繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢成因與預(yù)防及清理裝置的研發(fā)

李 寬， 李鑫淼， 韓麗麗， 張永勤

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

0 引言

金剛石繩索取心鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高、取心質(zhì)量好、時(shí)間利用率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、鉆頭壽命長(zhǎng)、鉆探成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于固體礦產(chǎn)勘查、煤田地質(zhì)勘探、油氣資源基礎(chǔ)調(diào)查、水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域[1-3]。在地質(zhì)鉆探中，由于沖洗液選擇或維護(hù)不當(dāng)、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇不合理等因素，在鉆桿內(nèi)壁容易出現(xiàn)泥垢或泥皮，對(duì)鉆探施工造成以下幾個(gè)方面的影響：

(1)鉆桿內(nèi)壁吸附的泥垢主要成分是固相顆粒(膨潤(rùn)土、加重劑等)、巖粉與未完全溶解的化學(xué)處理劑，化學(xué)試劑對(duì)鉆桿產(chǎn)生腐蝕，縮短了鉆桿的使用壽命，降低了鉆桿的強(qiáng)度，埋下了安全隱患[4-5]。

(2)鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢直接影響了打撈器和內(nèi)管總成在鉆桿柱中的運(yùn)行，造成投不下打撈器，或者發(fā)生打撈器與內(nèi)管總成在提升過(guò)程中卡阻或卡死現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)卡死，只能將孔內(nèi)的部分或全部鉆柱提至地表進(jìn)行處理[6]。

(3)內(nèi)管總成在鉆桿柱中起下會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生抽吸和擠壓作用，內(nèi)壁結(jié)垢導(dǎo)致鉆桿內(nèi)徑減小，抽吸和擠壓作用更明顯，易抽垮或擠塌不穩(wěn)定地層，出現(xiàn)掉塊、垮塌等，孔壁失穩(wěn)易導(dǎo)致卡鉆、憋鉆、鉆桿折斷等事故。

1 結(jié)垢類型與結(jié)垢成因

繩索取心鉆進(jìn)過(guò)程中，常見(jiàn)的結(jié)垢主要有下面3種類型[7-8](參見(jiàn)圖1)。

圖1 繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢類型及成因Fig.1 Type and cause of mud scaling on inner wallof wire-line drilling rod

(1)渦區(qū)結(jié)垢。主動(dòng)鉆桿內(nèi)徑通常小于繩取鉆桿內(nèi)徑，變徑接頭形似一個(gè)不規(guī)則的噴嘴。當(dāng)沖洗液以高速射流形式進(jìn)入繩取鉆桿后，液流通道突然擴(kuò)大而產(chǎn)生渦流；同時(shí)，沖洗液流束過(guò)渡面四周形成負(fù)壓區(qū)，沖洗液中的固相顆粒不斷卷入負(fù)壓區(qū)，并在旋轉(zhuǎn)循環(huán)作用下吸附在鉆桿內(nèi)壁，形成泥垢。

(2)延伸結(jié)垢。沖洗液體系中的各種固相顆粒在回轉(zhuǎn)離心力的作用下，在鉆桿內(nèi)壁不斷附著和沉積，加上固相顆粒中有機(jī)處理劑的強(qiáng)吸附和粘結(jié)作用，使得沉積物變得更加結(jié)實(shí)，形成堅(jiān)硬的泥皮。在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移和沖洗液不斷循環(huán)，積垢逐漸向鉆柱下部延伸。延伸式垢層具有一般沉積相的顆粒分選特征，沿徑向顆粒按由粗到細(xì)，沿軸向從上到下亦由粗到細(xì)，最后呈“喇叭”形尖滅。延伸結(jié)垢是最主要的結(jié)垢形式，也是影響打撈器和內(nèi)管總成運(yùn)行的主要因素。

(3)滲漏結(jié)垢。鉆桿接頭絲扣加工粗糙或出現(xiàn)偏磨，或者在使用過(guò)程中鉆桿絲扣沒(méi)有擰緊到底，導(dǎo)致沖洗液失水，固相顆粒在泄露處架橋并形成泥餅，在鉆桿接頭連接處偶爾出現(xiàn)局部積垢。

2 鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢預(yù)防措施

2.1 沖洗液優(yōu)選與性能維護(hù)

