松軟泥砂地層取心鉆具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳云龍，阮海龍，朱慈廣，歐陽(yáng)志勇，李春

(1. 北京探礦工程研究所，北京 100083；2. 山西省地質(zhì)工程勘察院，太原 030024)

0 引言

目前，常規(guī)單動(dòng)雙管鉆具在陸地鉆心鉆探方面已得到了廣泛應(yīng)用，巖心采取率高，施工質(zhì)量好。但對(duì)于破碎、易蝕等復(fù)雜地層，常規(guī)單動(dòng)雙管鉆具往往難以達(dá)到取心要求[1,2]。破碎、易蝕地層種類多而復(fù)雜，需要具體情況具體分析，一種取心鉆具很難通用在所有破碎、易蝕等復(fù)雜地層上，比如松軟泥砂地層。當(dāng)然，也有針對(duì)松軟地層研制的超前單動(dòng)雙管取心鉆具，并取得了一定的效果，但是所獲巖心質(zhì)量及采取率未能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求。因此，需要針對(duì)性地研制一種適應(yīng)松軟泥砂地層的取心鉆具，解決該類地層巖心采取率低的難題，也為以后該類地層鉆探取心工具選型提供參考依據(jù)。

1 地層情況及取心難度分析

根據(jù)山西省地質(zhì)工程勘察院現(xiàn)場(chǎng)前期實(shí)鉆資料，地層情況大致為一碰即碎的松軟泥砂地層，取心難度很大?，F(xiàn)場(chǎng)主要使用了兩種取心鉆具，常規(guī)及超前單動(dòng)雙管鉆具。常規(guī)單動(dòng)雙管鉆具幾乎無(wú)法獲取巖心，超前單動(dòng)雙管鉆具平均巖心采取率為33%。巖心丟失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響巖心采取率及質(zhì)量。筆者根據(jù)地層特點(diǎn)從巖心堵塞、沖蝕等方面進(jìn)行了分析，具體如下：

(1)常規(guī)單動(dòng)雙管鉆具方面，鉆進(jìn)取心過(guò)程中沖洗液對(duì)巖心沖蝕大，巖心在進(jìn)入取心內(nèi)筒前就已被沖蝕，無(wú)法形成完整巖心。即使有少量的巖心進(jìn)入內(nèi)筒，也會(huì)因?yàn)榭ɑ蔁o(wú)法卡住松散的巖心造成巖心丟失。

(2)超前單動(dòng)雙管鉆具方面，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)描述，取心鉆具經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)0.3 m左右就會(huì)出現(xiàn)鉆壓有所升高，但是泥漿泵壓力還是很穩(wěn)定的情況。因此，大致可以判斷取心過(guò)程中巖心在取心內(nèi)筒中出現(xiàn)了堆積、堵塞的情況。這是因?yàn)槿⌒倪^(guò)程中隨著巖心進(jìn)入取心筒中高度增加，筒內(nèi)的巖心與取心筒內(nèi)壁的摩擦阻力增加，當(dāng)總摩阻力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，取心筒下部的巖層受力達(dá)到極限狀態(tài)，不再進(jìn)入取心筒內(nèi)。進(jìn)入取心筒的巖心像“瓶塞”一樣阻止下部的巖層進(jìn)入巖心筒，就出現(xiàn)了“樁效應(yīng)”[3]。對(duì)于松軟泥砂地層來(lái)說(shuō)，由于巖層本身相對(duì)松散，產(chǎn)生“樁效應(yīng)”后機(jī)械鉆速變化很小，不易被發(fā)現(xiàn)，容易造成巖心丟失。

2 取心鉆具設(shè)計(jì)方案

筆者通過(guò)對(duì)上述地層條件和取心難度分析，總結(jié)出了巖心堵塞、沖蝕擾動(dòng)以及丟失三個(gè)導(dǎo)致巖心采取率低的主要因素，針對(duì)這三個(gè)因素開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，提出了這類松軟泥砂地層取心鉆具設(shè)計(jì)方案。

2.1 取心鉆具關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 防巖心堵塞技術(shù)攻關(guān)

針對(duì)巖心堵塞的問(wèn)題，可采取射流方式來(lái)緩解，通過(guò)延遲產(chǎn)生“樁效應(yīng)”的時(shí)間來(lái)解決。

(1)射流機(jī)構(gòu)

射流原理如圖1所示。當(dāng)流體Q1在v1的高速下進(jìn)入特殊形狀容腔，會(huì)在容腔喉部(a處)形成負(fù)壓，對(duì)周圍流體形成抽吸作用，最終攜帶被吸入的流體Q2以v2的速度混合成流體Q3從出口流出。a處負(fù)壓越大，射流效果越好。

