绳索取心钻杆内壁结垢成因与预防及清理装置的研发

李 宽， 李鑫淼， 韩丽丽， 张永勤

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

金刚石绳索取心钻进具有钻进效率高、取心质量好、时间利用率高、劳动强度低、钻头寿命长、钻探成本低等突出优点，目前已广泛应用于固体矿产勘查、煤田地质勘探、油气资源基础调查、水文地质与环境地质调查等领域[1-3]。在地质钻探中，由于冲洗液选择或维护不当、钻进技术参数选择不合理等因素，在钻杆内壁容易出现泥垢或泥皮，对钻探施工造成以下几个方面的影响：

(1)钻杆内壁吸附的泥垢主要成分是固相颗粒(膨润土、加重剂等)、岩粉与未完全溶解的化学处理剂，化学试剂对钻杆产生腐蚀，缩短了钻杆的使用寿命，降低了钻杆的强度，埋下了安全隐患[4-5]。

(2)钻杆内壁结垢直接影响了打捞器和内管总成在钻杆柱中的运行，造成投不下打捞器，或者发生打捞器与内管总成在提升过程中卡阻或卡死现象。一旦出现卡死，只能将孔内的部分或全部钻柱提至地表进行处理[6]。

(3)内管总成在钻杆柱中起下会对孔壁产生抽吸和挤压作用，内壁结垢导致钻杆内径减小，抽吸和挤压作用更明显，易抽垮或挤塌不稳定地层，出现掉块、垮塌等，孔壁失稳易导致卡钻、憋钻、钻杆折断等事故。

1 结垢类型与结垢成因

绳索取心钻进过程中，常见的结垢主要有下面3种类型[7-8](参见图1)。

图1 绳索取心钻杆内壁结垢类型及成因Fig.1 Type and cause of mud scaling on inner wallof wire-line drilling rod

(1)涡区结垢。主动钻杆内径通常小于绳取钻杆内径，变径接头形似一个不规则的喷嘴。当冲洗液以高速射流形式进入绳取钻杆后，液流通道突然扩大而产生涡流；同时，冲洗液流束过渡面四周形成负压区，冲洗液中的固相颗粒不断卷入负压区，并在旋转循环作用下吸附在钻杆内壁，形成泥垢。

(2)延伸结垢。冲洗液体系中的各种固相颗粒在回转离心力的作用下，在钻杆内壁不断附着和沉积，加上固相颗粒中有机处理剂的强吸附和粘结作用，使得沉积物变得更加结实，形成坚硬的泥皮。在钻进过程中，随着时间的推移和冲洗液不断循环，积垢逐渐向钻柱下部延伸。延伸式垢层具有一般沉积相的颗粒分选特征，沿径向颗粒按由粗到细，沿轴向从上到下亦由粗到细，最后呈“喇叭”形尖灭。延伸结垢是最主要的结垢形式，也是影响打捞器和内管总成运行的主要因素。

(3)渗漏结垢。钻杆接头丝扣加工粗糙或出现偏磨，或者在使用过程中钻杆丝扣没有拧紧到底，导致冲洗液失水，固相颗粒在泄露处架桥并形成泥饼，在钻杆接头连接处偶尔出现局部积垢。

2 钻杆内壁结垢预防措施

2.1 冲洗液优选与性能维护

(1)尽可能选择无固相、超低固相与低固相冲洗液，冲洗液密度一般控制在1.02～1.04 g/cm3。降低固相含量，能减少钻头磨耗，延长钻头寿命，减轻或消除内壁结垢[9-10]。

(2)采用分散性好的泥浆材料，膨润土与处理剂需提前浸泡，采用搅拌机充分搅拌，使膨润土和化学处理剂充分溶解。

(3)控制冲洗液固相含量，采用自然沉淀、机械固控等措施尽可能降低冲洗液中的泥砂含量，保持冲洗液的清洁，保证送入孔内的冲洗液固相颗粒粒度<15 μm的含量控制在80%～90%[11-12]。

(4)严格控制冲洗液失水量，尤其在水敏性地层，API滤失量≤8 mL。

(5)定期测量冲洗液的密度、流动性(漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等)、滤失造壁性(滤失量、泥饼厚度、泥饼性能等)、pH值、含砂量等，及时调整冲洗液性能。

