当岩心接触定向器时，定向器刻度盘立刻把钢球夹紧，此刻的钢球在刻度盘上的读数代表了此刻的岩心最低母线位置，主刻刀线（在此刻实际是一个刻点）代表主刻刀位置。因此通过计算钢球在刻度盘上的读数和刻度盘0点与主刻刀圆心角之和，就可以在岩心上标出最低母线位置。主刻刀线与岩心最低母线位置关系如图2所示。

定向器刻度盘一旦夹紧钢球，定向器就可以脱离内管接口，整个定向器便自由随岩心上移，进尺一个定向间距后推动第二个定向器工作，如此重复而完成了随钻多点岩心定向。

在垂直孔钻进过程中，绳索取心钻具内管一般情况下很少发生旋转。但是在斜孔钻进过程中，因为钻具内外管之间的摩擦力增大，虽然3个刻刀嵌入岩心中可以减缓内管旋转，内管仍然可能会发生缓慢旋转，在岩心上的3条刻线不是直线，而是螺旋状的。内管发生缓慢旋转不影响岩心定向的准确性。

因为定向器工作前自由活动的钢球始终反映的是岩心最低母线的空间位置，当定向器工作的那一时刻，那一时刻的岩心最低母线位置就“定格”在定向器刻度盘读数上。从图3可以看出，当内管发生旋转时，钢球在刻度盘上的读数就会随之发生变化，但仍然反映的是岩心最低母线实际空间位置，因此内管缓慢旋转不影响岩心定向的准确性。

如果把每一个岩心最低母线位置定向点用直线连起来，就得到一条曲线，它反映的是整个钻孔的最低母线空间位置。

（3）测量孔斜：该定向方法属于间接定向，采用测斜仪单独完成测斜工作。

（4）取出带定向标记的岩心：采用绳索取心钻具提取岩心。

（5）岩心复位：该定向器岩心复位无特别之处可以采用前面所述的各种方法。但是现场常用的是测量岩心各结构面相对于最低母线的结构产状数据，再利用测斜数据，统一用电脑程序集中处理。

参考文献

[1]张始贤,江天寿.国外定向取心的发展状况[J].国外地质勘探技术,1981,8:31-36.

[2]熊义国，吴军，邓蓉.绳索取心与初级定向钻探技术应用实例.探矿工程（岩土钻掘工程）2006,10

[3]陈鼎元.定向取心技术[J].天然气工业,1990,6:43-44.

[4]吴玉滨,杨立文,王江艳.SZ-65型随钻取心技术研究与应用[J].石油钻采工艺,2006,28(2):72-76.