深孔復(fù)雜地層繩索取心鉆具優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

李鑫淼， 劉秀美， 尹 浩， 李 寬， 張永勤， 孫建華

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

深孔復(fù)雜地層繩索取心鉆具優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

李鑫淼， 劉秀美， 尹 浩， 李 寬， 張永勤， 孫建華

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)，易出現(xiàn)內(nèi)管鉆具打撈失敗、巖心卡斷失效及巖心易沖蝕等問題。本文從實(shí)際問題出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外繩索取心鉆具的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了鉆具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，包括巖心管涂層減阻及振動(dòng)解堵、彈卡機(jī)構(gòu)防頂死設(shè)計(jì)、增加卡簧與巖心之間摩擦力、增大鉆具內(nèi)部過流面積、改變鉆頭處沖洗液流向等，以進(jìn)一步提高繩索取心鉆具在深孔中的鉆進(jìn)效率。

深孔；復(fù)雜地層；繩索取心鉆具；優(yōu)化設(shè)計(jì)；鉆進(jìn)效率

0 引言

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在石油鉆井中得到了最初應(yīng)用，而后由美國Longyear公司將其引入到地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域[1]。由于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)具有效率高、成本低、鉆孔事故少等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[2-6]。隨著科學(xué)鉆探及礦產(chǎn)資源勘查等工作的不斷開展，鉆孔深度在逐步加深，未來會(huì)有更多的深孔及特深孔出現(xiàn)[7]。從繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用效果等多方面分析，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)將在深孔鉆探中得到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著鉆孔的不斷加深，地層將變得更為復(fù)雜，深孔復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)存在諸多問題，例如松散、破碎地層巖心采取率低等。需對(duì)存在的問題進(jìn)行合理分析與解決，以滿足深孔復(fù)雜地層取心要求。因此，開展繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的深入研究對(duì)于提高深孔復(fù)雜地層的鉆進(jìn)效率具有重要意義。

1 深孔復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)存在的問題

1.1 內(nèi)管鉆具打撈失敗

除常規(guī)地層鉆進(jìn)外，繩索取心鉆具同樣要適用于復(fù)雜地層鉆進(jìn)。在深孔鉆進(jìn)時(shí)，采用繩索取心鉆具在復(fù)雜地層取心的難度將更大。在破碎、水敏地層鉆進(jìn)時(shí)，巖心形狀不規(guī)則，遇水易膨脹，巖心進(jìn)入內(nèi)管時(shí)阻力大，容易出現(xiàn)堵心現(xiàn)象，使內(nèi)管鉆具受力整體上移，導(dǎo)致彈卡與彈卡擋頭預(yù)留的間隙被消除，彈卡與彈卡擋頭頂死，彈卡失去向內(nèi)回轉(zhuǎn)空間，下入打撈器后無法成功撈出內(nèi)管，這時(shí)就要投入脫卡管進(jìn)行解卡。在這種情況下，只能通過全面提鉆解決問題，大大降低了鉆進(jìn)效率。

1.2 巖心卡斷失效

繩索取心鉆進(jìn)遇堅(jiān)硬致密地層時(shí)，巖心滿管后不能順利拉斷巖心，有時(shí)只能提取部分巖心，造成巖心采取率降低，嚴(yán)重時(shí)巖心全部丟失。無法拉斷巖心是由于卡簧內(nèi)部磨損嚴(yán)重，未能及時(shí)更換，導(dǎo)致卡簧與巖心之間的摩擦系數(shù)降低，無法提供足夠摩擦力將巖心拉斷，導(dǎo)致巖心丟失。另外，目前野外應(yīng)用的繩索取心鉆具卡簧設(shè)計(jì)寬度較小，卡簧內(nèi)表面與巖心外表面接觸面積小，無法提供足夠的摩擦力拉斷巖心，同時(shí)可能由于卡簧自身加工精度不夠，致使卡簧內(nèi)表面與巖心外表面貼合不夠緊密，進(jìn)一步降低了巖心拉斷力，造成巖心卡斷失效。

1.3 沖洗液循環(huán)阻力大

復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)，通常采用大密度、高粘度的沖洗液，起到了一定的抑制孔壁坍塌、掉塊的作用。但對(duì)于繩索取心鉆進(jìn)工藝，沖洗液流經(jīng)內(nèi)管鉆具時(shí)水流方向發(fā)生改變，并且過流面積嚴(yán)重減小，導(dǎo)致大密度、高粘度的沖洗液循環(huán)阻力大，泵壓較高。隨著鉆孔的加深，泵壓將會(huì)持續(xù)升高，對(duì)泥漿泵的使用提出了更高的要求。