2.2 钻进技术参数优化

(1)转速控制。降低回转速度或换用小一级的钻杆钻进，能够降低钻杆内壁回转的线速度，减小固相颗粒的离心力，抑制固相颗粒在钻杆内壁沉积结垢[13]。

(2)泵量控制。冲洗液在下行过程中同时受到水平方向和垂直方向的作用力，在钻杆中做螺旋运动；采用大泵量循环将提高其在钻杆内的流速，从而使冲洗液在钻杆内尽量保持垂直运动，降低水平方向的离心运动，减轻冲洗液中的固相颗粒粘附在钻杆内壁上[14]。

2.3 其他预防措施

(1)要求绳索取心钻杆弯曲度≯0.75 mm/m，钻杆外径与钻孔直径的比值宜为1.07～1.12，避免钻杆回转时摆动较大出现偏心式延伸结垢[15]。

(2)尽量选用通径较大的主动钻杆，保证冲洗液同径循环，减缓或消除涡区结垢。

(3)定期对钻杆进行检查，及时更换螺纹损坏和过度偏磨的钻杆，尽量采用绳索钻杆液压钳紧扣，保证螺纹紧密啮合，防止出现渗漏结垢。

(4)定期清理提至地表的钻杆内的泥皮，如采用高压喷射等[16]。

3 泥皮清理装置研发

3.1 研发的必要性

如前文所述，针对钻杆内壁结垢问题，一般采取严格控制冲洗液固相含量、降低回转速度等预防措施，能起到减缓内壁结垢的作用，但也存在一些弊端。如钻遇复杂地层(松散、破碎、漏失、高应力等)，采取无固相或低固相冲洗液不能满足悬浮加重剂或堵漏剂的要求，可能无法达到护壁堵漏的目的；降低回转速度将大幅度降低机械钻速，无法实现高效钻进。

在钻探施工中，如出现钻杆内壁严重结垢影响内管总成运行，通常提出6～8个立柱，然后再打捞岩心。每个钻进回次结束都需要提出部分钻柱，不但增加了辅助时间，反复提下钻抽吸孔壁还会造成孔壁失稳的问题。

目前，尚无行之有效的方法与器具解决绳索钻杆内壁结泥皮“卡脖子”问题。因此有必要研制一种可以清理泥皮的机械装置。

3.2 泥皮清理装置的组成

研制的泥皮清理装置如图2所示，主要包括供电绞车、控制器、铠装电缆、刮泥器等4部分。

(1)供电绞车。放置于地表，为刮泥器在孔内起降提供动力，本装置选用上海地学仪器研究所生产的DJ0348轻便型测井电缆绞车，采用220 V交流供电，具有无级调速、自动排缆、自动刹车等功能。

(2)控制器。控制供电绞车的启停、升降及运行速度，操作刮泥器井下工作状态等。

图2 泥皮清理装置组成

(3)铠装电缆。具有起下刮泥器、为刮泥器输送电力等功能，选用四芯氟橡胶绝缘钢丝铠装承荷电缆，电缆长度100 m，导体截面1.5 mm2，电缆拉断力10 kN，外径8.0 mm，弯曲直径450 mm。

(4)刮泥器。为泥皮清理装置的核心部件，结构如图3所示，刮泥器上部的转换接头与铠装电缆的连接方式为插接，通过O形圈密封、活络接头连接，主要由反扭总成和切削总成两部分组成。

3.3 泥皮清理装置工作过程

1-转换接头；2-低速电机罩；3-低速电机架；4-丝杠；5-丝杠螺母；6-六方套限位外管；7-六方套；8-滑移锥；9-外管短接；10-回收室；11-回收室压盖；12-横向滑移外球头；13-横向滑移内球头；14-高速电机罩；15-高速电机架；16-传输轴；17-密封罩；18-轴承隔离套；19-刀架；20-刀柄；21-刮刀座；22-刮刀片；B1-M6×15 mm开槽圆柱头螺钉；B2-M6×12 mm内六角螺钉；B3-4 mm×4 mm×20 mm平键；B4-M6×15 mm开槽圆柱头螺钉；B5-4 mm×4 mm×20 mm平键；B6-61907深沟球轴承；B7-M6×10 mm开槽圆柱头螺钉；B8-M8×30 mm圆柱销；B9-1.8×12.5 mm O形圈；B10-开槽圆柱头螺钉；W1-低速电机；W2-丝杠复位弹簧；W3-109-20机械密封；W4-球头复位弹簧；W5-缓冲垫片；W6-高速电机