圖1 射流原理圖

筆者優(yōu)化設(shè)計(jì)了射流機(jī)構(gòu)的水力參數(shù)。射流機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。泥漿泵排出的高壓沖洗液通過(guò)射流機(jī)構(gòu)時(shí)，會(huì)形成如圖2中箭頭所示的流向。在鉆具內(nèi)筒中形成真空吸力以誘導(dǎo)內(nèi)筒中的沖洗液向上流動(dòng)，給內(nèi)筒中巖心一個(gè)上浮力，減少巖心進(jìn)入取樣內(nèi)筒阻力。有效緩解巖心在取心筒中的堵塞，提高巖心的采取率。同時(shí)，阻隔泥漿倒灌取樣內(nèi)筒，不會(huì)對(duì)進(jìn)入取心內(nèi)筒的巖心造成擾動(dòng)。

圖2 射流機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(2)取心內(nèi)筒

產(chǎn)生“樁效應(yīng)”臨界條件為

s=3d/μk

(1)

式中：s為樣品長(zhǎng)度臨界值；d為取樣筒內(nèi)徑，m；μk為砂層與取樣筒內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)。

由于取心直徑已有要求，因此，根據(jù)式(1)通過(guò)減小巖樣層與取樣筒內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)延遲產(chǎn)生“樁效應(yīng)”的時(shí)間來(lái)增加取樣長(zhǎng)度，從而達(dá)到提高取心率的目的。因此，采用耐磨減阻鍍層防堵取樣內(nèi)筒[4]，該內(nèi)筒內(nèi)壁光滑(表面粗糙度≤0.4 μm)，其硬度接近硬質(zhì)合金的硬度，可以同時(shí)滿足減少巖樣堵塞提高巖心采取率及增加取樣內(nèi)筒使用壽命的要求。

2.1.2 防巖心沖蝕擾動(dòng)技術(shù)攻關(guān)

針對(duì)巖心沖蝕擾動(dòng)的問(wèn)題，可采取超前壓入提前保護(hù)底部巖層以及避免沖洗液直接沖刷底部巖層的方式輔助內(nèi)筒單動(dòng)來(lái)解決。

(1)內(nèi)筒超前管鞋及底噴鉆頭

內(nèi)筒采用管鞋超前設(shè)計(jì)。管鞋超前就意味著內(nèi)筒最前端管鞋具有“吃入”地層的能力，否則將會(huì)影響整體鉆進(jìn)取心效率。因此，將以往取心鉆具中的卡簧座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其既能放置巖心卡取工具又能高效“吃入”地層。

鉆頭采用底噴隔水設(shè)計(jì)。鉆頭底部采用特殊隔水裝置，使內(nèi)筒超前管鞋與鉆頭間的隔水間隙通水阻力加大。只有少部分的沖洗液流經(jīng)此隔水面至鉆頭底唇面冷卻內(nèi)筒超前管鞋和起潤(rùn)滑作用，不沖蝕巖心根部，有利于巖心的形成；大部分沖洗液經(jīng)鉆頭底噴眼流至井底，冷卻鉆頭后進(jìn)行循環(huán)。內(nèi)筒超前管鞋及底噴鉆頭配合如圖3所示。

圖3 內(nèi)筒超前管鞋及底噴鉆頭配合示意圖

(2)單動(dòng)機(jī)構(gòu)

主要是為了使內(nèi)筒不跟隨外筒轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)筒超前管鞋在不回轉(zhuǎn)的情況下先壓入地層，減小先期對(duì)底部巖層的破壞。同時(shí)，有效阻止沖洗液對(duì)底部巖層的沖刷，有利于巖心的形成。另外，巖心進(jìn)入內(nèi)筒之后，減少內(nèi)筒與巖心摩擦以及保持巖心原狀，延長(zhǎng)取心內(nèi)筒使用壽命。

2.1.3 防巖心丟失技術(shù)攻關(guān)

針對(duì)巖心丟失的問(wèn)題，鑒于這類松軟泥砂地層，卡簧幾乎已失去原有功效，改用爪簧代替(如圖4所示)。另外，也可通過(guò)上述射流方式產(chǎn)生真空吸力來(lái)減少巖樣掉落風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 取心鉆具結(jié)構(gòu)

通過(guò)突破上述關(guān)鍵技術(shù)，研制設(shè)計(jì)了內(nèi)筒超前底噴單動(dòng)雙管鉆具(型號(hào)：TK-NCC01，以下用型號(hào)簡(jiǎn)稱)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.外管接頭；2.單動(dòng)機(jī)構(gòu)；3.射流機(jī)構(gòu)；4.外筒；5.內(nèi)筒；6.擴(kuò)孔器；7.內(nèi)筒短接；8.內(nèi)筒超前管鞋；9.鉆頭圖5 內(nèi)筒超前底噴單動(dòng)雙管鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

