繩索取心鉆桿內壁結垢成因與預防及清理裝置的研發

李 寬， 李鑫淼， 韓麗麗， 張永勤

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

金剛石繩索取心鉆進具有鉆進效率高、取心質量好、時間利用率高、勞動強度低、鉆頭壽命長、鉆探成本低等突出優點，目前已廣泛應用于固體礦產勘查、煤田地質勘探、油氣資源基礎調查、水文地質與環境地質調查等領域[1-3]。在地質鉆探中，由于沖洗液選擇或維護不當、鉆進技術參數選擇不合理等因素，在鉆桿內壁容易出現泥垢或泥皮，對鉆探施工造成以下幾個方面的影響：

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

(2)鉆桿內壁結垢直接影響了打撈器和內管總成在鉆桿柱中的運行，造成投不下打撈器，或者發生打撈器與內管總成在提升過程中卡阻或卡死現象。一旦出現卡死，只能將孔內的部分或全部鉆柱提至地表進行處理[6]。

(3)內管總成在鉆桿柱中起下會對孔壁產生抽吸和擠壓作用，內壁結垢導致鉆桿內徑減小，抽吸和擠壓作用更明顯，易抽垮或擠塌不穩定地層，出現掉塊、垮塌等，孔壁失穩易導致卡鉆、憋鉆、鉆桿折斷等事故。

1 結垢類型與結垢成因

繩索取心鉆進過程中，常見的結垢主要有下面3種類型[7-8](參見圖1)。

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

(1)渦區結垢。主動鉆桿內徑通常小于繩取鉆桿內徑，變徑接頭形似一個不規則的噴嘴。當沖洗液以高速射流形式進入繩取鉆桿后，液流通道突然擴大而產生渦流；同時，沖洗液流束過渡面四周形成負壓區，沖洗液中的固相顆粒不斷卷入負壓區，并在旋轉循環作用下吸附在鉆桿內壁，形成泥垢。

(2)延伸結垢。沖洗液體系中的各種固相顆粒在回轉離心力的作用下，在鉆桿內壁不斷附著和沉積，加上固相顆粒中有機處理劑的強吸附和粘結作用，使得沉積物變得更加結實，形成堅硬的泥皮。在鉆進過程中，隨著時間的推移和沖洗液不斷循環，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，沿軸向從上到下亦由粗到細，最后呈“喇叭”形尖滅。延伸結垢是最主要的結垢形式，也是影響打撈器和內管總成運行的主要因素。

(3)滲漏結垢。鉆桿接頭絲扣加工粗糙或出現偏磨，或者在使用過程中鉆桿絲扣沒有擰緊到底，導致沖洗液失水，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局部積垢。

2 鉆桿內壁結垢預防措施

2.1 沖洗液優選與性能維護

(1)盡可能選擇無固相、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，延長鉆頭壽命，減輕或消除內壁結垢[9-10]。

(2)采用分散性好的泥漿材料，膨潤土與處理劑需提前浸泡，采用攪拌機充分攪拌，使膨潤土和化學處理劑充分溶解。

(3)控制沖洗液固相含量，采用自然沉淀、機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，保證送入孔內的沖洗液固相顆粒粒度<15 μm的含量控制在80%～90%[11-12]。

(4)嚴格控制沖洗液失水量，尤其在水敏性地層，API濾失量≤8 mL。

(5)定期測量沖洗液的密度、流動性(漏斗粘度、表觀粘度、塑性粘度、動切力、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，及時調整沖洗液性能。

2.2 鉆進技術參數優化

(1)轉速控制。降低回轉速度或換用小一級的鉆桿鉆進，能夠降低鉆桿內壁回轉的線速度，減小固相顆粒的離心力，抑制固相顆粒在鉆桿內壁沉積結垢[13]。

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

2.3 其他預防措施

(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，避免鉆桿回轉時擺動較大出現偏心式延伸結垢[15]。

(2)盡量選用通徑較大的主動鉆桿，保證沖洗液同徑循環，減緩或消除渦區結垢。

(3)定期對鉆桿進行檢查，及時更換螺紋損壞和過度偏磨的鉆桿，盡量采用繩索鉆桿液壓鉗緊扣，保證螺紋緊密嚙合，防止出現滲漏結垢。

(4)定期清理提至地表的鉆桿內的泥皮，如采用高壓噴射等[16]。

3 泥皮清理裝置研發

3.1 研發的必要性

如前文所述，針對鉆桿內壁結垢問題，一般采取嚴格控制沖洗液固相含量、降低回轉速度等預防措施，能起到減緩內壁結垢的作用，但也存在一些弊端。如鉆遇復雜地層(松散、破碎、漏失、高應力等)，采取無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，可能無法達到護壁堵漏的目的；降低回轉速度將大幅度降低機械鉆速，無法實現高效鉆進。

在鉆探施工中，如出現鉆桿內壁嚴重結垢影響內管總成運行，通常提出6～8個立柱，然后再打撈巖心。每個鉆進回次結束都需要提出部分鉆柱，不但增加了輔助時間，反復提下鉆抽吸孔壁還會造成孔壁失穩的問題。

目前，尚無行之有效的方法與器具解決繩索鉆桿內壁結泥皮“卡脖子”問題。因此有必要研制一種可以清理泥皮的機械裝置。

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，為刮泥器在孔內起降提供動力，本裝置選用上海地學儀器研究所生產的DJ0348輕便型測井電纜絞車，采用220 V交流供電，具有無級調速、自動排纜、自動剎車等功能。