图3刮泥器结构示意

Fig.3Structureofthemudscraper

(1)刮泥器下放阶段。钻进回次结束，为避免钻杆内壁结垢影响内管总成打捞，投入打捞器之前，可通过铠装电缆将刮泥器下入绳索取心钻杆内(如图2所示)。在下放过程中，反扭总成处于收敛状态，低速电机不工作，丝杠螺母、滑移锥等处于上部限位，反扭球头完全收敛在回收室内，不与钻杆内壁接触；切削总成的高速电机不工作，刮刀在磁铁吸力作用下处于收敛状态，如图4(a)所示。

(2)反扭总成工作。刮泥器下放至一定深度后，启动低速电机反转，丝杠螺母带动滑移锥往下移动直至下部限位，滑移锥在往下滑动过程中对横向滑移内球头施加向外的横向作用力，挤压回收弹簧，横向滑移内外球头在横向推力作用下向外侧滑动；当丝杠螺母下移至下部限位时，横向滑移外球头与绳索取心钻杆的内壁逐渐靠近并紧密贴合，此时关闭低速电机，工作状态如图4(b)所示。

(3)回转切削作业。横向滑移外球头与钻杆内壁完全贴合后，开启高速电机，刮刀在离心力作用下克服吸力张开，锯齿状切削具与绳索取心钻杆内壁接触，连续回转切削实现清理泥皮的目的，刮泥器各机构工作状态如图4(c)所示，刮泥器在供电绞车提升过程中完成泥皮清理。

图4 泥皮清理装置工作过程示意

(4)切削作业结束。钻杆内壁泥皮清理结束后，地表供电绞车暂停提升。首先关闭高速电机，刮刀在自重和吸力作用下处于收敛状态，然后开启低速电机正转，通过丝杠机构，丝杠螺母带动滑移锥往上移动直至上部限位；与此同时，横向滑移内外球头在复位弹簧的作用下向内侧滑动收敛，反扭球头与绳索取心钻杆内壁分离，直至完全收敛于反扭接头内，如图4(a)所示，启动供电绞车将刮泥器提至地表，从而完成回次泥皮清理作业。

3.4 泥皮清理装置试制与室内实验

泥皮清理装置在确定技术方案、完成各零部件的加工后，在苏州市新地探矿工具有限公司进行了组装调试与室内实验(如图5、6所示)，其中，刮泥器适用于P规格绳索取心钻杆(钻杆内径102～103 mm)。

3.4.1 实验目的

验证供电绞车与控制器、铠装电缆与刮泥器的工作稳定性，尤其是刮泥器的反扭总成的张开与收敛动作的可靠性与准确性。

图5 泥皮清理装置室内实验

图6 刮泥器反扭总成工作状态

3.4.2 实验结论

(1)泥皮清理装置各部件均能正常工作，供电绞车可为刮泥器起降提供足够的提升力，控制器可准确控制供电绞车与刮泥器的工作，铠装电缆可满足承载与供电需求。

(2)刮泥器的反扭总成能够实现在控制器操作下实现收敛与张开，收敛状态时外径≯89 mm，可完全收敛于回收室内，张开状态时球头外径为102.50 mm，在设计范围之内。

(3)刮泥器的切削总成工作平稳无振动，切削转速为300 r/min；在液面下自由回转时刮刀翼展超过85°；在Ø114 mm钻杆内部回转切削见明显划痕；室内实验证明切削总成的扭矩与离心力可达到清除坚硬泥皮的效果。

4 结论与建议

(1)本文总结了钻杆内壁结垢的规律，在分析结垢成因与影响因素的基础上，从钻进规程参数、冲洗液性能、钻孔结构与钻具等方面提出了钻杆内壁结垢的预防措施，为生产实践提供了一定的参考，可在一定程度上减轻或消除钻杆内壁结垢现象。

(2)创新研制了泥皮清理装置可按需要清理钻杆内壁的吸附物或泥皮。相比于被动的“降低转速”、“提立根”等措施，不会改变金刚石钻探“高转速”的技术特点，可以选用最优的钻进参数，降低吸附物对钻杆的腐蚀，真正实现高效安全钻进，最大限度地发挥绳索取心钻进技术的优势。

(3)为提高泥皮清理效果，刮泥器需要选用大功率(≮300 W)、小口径(≯50 mm)、380 V供电的微型电机，改善刮泥器与钻杆内壁相对运动形式，寻找典型矿区进行井下试验，并形成H规格、P规格等系列化产品，真正应用于地质钻探生产实践中，摘掉钻杆结泥皮的“紧箍咒”。