钻探绳索取芯工作原理-绳索取心钻探技术原理

钻孔结构的设计是钻探工作中一项很重要的工作,它既影响钻进效率,又影响钻探成本,特别是在深孔钻进中,如果钻孔结构设计不合理,往往会使钻孔达不到设计深度,严重时还会使钻孔报废。

1.钻孔结构设计中应注意的问题

(1)一般深度的钻孔,设计钻孔结构时应尽量简单,尽量减少下套管的层次和数量,简化孔径,力争采取一套绳钻一径到底,依靠优质泥浆护壁堵漏。

(2)钻进深度大于2000m时,往往会遇到复杂岩层,用泥浆护壁堵漏不能奏效,只得求助于套管。一个超1000m深的孔,一般要下1~2层套管,超过2000m深的钻孔,大多要下2~3层套管。

(3)在金刚石小口径钻进中,终孔直径可以选75mm。因75mm口径绳索取心钻具所采取的岩样,能基本满足化验岩样的要求。

2.绳索取心钻进常用钻孔结构

(1)开孔为坚硬岩层时,只需下一层孔口管,其深度5~10m,并用水泥固定(图10-10)。

(2)开孔为表土层和风化带时,除了下孔口管外,还必须下1层表层套管。表层套管带有套管鞋并插入基岩(图10-11)。

图10-10 下1层套管的钻孔结构图

图10-11 下2层套管的钻孔结构图

(3)钻孔深度在千米以上时,施工周期长,一般需要2~3层套管,即需增加1层技术套管。技术套管一般孔口不加固定,当孔内出现坍塌掉块等异常现象时,先将其拔出,扩孔到破碎层以下3~5m后,再重新下入。

(4)当岩层极为复杂,需下2层以上技术套管时,其钻孔结构如图10-12所示。

3.套管的固定和收回

在绳索取心钻进中,影响正常作业的较大问题是套管下不牢,发生脱扣、断管、跑管等事故,并导致钻孔漏水、钻具折断、钻头非正常磨损等不良后果。分析其原因,一是套管未穿过基岩风化带;二是上端固定不牢、下端未进行封闭止水。

表层套管及技术套管上、下两端都必须认真固定密封。套管下端固定可采用水泥固结法,封固5~10m;套管上端固定,则应按不同情况分别处理。

(1)表层套管(井口管):一般是全部用水泥固定,或者用水泥封固法代替井口管。也可用?168钻具、?200mm钻头穿过第四世纪层和基岩风化带后,采用超早强水泥或快干水泥封闭钻孔,待水泥干固后采用绳索取心钻具重新钻进。

(2)技术套管:其上端可采用如下3种方法进行固定:①用焊接法将其与外层套管对中后焊接在一起;②用特制的套管上端固定密封帽坐落在外层套管上,以技术套管本身的重力以与外层管紧密装合在一起(图10-13);③使用套管夹板及塞填物将其与外层套管固定,密封在一起。

图10-12 多层套管钻孔

结构图|1—导向管;2—表层套管;3—中间套管;4—技术套管;5—套管底部封隔物;6—裸眼孔段

套管的回收是节约钢材、降低成本的重要措施。正常情况下,下入孔内的技术套管在终孔后应全部回收,但在实际工作中,全部的回收是相当困难的。为提高套管回收率往往采取以下措施:

a.下套管前,先使用钻具划眼、修整孔壁。

b.下套管前,先用小一级钻具钻进3~5m,并做一个沉砂口袋”,以防下套管时,孔内积存的岩粉充填到套管与孔壁的环状间隙中。

c.下套管前,应配制润滑性能好的新泥浆,用以替换孔内因划眼、扩孔造成含有大量岩屑的旧泥浆。

d.套管下好后,应将上端严格固定、密封,防止钻进中窜水沉渣。

e.套管与孔壁之间应有适量的间隙,一般以5mm左右较为合适。

f.套管螺纹应采用树脂或沥青粘结;套管柱外壁应涂油。

g.整个套管柱全部下入孔内后,必须保持自然伸直状态,切不可因孔口未固定而造成下部套管受压。

h.套管底部可加“正反扣”接头,使其起拔时易卸开。

技术方法研究与应用

夏威夷科学钻孔的设计孔深为4500m,要求全孔连续取心,取心钻进的钻孔直径为3.85in(98mm)。所钻的岩层是玄武岩,岩层中气孔较多,属于相对比较好钻的岩层。地层比较破碎,要求下较多套管保护孔壁。地层的页理或片理不发育,各向同性好,钻进时不易产生孔斜。由于有地下水循环,岩层的地温梯度低(1000m先导孔的地温梯度为负值),有利于钻进施工。

为完成以上条件下的钻探施工,采用了一种组合式的钻探技术,即在常规的石油转盘钻机上加上一套取心钻进系统,形成一套能在深孔和硬岩中进行取心钻进的钻探设备。其中,转盘钻机用于扩孔、下套管、固井和起下钻具,取心钻进系统用于取心。

转盘钻机是常规的钻探设备,由钻探承包商提供。

组合式取心钻进系统是DOSECC专门为科学钻探中的深孔取心钻进研制的,主要由以下部件组成:

1)给进油缸:给进行程7.6m,油缸内径304mm,活塞杆直径140mm,加减压能力112.5t;

2)顶驱动力头:转速0~900r/min,承受动载能力83t,静载113t;

3)取心钻进泥浆泵:2台三缸柱塞泵,最高泵压140kgf/cm2(14.8MPa),350r/min时的泵量为340L/m;

4)绳索取心绞车:容绳能力为直径12mm钢绳6096m,空卷筒绳速98m/min,满卷筒绳速134m/min;

5)钻进仪表和数据采集系统:测量钻压、转速、泥浆泵的泵压和泵量、钻进速度和钻头位置等,具有数字显示和记录功能;

6)绳索取心钻杆柱:由两部分组成,上部是3.5in Hydril油管管柱,下部是6000ft(1829m)Longyear公司的HMQ绳索取心钻杆柱,这一复合钻柱的钻深能力是以4in(101mm)钻孔直径钻进6000m;

7)液压动力机组:功率为450Hp(335kW),为系统中的各部件提供液压动力。

取心钻进采用孕镶金刚石取心钻头,钻头内、外径分别为61mm和98mm。扩孔钻进采用带导向的硬合金镶齿牙轮钻头。

由于大直径取心钻进成本高、效率低,采用的钻进施工程序是:采用组合式取心钻进系统进行小直径取心钻进(全孔的取心钻进孔径统一为98mm),然后通过扩孔来加大孔径。若需要扩孔的直径较大,可通过两次扩孔来完成。

钻孔施工按设计分为三个阶段:第一阶段从开钻到孔深6000ft;第二阶段从6000ft钻进到11000ft;第三阶段从11000ft钻进到终孔深度14500ft。现已完成第一和第二阶段的施工。

总的来说,施工相当顺利,事故较少,钻进速度较高,以下是一些统计的钻进施工技术经济指标:

1)3.85in取心钻进的平均钻进速度(包括回收岩心)为2.35m/h,平均钻头寿命为297m;

2)从3.85in扩到12.25in时的扩孔钻进速度平均为2.22m/h;

3)从12.25in扩到17.5in时的扩孔钻进速度平均为2.30m/h;

4)604m处的钻孔顶角为0.9°,温度为64 °F。

SYZX系列绳索取心液动锤的应用及其钻进工艺优化

(一)SYZX系列绳索取心液动锤的应用及其钻进工艺优化

冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上,以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。SYZX75、95型绳索取心液动锤将绳索取心和液动锤两大钻进优势技术结合形成的一种新钻进方法,是中国地质科学院勘探技术研究所研发的、具有国际领先水平的钻探科技新成果,可大大地提高钻进效率和回次进尺,也可有效地控制孔斜、提高破碎地层的岩心采取率。该课题在马坑钻探中开展了SYZX系列绳索取心液动锤的推广应用,并进行绳索取心液动锤钻进工艺优化。在马坑矿区绳索取心液动锤的使用及其与普通绳索取心钻进的现场对比试验,证明了该技术在矿区的适用性和优越性,应大力推广应用。

(1)与普通绳索取心钻进相比钻进效率大幅度提高。由于金刚石绳索取心钻进采用以较高转速为主的钻进规程参数,具有回转钻进切削、磨削碎岩的特点。使用液动锤后,给钻头施加高频脉动载荷,冲击力瞬时可达极高值,使被钻进的岩石在交变的外力作用下产生脆裂剪崩的体积破碎,明显提高了机械钻速(破碎岩石的效率),岩石越坚硬,效率提高的幅度愈明显。

