CSP75 繩索取心鉆具在煤田勘探中的應(yīng)用

劉洪亮，蔡 知

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325 地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000）

1 概述

傳統(tǒng)普通繩索取心鉆具工藝效率低下，生產(chǎn)要素浪費(fèi)大，生產(chǎn)成本高，雖能以分段取心手段來提高生產(chǎn)效率、降低勘探成本，但犧牲了準(zhǔn)確性，成果質(zhì)量難言保證，嚴(yán)重時會造成巨大損失。同時，繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件配合間隙小，循環(huán)液通道小（過流通道及面積小），鉆柱、鉆具系列（套管、鉆桿、鉆具口徑系列）結(jié)構(gòu)固定，泥漿性能和鉆進(jìn)參數(shù)要求高，但煤田勘探環(huán)境惡劣，這些傳統(tǒng)的繩索取心鉆具就會顯得“嬌氣”，作業(yè)效果不理想。

2 存在問題

現(xiàn)有普通繩索取心鉆具適用于非煤固體地質(zhì)鉆探，在深孔煤田勘探時其通流能力小，不能使用較大流量泥漿，與煤田鉆探必須使用泥漿護(hù)壁的特點(diǎn)形成了矛盾。

（1）煤田鉆探使用泥漿護(hù)壁，稠度和粘度相對較高，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，泵壓相對較高，鉆桿外環(huán)隙小而流速高，沖刷孔壁嚴(yán)重，難以形成護(hù)壁膜（泥皮），從而加劇孔壁失穩(wěn)；鉆桿內(nèi)通流面大而流速低，內(nèi)壁易結(jié)垢，致內(nèi)管總成撈投失敗而引發(fā)事故；鉆具內(nèi)外管總成通流能力小，形成局部高流速沖刷破壞作用。

（2）煤田地層結(jié)構(gòu)不致密，鉆進(jìn)多屬切削或刮削破碎，粗粒巖屑含量較高，且較難徹底清除，即通常所說的泥漿中固體含量高，這些物質(zhì)不僅是內(nèi)壁結(jié)垢組分，而且對繩索鉆具系統(tǒng)總成間隙配合沖刷破壞巨大，均會導(dǎo)致繩索取心鉆具內(nèi)管系統(tǒng)總成定位、撈投失敗。

針對傳統(tǒng)普通繩索取心工藝在煤田勘探中存在的這些問題，本文介紹CSP75 繩索取心鉆具在深孔煤田勘探中的應(yīng)用。

3 CSP75 繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)原理

CSP75 型煤層繩索取心器內(nèi)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上下兩個機(jī)構(gòu)，上部為CNQ75 煤田繩索取心器懸掛打撈機(jī)構(gòu)，下部為滑動機(jī)構(gòu)及二重管取心器。二重管機(jī)構(gòu)由第一層內(nèi)管+攔簧機(jī)構(gòu)、第二層容納管（半合管）+卡簧機(jī)構(gòu)組成，配合滑動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)攔簧的張開與收攏功能。投放時第一層內(nèi)管+攔簧系統(tǒng)落座鉆頭到位后，懸掛機(jī)構(gòu)和容納管+卡簧機(jī)構(gòu)在重力及慣性作用下，繼續(xù)向下滑移（滑動機(jī)構(gòu)）撐開攔簧，同時懸掛機(jī)構(gòu)落座到位限位；打撈時提拉懸掛機(jī)構(gòu)帶動容納管上移，攔簧自動收攏包底后牽引內(nèi)管總成一并上行，實(shí)現(xiàn)兜底包鑲式取心，松散巖煤心在內(nèi)管總成提升過程中不宜脫落，提高巖心的采集成功率。

3.2 鉆具結(jié)構(gòu)

CSP75 型煤層繩索取心器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示，主要包括外管系統(tǒng)（包括球卡室、外管和鉆頭）和內(nèi)管懸掛定位系統(tǒng)。取心部分的內(nèi)管系統(tǒng)分為下懸掛機(jī)構(gòu)、滑動機(jī)構(gòu)（花鍵系統(tǒng)）、二重管取心機(jī)構(gòu)。

圖1 CSP75 型煤層繩索取心器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of No.csp75 coal seam wire line coring device

圖2 CSP75 型煤層繩索取心器現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.2 Field picture of No.csp75 coal seam wire line coring device