(2)控制器。控制供電絞車的啟停、升降及運行速度，操作刮泥器井下工作狀態等。

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，電纜長度100 m，導體截面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，結構如圖3所示，刮泥器上部的轉換接頭與鎧裝電纜的連接方式為插接，通過O形圈密封、活絡接頭連接，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程

1-轉換接頭；2-低速電機罩；3-低速電機架；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-橫向滑移內球頭；14-高速電機罩；15-高速電機架；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開槽圓柱頭螺釘；B2-M6×12 mm內六角螺釘；B3-4 mm×4 mm×20 mm平鍵；B4-M6×15 mm開槽圓柱頭螺釘；B5-4 mm×4 mm×20 mm平鍵；B6-61907深溝球軸承；B7-M6×10 mm開槽圓柱頭螺釘；B8-M8×30 mm圓柱銷；B9-1.8×12.5 mm O形圈；B10-開槽圓柱頭螺釘；W1-低速電機；W2-絲杠復位彈簧；W3-109-20機械密封；W4-球頭復位彈簧；W5-緩沖墊片；W6-高速電機

圖3刮泥器結構示意

Fig.3Structureofthemudscraper

(1)刮泥器下放階段。鉆進回次結束，為避免鉆桿內壁結垢影響內管總成打撈，投入打撈器之前，可通過鎧裝電纜將刮泥器下入繩索取心鉆桿內(如圖2所示)。在下放過程中，反扭總成處于收斂狀態，低速電機不工作，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，不與鉆桿內壁接觸；切削總成的高速電機不工作，刮刀在磁鐵吸力作用下處于收斂狀態，如圖4(a)所示。

(2)反扭總成工作。刮泥器下放至一定深度后，啟動低速電機反轉，絲杠螺母帶動滑移錐往下移動直至下部限位，滑移錐在往下滑動過程中對橫向滑移內球頭施加向外的橫向作用力，擠壓回收彈簧，橫向滑移內外球頭在橫向推力作用下向外側滑動；當絲杠螺母下移至下部限位時，橫向滑移外球頭與繩索取心鉆桿的內壁逐漸靠近并緊密貼合，此時關閉低速電機，工作狀態如圖4(b)所示。

(3)回轉切削作業。橫向滑移外球頭與鉆桿內壁完全貼合后，開啟高速電機，刮刀在離心力作用下克服吸力張開，鋸齒狀切削具與繩索取心鉆桿內壁接觸，連續回轉切削實現清理泥皮的目的，刮泥器各機構工作狀態如圖4(c)所示，刮泥器在供電絞車提升過程中完成泥皮清理。

圖4 泥皮清理裝置工作過程示意

(4)切削作業結束。鉆桿內壁泥皮清理結束后，地表供電絞車暫停提升。首先關閉高速電機，刮刀在自重和吸力作用下處于收斂狀態，然后開啟低速電機正轉，通過絲杠機構，絲杠螺母帶動滑移錐往上移動直至上部限位；與此同時，橫向滑移內外球頭在復位彈簧的作用下向內側滑動收斂，反扭球頭與繩索取心鉆桿內壁分離，直至完全收斂于反扭接頭內，如圖4(a)所示，啟動供電絞車將刮泥器提至地表，從而完成回次泥皮清理作業。

3.4 泥皮清理裝置試制與室內實驗

泥皮清理裝置在確定技術方案、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行了組裝調試與室內實驗(如圖5、6所示)，其中，刮泥器適用于P規格繩索取心鉆桿(鉆桿內徑102～103 mm)。

3.4.1 實驗目的

驗證供電絞車與控制器、鎧裝電纜與刮泥器的工作穩定性，尤其是刮泥器的反扭總成的張開與收斂動作的可靠性與準確性。

圖5 泥皮清理裝置室內實驗

圖6 刮泥器反扭總成工作狀態

3.4.2 實驗結論

(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實現在控制器操作下實現收斂與張開，收斂狀態時外徑≯89 mm，可完全收斂于回收室內，張開狀態時球頭外徑為102.50 mm，在設計范圍之內。

(3)刮泥器的切削總成工作平穩無振動，切削轉速為300 r/min；在液面下自由回轉時刮刀翼展超過85°；在?114 mm鉆桿內部回轉切削見明顯劃痕；室內實驗證明切削總成的扭矩與離心力可達到清除堅硬泥皮的效果。

4 結論與建議

(1)本文總結了鉆桿內壁結垢的規律，在分析結垢成因與影響因素的基礎上，從鉆進規程參數、沖洗液性能、鉆孔結構與鉆具等方面提出了鉆桿內壁結垢的預防措施，為生產實踐提供了一定的參考，可在一定程度上減輕或消除鉆桿內壁結垢現象。

(2)創新研制了泥皮清理裝置可按需要清理鉆桿內壁的吸附物或泥皮。相比于被動的“降低轉速”、“提立根”等措施，不會改變金剛石鉆探“高轉速”的技術特點，可以選用最優的鉆進參數，降低吸附物對鉆桿的腐蝕，真正實現高效安全鉆進，最大限度地發揮繩索取心鉆進技術的優勢。

(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，改善刮泥器與鉆桿內壁相對運動形式，尋找典型礦區進行井下試驗，并形成H規格、P規格等系列化產品，真正應用于地質鉆探生產實踐中，摘掉鉆桿結泥皮的“緊箍咒”。