(2)在可钻性9~12级坚硬“打滑”地层,钻速显著提高。按目前的绳索取心钻进水平条件,一般不宜在10~12级的岩层中钻进。在致密完整、弱研磨性、坚硬的“打滑”地层钻进,虽然采用软胎体钻头辅以人工研磨及孔内投硬岩屑等措施,绳索取心钻进仍显现出钻效低、回次进尺少等问题。

坚硬“打滑”的地层应用绳索取心液动潜孔锤钻进时,交频冲击荷载能使钻头唇面接触处的岩石表面光洁度降低,增加了钻头与岩石的摩擦力。同时,较粗的岩粉颗粒也促成了金刚石从胎体中出刃的条件,所以可显著提高钻速。

(3)在硬、脆、碎地层提高岩矿心采取率,延长回次进尺。液动锤在液动作用下启动工作,产生了高频冲击荷载。使钻具采心机构处于冲击振动作用下,岩心不易堵塞(即使产生堵塞也能较快解卡),减少岩心的自磨作用,从而提高岩矿心采取率,延长回次进尺,在破碎地层这种优点更为明显。

(4)使用绳索取心液动锤钻进可避免烧钻事故。经过两年多使用表明,使用液动潜孔锤绳索取心钻进,一旦发现泵压下降,冲击器不工作,要及时提钻检查,可避免烧钻事故。两年来,几乎无发生烧钻事故。

(5)绳索取心液动锤钻进减斜效果好。与回转钻进相比,钻压和转速较低,并且钻速高,有利于降低孔斜。

(6)绳索取心液动冲击回转钻进还可减轻绳索取心钻杆内壁结垢现象。

(二)金刚石钻头的优选研究

1.钻头试验选择的综合经济效益评价指标及优选方法

现场对比试验选择:根据目的和需要,选择不同技术参数的钻头在矿区或同一地层进行钻头适应性、时效、寿命等指标的对比试验,探讨各钻头参数对钻探成本效益的贡献率,求证合适的钻头性能参数或钻头品种。统计分析选择:通过对钻头历史使用资料进行统计分析,结合地层岩石可钻性合理选择钻头类型,从而更好地用好钻头,达到提高钻速、降低成本的目的。

2.S75钻头主要性能结构参数的优选成果

金刚石钻头的性能结构参数有镶嵌类型、胎体性能、金刚石的质量和粒度、金刚石浓度、水口形状及其数量和大小、底唇形状等。根据岩石的硬度、研磨性和完整度等岩层性质和其他技术条件,以高效、长寿、低耗、安全为标准,确定不同地层适用的孕镶金刚石钻头主要性能结构参数。

3.不同工况下钻头方案的确定

钻速与寿命在不同情况下对钻探综合效益的贡献率是不同的,研究确定了不同的工况的钻头方案:采用绳索取心钻进时,应有足够的钻头寿命,以延长提钻间隔,减少提钻次数和提钻时间;绳索取心钻进在深孔硬岩条件下,钻头方案为:在保证钻头寿命足够长的前提下,提高钻头的机械钻速;钻速低下时,如钻遇坚硬致密“打滑”地层,应以提高钻速为主;软硬互层频繁和破碎裂隙性地层,应主要考虑延长钻头寿命。

4.研究确定提高钻头寿命的技术对策

绳索取心钻进,一个提钻间隔内回次多、进尺长,钻遇多种不同性能岩层的可能性增多,要求钻头具有较广的地层适应性。主要对策:金刚石采用高强度、不同粒径混镶,增加钻头的适应性;提高工作层的高度;加强钻头的内外保径,如:增高内外侧刃高度,内外侧刃采用天然金刚石补强或采用高强度、较粗粒的单晶、聚晶体保径,钢体外焊合金颗粒等;增加胎体的耐冲击、耐磨性。

5.制定合理使用金刚石钻头的工作要点

要使金刚石钻头实现高效率、长寿命,合理使用它也是一个重要因素。合理使用钻头要注意以下几个问题:钻头要分组排队使用,根据设计孔深,按钻头内、外径尺寸,轮换使用:先用外径大、内径小的钻头;后用外径小、内径大的钻头。每次下入钻头与前一回次钻头直径差要小,当钻进8~9级岩石时,不大于0.1mm;当钻进10~12级岩石时,不大于0.05mm;选择好扩孔器,做好钻头与扩孔器及卡簧间配合;合理控制机械钻速,对软的、中硬粗颗粒的岩层,钻进速度快,岩粉量大,为了及时排除岩粉达到冷却钻头的目的,除增加冲洗液量外,要控制钻进速度。一般连续钻进时效不要超过5m/h,时效过高,易于造成钻头的非正常磨损,甚至会引起烧钻;避免钻头非正常损坏。

6.金刚石钻进技术参数的优选

钻压:确定合理的钻压是提高钻进效率,降低成本的重要措施之一。应根据岩石可钻性、研磨性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量选择钻压。

转速:转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。应根据岩石性质、钻孔结构及设备能力等因素选择转速,即考虑获得较高的钻速,也要保证合理的钻头寿命。

泵量:泵量的大小既必须保证冲洗液完成排除岩粉、冷却钻头等功能需求,也应能实现钻头金刚石自锐、防止复杂地层孔壁遭受冲刷破坏等要求。应视岩石性质、环状间隙、钻头类型、金刚石粒度、胎体性能等因素进行选择与适当调整。

泵压:泵压是一定泵量的情况下,冲洗液在特定钻进环境中的流动阻力。泵压的大小受钻杆内径及其密封、取心钻具过水断面、钻头水口、钻孔环状间隙、钻孔漏失情况等因素的影响,是反映孔内状况的敏感参数之一。钻进过程中,应设法降低泵压,保证钻进所需泵量的实现。

根据上述的原则、方法与思路,通过试验确定了马坑矿区绳索取心钻进技术参数组合(表4-2)和SYZX75绳索取心液动锤钻进最佳技术参数。

表4-2 绳索取心钻进技术参数组合经验推荐表

7.组合钻进技术试验

(1)试验任务的由来:石岩坑矿区ZK8321孔设计孔深900m,离已完工原水文观测孔8号钻孔15m。根据观8孔钻取的岩心,地层为泥岩、砂岩、粘土层等,其中大部分砂质泥岩(岩心极破碎,裂隙发育,采取率极低)。由于孔壁缩径、坍塌现象严重,观8孔孔深500m,施工时间达4个多月。为了加快勘探进度,提高钻进效率,经地质部门同意灰岩以上地层可不采取岩心,即孔深390m以上通过孔口取样判断地层情况。课题利用这一条件,开展组合钻进技术试验,设计试验方案(表4-3)。

表4-3 组合钻进技术试验设计方案表

(2)牙轮钻头钻具组合:按钟摆防斜原理组配牙轮钻头钻具:?200mm牙轮钻头0.2m+5.15m钻具+2.56m泥粉管+钻铤+钻杆。钟摆钻具组合可利用钻具自身重力产生的钟摆力来实现降斜防斜目的。其防斜原理就是钻头以上、切点以下的一段钻铤犹如一个“钟摆”,钻头在这段钻铤的重力的横向分力——即钟摆力的作用下,靠向切削下侧井壁,从而起到减小井斜角的作用。

(3)试验过程:ZK8321孔于2011年6月19日开孔,0~13m为?250mm金刚石钻头钻进,13m开始用?200mm牙轮钻头钻进,浓泥浆护孔。钻进至孔深256.37m时,发生严重孔内事故,最后采取偏孔方法绕过事故钻具。牙轮钻头钻进进尺243.37m,用时384h,台月效率480m/台月,时效为1.15m/h。

(4)试验体会:采用牙轮钻头和优质浓泥浆全面钻进,钻进效率高,裸眼时间短,孔壁稳定。遇破碎、裂隙、全漏失地层,可将钻杆下入漏失孔段底部,用水灰比0.3~0.45水泥浆拌和细砂,从孔口将水泥浆倒入钻杆,由钻杆内管送到预定位置,对大裂隙地层堵漏效果显著。

(三)马坑铁矿护壁堵漏技术组合优化

由于福建铁矿区岩性极复杂、岩相变化极大、断裂与褶皱十分发育等原因,深孔钻探护壁是关键。经过多个钻孔的试验实践,研究制定了“优质泥浆+有效堵漏、旋喷水泥浆固结、多层次套管等复合护壁”技术。该技术作为马坑铁矿深孔钻探护壁原则与工艺要点(表4-4),有效保证了钻进的顺利进行。