(1)盡可能選擇無(wú)固相、超低固相與低固相沖洗液，沖洗液密度一般控制在1.02～1.04 g/cm3。降低固相含量，能減少鉆頭磨耗，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減輕或消除內(nèi)壁結(jié)垢[9-10]。

(2)采用分散性好的泥漿材料，膨潤(rùn)土與處理劑需提前浸泡，采用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢瑁古驖?rùn)土和化學(xué)處理劑充分溶解。

(3)控制沖洗液固相含量，采用自然沉淀、機(jī)械固控等措施盡可能降低沖洗液中的泥砂含量，保持沖洗液的清潔，保證送入孔內(nèi)的沖洗液固相顆粒粒度<15 μm的含量控制在80%～90%[11-12]。

(4)嚴(yán)格控制沖洗液失水量，尤其在水敏性地層，API濾失量≤8 mL。

(5)定期測(cè)量沖洗液的密度、流動(dòng)性(漏斗粘度、表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力等)、濾失造壁性(濾失量、泥餅厚度、泥餅性能等)、pH值、含砂量等，及時(shí)調(diào)整沖洗液性能。

2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

(1)轉(zhuǎn)速控制。降低回轉(zhuǎn)速度或換用小一級(jí)的鉆桿鉆進(jìn)，能夠降低鉆桿內(nèi)壁回轉(zhuǎn)的線速度，減小固相顆粒的離心力，抑制固相顆粒在鉆桿內(nèi)壁沉積結(jié)垢[13]。

(2)泵量控制。沖洗液在下行過(guò)程中同時(shí)受到水平方向和垂直方向的作用力，在鉆桿中做螺旋運(yùn)動(dòng)；采用大泵量循環(huán)將提高其在鉆桿內(nèi)的流速，從而使沖洗液在鉆桿內(nèi)盡量保持垂直運(yùn)動(dòng)，降低水平方向的離心運(yùn)動(dòng)，減輕沖洗液中的固相顆粒粘附在鉆桿內(nèi)壁上[14]。

2.3 其他預(yù)防措施

(1)要求繩索取心鉆桿彎曲度≯0.75 mm/m，鉆桿外徑與鉆孔直徑的比值宜為1.07～1.12，避免鉆桿回轉(zhuǎn)時(shí)擺動(dòng)較大出現(xiàn)偏心式延伸結(jié)垢[15]。

(2)盡量選用通徑較大的主動(dòng)鉆桿，保證沖洗液同徑循環(huán)，減緩或消除渦區(qū)結(jié)垢。

(3)定期對(duì)鉆桿進(jìn)行檢查，及時(shí)更換螺紋損壞和過(guò)度偏磨的鉆桿，盡量采用繩索鉆桿液壓鉗緊扣，保證螺紋緊密嚙合，防止出現(xiàn)滲漏結(jié)垢。

(4)定期清理提至地表的鉆桿內(nèi)的泥皮，如采用高壓噴射等[16]。

3 泥皮清理裝置研發(fā)

3.1 研發(fā)的必要性

如前文所述，針對(duì)鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢問(wèn)題，一般采取嚴(yán)格控制沖洗液固相含量、降低回轉(zhuǎn)速度等預(yù)防措施，能起到減緩內(nèi)壁結(jié)垢的作用，但也存在一些弊端。如鉆遇復(fù)雜地層(松散、破碎、漏失、高應(yīng)力等)，采取無(wú)固相或低固相沖洗液不能滿足懸浮加重劑或堵漏劑的要求，可能無(wú)法達(dá)到護(hù)壁堵漏的目的；降低回轉(zhuǎn)速度將大幅度降低機(jī)械鉆速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)。

在鉆探施工中，如出現(xiàn)鉆桿內(nèi)壁嚴(yán)重結(jié)垢影響內(nèi)管總成運(yùn)行，通常提出6～8個(gè)立柱，然后再打撈巖心。每個(gè)鉆進(jìn)回次結(jié)束都需要提出部分鉆柱，不但增加了輔助時(shí)間，反復(fù)提下鉆抽吸孔壁還會(huì)造成孔壁失穩(wěn)的問(wèn)題。

目前，尚無(wú)行之有效的方法與器具解決繩索鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮“卡脖子”問(wèn)題。因此有必要研制一種可以清理泥皮的機(jī)械裝置。

