何立新，孟義泉，高鵬舉，伍曉龍

(1.海軍工程設(shè)計(jì)研究院(91053部隊(duì))，北京 102202；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

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繩索取心鉆桿結(jié)泥皮原因分析及解決方案

何立新1，孟義泉2，高鵬舉2，伍曉龍2

(1.海軍工程設(shè)計(jì)研究院(91053部隊(duì))，北京 102202；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

本文在全面分析繩索取心鉆進(jìn)過程中鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮原因的基礎(chǔ)上，提出了解決結(jié)泥皮問題的綜合解決方案。

繩索取心；鉆桿；泥漿；泥皮；固控系統(tǒng)

1 繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)是鉆探技術(shù)的一次重大革命，其技術(shù)特點(diǎn)是取巖心時(shí)不用把鉆孔內(nèi)的鉆桿全部提出，而用帶鋼絲繩的專用打撈器，通過鉆桿中心把裝有巖心的內(nèi)管打撈至地表，取出巖心。

繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)于1947年由美國長年公司發(fā)明[1]，至今已有近70年的發(fā)展歷史，我國從20世紀(jì)70年代開始繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的研究與開發(fā)，隨后在固體礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，可顯著提高鉆進(jìn)效率、保證巖礦心質(zhì)量、降低鉆進(jìn)成本。與其他鉆進(jìn)技術(shù)相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)減少起下鉆的輔助時(shí)間，增加純鉆進(jìn)時(shí)間，鉆孔越深經(jīng)濟(jì)效果越顯著；

(2)巖心堵塞可立即撈取，提高巖礦心采取率；

(3)減輕工人體力勞動(dòng)；

(4)減少鉆桿螺紋擰卸磨損，延長鉆桿壽命，降低管材消耗；

(5)減少鉆頭掃孔磨損、擰卸及與孔壁碰撞機(jī)會(huì)，延長鉆頭壽命；

(6)減少?zèng)_洗液抽吸和孔壁壓力失去平衡機(jī)會(huì)，從而減少孔內(nèi)事故；

(7)減少起下鉆的機(jī)械磨損和鋼絲繩消耗；

(8)減少鉆孔彎曲度，提高鉆孔質(zhì)量；

(9)有利于復(fù)雜地層鉆進(jìn)，避免孔壁坍塌掉塊；

(10)可以利用取心絞車鋼絲繩在鉆桿內(nèi)下放測斜儀，進(jìn)行測斜。

2 繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在非常規(guī)能源勘探中的應(yīng)用

隨著當(dāng)前我國地質(zhì)工作重點(diǎn)的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)移，非常規(guī)能源勘探中頁巖氣、油頁巖勘探的工作量將不斷增加。由于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，且能夠取出實(shí)物巖心，為地質(zhì)人員提供最直接的地層信息，所以最適于在非常規(guī)能源—頁巖氣和油頁巖勘探中應(yīng)用。

3 繩索取心鉆桿結(jié)泥皮原因分析

在繩索取心鉆進(jìn)過程中，由于多種原因，經(jīng)常會(huì)在鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生泥皮，如果泥皮的產(chǎn)生較嚴(yán)重，在打撈內(nèi)管總成時(shí)，使得打撈器無法正常投入或內(nèi)管總成打撈后無法正常提至地表，將造成內(nèi)管總成打撈時(shí)間增加，或者拉斷與打撈器連接的鋼絲繩。因此，預(yù)防鉆桿結(jié)泥皮是充分發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢的重要保證，如果不能解決泥皮問題，將使得繩索取心鉆進(jìn)的輔助時(shí)間大大增加，鉆進(jìn)成本直線上升。

3.1 泥皮特點(diǎn)

(1)鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生的泥皮，厚度一般在2～3 mm，有時(shí)會(huì)超過5 mm[3]；

(2)泥皮的主要成份包括鉆井液中的固相顆粒(黏土、泥漿處理劑)和巖粉；

(3)泥皮產(chǎn)生的部位一般在上部鉆桿內(nèi)壁；

(4)泥皮的厚度自上而下逐漸由厚變薄，泥皮中的固相顆粒也由粗到細(xì)(40～70 μm)[3]；

(5)泥皮隨鉆桿轉(zhuǎn)速增大而加厚。

3.2 結(jié)泥皮原因分析

3.2.1 泥漿中固相成份含量較大

泥漿中的固相成份越多，固相顆粒吸附在鉆桿內(nèi)壁的機(jī)率就越大，結(jié)泥皮的可能性就增加。

3.2.2 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速越大，鉆桿回轉(zhuǎn)的線速度就越高，固相顆粒受到的離心力也就越大，越容易在鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮。表1為PQ、HQ和NQ繩索取心鉆桿在不同回轉(zhuǎn)速度下鉆桿內(nèi)壁線速度對比數(shù)據(jù)表。

表1 PQ、HQ、NQ繩索取心鉆桿不同轉(zhuǎn)速下線速度對比表

通過對表1的分析，可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)回轉(zhuǎn)速度從100～1 000 r/min時(shí)，PQ鉆桿內(nèi)壁對應(yīng)的線速度范圍為0.53～5.29 m/s；HQ鉆桿內(nèi)壁對應(yīng)的線速度范圍為0.42～4.24 m/s；NQ鉆桿內(nèi)壁對應(yīng)的線速度范圍為0.32～3.19 m/s。