表4-4 石岩坑铁矿地层与护壁堵漏对策选择表

1.高压旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用

高压旋喷水泥浆固结护壁法技术是本研究形成的、国内首创的创新性成果。该技术吸收高压旋喷加固软土地基的精髓,通过机具的研制和工艺的研究,以高压旋喷水泥浆的方式,解决了常规护壁方法不能胜任的深部“断层泥”护壁难题,如:中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层,钻孔漏失、泥浆护壁难且无法采用套管隔离情况下的护壁等。

2.旋喷水泥浆护壁的首次应用试验——马坑ZK7529孔

马坑矿区ZK7529孔设计孔深1200m,于2010年10月19日开孔,至2011年10月4日终孔,终孔孔深1299.19m。该孔于孔深960m后,钻遇三个“断层泥”破碎带:前两个断层采用套管隔离,第三个断层应用了水泥浆高压旋喷灌注法。具体护壁情况概述如下。

第一个断层带:孔深969.20~970.50m(中间夹0.2m基岩),地下水有径向流动。钻进时阻力大,提出后孔段即被细石充填。采用泥浆护壁无效后,多次采用常规方法灌注水泥,均未取上水泥心样,后扩孔下入?89套管。

第二个断层:1049.60~1051.60m(?77mm口径)。自1015.69~1051.60m中取岩心8m左右,出现坍塌;多次灌注水泥浆后,均因偏斜出新孔又屡次坍塌。于是扩孔至孔深1086.94m,下入?73mm飞管。

第三个断层:1135.50~1138.50m(?59mm),地层为强风化辉绿岩,风化严重的“断层泥”松散地层,胶结性差,怕水冲刷。由于受钻孔口径限制,采用?59钻具(钻杆为?50外丝+?50内丝)钻进。穿过该断层带后,出现严重坍塌、缩径现象,多次灌注水泥浆护壁无效。由于受口径限制无法下入套管隔离复杂孔段,探讨应用了水泥浆高压旋喷灌注法,解决了护壁难题。

3.旋喷水泥浆护壁作业情况

(1)设备:XY-5型钻机,BW-250型泥浆泵,泥浆搅拌机等生产设备。

(2)护壁材料:采用42.5级普通硅酸盐水泥,水灰比0.45,加入适量促凝早强剂(NaCl)及速凝剂(三乙醇胺),浆液密度控制在1.6g/cm3。水泥用量15包,配制水泥浆量600L,替水量900L。

(3)旋喷钻具组合:?50外丝钻杆+?42内丝钻杆36m+喷具(喷具喷嘴3个,孔径5mm)+扫孔钻具。

(4)下入孔内预定位置后,先扫孔,扫至孔底后,送水畅通后,替入一定清水后开始送浆。

(5)压送水泥浆浆及替水量旋喷。当浆液自喷嘴喷射时,开动钻机,采用(表4-5)所列技术参数进行旋喷作业,直至浆液、替水压送完毕(开始送浆时,无泵压或泵压较低,待浆液出喷嘴时,泵压升至4~5MPa)。

表4-5 高压旋喷技术参数表

(6)注浆完毕,把钻杆提起一立根后,清洗钻杆,提钻。

(7)注浆24h后探水泥面,48h后扫孔。

4.旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用体会

在马坑矿区5个钻孔的11处复杂地层孔段中,根据不同孔段的长短分别进行1次或多次旋喷水泥浆护壁,累计旋喷水泥浆作业33次,有7个孔段解决了护壁问题,4个孔段取得一定的护壁效果。通过该技术的研究与应用,有以下体会。

(1)旋喷水泥浆与灌注水泥浆护壁方法的比较。旋喷水泥浆护壁的工艺方法、操作步骤与注意事项与灌注水泥浆护壁基本相同,但却能取得比灌注水泥浆更好更可靠的护壁效果,并在灌注水泥浆无法解决的已严重超径孔段、溶洞地层等获得成功护壁,主要是高压浆液从慢转、缓提的钻具侧向高速喷出(表4-6),使浆液不仅具有很大的冲击破土、渗入裂隙能力,充分置换泥浆和充填超径、溶洞空间,并与旋喷段孔内的岩土颗粒搅拌混合。

表4-6 旋喷水泥浆与灌注水泥浆护壁工艺的主要区别表

(2)旋喷水泥浆护壁技术的适用地层:通过多个钻孔的应用实践,旋喷水泥浆可以在复杂地层孔段形成有效的护壁“水泥套管”,解决采用泥浆护壁、普通方法灌注水泥均无效,以及受口径限制也无法下入套管隔离复杂孔段的情况下的护壁难题。试验表明,该技术适用于下列地层护壁:中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层,如:马坑矿区深部常见层厚1~5m不等“断层泥”;任意孔深的坍塌超径孔段、溶洞地层等有、无充填物中、小孔洞或溶洞群。

(3)存在的问题:综合旋喷水泥浆护壁技术的应用情况,由于存在以下主要问题,致使护壁效果不够理想,甚至造成旋喷水泥浆护壁的失败。

旋喷钻具喷嘴加工较为随意,达不到科学、合理;旋喷浆液压力不足;旋喷转速(n)和提升速度(υt)的组合不匹配,如:旋喷具提升过快等;替浆水量的控制不当;作业人员经验不足,关键环节操作不熟练,各岗位工作人员配合不密切。

5.提高旋喷水泥浆护壁效果的思考与探讨

针对旋喷水泥浆护壁技术应用存在的主要问题与不足,有必要进一步研究,持续完善该技术。为此,结合高压旋喷技术的相关研究成果,有以下设想和探讨。

(1)旋喷钻具喷嘴的设计优选——探寻高质量喷嘴:喷嘴是喷头的重要组成部分,喷嘴的水力学特性的好坏直接影响射流对地层的冲切效果,进而决定“水泥套管”直径的大小。为了研究喷嘴不同流道形状和不同长度的射流效果,选择3种喷嘴做了针对性的室内试验,并在分析对比试验数据和结果的基础上,得出以下的结论:收敛圆锥角喷嘴流道形式可减少喷嘴自身的压力降损失;当喷嘴长度与直径的比值为8~10,射流具有较好的喷射性能,射流流束稳定,冲击力强。

通过进一步研究,探寻符合旋喷水泥浆护壁要求的高质量喷嘴。一般地,高质量的喷嘴应该使射流具有如下的特性:扩散角小、等速核长、喷嘴的流量系数大(即射流通过喷嘴的能量损失小)。

(2)旋喷浆液适配机具研究:旋喷回转机构的研制,探讨解决旋喷转速不当问题。利用立轴式钻机最低转速进行旋喷回转,转速太快;以点动方式回转,转速不均。解决的设想是:研制可安装在孔口的、可无级调速的喷浆液压回转器;研制以钻机立轴为动力输入端的减速回转装置,将立轴的较高回转速度转换为所需的旋喷转速;旋喷高压注浆泵的研制或探寻。通过进一步研究,研制或探寻满足旋喷水泥浆护壁所需流量、泵压的注浆泵;配套浆液搅拌机、浆液除渣器等机具的研制。

(3)旋喷固结护壁浆液研究:理想的注浆材料应能满足护壁力学性能要求,浆液应具有良好的可注性、凝胶时间可任意调整、价格低廉、无毒、无污染、施工方便等。通过进一步的研究,选择合适的注浆材料及其配合比。初步考虑以下两个途径:水泥浆及其外加剂的选择。纯水泥浆液系无机质硅酸盐材料,无毒无公害,长时间性能稳定且价格低廉,应优先选用。根据工程需要,可通过试验在水泥浆液中加入适量的速凝、悬浮或防冻等外加剂及掺和料,保证浆液质量和低成本;化学浆液的选择与应用。化学浆液具有一些独特性能,如浆液黏度低、可注性好、凝胶时间可准确控制等,但化学浆液价格比较昂贵,且往往有毒性和污染环境,不利于环保。由于地质勘查钻孔孔距大、孔径小,护壁所需浆液量不多,化学浆液的较高价格与所含毒性对钻探成本及环境影响不大。因此,化学浆液也是值得选择与应用的护壁浆液。

综上所述,旋喷水泥浆护壁研究成果在福建龙岩马坑铁矿深部复杂地层护壁获得成果后,先后在福建煤田、湖北放马山等矿区多个钻孔推广应用,表明该技术可以在任意孔深的坍塌超径孔段、软弱松散地层等形成可靠、有效的“水泥套管”护壁。这一成果,为小口径深孔复杂地层护壁增添了一项有效的护壁技术和手段。目前,该技术已成为机台深孔钻探主要和必备的护壁手段。