3.2 泥皮清理裝置的組成

研制的泥皮清理裝置如圖2所示，主要包括供電絞車、控制器、鎧裝電纜、刮泥器等4部分。

(1)供電絞車。放置于地表，為刮泥器在孔內(nèi)起降提供動(dòng)力，本裝置選用上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的DJ0348輕便型測(cè)井電纜絞車，采用220 V交流供電，具有無(wú)級(jí)調(diào)速、自動(dòng)排纜、自動(dòng)剎車等功能。

(2)控制器?？刂乒╇娊g車的啟停、升降及運(yùn)行速度，操作刮泥器井下工作狀態(tài)等。

圖2 泥皮清理裝置組成

(3)鎧裝電纜。具有起下刮泥器、為刮泥器輸送電力等功能，選用四芯氟橡膠絕緣鋼絲鎧裝承荷電纜，電纜長(zhǎng)度100 m，導(dǎo)體截面1.5 mm2，電纜拉斷力10 kN，外徑8.0 mm，彎曲直徑450 mm。

(4)刮泥器。為泥皮清理裝置的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖3所示，刮泥器上部的轉(zhuǎn)換接頭與鎧裝電纜的連接方式為插接，通過(guò)O形圈密封、活絡(luò)接頭連接，主要由反扭總成和切削總成兩部分組成。

3.3 泥皮清理裝置工作過(guò)程

1-轉(zhuǎn)換接頭；2-低速電機(jī)罩；3-低速電機(jī)架；4-絲杠；5-絲杠螺母；6-六方套限位外管；7-六方套；8-滑移錐；9-外管短接；10-回收室；11-回收室壓蓋；12-橫向滑移外球頭；13-橫向滑移內(nèi)球頭；14-高速電機(jī)罩；15-高速電機(jī)架；16-傳輸軸；17-密封罩；18-軸承隔離套；19-刀架；20-刀柄；21-刮刀座；22-刮刀片；B1-M6×15 mm開(kāi)槽圓柱頭螺釘；B2-M6×12 mm內(nèi)六角螺釘；B3-4 mm×4 mm×20 mm平鍵；B4-M6×15 mm開(kāi)槽圓柱頭螺釘；B5-4 mm×4 mm×20 mm平鍵；B6-61907深溝球軸承；B7-M6×10 mm開(kāi)槽圓柱頭螺釘；B8-M8×30 mm圓柱銷；B9-1.8×12.5 mm O形圈；B10-開(kāi)槽圓柱頭螺釘；W1-低速電機(jī)；W2-絲杠復(fù)位彈簧；W3-109-20機(jī)械密封；W4-球頭復(fù)位彈簧；W5-緩沖墊片；W6-高速電機(jī)

圖3刮泥器結(jié)構(gòu)示意

Fig.3Structureofthemudscraper

(1)刮泥器下放階段。鉆進(jìn)回次結(jié)束，為避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢影響內(nèi)管總成打撈，投入打撈器之前，可通過(guò)鎧裝電纜將刮泥器下入繩索取心鉆桿內(nèi)(如圖2所示)。在下放過(guò)程中，反扭總成處于收斂狀態(tài)，低速電機(jī)不工作，絲杠螺母、滑移錐等處于上部限位，反扭球頭完全收斂在回收室內(nèi)，不與鉆桿內(nèi)壁接觸；切削總成的高速電機(jī)不工作，刮刀在磁鐵吸力作用下處于收斂狀態(tài)，如圖4(a)所示。

(2)反扭總成工作。刮泥器下放至一定深度后，啟動(dòng)低速電機(jī)反轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動(dòng)滑移錐往下移動(dòng)直至下部限位，滑移錐在往下滑動(dòng)過(guò)程中對(duì)橫向滑移內(nèi)球頭施加向外的橫向作用力，擠壓回收彈簧，橫向滑移內(nèi)外球頭在橫向推力作用下向外側(cè)滑動(dòng)；當(dāng)絲杠螺母下移至下部限位時(shí)，橫向滑移外球頭與繩索取心鉆桿的內(nèi)壁逐漸靠近并緊密貼合，此時(shí)關(guān)閉低速電機(jī)，工作狀態(tài)如圖4(b)所示。