1.4 到位報(bào)信機(jī)構(gòu)可靠性較差

淺孔繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，鉆具基本取消了到位報(bào)信機(jī)構(gòu)，主要通過孔口聽撞擊聲音的方式來判斷內(nèi)管鉆具是否投放到位[8]。取消了到位報(bào)信機(jī)構(gòu)后，內(nèi)管鉆具的沖洗液過流通道變大，減小了沖洗液阻力，提高了內(nèi)管鉆具投放過程中的速度，減少了下放時(shí)間。但對(duì)于深孔繩索取心鉆進(jìn)來講，撞擊聲音的能量是有限的，通過聽聲的方式判斷內(nèi)管鉆具是否到位，幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的，必須增加可靠的到位報(bào)信裝置，使現(xiàn)場操作人員做出準(zhǔn)確的判斷。

1.5 巖心易沖蝕

在極破碎、軟弱、易沖蝕等地層鉆進(jìn)取心時(shí)，巖心進(jìn)入內(nèi)管的過程中，受到鉆頭處沖洗液的沖蝕，無法保證巖心完整，造成巖心采取率降低[9]。

2 繩索取心鉆具優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

由于地層的復(fù)雜程度是不可改變的，所以我們只能從鉆具的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 解決巖心卡堵的鉆具設(shè)計(jì)思路

一種設(shè)計(jì)思路是提高鉆具內(nèi)巖心管內(nèi)表面的光滑程度，可在巖心管內(nèi)表面制備一層低摩擦系數(shù)涂層，以減小巖心進(jìn)入內(nèi)管時(shí)的阻力，消除或緩解巖心卡堵現(xiàn)象，提高巖心采取率。目前應(yīng)用比較廣泛、性能相對(duì)較好的潤滑涂層材料主要包括聚四氟乙烯(PTFE)、二硫化鉬(MoS2)、類金剛石碳(DLC)等。潤滑涂層制備工藝主要有粘結(jié)、電鍍、PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學(xué)氣相沉積)、熱噴涂等[10-12]。需通過大量的試驗(yàn)來優(yōu)選巖心管內(nèi)表面的潤滑涂層材料及涂層制備工藝，以達(dá)到最佳的減阻效果。

另外一種解決思路就是在鉆具上加入振動(dòng)裝置，將振動(dòng)力傳遞到內(nèi)巖心管，起到一定的消除卡堵的作用。中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所王年友等人研制了“三合一”鉆具(液動(dòng)潛孔錘+螺桿馬達(dá)+繩索取心鉆具)[13]，利用液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行沖擊碎巖，提高鉆速，同時(shí)減輕巖心卡堵。同時(shí)可以考慮研發(fā)新型低壓降水力或電動(dòng)振動(dòng)裝置，以減輕巖心卡堵現(xiàn)象，同時(shí)能夠滿足深孔鉆探取心的要求。

2.2 彈卡定位機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

彈卡頂死的主要原因是堵心現(xiàn)象的出現(xiàn)，除降低巖心進(jìn)入內(nèi)管的阻力外，可對(duì)彈卡定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提高彈卡回收的可靠性。目前常用的繩索取心鉆具彈卡定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用了單鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)，彈卡對(duì)回轉(zhuǎn)空間有一定要求，存在回收死點(diǎn)，從鉆具結(jié)構(gòu)上解決這一問題的思路是將目前較為常用的旋轉(zhuǎn)式彈卡回收方式改為徑向運(yùn)動(dòng)回收方式。美國Boart Longyear公司研制的繩索取心鉆具彈卡定位機(jī)構(gòu)包括Link Latch及Roller Latch兩種[14]。Roller Latch即滾動(dòng)式彈卡，簡稱球卡，球卡設(shè)計(jì)使整套鉆具具有良好的對(duì)中性，減輕了取心鉆進(jìn)時(shí)鉆具的磨損。內(nèi)管鉆具投放到位后，鉆具上部錐體下行，將鋼球撐開，實(shí)現(xiàn)定位作用。打撈內(nèi)管時(shí)打撈器帶動(dòng)錐體上行，鋼球在外力的作用下滾入鉆具內(nèi)部。球卡的回收動(dòng)作只包括鋼球的徑向運(yùn)動(dòng)，即使在堵心時(shí)球卡與彈卡室頂死，由于鋼球自身的受力特點(diǎn)，也能夠通過打撈器的上提動(dòng)作輕松實(shí)現(xiàn)解卡并回收?；陬愃频脑O(shè)計(jì)思路，項(xiàng)目組采用齒輪齒條原理實(shí)現(xiàn)了彈卡的徑向回收。齒輪齒條彈卡定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由齒輪座、主動(dòng)齒條、齒輪、彈簧和彈卡組成。其中主動(dòng)齒條上部通過彈性銷與撈矛座相連接，保證齒輪齒條在撈矛頭的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)彈卡的回收與張開。彈卡進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，受力性能好，不易損壞。已經(jīng)完成了多輪野外試驗(yàn)，定位及回收效果良好，目前已經(jīng)完成了相關(guān)專利的申請。