(四)套管钻进技术在马坑铁矿复杂地层中的应用试验

BH114套管钻进技术是中国地质科学院成都探矿工艺所研发的钻探新成果。该技术通过利用外管代替绳索钻杆传递钻压和扭矩驱动孔内套管取心钻具回转钻进,在不提钻情况下进行绳索取心、检查或更换孔底主副钻头,有效减少起钻次数,避免频繁取下钻导致复杂地层孔壁不稳定及其引发的孔内事故,降低劳动强度,改善施工环境和促进安全生产。2012年9月8日,福建省第八地质大队在石岩坑矿区ZK9501孔进行BH114套管钻进技术试验(自孔深25.58m开始至186m),不仅为BH114套管钻进技术的进一步完善提供了宝贵的试验数据,达到预期目的。

现场试验情况:2012年9月12日至2012年9月28日,在马坑矿区ZK9501孔25.84~183.18m孔段进行?114套管钻进技术生产试验,试验进尺157.34m,并下入?114套管181.70m,实现了随钻下套管隔离保护孔壁。

先导孔——绳索取心钻杆管材选用及螺纹副优化

冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上,以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。SYZX系列绳索取心液动锤将绳索取心和液动锤两大钻进优势技术结合形成的一种新钻进方法,是中国地质科学院勘探技术研究所研发的、具有国际领先水平的钻探科技新成果,可大大地提高钻进效率和回次进尺,也可有效地控制孔斜、提高破碎地层的岩心采取率。通过课题研究,在马坑钻探中开展了SYZX75、SYZX95 型绳索取心液动锤的推广应用,并进行绳索取心液动锤钻进工艺优化。

8.1.1 SYZX系列液动锤的结构及工作原理

(1)结构

SYZX系列绳索取心液动锤钻具,在简化结构、提高工作寿命(由十几小时提高到五六十个小时)和可靠性方面取得突破,主要的零件为上阀组件、外管、冲锤组件和传功座、钻头(接头)等组成(图8.1、图8.2)。

图8.1 YZX系列高效液动潜孔锤结构示意图

图8.2 YZX小口径系列液动锤结构实物图

(2)结构特点

SYZX系列液动锤由于采用的喷嘴配流结构与锤阀各具有的面积差产生的压差而运动,与传统液动锤比较,结构上有较大简化。

1)密封副少。减少了密封副数量(由4道减少到2道),简化了钻具结构,有效地降低了运动件的阻卡几率。

2)运动副不用橡胶件。内外管间及阀锤高低压的密封均采用金属机械式密封,它比橡胶密封耐磨性高,寿命长,提高了液动锤对冲洗液的适应性,减轻摩擦阻力,有利于液动锤正常工作。

3)科学分流。结构调整参数由5个减少到2个,取消了原有液动锤固定式节流环,减少击砧时的水垫作用,使液动锤在相同输入能量时输出的冲击能量提高了25%~50%,也有利于深孔钻进。

4)液动锤内无易损坏的弹簧零件,钻具寿命长。

5)传递冲击功装置采用具有相互包容的刚性结构,工作稳定,检修和操作简便等。

(3)工作原理

由地面泥浆泵输出的冲洗液通过钻杆到达液动锤的上接头,经过喷嘴高速喷射出,在阀程产生一低压区,促使上阀逆流向上运动;液流继续通过上活塞和冲锤抵达冲锤下腔形成高压,使冲锤在其上下活塞面积差产生的压差作用下快速上行;当冲锤上行至与已经处于上限位的上阀接触时,将高速流动的冲洗液流截断,从而产生水击,使原处于低压区的上阀区变成高压区,下腔则成为低压区,快速推动上阀和冲锤下行;上阀运行一段距离(称为阀程)后在限位台阶作用下停止运动,冲锤则在惯性和高速液流的共同作用下继续向下运动直至传功座将冲击能量输出。这样形成一个工作周期,如此周而复始(图8.3)。

图8.3 双作用液动锤工作过程示意图

(4)SYZX系列绳索取心液动锤的型号与主要技术参数

SYZX系列绳索取心液动锤的型号与主要技术参数见表8.1。

表8.1 SYZX系列绳索取心液动潜孔锤

续表

8.1.2 绳索取心液动锤钻进技术要点

(1)调整液动锤结构参数及钻具的间隙

按照使用指南认真调整液动锤的结构参数及弹卡钳与弹卡挡头之间、卡簧座与钻头胎体内台阶之间隙。

由于该钻具与常规绳索取心钻具相比,长度和重量均增加,钻具水平放置测出的距离有误,应该将钻具悬吊起来,使钻具的减振等影响纵向尺寸因素消除,这样测出的尺寸才能保证,否则会造成卡簧座坐到钻头内台阶无法正常使用问题。

(2)检查绳索取心液动锤各部件的完好情况(表8.2)和各丝扣联接情况

1)外管总成的螺纹连接处要涂抹丝扣油,以增加螺纹的密封性能,并方便拧卸。

2)内管总成的螺纹应拧紧,尤其是液动锤外管、卡簧座等处,以防钻进过程中倒扣。拧卸应使用专用自由钳,避免因外管壁薄而将其压扁或引起变形。

表8.2 绳索取心液动锤在使用中应检查的项目

3)检查锤轴、锤套是否灵活。组装锤轴、锤套及传功环时,其上的密封圈部位处应涂抹黄油,以防装配时被丝扣划伤。

(3)孔口试验

1)将钻具外管总成下到孔内,在孔口固定好,将液动锤内管总成投入外管总成内,此时内管总成到位并坐落在承冲环上,然后将钻具与钻机主动钻杆连接上紧,将主动钻杆吊起,使钻具处于悬吊状态。

2)将主动钻杆水龙头、稳压罐与水泵用高压胶管依次连接紧密。

3)开泵送冲洗液。当泵量为52L/min时,泵压达到0.5MPa,液动锤开始低频小功冲击启动;当泵量换为90L/min时,泵压此时达1.6~2MPa,液动锤频率增大,停待数分钟,液动锤工作正常,无停止冲击现象出现;泵量换至145L/min,此时泵压达到3MPa,液动锤剧烈冲击,冲击功明显增大。同时在各个状态下将钻具来回上提和下放数次,检查液动锤的启动性能和防空打性能是否工作正常。

通过孔口试验,了解液动锤的工作情况和工作时泵压、高压胶管的颤动声等,依据孔内的试验情况和钻进需要对液动锤的冲击频率、冲击功、泵量、泵压等参数做出合理的调整。

(4)钻进及内管的下放和打捞技术要点

1)用打捞器将内管总成吊起,待弹卡钳进入钻杆后松开打捞器。考虑到岩心内管与液动锤连接长度大,该钻具在设计时设置了分离机构,可以先将岩心内管用分离提引接头放入外管内,然后与液动锤连在一起再共同放入孔中。

2)内管总成到位后,将钻具下到距孔底0.5m左右的地方,泵入一定泵量,用轻压慢转扫孔到底,此时液动锤以低频小功开始工作,待一切正常后再增压和适当调大泵量,进入正常钻进。如果液动锤不工作,则应将钻具提离孔底,用改变泵量的方法进行调整,直至液动锤工作为止。逐步调整泵量到标称值,使钻具工作正常,并用手摸高压胶管能感觉到震动,泵压表指针将指示到2MPa以上。

3)在关泵或某些原因停止钻进时,钻具应提离孔底0.3m左右后再停泵。

4)为了防止钻具(特别是内管总成)螺纹松扣,在钻具较长时间提离孔底的情况下,应关泵,避免液动锤长时间空打。

5)岩心内管总成所有带螺纹的部分都要拧紧,防止液动锤振动将其松开。

6)每次下大钻后,必须冲孔,以便将钻杆内的冲洗液排出,深孔(大于500m)冲孔10min以上,尤其要保证传功环处清洁,否则会出现阻卡而提不动内管总成。

7)用泥浆开孔下完套管后,使用金刚石钻头正常钻进时,必须将搅拌机及管路、泥浆槽清理干净,再用无固相或低固相优质泥浆钻进。

8)下大钻时,最好将内管总成后下,并在下内管总成前先合上钻杆,送水冲一会,以减少或避免在传功环处存砂和夹阻。

(5)冲洗液的使用

液动锤最佳工作环境为无固相冲洗液。但大多数矿区地层变化频繁,孔内复杂,为保证正常施工,需使用优质泥浆护壁。在此情况下,液动锤是在含有固相及微粒钻屑的泥浆环境下高频往复运动。因此,为减少液动锤零件磨损,保证液动锤正常工作和使用寿命,采用并用好高质量泥浆十分重要。