離心力計(jì)算公式為：

式中：F—離心力，N；

m—物體的質(zhì)量，kg；

ω—角速度，rad/s；

r—回轉(zhuǎn)半徑，m。

根據(jù)離心力計(jì)算公式可以知道：

(1)如果角速度增加，則回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加，線速度增加，離心力迅速增大；

(2)角速度不變時(shí)，回轉(zhuǎn)速度不變，鉆桿內(nèi)徑越小，線速度越低，離心力越低。

4 繩索取心鉆桿結(jié)泥皮解決方案

通過上面對繩索取心鉆桿結(jié)泥皮原因進(jìn)行的全面分析，可以采用以下方案解決結(jié)泥皮的問題。

4.1 減小鉆井液中固相成份含量

當(dāng)鉆井液中固相成份含量>20%，顆粒大小在40 μm時(shí)鉆桿內(nèi)容易結(jié)泥皮。要減小固相成份的含量，可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

4.1.1 采用低密度無固相或低固相的泥漿

在地層情況允許的條件下，盡可能采用低密度的無固相或低固相的泥漿作為沖洗液。

(1)低密度低固相泥漿配方如下[3]：

清水(1 m3)+膨潤土(10～25 kg)+CMC(1～2 kg)+磺化褐煤(20～30 kg)+潤滑劑(3～5 kg)。

(2)泥漿性能參數(shù)[5]：

密度：1.05～1.08 g/cm3；

蘇氏漏斗黏度：21～30 s；

濾失量：7～10 mL/30 min；

pH值：8～9。

4.1.2 增加固控系統(tǒng)

泥漿固控系統(tǒng)包括旋流式除砂器[6]、除泥器、離心機(jī)、振動(dòng)篩等，選擇合適的泥漿固控系統(tǒng)，可以很好地控制泥漿中的固相成份。圖1為不同類型的固控系統(tǒng)分離固相顆粒尺寸對比圖[2]，圖2、圖3分別為旋流除砂器和離心機(jī)實(shí)物圖。

圖1 不同類型的固控系統(tǒng)分離固相顆粒尺寸對比圖

圖2 旋流除砂器實(shí)物圖

圖3 離心機(jī)實(shí)物圖

4.1.3 合理設(shè)計(jì)泥漿循環(huán)槽長度和寬度

現(xiàn)場盡可能加長鉆井液循環(huán)槽長度，一般不小于15 m[4]。如果現(xiàn)場場地有限，為了增加循環(huán)槽長度，可以把循環(huán)槽布置為雙排平行式(見圖4)，這樣可以在有限的場地內(nèi)最大限度地延長循環(huán)槽的長度。同時(shí)在循環(huán)槽不同位置間隔設(shè)置多個(gè)巖粉沉淀池，并定期清理循環(huán)槽中和沉淀池內(nèi)的巖粉。

在保證泥漿循環(huán)槽長度的同時(shí)，為最大限度地增加泥漿中固相顆粒在循環(huán)槽中的自然沉降效果，應(yīng)加寬泥漿循環(huán)槽的寬度，條件許可時(shí)可加寬至400～500 mm，以降低泥漿在循環(huán)槽中的流速，使泥漿中的固相顆粒有足夠的時(shí)間進(jìn)行沉降。

圖4 雙排泥漿循環(huán)槽布置圖

4.2 使用無懸掛環(huán)的雙彈卡繩索取心總成

雙彈卡繩索取心總成，取消了原來內(nèi)管總成上直徑最大的懸掛環(huán)，有利于在鉆桿內(nèi)更好地打撈和投放。圖5為雙彈卡繩索取心總成實(shí)物圖。

圖5 雙彈卡繩索取心總成實(shí)物圖

4.3 控制轉(zhuǎn)速或換用小一級的鉆桿鉆進(jìn)

降低回轉(zhuǎn)速度或換用小一級的鉆桿鉆進(jìn)，可以減小鉆桿內(nèi)壁回轉(zhuǎn)的線速度，降低固相顆粒的離心力，有利于減輕或消除鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮的效果。

4.4 其他措施

(1)采用專用工具定期清理鉆桿內(nèi)的泥皮；

(2)取心時(shí)提出上部結(jié)泥皮嚴(yán)重的立根；

(3)泥漿中加入表面活性劑，降低固相顆粒與鉆桿之間的吸附力。

5 結(jié)語

繩索取心鉆進(jìn)過程中，鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮受多種因素的影響，只有徹底解決鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮的問題，才能最大限度地發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢。而要徹底解決結(jié)泥皮的問題，需要對結(jié)泥皮的原因進(jìn)行綜合全面的分析，在掌握結(jié)泥皮的原因后根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，采用最經(jīng)濟(jì)的方案來解決結(jié)泥皮的問題。

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2016-08-16

何立新(1966一)，男，江西玉山人，1987年武漢地質(zhì)學(xué)院探礦工程系鉆探專業(yè)畢業(yè)，海軍工程設(shè)計(jì)研究院高級工程師，主要從事巖土工程勘察工作，Tel：13720090616，E-mail：330824465@qq.com。

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