1—撈矛頭；2—撈矛座；3—齒輪座；4—主動(dòng)齒條；5—保護(hù)罩；6—齒輪；7—彈簧；8—彈卡；9—彈卡架

圖1齒輪齒條彈卡定位機(jī)構(gòu)示意

解決彈卡頂死問題的另外一個(gè)出發(fā)點(diǎn)在于如何能夠在頂死的情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)彈卡的向內(nèi)回轉(zhuǎn)，即將頂死形成的剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為非剛性。從原因分析來看，必須實(shí)現(xiàn)彈卡鉸接點(diǎn)的可移動(dòng)性。出于此種考慮，項(xiàng)目組研發(fā)了雙鉸鏈彈卡定位機(jī)構(gòu)(如圖2所示)。主要包括彈卡、支撐板、頂針等。彈卡進(jìn)入彈卡室進(jìn)行定位時(shí)，頂針將兩側(cè)支撐板頂住，限定彈卡鉸接點(diǎn)位置。打撈內(nèi)管鉆具時(shí)，回收管通過圓柱銷帶動(dòng)頂針上移，對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行釋放，在外力作用下兩側(cè)支撐板向內(nèi)回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)彈卡鉸接點(diǎn)向鉆具內(nèi)部及下部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在回收管的作用下實(shí)現(xiàn)彈卡回收，目前已經(jīng)完成了相關(guān)專利的申請。

1—回收管；2—張簧；3—彈卡；4—頂針；5—支撐板；6—支撐座；7—彈卡架

圖2雙鉸鏈彈卡定位機(jī)構(gòu)示意

2.3 解決巖心拉斷的鉆具設(shè)計(jì)思路

目前使用最多的巖心拉斷機(jī)構(gòu)由卡簧、卡簧座及擋圈組成。由于受內(nèi)部空間的限制，復(fù)雜的斷心機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)?？ɑ膳c卡簧座錐度配合，利用上提拉力轉(zhuǎn)化為卡簧與巖心之間的摩擦力來拉斷巖心。增大摩擦力的方法包括增大卡簧與巖心的接觸面積及增加卡簧內(nèi)表面的粗糙度。基于上述分析，首先應(yīng)增加卡簧的寬度，增加卡簧與巖心的接觸面。其次對(duì)卡簧進(jìn)行開口設(shè)計(jì)，除原有一道開口外，增加多個(gè)半開口，上提受力時(shí)以增加卡簧內(nèi)表面與巖心外表面的貼合度，進(jìn)一步增加接觸面積。目前，美國Boart Longyear公司[14]研制的繩索取心鉆具對(duì)卡簧進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，針對(duì)破碎地層除對(duì)卡簧進(jìn)行了加長設(shè)計(jì)外，還在卡簧的內(nèi)表面進(jìn)行了開槽設(shè)計(jì)，目的在于提高破碎地層不規(guī)則巖心的通過性。針對(duì)完整地層及極硬地層對(duì)卡簧內(nèi)表面的摩擦花紋進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)增加了金剛石復(fù)合涂層，提高卡簧的耐磨性，與常規(guī)卡簧相比使用壽命可以提高3倍。

2.4 解決沖洗液循環(huán)阻力大的鉆具設(shè)計(jì)思路

內(nèi)管鉆具在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適量減小鉆具的外徑，增大內(nèi)管鉆具與鉆桿之間過流面積。當(dāng)沖洗液流經(jīng)鉆具內(nèi)部水流方向發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)盡量減小角度的變化，在保證鉆具整體強(qiáng)度的條件下，適當(dāng)加大鉆具內(nèi)部過流面積，從而減輕沖洗液流動(dòng)阻力，在保證沖洗液護(hù)壁、冷卻、潤滑、攜帶巖屑等性能的前提下，降低泥漿泵負(fù)荷。

