王杰 王旭
新疆煤田地质局一六一煤田地质勘探队 新疆乌鲁木齐市 830009
摘要：近年来，我国对煤田资源的需求不断增加，绳索取心钻进发展非常迅速，在钻探工作中所占的比重越来越高，得到普遍推广。钻进效率与取心质量逐年提高，已成为当今钻探生产中重要的取心钻进方式。主要研究绳索取心钻具的技术要求，钻杆、附属设备及其工具等问题。
关键词:煤田地质钻探;绳索取心钻进;技术;装备
引言
为了充分发挥无固相钻井液在深部绳索取心钻探中的优势，并提高其防塌、处理井内垮塌以及应对多种污染物的能力，在室内开展了基于聚乙烯醇为抑制剂，以XC为流型调节剂的一种无固相防塌钻井液室内研究。
1取心工艺
该类地层采用常规绳索取心技术和提钻取心技术进行施工时，泥浆容易将砂砾直接冲刷掉，无法取出岩心样品，而且采用提钻取心技术钻进提取岩心时钻孔立刻出现垮塌，无法成孔，出现反复取垮塌岩心的现象。跟管钻进能够解决成孔困难的问题，其关键点在于跟管钻头的设计，要求采用耐高温硬质合金，硬质合金厚度与钻具厚度保持一致，确保后续跟管钻进能够顺利进行。因地层特别容易垮塌，外层套管在遇到一定阻力之后就停止向下跟管，以防钻头磨损严重甚至掉齿，造成提钻换钻头而跨孔的风险。当无法向下钻进后采取小口径钻具穿过外层套管钻取内部岩心，当小口径钻具超过外层套管0.5~1m后及时跟进外层套管，以防超前钻进太多，提钻取心后钻孔垮塌，下个回次无法取得新鲜的岩心。无水干钻提钻取心技术能够解决岩心因泥浆冲刷而丢失的难题。采用短钻具+?50mm钻杆，采用小回次、勤起钻、勤换钻头的方式进行干钻施工。由于钻进过程中没有泥浆对钻头的冷却，不能使用容易烧钻的金刚石钻头，只能选择耐高温的硬质合金钻头。在钻进过程中对操作者要求较高，如果把控不好，取不出岩心，如果干钻时间过长，钻头出现烧结和掉齿，严重影响钻头使用寿命，因此采取小回次钻进，通过勤起钻的方式来解决钻头冷却问题。因钻头磨损和掉齿较为严重，外层套管尽量不做强力跟管，采用勤换掏心方式进行跟管钻进。采取跟管钻进+无水干钻提钻取心方法，能够有效解决成孔和取心两个难题，现场多次试验后取得了很好的效果，岩心采取率基本达到100%。
2煤田地质钻探中绳索取心钻进技术与装备
2.1液动冲击绳索取心钻具
（1）基本机构。液动冲击绳索取心钻具主要由5个模块组成，分别为打捞悬挂机构、冲击机构、岩心筒、岩心卡取机构和取心钻头，组装拆卸方便。打捞悬挂机构，能够与外管总成配合，悬挂、固定钻具，并带动钻具一起旋转钻进取样。在钻进结束后，打捞器与该机构连接，回收取心钻具。冲击机构能够依靠钻井液启动冲击锤，实现冲击回转钻进。岩心卡取机构能卡住岩心，防止岩心掉落。取心钻头超前外管总成100~300mm，能提前进入地层，减小泥浆对岩心的冲刷。（2）工作原理。液动冲击绳索取心钻具能够在固结的沉积物、硬地层、软-硬相互交替地层中进行取样。其基本工作原理是在硬地层中钻进时，取心钻具随井底钻具组合一同旋转，冲击机构利用钻进过程中泥浆泵供给的冲洗液中的能量，连续不断地对下部钻具施加一定频率的冲击载荷，从而实现冲击回转钻进。该型钻具在软地层中钻进时，冲击机构不启动，只进行回转钻进。
2.2保压取心钻具工作过程