二重管取心機(jī)構(gòu)包括第一層內(nèi)管+攔簧、第二層容納管+卡簧，下懸掛機(jī)構(gòu)與第二層容納管剛性連接，滑移機(jī)構(gòu)與第一層內(nèi)管剛性連接，第二層容納管可在第一層內(nèi)管上下滑動。具體構(gòu)成為：由外向內(nèi)，第一層內(nèi)管總成包含內(nèi)管、攔簧和包鑲式攔簧座，包鑲式攔簧座設(shè)置在內(nèi)管上，攔簧鑲嵌在包鑲式攔簧座內(nèi)；第二層容納管總成包括煤心容納管、內(nèi)卡座和內(nèi)卡簧，內(nèi)卡座設(shè)置在容納管上，三者絲扣連為一體，內(nèi)卡簧設(shè)置在內(nèi)卡座上，在內(nèi)管內(nèi)可上下軸向滑動。攔簧自然狀態(tài)向內(nèi)彎曲，可全斷面包封容納管底口，如圖3、圖4 所示。

圖3 攔簧機(jī)構(gòu)Fig.3 Spring retaining mechanism

圖4 攔簧機(jī)構(gòu)與鉆頭工作狀態(tài)Fig.4 Working state of spring retaining mechanism and drilling bit

內(nèi)管攔簧座中攔簧具有張開和收抱功能，容納管內(nèi)卡簧具有抱卡功能，在煤層鉆進(jìn)采用底噴內(nèi)齒超前先壓后轉(zhuǎn)式工藝，內(nèi)管總成單動性可使煤心減少擾動而成“柱狀”，煤心采心先由內(nèi)卡簧輕度抱卡，打撈時上提內(nèi)具使攔簧收抱兜底包封，即對煤心采取起到二次保護(hù)作用，保證了松散煤心（破碎巖心）在提升過程中不脫落，提高了采集成功率。滑動桿主軸中空，上部鋼球?yàn)閱蜗蜷y，取心鉆進(jìn)時煤心（巖心）進(jìn)入容納管，管內(nèi)液體從此排出，打撈過程中，鋼球封住主軸通道，隔離泥漿液柱壓力，使管內(nèi)煤心（巖心）不承壓，保證不脫落。

3.3 SSR 型內(nèi)封單動鉆頭

繩索取心鉆具外管系統(tǒng)與內(nèi)管系統(tǒng)屬單動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，鉆進(jìn)中外管系統(tǒng)不僅旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而且軸向運(yùn)動，而內(nèi)管系統(tǒng)僅軸向同步運(yùn)動。鉆具內(nèi)管與鉆頭之間都有間隙，是沖洗液的過流通道。而SSR 型內(nèi)封單動鉆頭使內(nèi)管與鉆頭緊密接合，因而在鉆頭內(nèi)設(shè)置了軸承機(jī)構(gòu)。內(nèi)管卡簧座（攔簧座）的下部設(shè)有密封倒角，單動旋轉(zhuǎn)軸承上部也設(shè)有與之匹配的密封倒角，軸承使鉆頭與內(nèi)管旋轉(zhuǎn)運(yùn)動分離，保證單動。內(nèi)管總成到位后，卡簧座下部與軸承上部密封倒角匹配閉合，既實(shí)現(xiàn)單動旋轉(zhuǎn)，又截?cái)嗄酀{流經(jīng)鉆頭內(nèi)側(cè)，使沖洗液從鉆頭增強(qiáng)外水口流出，避免沖刷松散層的巖心，如圖5、圖6 所示。

圖5 內(nèi)封單動鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of inner seal single moving drilling bit

圖6 SSR內(nèi)封單動鉆頭Fig.6 SSR inner seal single moving drilling bit

鉆頭采用直通道底噴+增強(qiáng)外側(cè)水口型式，即俗稱側(cè)噴式鉆頭，外側(cè)水口過流通道較普通側(cè)噴鉆頭有所加大。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)刻取松散煤層巖心時，鉆頭內(nèi)水道封閉，泥漿經(jīng)過鉆頭的增強(qiáng)外水口流出，同時加大了增強(qiáng)外水口的過流通路。容納巖心的內(nèi)管卡簧座與鉆頭單動軸承套緊密接觸，實(shí)現(xiàn)單動旋轉(zhuǎn)卡簧座與鉆頭體之間相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，鉆頭與內(nèi)管總成相對轉(zhuǎn)動。