应根据岩层特性、钻进深度、冲击器性能要求等情况正确选择冲洗液类型,确定性能参数。液动锤对泥浆的要求:含砂量低,润滑性能和流变特性好,可满足护壁要求。冲洗液性能指标要求:粘度一般不大于30s,含砂量不大于0.1%,密度≤1.1g/cm3。

钻进时,应在泥浆泵的吸水莲蓬头增加过滤装置,谨防泥浆中混入铁屑、棉纱(线)、纺织袋丝线、木屑等。在条件许可情况下最好配备净化设备,或采取多级沉淀方式。

8.1.3 绳索取心液动锤最佳阀程和钻进技术参数的优选

(1)绳索取心液动锤阀最佳自由行程的确定

经过试验对比分析,从保证SYZX75液动锤的使用寿命和冲击频率与冲击功考虑,液动锤自由行程应始终保持在4~10mm之间,最佳的范围为7~8mm。

(2)绳索取心液动锤钻进技术参数的优选

影响液动冲击回转钻进效率的钻进参数主要有钻压、转速、泵量(直接影响液动冲击器的输出特性——冲击功和冲击频率)、泵压。一般来说,绳索取心液动锤钻进的钻压与转速略低于绳索取心钻进,泵量应以满足冲击器的额定泵量为主,泵压应满足液动锤所需的工作泵压。在分析、总结绳索取心液动锤钻进应用前期由于采用压力过小、转速偏低导致时效一直较低、效率上不去等问题的基础上,开展了不同地层的钻进技术参数的优选试验(见8.3节)。通过试验确定了SYZX75绳索取心液动锤钻进最佳技术参数(表8.3)。

表8.3 SYZX75绳索取心液动锤钻进技术参数的优选表

8.1.4 绳索取心液动锤钻进技术应用效果

通过在马坑矿区开展绳索取心液动锤的应用及其与普通绳索取心钻进的现场对比试验(表8.4,表8.5),证明了该技术在矿区的适用性和优越性,应大力推广应用。

(1)与普通绳索取心钻进相比钻进效率大幅度提高

金刚石绳索取心钻进采用以较高转速为主的钻进规程参数,具有回转钻进切削、磨削碎岩的特点。使用液动锤后,给钻头施加高频脉动载荷,冲击力瞬时可达极高值,使被钻进的岩石在交变的外力作用下产生脆裂剪崩的体积破碎,明显提高了机械钻速(破碎岩石的效率),岩石越坚硬,效率提高的幅度愈明显。

(2)在可钻性9~12级坚硬“打滑”地层,钻速显著提高

按目前的绳索取心钻进水平条件,一般不宜在10~12级的岩层中钻进。在致密完整、弱研磨性、坚硬的“打滑”地层钻进,虽然采用软胎体钻头辅以人工研磨及孔内投硬岩屑等措施,绳索取心钻进仍显现出钻效低、回次进尺少等问题。

表8.4 马坑矿区液动锤使用情况表

表8.5 马坑矿区绳索取心液动锤钻进与普通绳索取心钻进对比试验结果表

坚硬“打滑”地层应用绳索取心液动潜孔锤钻进时,交频冲击荷载能使钻头唇面接触处的岩石表面光洁度降低,增加了钻头与岩石的摩擦力。同时,较粗的岩粉颗粒也促成了金刚石从胎体中出刃的条件,所以可显著提高钻速。

(3)在硬、脆、碎地层提高岩矿心采取率,延长回次进尺

液动锤在液动作用下启动工作,产生了高频冲击荷载,使钻具采心机构处于冲击振动作用下,岩心不易堵塞(即使产生堵塞也能较快解卡),减少岩心的自磨作用,从而提高岩矿心采取率,延长回次进尺,具体见表3-5。在破碎地层这种优点更为明显(平均提高1倍)。

(4)使用绳索取心液动锤钻进可避免烧钻事故

多年使用情况表明,使用液动潜孔锤绳索取心钻进,一旦发现泵压下降,冲击器不工作,要及时提钻检查,可避免烧钻事故。

(5)绳索取心液动锤钻进减斜效果好

与回转钻进相比,钻压和转速较低,并且钻速高,有利于降低孔斜。

(6)绳索取心液动冲击回转钻进还可减轻绳索取心钻杆内壁结垢现象

地质岩心钻探工艺及器具

目前,地质钻探技术一方面是其应用领域不断扩展,如地热钻探、海洋钻探及海底取样、深海采矿等;另一方面是其工作难度持续增加,尤其对于科学超深井的实施,包括先导孔绳索取心钻探工艺应用,由于井深深度的增加,相应配套设备及器具须及时跟进。根据对国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看,为了能使科学超深井钻进作业顺利进行,先导孔的设计工作具有重要的意义。在此项工作中,绳索取心钻柱研究更显其重要性,其既要使钻头保持足够的钻压,又不能是钻柱出现弯曲变形。因此,钻杆的各种机械性能就构成了重要的设计准则,尤其是抗拉强度。

4.2.1 绳索取心钻杆管材选用

对于钻柱的选材来讲,传统的材料力学设计观点只考虑材料的屈服强度σs,或极限强度σb,而σs、σb数值越大,则该种材料越能承受更大的载荷。但对于科学超深井钻探工程来讲,不仅要考虑σs、σb这些性能指标,同时还需考虑其他性能参数,应综合强度、韧度等多方面因素对管材进行综合评价。如果单方面考虑选用高强度材料,但其韧度值较低,则有可能产生低应力脆性破坏。因此,当材料强度提高后需密切考虑其韧度的变化,综合强度与韧度等因素去考虑选材的方法称之为“强韧比”选材法。

4.2.1.1 模糊数学法

(1)确定评判对象集

根据不同材质管材的功能和预计的行为及工作环境,详细规定管材的性能要求,并将其分为硬要求和软要求,以硬要求为准进行筛选,可得到一组初步淘汰后的备选材料,以被选材料中每种材料为元素,建立评判对象集X。

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(2)确立因素集

为了选定最优材料,必须根据设计要求对备选材料进行评判,即令这些性能要求为选材的评判标准,从而建立评判因素集U。

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(3)单因素评判

评判因素集U确定后,对各因素Uj建立评判计算公式,求出rij,rij表示对象Xi对Uj的评判结果,且0≤rij≤1。

其评判公式可取:(xjmax为因素集Uj的最大值)。故建立单因素评价矩阵R。

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(4)权数确定

考虑到各评判因素对评判结果影响大小不一,需对各评判因素赋予相应的权数。赋权数的方法有数学方法和专家估测法。如对评价因素U=[U1U2…Un],现有m个专家就U中因素做出权数判定,结果如表4.8所示。根据表4.5产生的权重分配矩阵T。

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(5)综合评判

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表4.8 权数判定

4.2.1.2 管材机械性能试验

试验材料选用国内绳索取心钻杆(杆体、接头、内外岩心管等)用冷拔无缝钢管,最常用的有45MnMoB、30CrMnSiA、XJY850(42CrMo)、XJY950(37CrMnMoA)四种材质。本专题以先导孔绳索取心钻探工艺应用为例,对四种管材进行了相关的室内试验研究。

(1)剖样抗拉试验

试验采用箱式电炉,对不同材质管材进行热处理后(热处理条件以产品出厂标准为准),按标准规定的几何尺寸切割剖样,在将剖样置于WA-1000C型电液伺服万能试验机上进行抗拉试验,试验后读取其屈服强度、抗拉强度以及测量断后伸长率,试验严格遵循国家标准GB/T 208—2002进行。

(2)表面硬度测量

对不同材质管材进行热处理后,将每种试样进行两组16个点的表面硬度测量,求其平均值,得出表面硬度值。

(3)拉-拉疲劳试验

常温常压下,选用高频疲劳试验机,并选取四种材质管材,按标准规定的几何尺寸切割剖样后置于试验机上进行拉-拉疲劳试验。

相关试验结果见表4.9及表4.10。

表4.9 四种管材疲劳寿命比对试验

表4.10 四种材质管材机械性能表

4.2.1.3 模糊数学综合评判计算

对于科学超深井钻柱材料需对其进行综合研究,除机械性能外还应考虑经济因素,而运用模糊数学的方法则能较全面地对管材进行综合评述,以进行最后的选用。钻柱材料评判可以具体按以下方法进行:

1)设评判对象为若干型号钢种:

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2)设因素集:

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3)找评判矩阵:

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因i,j已知可逐一找出rij的值,即建立各因素的uj的隶属函数,以uj(uj)表示uj的隶属函数。选择隶属函数要根据因素集中各因素的特征进行。根据以上分析,确定的备选材料对象、性能及其单因素评判结果见表4.11。

表4.11 材料性能及单因素评判结果

4)找出评判函数,列出评判结果:

由此建立单因素评判矩阵;

并依据专家估测法得出各因素的权数,由此再得到相应的权重分配矩阵T=[0.50 0.05 0.10 0.10 0.25];

则评语B=R·TT=[0.765 0.984 0.803 0.766]T。由B可知,37CrMnMoA合金钢管材为首选材料。

4.2.2 螺纹副参数优化

对于先导孔绳索取心钻进工艺来讲,其钻杆螺纹副优化是一项亟待解决的问题。相关文献表明,有限元仿真可在一定程度上代替室内试验模拟螺纹副滑脱过程。本小节以非线性有限元理论为基础,运用大型通用有限元软件对不同扣型不同参数下深孔超深孔绳索取心钻杆螺纹副在拉伸及拉扭条件下的抗拉脱能力进行了分析计算,获得了螺纹副在两种工况条件下的拉脱力大小及螺纹副周围的应力和变形分布特征。

4.2.2.1 有限元模型

目前,深孔超深孔绳索取心钻杆螺纹副结构主要有3种类型,即对称梯形扣、不对称梯形扣、负角度梯形扣,见图4.1。

图4.1 三种螺纹副结构示意图

(1)几何模型

本节按自行设计直连式Ф89×5mm薄壁绳索取心钻杆,接头螺纹副锥度为1∶16、1∶22、1∶30,牙高为1mm,螺距为8mm的3种不同扣型:15°~15°对称梯形扣,3°~45°不对称梯形扣,-5°~45°负角度梯形扣。接头螺纹公、母扣的三维实体模型,如图4.2所示。

图4.2 接头螺纹实体模型

(2)材料参数

绳索取心钻杆接头螺纹副有限元分析合金钢材料参数,见表4.12。

表4.12 钻杆接头合金钢材料参数

(3)网格选择及划分

绳索取心钻杆接头螺纹副采用六面体网格划分,由于分析是一个非线性(几何非线性、接触和材料非线性、弹塑性)过程,因此,分析单元选择C3D8R类型,即线性减缩积分单元。公接头管体网格平均三向尺寸为2.6mm、2.0mm、1.4mm,螺纹网格平均三向尺寸为1.0mm、0.5mm、0.6mm,见图4.3;母接头管体网格平均三向尺寸为2.8mm、1.8mm、1.1mm,螺纹网格平均三向尺寸为1.0mm、0.5mm、0.7mm,见图4.4。模型总单元数为42288。

图4.3 公接头螺纹有限元网格划分

图4.4 母接头螺纹有限元网格划分

4.2.2.2 计算方法

(1)非线性有限元

非线性方程通常采用如下形式表示:

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式中:{a}为单元节点位移列向量;[K({a})]为与单元节点位移{a}相关的系数矩阵;{f}为等效节点载荷列向量。

其中,非线性方程的主要解法有:直接迭代法、Newton-Raphson法、修正的Newton-Raphson法及增量法等。

(2)屈服准则

当材料中一点的应力分量满足一定关系时,此点将进入塑性变形阶段,开始发生不可恢复的塑性变形。本专题中将采用V.Mises屈服准则,屈服条件为:

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其中:σso为材料的初始屈服应力;sij=σij-σmδij为偏斜应力张量分量;(σ11+σ22+σ33)为平均正应力;

δij为Kronecker(克罗内克)符号,即:

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且,有以下关系存在:

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其中:σ-为等效应力;J2为第二应力不变量。

4.2.2.3 边界条件及计算结果

在拉伸条件下,母接头螺纹端固定,公接头螺纹端沿杆体轴向准静态加载位移20mm,见图4.5;在拉扭条件下,母接头螺纹端固定,首先在公接头螺纹端缓慢加载2000N·m的常幅扭矩,然后在公接头螺纹端沿杆体轴向准静态加载位移10mm,见图4.6。

图4.5 拉伸条件下钻杆接头螺纹有限元分析模型

从图4.7中我们可以看出,螺纹副锥度相同时,负角度梯形扣的抗拉脱能力最强,不对称梯形扣次之。与对称梯形扣相比,负角度梯形扣的抗拉脱力提升范围在10.3%~13.6%之间,这是由于负角度梯形扣相对于对称梯形扣来讲,承载面的法线与螺纹轴线之间的夹角变小,在轴向拉开位移相同的情况下,公螺纹和母螺纹都将会产生较大的横向位移,而横向位移的增大,导致螺纹管体根部的弯矩变大,此时由于充分发挥了螺纹自身的抗弯能力从而有效提升了螺纹的拉脱力水平及抵抗变形的能力。这也证实了Board Long-year(2009)和练章华(2008)等的分析结果。

图4.6 拉扭条件下钻杆接头螺纹有限元分析模型

在同一扣型条件下,锥度由1∶16变为1∶22,再由1∶22变为1∶30时,即螺纹副锥角逐渐减小,螺纹副的抗拉脱力呈现出先降后升的变化趋势。这是因为,当锥度由1∶16变为1∶22时,由于螺纹副锥角变小,其危险断面面积减小,故螺纹副的抗拉脱能力有所下降;当锥度由1∶22变为1∶30时,尽管螺纹副锥角变小,但由于此时螺纹副承载面的法线与螺纹轴线之间的夹角变小,螺纹自身的抗弯能力及抵抗变形的能力超过了危险断面面积减小给螺纹拉脱力带来的负面影响,从而使得其抗拉脱能力又有所增加。这也与冯清文(1995)对绳索取心钻杆螺纹锥度与强度关系及应力进行的室内试验结果是一致的。

图4.7 不同工况下拉脱力曲线

随着负角度的不断增大,负角度梯形扣螺纹的防脱能力有所增加,但趋势逐渐放缓,见图4.8。当角度达到-9°时,如继续增大负角度对于提升螺纹的抗拉脱能力已经没有更大的意义,因为在此情形下,螺纹副已不能拉脱,这个名义上的“拉脱力”反映的本质是其“失效拉断力”。同时,从图4.7、图4.8中还可以看出,与拉伸相比,拉扭条件下螺纹副受力较为复杂,其抗拉脱能力略有降低,这是因为在有常扭矩条件下,螺纹副在拉脱过程中有一个旋紧的趋势,螺纹两端起始部位接触条件变化较为明显,变形较为剧烈,并伴有局部的失效与破坏。

图4.8 不同角度梯形扣螺纹拉脱力曲线

综上所述,可以得出如下结论:

1)螺纹副锥度相同时,负角度梯形扣的抗拉脱能力最强,不对称梯形扣的抗拉脱能力次之;

2)在同一扣型条件下,锥角变小时,螺纹副拉脱力呈现出先降后升的变化趋势;

3)随着负角度的不断增大,负角度梯形扣螺纹的防脱能力有所增加。当角度达到-9°时,如继续增大负角度对于提升螺纹的抗拉脱能力已经没有更大的意义;

4)与拉伸相比,拉扭条件下螺纹副受力较为复杂,其的抗拉脱能力略有降低。

典型含气地层特殊取心技术

(1)绳索取心技术

取心技术主要有提钻取心和绳索取心两种方式。近20多年来,国内外地质钻探工艺方法没有根本性的突破和发展,仍然是以小口径金刚石绳索取心钻探技术为主,仅对个别矿种和不同地质条件下辅以不同的多工艺钻探技术。绳索取心技术在取心钻探工作量中所占比重超过了70%。

(2)绳索取心钻杆

钻杆的性能决定了钻进深度,钻杆的质量影响钻进效率和施工安全。中国地质调查局勘探技术研究所(以下简称勘探所)与生产企业合作,成功研制出XJY-850高钢级精密无缝合金管材,改进了钻杆结构、接头螺纹扣形及尺寸,使其有更高的强度和更大的可靠性。提出了钻杆接头的材质和表面强化处理新方法,以提高钻杆接头表面耐磨性及强度。钻杆寿命提高了30%~50%,满足了1500~2500m孔深钻进要求。深部钻探绳索取心钻杆的成功研制,标志着我国高强度薄壁绳索取心钻杆研究取得了重大进展。