当在工作状态时，内管总成中的弹卡板受到外管总成中弹卡室的径向约束（1），使得收卡筒沿轴向上移一段距离（2），此时收卡筒对拨叉中的拨叉滚轮起限位作用（3），迫使拨叉绕圆柱销发生转动（4），触发拨叉动作，将单向阀的阀芯顶开（5），确保在钻进过程中单向阀始终处于开启状态，形成排水通路。当钻进结束后，利用打捞机构将内管总成快速提至孔口，弹卡室对弹卡板的径向约束解除，收卡筒沿轴向下移复位，收卡筒对拨叉滚轮的限位解除，拨叉复位，单向阀关闭，实现内管总成上端部的密封。通过机械手将内管总成移至钻机本体上的下端部保压帽拧卸处，拧卸装置将暂存在其内部的下端部保压帽与卡簧座连接，配合下端部保压帽中的密封圈，实现对内管总成下端的密封。
2.3绳索取心绞车
绳索取心绞车专用于下放打捞器以打捞内岩心管，该绞车由小链轮、大链轮、离合器、离合手把、卷简等部件组成。液压绞车由液压马达驱动。采用YMC－40型摆线马达，当流量为60L/min时，液压马达转速为20r/min，转矩可达400N·m，这种绞车结构简单，可无级变速，操作、安装方便，用2根油管与钻机的液压操纵阀连接，即可工作。
2.4保压取心钻具室内保压测试
钻具样机试制后，进行了室内保压测试。综合考虑海底天然气水合物赋存水深和海底钻机最大作业水深的要求，保压取心钻具最大保压能力应能达到 25 MPa。第一步向内管总成中注满水，并拧上保压帽从室外借助手摇加压泵给钻具内部进行加压，以 5 MPa 为间隔并观察压力表的数值变化，检查钻具的密封连接处和保压帽处是否存在漏水现象。按照设计要求需要将最大压力加压到30 MPa，检查钻具的稳压性能和装配质量。第二步将在外部检查合格的保压钻具内管总成放入深水压力仓中进一步测试钻具的保压性能。深水压力仓测试能够模拟从海底回收的过程中钻具内外压差不断变化的过程，通过控制深水压力仓的卸压速度能够模拟钻机回收的速度，其保压性能的测试结果更加接近于实际工况。
3存在问题及处理措施
3.1原因分析
据分析岩心综合采取率低主要是因为礁灰岩地层结构具有如下特点造成：（1）珊瑚礁地层破碎、孔洞发育，地层具有空间格架的特点，岩石量本来就少；（2）地层岩石具有强度低、易脆碎等特点；（3）较多空洞使得断肢容易向下方掉落，不易进入钻具内部；（4）软硬互层钻进时硬岩不可避免地要将软岩往外推，造成部分软岩无法进入岩心管；（5）在钻进过程中，当出现岩层明显变化时，不能够及时调整钻进工艺，造成小部分孔段岩心的缺失，无法达到百分之百的取心效果。
3.2处理措施
（1）为保证岩心采取率，绳索取心钻具采取避冲刷（侧喷钻头）、避震、避磨，短回次、勤提钻、慢提升等多种措施综合使用。（2）采取无水干钻取心钻进时尽量短回次，避免弱胶结岩心磨损，提钻前轻压慢磨3~5min，保证钻头处岩心略有固结，提钻时岩心不易掉落。
结语
综上所述，针对不同岩层采用多种取心工艺相结合的钻进方法，大大提高了岩心采取率，达到地质要求。绳索取心泥浆静压活塞取心钻具在特别软-软的地层中进行钻探应用时，能保证岩心采取率，采样过程中内岩心管快速压入地层，能够降低样品扰动。我国于20世纪下半叶初开始研制了绳索取心钻具，陆续研制成功了适合于各种条件钻进用的和不同规格的绳索取心钻具，并得到普遍推广。钻进效率与取心质量逐年提高，已成为当今钻探生产中重要的取心钻进方式。
参考文献
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