當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)刻取松散煤層巖心時，泥漿被封閉系統(tǒng)與煤層松散巖心隔離，鉆頭內(nèi)單動機(jī)構(gòu)，使內(nèi)管系統(tǒng)與鉆頭剛體接觸，且不隨鉆頭旋轉(zhuǎn)，巖心進(jìn)入容納管不受扭轉(zhuǎn)擾動，保護(hù)巖心能夠順利進(jìn)入。

3.4 鉆具整體合理性

CSP75 型煤層繩索取心器、SSR 型內(nèi)封單動鉆頭在松散層如煤層中組合使用，使鉆具系統(tǒng)各部位泥漿流動合理，各部件功能可靠，各機(jī)構(gòu)合理配合，實(shí)現(xiàn)了整體功能和效果。

鉆具懸掛定位機(jī)構(gòu)上下兩排有彈簧支撐鋼球，不僅定位可靠，而且撈投過程流暢，解決了傳統(tǒng)鉆具彈卡凸臺與繩索鉆桿接頭處內(nèi)壁變徑處的阻擋，尤其是當(dāng)鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢（此處是結(jié)垢最嚴(yán)重部位）時能夠順利通過，提高了撈投成功率。

外管系統(tǒng)和內(nèi)管系統(tǒng)構(gòu)成的泥漿內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，流通路徑盡可能少繞彎，少變徑，途徑截面積變化合理，雙管內(nèi)狀間隙的橫截面小于鉆頭水口的橫截面，鉆頭水口的橫截面小于外管系統(tǒng)和孔壁之間構(gòu)成的外環(huán)狀間隙的橫截面，這種由小到大的水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使自懸掛定位系統(tǒng)部位引起的壓力水頭向后逐步釋放，在同樣的供水量下可穩(wěn)定泵壓，減小鉆具因水流不穩(wěn)定作用的振動，同時還減小鉆頭水壓，減小對鉆頭的過度沖刷，延長鉆頭的壽命。

4 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用情況

2013 年3 月4 日野外生產(chǎn)試驗(yàn)鉆孔（科研一孔）正式開鉆，9 月17 日終孔，歷時196 d。3 月20 日3層套管安放完畢。孔深359.90～1 162.02 m 為繩索取心鉆進(jìn)，日期為3 月21 日—6 月22 日，其中6 月11日以前生產(chǎn)較為正常，鉆進(jìn)至1 157.27 m出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌（始點(diǎn)1 152 m），處理后繼續(xù)勉強(qiáng)鉆進(jìn)至1 162.02 m，此后坍塌進(jìn)一步惡化發(fā)展，采用多工藝鉆進(jìn)至終孔，耗時3 個多月，鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見表1。鉆孔地層復(fù)雜，將繩索取心段劃分為3 類特性層，見表2。

表1 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)Table 1 Drilling technology parameters

續(xù)表

表2 地層特性類別劃分Table 2 Classification of stratigraphic characteristics

斷層破碎帶5 層、可采煤層9 層、薄煤層10層及炭質(zhì)泥巖8 層，分布于不同深度，地層整體完整性極差。397.40～405.99 m 坍塌2 次，1 152 m以下幾乎處于坍塌狀態(tài)。

5 結(jié) 論

通過在科研一孔的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了CSP75 型煤層繩索取心器的可行性和有效性。

（1）CSP75 型煤層繩索取心鉆具內(nèi)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上下兩個機(jī)構(gòu)，上部為繩索取心器懸掛打撈機(jī)構(gòu)，下部為滑動機(jī)構(gòu)及二重管取心器，提高了內(nèi)管投放和打撈速度。

（2）CSP75 型煤層繩索取心鉆具取心部位采用攔簧和包鑲式攔簧座，提高了保證了松散煤心（破碎巖心）在提升過程中不脫落，提高了松散煤心的采集成功率。

（3）CSP75 型煤層繩索取心鉆具在科研一孔成功應(yīng)用，提高了鉆探效率，降低了孔內(nèi)事故率，降低了施工成本，減輕了勞動強(qiáng)度，應(yīng)用效果良好。