(3)回轉(zhuǎn)切削作業(yè)。橫向滑移外球頭與鉆桿內(nèi)壁完全貼合后，開(kāi)啟高速電機(jī)，刮刀在離心力作用下克服吸力張開(kāi)，鋸齒狀切削具與繩索取心鉆桿內(nèi)壁接觸，連續(xù)回轉(zhuǎn)切削實(shí)現(xiàn)清理泥皮的目的，刮泥器各機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)如圖4(c)所示，刮泥器在供電絞車提升過(guò)程中完成泥皮清理。

圖4 泥皮清理裝置工作過(guò)程示意

(4)切削作業(yè)結(jié)束。鉆桿內(nèi)壁泥皮清理結(jié)束后，地表供電絞車暫停提升。首先關(guān)閉高速電機(jī)，刮刀在自重和吸力作用下處于收斂狀態(tài)，然后開(kāi)啟低速電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠機(jī)構(gòu)，絲杠螺母帶動(dòng)滑移錐往上移動(dòng)直至上部限位；與此同時(shí)，橫向滑移內(nèi)外球頭在復(fù)位彈簧的作用下向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)收斂，反扭球頭與繩索取心鉆桿內(nèi)壁分離，直至完全收斂于反扭接頭內(nèi)，如圖4(a)所示，啟動(dòng)供電絞車將刮泥器提至地表，從而完成回次泥皮清理作業(yè)。

3.4 泥皮清理裝置試制與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

泥皮清理裝置在確定技術(shù)方案、完成各零部件的加工后，在蘇州市新地探礦工具有限公司進(jìn)行了組裝調(diào)試與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)(如圖5、6所示)，其中，刮泥器適用于P規(guī)格繩索取心鉆桿(鉆桿內(nèi)徑102～103 mm)。

3.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證供電絞車與控制器、鎧裝電纜與刮泥器的工作穩(wěn)定性，尤其是刮泥器的反扭總成的張開(kāi)與收斂動(dòng)作的可靠性與準(zhǔn)確性。

圖5 泥皮清理裝置室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

圖6 刮泥器反扭總成工作狀態(tài)

3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)泥皮清理裝置各部件均能正常工作，供電絞車可為刮泥器起降提供足夠的提升力，控制器可準(zhǔn)確控制供電絞車與刮泥器的工作，鎧裝電纜可滿足承載與供電需求。

(2)刮泥器的反扭總成能夠?qū)崿F(xiàn)在控制器操作下實(shí)現(xiàn)收斂與張開(kāi)，收斂狀態(tài)時(shí)外徑≯89 mm，可完全收斂于回收室內(nèi)，張開(kāi)狀態(tài)時(shí)球頭外徑為102.50 mm，在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

(3)刮泥器的切削總成工作平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)，切削轉(zhuǎn)速為300 r/min；在液面下自由回轉(zhuǎn)時(shí)刮刀翼展超過(guò)85°；在?114 mm鉆桿內(nèi)部回轉(zhuǎn)切削見(jiàn)明顯劃痕；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明切削總成的扭矩與離心力可達(dá)到清除堅(jiān)硬泥皮的效果。

4 結(jié)論與建議

(1)本文總結(jié)了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的規(guī)律，在分析結(jié)垢成因與影響因素的基礎(chǔ)上，從鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)、沖洗液性能、鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具等方面提出了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的預(yù)防措施，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了一定的參考，可在一定程度上減輕或消除鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象。

(2)創(chuàng)新研制了泥皮清理裝置可按需要清理鉆桿內(nèi)壁的吸附物或泥皮。相比于被動(dòng)的“降低轉(zhuǎn)速”、“提立根”等措施，不會(huì)改變金剛石鉆探“高轉(zhuǎn)速”的技術(shù)特點(diǎn)，可以選用最優(yōu)的鉆進(jìn)參數(shù)，降低吸附物對(duì)鉆桿的腐蝕，真正實(shí)現(xiàn)高效安全鉆進(jìn)，最大限度地發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

(3)為提高泥皮清理效果，刮泥器需要選用大功率(≮300 W)、小口徑(≯50 mm)、380 V供電的微型電機(jī)，改善刮泥器與鉆桿內(nèi)壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，尋找典型礦區(qū)進(jìn)行井下試驗(yàn)，并形成H規(guī)格、P規(guī)格等系列化產(chǎn)品，真正應(yīng)用于地質(zhì)鉆探生產(chǎn)實(shí)踐中，摘掉鉆桿結(jié)泥皮的“緊箍咒”。