3.1 鉆進(jìn)設(shè)備及鉆進(jìn)工藝

3.1.1 鉆進(jìn)設(shè)備

試驗(yàn)采用XY-1地質(zhì)巖心鉆機(jī)，配備?50 mm常用地質(zhì)鉆桿；BW-250型柱塞式泥漿泵，多擋變速變量，可根據(jù)地層實(shí)際情況選擇需要的泵量；我單位的TK-NCC01型鉆具(取心筒長(zhǎng)度2 m)。

3.1.2 鉆進(jìn)工藝

針對(duì)這種不易成心的松軟泥砂地層，轉(zhuǎn)速控制在100 r/min左右；鉆壓5～10 kN；泥漿泵排量52 L/min，泵壓0.5～2.0 MPa；泥漿密度1.1 g/cm3。

3.2 取心鉆具使用情況

鉆至目的層后，取心鉆具下入試驗(yàn)井，鉆具到達(dá)井底后，循環(huán)泥漿，開(kāi)始正常鉆進(jìn)取心。試驗(yàn)鉆進(jìn)2.0 m，鉆壓一直穩(wěn)定在6 kN左右，泵壓穩(wěn)定在1.0 MPa左右，直至鉆完一回次。鉆進(jìn)取心進(jìn)尺2.0 m，采獲巖心長(zhǎng)度1.66 m，巖心采取率83%。為了減少偶然性，現(xiàn)場(chǎng)決定再進(jìn)行兩回次的試驗(yàn)，鉆進(jìn)取心過(guò)程一樣，采獲巖心長(zhǎng)度分別為1.76 m與1.71 m，巖心采取率分別為88.0%與85.5%?，F(xiàn)場(chǎng)獲取的巖心樣品如圖6、7、8所示，取心鉆具使用情況對(duì)比見(jiàn)表1。

圖6 原有超前單動(dòng)雙管鉆具獲取的巖心樣品

圖7 TK-NCC01型鉆具獲取的巖心樣品

圖8 TK-NCC01型鉆具獲取的巖心樣品

綜上，對(duì)比兩種不同取心鉆具所獲取的巖心樣品質(zhì)量以及表1所示的巖心采取率，TK-NCC01型鉆具的優(yōu)勢(shì)極為明顯，表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：①巖心質(zhì)量方面，原有超前單動(dòng)雙管鉆具獲取的巖心較松散；而TK-NCC01型鉆具所獲取的巖心相對(duì)比較完整，而且從圖8左圖可以看出，巖心樣品擾動(dòng)很小，基本保持了巖心原狀。②在同區(qū)域相同地層中TK-NCC01型鉆具巖心采取率遠(yuǎn)高于超前單動(dòng)雙管鉆具，總進(jìn)尺6 m，獲得巖心5.13 m，平均巖心采取率為85.5%。較超前單動(dòng)雙管鉆具增加了52.5%，提高了159%。

表1 取心鉆具使用情況對(duì)比表

通過(guò)此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于松軟泥砂地層，使用TK-NCC01型鉆具極大地提高了巖心采取率，保證了巖心質(zhì)量?；緷M足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于巖心質(zhì)量及采取率的要求，試驗(yàn)效果令人滿意。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于這種松軟泥砂地層，鉆進(jìn)取心過(guò)程中產(chǎn)生 “樁效應(yīng)”的可能性很大。一旦產(chǎn)生，取心過(guò)程中很不易發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)鉆進(jìn)，最終產(chǎn)生巖樣的丟失，影響巖心質(zhì)量及采取率。

(2)針對(duì)實(shí)際地層取心難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于巖心質(zhì)量及采取率的要求，在以往科研的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化。TK-NCC01型鉆具很好的實(shí)現(xiàn)了松軟泥砂地層高質(zhì)量鉆進(jìn)取心要求，解決了松軟泥砂類地層巖心采取率低的難題，為以后在該類地層鉆進(jìn)取心鉆具選型提供了更多的選擇。

(3)TK-NCC01型鉆具回次進(jìn)尺長(zhǎng)度可達(dá)2 m，在保證較高巖心采取率的同時(shí)提高了鉆進(jìn)取心效率，能有效的控制鉆井成本，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)文中所述鉆進(jìn)取心工藝針對(duì)性較強(qiáng)，其它區(qū)域類似地層鉆進(jìn)取心可將之作為參考，但最終還是得根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇最合理的鉆進(jìn)取心工藝。