2.5 到位報(bào)信機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路

目前英國Jksboyles公司[15]、法國DATC公司[16]、瑞典SANDVIK公司[17]的到位報(bào)信機(jī)構(gòu)均采用了鋼球配合到位指示襯套的設(shè)計(jì)原理，采用合適的公差配合，以達(dá)到壓力變化的目的。原理簡單易行，但每次取心結(jié)束后，需將鋼球的位置調(diào)整到上部初始位置，方可再次使用，同時(shí)還要檢查指示襯套的磨損情況，磨損嚴(yán)重的要及時(shí)更換。美國Boart Longyear公司[14]早期也采用了上述設(shè)計(jì)原理，目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上又做了進(jìn)一步改進(jìn)，將鋼球與細(xì)長桿相連，最終連接到回收管。在沖洗液壓力的作用下鋼球下行，通過指示襯套，壓力增大后恢復(fù)正常，完成到位報(bào)信指示。上提內(nèi)管鉆具時(shí)，回收管上移，帶動(dòng)鋼球復(fù)位，只需定期檢查指示襯套的磨損情況，避免了人工調(diào)整鋼球位置，提高了鉆進(jìn)效率。

2.6 巖心沖蝕的解決思路

解決巖心沖蝕問題可以通過改變鉆頭處沖洗液流向來實(shí)現(xiàn)，例如采用側(cè)噴式金剛石鉆頭，下行沖洗液將從鉆頭的側(cè)面水口噴出，同時(shí)可以考慮在卡簧座與取心鉆頭內(nèi)壁之間設(shè)計(jì)密封裝置，減輕沖洗液對(duì)巖心的沖蝕，從而保證巖心的完整性，提高巖心采取率。

3 結(jié)語

本文主要介紹了深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)存在的內(nèi)管鉆具打撈失敗、沖洗液循環(huán)阻力大、巖心易沖蝕等問題，并分析了上述問題的根本原因。通過分析認(rèn)為：

(1)可以通過增加巖心管內(nèi)壁減阻涂層及振動(dòng)裝置解決巖心卡堵問題；

(2)采用球卡、齒輪齒條彈卡及雙鉸鏈彈卡定位機(jī)構(gòu)解決內(nèi)管打撈失敗的問題；

(3)通過增加卡簧與巖心的接觸面積，改善卡簧與巖心的貼合度，改進(jìn)卡簧摩擦花紋，解決巖心卡斷失效的問題；

(4)通過加大鉆具內(nèi)部過流面積，來減輕沖洗液流動(dòng)阻力；

(5)采用鋼球與指示襯套配合的方式，完成到位報(bào)信指示；

(6)通過改變鉆頭處沖洗液的流向，減輕巖心沖蝕，提高巖心采取率。本文結(jié)合國內(nèi)外繩索取心鉆具的研發(fā)現(xiàn)狀，從鉆具結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，給出了深孔繩索取心鉆具的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，以期進(jìn)一步提高繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在深孔復(fù)雜地層中的鉆進(jìn)效率。

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[14] http://www.boartlongyear.com[DB/OL].

[15] http://www.jksboyles.co.uk[DB/OL].

[16] http://www.datc-group.com/en[DB/OL].

[17] http://www.home.sandvik/en[DB/OL].

OptimumDesignThoughtsofWire-lineCoringToolUsedforDeepHoleDrillinginComplexFormation

/LIXin-miao,LIUXiu-mei,YINHao,LIKuan,ZHANGYong-qin,SUNJian-hua

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

For deep hole drilling in complex formation, failure of inner tube drilling tools fishing, failure of core breaking, core erosion and so on are easy to happen in using wire-line coring drilling technology. Combined with the development status of wire-line coring tool both in China and abroad and starting from the practical problems, the optimum design thoughts of drilling tool structure are given including coating drag reduction and vibratory plugging removal of core barrel, anti-jacking design of latch mechanism, friction increase between core lifter and core, increase of the flowing area inside the drilling tool, change of the flushing fluid flowing direction near the bit and so on in this paper in order to further improve the drilling efficiency of the wire-line coring tool in deep hole drilling.

deep hole; complex formation; wire-line coring tool; optimum design; drilling efficiency

2017-06-20；

2017-09-22

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“南方地區(qū)1∶5萬頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查填圖試點(diǎn)”(編號(hào)：DD20179042)

李鑫淼，男，漢族，1985年生，碩士，從事鉆探工程科研工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，lixinmiaosmile@163.com。

P634.4

A

1672-7428(2017)11-0056-04