(3)金刚石钻头

钻头的性能决定了钻进效率,钻头的寿命影响时间利用率和钻孔安全。在深部硬、脆、碎及软硬互层的难钻进地层中,我国采用复合式金刚石钻头,利用巴拉斯(三角聚晶)的犁削作用和高耐磨性,结合孕镶层的磨削作用和自锐特性,合理调节三角聚晶和孕镶层的比例,按所钻地层研磨性调节胎体的耐磨性,采用了超细合金粉末、三角聚晶增强工艺,金刚石表面镀敷金属外衣,以增强胎体对金刚石的把持力和降低烧结温度。新的仿生技术在钻头设计上的应用,对改进钻头的性能有所提升。

(4)保温保压取样器

针对天然气水合物难以取样的关键技术难题,我国开发了保温保压取样钻具和快速冷冻取样器。在海拔4200m的青海省祁连山脉木里高原冻土区,进行了我国第一口“祁连山冻土区天然气水合物DK-1科学钻探实验孔”钻探施工,并在孔深133.5~165.5m孔段之间先后三次取出了人们期盼的天然气水合物样品。目前设计加工的孔底快速冷冻取样器规格Φ108mm,取心直径Φ46mm,冷冻温度0~-20℃,保压密封能力大于1MPa。通过阶段性钻进实验表明,取样器主要机构工作正常,并能够实现孔底快速冷冻和保压岩样。

岩心打捞方式

(一)集气式煤层气取心系统

煤层气(亦称瓦斯)钻探采样是煤田勘探中一项重要工作,要求采取接近自然煤层气含量的煤心并收集煤中释出的气体,以查明煤层中赋存的煤层气含量及性质,为煤田开采和通风设计提供原始资料。常用的煤层气取样钻具有集气式单动双管和集气式双动双管两种钻具。

1.集气式单动双管钻具

集气式单动双管钻具由外管、带集气室的内管(试验部分)和带缓冲器的连动部分组成。该钻具结构如图4-26所示。

工作原理:钻具下入孔内预定煤层钻进,煤心顶破密封纸进入内管28,煤心和煤层泄出的煤层气通过内管接头25聚集在气室上部,内管及集气室中的水则经排水管23、阀门套管22、顶管18、支撑杆16、内异径接头7和顶杆3的回水孔排到钻具外。钻进0.3m左右即提钻,卸下试验部分密封后送化验室分析。

操作注意事项:

1)如图4-27所示,下钻前卸下试验部分,把抽气接头3拧在接头4(17)上,然后将试验部分倒立使内钻头垂直朝上。向内管注清水,用一短棍顶开阀门7(20)。当接头4(17)有水外溢时,说明内管中的空气已排出,内管注满水后用约1mm厚塑料纸(31)垫在内钻头端部,套上专用橡皮套,再垫一层塑料纸并用绳捆紧,要求下钻时不被水冲掉,钻进时能被煤心顶破。注水排气是为了保证煤心中煤层气的纯洁性和代表性。注水并封密内钻头后,配好外管下钻。

图4-26 集气式单动双管钻具

1—异径接头;2—保护管;3—顶杆;4—连接器;5—塞线;6—塞线压盖;7—内异径接头;8—限制器;9—减震弹簧;10—轴承;11—钢球;12—短管;13—塞线;14—塞线压盖;15—短管接头;16—支撑杆;17—接头;18—顶管;19—螺母;20—阀门;21—阀门弹簧;22—阀门套管;23—排水管;24—集气室;25—内管接头;26—通孔栓;27—外管;28—内管;29—爪簧;30—内钻头接头;31—薄膜塑料;32—内钻头;33—外钻头

图4-27 抽气接头与集气室阀门构造图

1—启闭螺钉;2—开关壳;3—抽气接头;4—接头(17);5—顶管(18);6—螺帽(19);7—阀门(20);8—阀门套管(22);9—排水管(23);10—阀门弹簧(21);11—胶垫;12—垫圈;13—真空胶皮管。括号中的数字为图426的零件号

2)为绝对保证各丝扣连接处不漏气,必须缠棉丝并涂铅油。

3)下钻速度要慢,尤其是钻具进入钻孔液面前必须放慢速度,防止密封纸被顶破,进入空气,影响煤层气采取质量。

4)钻具下至距孔底0.5m左右时,开泵冲孔5~10min,然后将钻具缓慢放到孔底开始钻进。严禁用此钻具扫孔,正常钻进中,严禁提动钻具。

5)回次终了,减水、稍加压钻进50mm左右,以压紧内钻头之煤心,造成堵塞,不致提钻时煤心中途脱落或因煤层气压力而冲掉。

6)提升钻具时,要求特别平稳,特别轻。

7)钻具提出孔口后应保持钻具向下倾斜,迅速卸下外管,立即用密封盖封住内钻头下端。再由支撑杆16处卸下试验部分,取出顶管18,迅速拧上塞头螺丝(或抽气接头),在其密封处涂上铅油,并将密封好的试验部分沉入水中10min左右检查是否漏气,如漏气则需要重新封闭。然后尽快送化验室。密封后的试验部分如图4-28所示。

图4-28 密封试验部分

1—塞头螺丝;2—排水管;3—煤层气;4—水;5—煤心;6—密封盖;7—胶垫

8)装有煤层气的试验部分应及时编号装箱运送,运送途中切勿冲击与急剧振动,以防漏气甚至煤层气爆炸。

9)钻具使用完毕,必须洗净涂油,三个部分分别放置保管(试验部分内壁不能涂油,因为油会影响化验准确性)。

2.集气式双动双管钻具

集气式双动双管(图4-29)的设计思路是排水集气原理。采样前钻具集气室和内管均充满液体,采样过程中进入内管的煤心失去地层应力,又经钻头的破坏,使赋存其中的煤层气释出并经导气管11的中心孔浮升到集气室顶部。而集气室内的液体受煤层气排挤经回水管10、出水管8、径异径接头1的回水孔排出。于是聚集于集气室液体上部的煤层气不会逸散。

由上述原理可知,如内管过长或集气室过短,大量煤层气进入使回水管下端露出液面,煤层气便会经回水管、出水管、异径接头回水孔跑掉,造成采样失败。因此,集气室和内管的长度应根据所勘探的煤层气含量来决定。

采样操作分为准备工作、采样、密封三个工序。

(1)准备工作

采样前将内管各部件拆洗干净,给丝扣缠棉纱和涂铅油,并在管外连接处涂一层密封胶水,确保密封性良好。连接好的内管应通过5~10大气压或20~30大气压的打压试验。

图4-29 集气式双动双管钻具

1—异径接头;2—外管;3—外管钻头;4—内管钻头;5—胶管夹;6—胶管;7—气嘴;8—出水管;9—内管变丝接头;10—回水管;11—导气管;12—中间接头;13—岩心管;14—隔膜保护圈;15—内管钻头密封圈;16—密封胶圈;17—隔板;18—中间隔板;19—岩心管;20—集气室;21—内管;22—塑料纸隔膜

钻具下孔前内管要注满液体,排除其中的空气。灌注时将内管倒立,松开胶管夹5,见胶管6有液体流出时夹紧夹子并将煤心管注满。然后用隔膜保护圈、油纸或塑料膜密封内管钻头,并拧在内管上。最后放平内管,卸去气嘴7,接上异径接头和外管就可以下降钻具。

(2)采样操作

和前述单动双管一样,下钻要缓慢,防止冲破隔膜使泥浆进入内管。接近孔底时应一面冲孔一面下钻,以保证孔底清洁。钻进煤层采样过程中要控制回次进尺长度,一般0.5m左右,为卡牢煤心和封闭钻头底端,在提钻前应用大钻压干钻2~3min。

(3)密封工作

钻具提至地面后应保持垂直状态,迅速拧下外管,拧上钻头密封盖。拧上带胶管的气咀,并事先用夹子夹紧胶管。为确保钻头底端的密封可在钻头密封盖内放入大小适当的泥球再拧紧密封盖。擦洗干净内管外壁,各连接缝处重新涂一层密封胶水并放入水中检查是否漏气,然后迅速送化验室。

(二)页岩气密闭取心系统

页岩气是以多种相态存在,主体上富集于泥页岩及部分粉砂岩地层中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。页岩气勘探阶段钻探不同于普通地质岩心钻探,因为页岩岩心采取后需要进行气体总量和多项参数实验测定分析及井眼含碳量(TOC)测定等,因此需要进行页岩层密闭取心,目前密闭取心钻具类型主要有机械加压式和自锁式两种。

1.机械加压式密闭取心钻具

该密闭取心钻具(图4-30)主要由密闭堵头、取心钻头、岩心爪、内外岩心管总成、机械加压接头五部分组成。该钻具具有如下特点:①整个内管密封并装满密闭液,下端的密闭堵头通过3个销钉固定在钻头进口处;②钻具设计为“双管双动”结构;③取心钻头采用斜水眼且偏向井壁。

图4-30 机械加压式密闭取心钻具结构示意图

1—加压上接头;2—钢球;3—加压杆;4—六方套;5—密封圈;6—六方杆;7—加压下接头;8—悬挂接头;9—承压帽;10—丝堵;11—钢球;12—销钉;13—外管上接头;14—堵头;15—密封圈;16—内管接头;17—外管;18—钻头接头;19—钻头;20—活塞体;21—岩心爪;22—密封圈;23—销钉;24—触压头

钻具工作原理:密闭触压头超前于钻头,所以在钻头接触井底之前,密闭头固定销钉先被剪断,整个密闭头上行,管内的密闭液开始排出并在井底逐渐形成保护区,为密取做好准备。随着岩心不断形成,推动密闭堵头上行,因为内管上端是密封的,所以管内的密闭液就被岩心挤压从内管和岩心柱之间的环形间隙向下作等体积排出,连续均匀地涂抹在岩心表面形成保护膜,从而达到保护岩心免遭泥浆自由水污染的目的。由于在钻进过程中内外岩心管无相对运动,这就使得内管组合与钻头配合面成为可靠的静密封,有效地克服了泥浆浸入内管的可能性。取心钻头的水眼偏向井壁,使射流不直接冲刷岩心根部,有利于护心。取心完上提钻具投球加压割心,借助钻具的重力将承压帽销子剪断,悬挂钢球失去悬挂作用,使内管压在岩心爪上,迫使岩心爪收拢,卡紧岩心,上提钻具将岩心拔断。取出的岩心按规定取样,及时在现场化验分析。当岩心受泥浆污染时,示踪剂也必然浸入岩心,因此利用显色剂可鉴别岩样中有无示踪剂存在,便可换算出泥浆自由水对岩心的浸入量,岩心的密闭率为合格样品数与总样品数的百分比。

2.自锁式密闭取心钻具

大庆钻井工程技术研究院研制的自锁式密闭取心钻具如图4-31所示。该钻具直径Φ215mm,由大接头、丝堵、外管上接头、内外岩心管、外管下接头、内管密封圈、卡箍岩心爪、密闭头、剪销和取心钻头等部件组成,属于双管双动式钻具。钻具特点是:①适用于中深井、深井800~5500m井段密闭取心;②整体式岩心爪稳坐于钻头内腔锥面,卡心牢靠;③内外管悬挂装置简单,组装、拆卸方便,省去了复杂的投球加压法割心工艺;④配有多种类型取心钻头。

图4-31 自锁式密闭取心钻具结构示意图

1—大接头;2—丝堵;3—接头;4—外管;5—内管;6—下接头;7—岩心爪;8—钻头;9—密闭头

钻具工作原理:取心钻进时,内外管同时旋转,内管里注满密闭液。当密闭头通过岩心爪进入内管,密闭液则从其间隙流出,并均匀地涂在岩心表面上,形成一层保护膜,防止泥浆浸入岩心。钻取的岩心克服岩心爪的摩擦力进入内管。割心时,上提钻具,岩心爪沿钻头内锥面下行,将岩心卡紧。当上提拉力达到岩心断面极限拉断力时,岩心即被割断。

(三)天然气水合物保压、保真取心系统

天然气水合物(亦称可燃冰)主要成分是甲烷(CH4),遇热迅速分解,可燃。1m3天然气水合物在标准温度、压力下能释放出164m3甲烷气体。天然气水合物大都赋存于高原永冻层和海底,它在地下储层中以固体状态存在。用常规钻探取心方法,天然气水合物将随着钻具提升(温度上升、压力变小)而从固态变为气态和液态,从而无法获取天然气水合物储层的地质资料。所以,天然气水合物钻探必须有特殊的保温、保压取心钻具。近年来,我国对天然气水合物的勘探十分重视,中国石油大学(华东)和中国石化胜利油田钻井工艺研究院共同研制的“天然气水合物深水深孔钻探取心系统”进行了下井试验,并获得成功。

该取心系统(图4-32)由钻具悬挂总成,锁定机构、取心内管、保温保压管、取心外管球阀机构、取心钻头、压力补偿装置、测温测压记录系统及内管回收装置等组成。

深部岩心钻探技术与管理

1—打捞头;2—限位及锁定总成;3—外限位体;4—密封机构;5—转动轴承;6—压力补偿装置及泄压机构;7—保温保压管;8—内管扶正体;9—外管;10—过渡接头;11—内管鞋;12—岩心爪;13—球阀关闭机构;14—保温保压记录系统;15—取心钻头

系统工作原理:用取心专用钻杆将绳索取心内管组合送入海底进行取心作业,取心结束后,通过绳索提起取心内管总成,带动活塞上行,产生负压使球阀关闭,实现保温保压取心。需要进行全面钻进时,从井口投入钻头塞堵塞流道,实现取心钻头的全面钻进。连续取心时,用绳索提出钻头塞组合,然后投入取心内管总成,实现取心作业。

系统的结构特点:

1)考虑钻具外形尺寸的限制,优选金属真空保温管,内外表面喷涂等离子保温材料的被动保温方式,系统保温管设计如图4-33所示。

图4-33 保温管示意图

2)在球阀关闭机构附近设有压力温度记录仪,起钻后现场可测出保温保压管内的温度、压力并与压力温度记录仪的回放值进行比较,得出取心系统的保温保压结果。

3)保温保压取心管及内部结构单动,避免了对岩样的干扰,有利于提高岩样收获率。

4)钻具外管带周向锁定机构,可实现取样与全孔钻进的转换。

5)靠液压和绳索机构的联合作用实现球阀机构关闭和释放机构的工作,安全可靠。

6)岩心管采用低摩阻复合材料或铝合金,有利于岩心的进入。

7)取心钻头配有多种切削齿,以适应软硬程度不同的地层,利用绳索使岩样从井底到地面的时间缩短,有利于实现保温保压目的。

天然气水合物深水深孔取心系统在山东渤海湾浅海地区胜利CB25GA-6井进行现场取心试验,在井深375~379.3m间进行了2次作业,共取心4.3m,平均岩心收获率为95.35%。最多一次取心3.1m,收获率为100%;钻具出井口后通过现场快速测试技术对保压情况进行了测试,实行不同时间段间隔测试,第一次测试压力为4.25MPa,在16.5h后测压为4.213MPa,降低0.037MPa,获得了较好的效果。

绳索取心打捞方式可减少起下钻次数,如井内条件允许,钻头寿命又能达到临界值以上,无疑是比提大钻打捞岩心更优越的方法,此处不再叙述,仅分析在科学超深井中的可行性。

绳索取心方法在科学超深井中运用存在的问题:

1)高强度的大直径绳索取心钻杆。内总成需在绳索钻杆中投放、打捞,钻杆直径随取心钻进口径、岩心直径增大而增大、增重。故钻杆需具备足够的抗拉强度才能提升13000m钻柱,并具有处理孔内复杂情况的能力。

2)钻头驱动方式。我国虽在CCSD-1井中实验成功螺杆马达+液动锤+绳索取心三合一取心钻进系统,但仅停留在实验阶段,并未成为常规的取心方式。绳索取心液动锤已在地质岩心钻探中广泛运用,但回转仍靠地表驱动,液动锤也仅采用了小冲击功。因此,至报告编写之时,尚无绳索取心孔底驱动回转成功运用的经验。而从已实施的科学钻探井来看,深井、超深井取心地表回转存在能耗大、对孔壁扰动大、不利井斜、钻进效率低等弊端。

3)钻井液性能:绳索取心钻进方法对钻井液性能要求很高,而实施科学超深井必将使用高密度钻井液,超深井打捞、投放过程的时间长,钻杆长时间静止容易结垢,降低了打捞成功率。

4)钻孔安全:影响钻孔安全的因素很多,采用绳索取心钻进方法,便只能采用地表高速顶驱回转驱动,超深井长钻柱的柔性强,自转和公转并存,强大的离心力势必在高速回转时敲击破坏井壁,埋钻、卡钻概率大幅上升。钻孔超径又会增强钻柱公转幅度,弯矩增大,绳索钻杆折断的事故也可能发生。绳索钻杆全孔都是粗径钻具,这也增加了黏附卡钻、缩径卡钻的可能性。

综上所述,无论从钻柱强度、驱动方式、钻井液性能的适应性及钻孔安全的角度考虑,绳索取心打捞岩心的方式都不适合科学超深井。因此,本专题将围绕提钻取心方式开展预研究。