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绳索取心振动防堵钻具的试验研究  PDF

  • 王志祥 ✉
  • 韩庆
  • 欧涛
四川省第七地质大队深地资源勘查研究中心，四川 乐山 614099

中图分类号： P634.4

最近更新：2024-11-08

DOI：10.12143/j.ztgc.2024.S1.021

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摘要

常规绳索取心钻具在钻进破碎地层时易发生岩心堵塞，回次长度缩短，钻进效率降低，深孔时则尤为明显。现阶段绳索取心液动锤技术具有优秀的岩心防堵功能，但因其结构复杂、技术要求高、价格偏贵等原因普及度不高，缺乏具有良好岩心防堵功能的绳索取心钻具。研制了HQFD型绳索取心振动防堵钻具，其中防堵内管总成是研究核心，保持与常规H规格内管总成长度与直径不变进行定尺寸研发，利于实现内管总成间的高效替换。该钻具高效振动的泵量需求与H规格规范推荐泵量吻合度高，附加泵压低，能以最小投入实现岩心防堵功能。初步完成了HQFD型振动防堵钻具的振动原理选择、功能机构布局、振动效果测评等工作，为绳索取心岩心防堵提供了新的选择。

0 引言

现阶段地质岩心钻探已普及绳索取心钻进技术，其具有钻进效率高、辅助时间短、劳动强度低、取心质量好等诸多优点。近20年来，常规绳索取心钻具结合工程应用不断优化改进，耐用性、可靠性得到大幅提升［

1-5］。该钻具为单动双管钻具，即钻具外管旋转带动钻头克取岩石，钻具内管则保持相对静止，以减少岩心磨损。当钻进破碎地层时，岩心沿节理面可产生相对滑移，易在静止内管壁形成卡阻，出现岩心堵塞而被迫中止钻进。岩心堵塞致使单回次可实现的进尺被迫多回次才能实现，大幅度增加打捞岩心、投放内管、循环冲孔等辅助时间，特别在深孔钻进时将严重影响施工效率。

为此，开展了岩心防堵技术的研究。

1 问题的提出

1.1 研究意义

岩心防堵技术可提升钻进效率，根据相关报表及经验，在不同孔深条件下按不同回次长度进行钻进耗时统计分析，并做如下合理假设：（1）地层破碎程度、可钻性等级一致，纯钻进时效统一设定为2 m/h；（2）将单回次耗时工序分为纯钻进、内管打捞、取出岩心、内管投放、开钻前冲孔等，设定各工序效率一致，则内管打捞时间、内管投放时间与钻孔深度成正比例关系，取出岩心时间基本固定，开钻前冲孔时间随钻孔深度略有增加。耗时合计数据如图1所示。

图1  不同孔深条件下按不同回次长度钻进3m进尺耗时统计

由图1可知，当孔深一定时，3 m进尺耗时随回次钻进长度增加明显降低，例如孔深2000 m时，按0.2、0.5、1、2、3 m的不同回次进尺钻进3 m，所用时间可从1815 min逐渐降低到780、435、262.5、205 min，钻进效率提升明显。该统计数据假设为正常返水孔，实际施工中若为漏水孔，提升回次进尺长度，可减少开钻前冲孔次数，将降低冲洗液消耗，也利于施工安全。因此，研究绳索取心岩心防堵技术具有重要现实意义。

1.2 岩心防堵技术现状

绳索取心液动锤技术具有优秀的岩心防堵功能，该技术在常规绳索取心内管总成上端增加了长约1 m的液动锤，液动锤利用冲洗液产生高频冲击，绝大部分冲击能量通过承冲环传到外管钻头以达到加速碎岩的效果，少部分冲击能量可传到内管以实现岩心防堵功能［

6-9］。该技术整体优点突出，但普及度不高，原因是：（1）钻具结构复杂，液动锤各组件环状间隙小，冲洗液中若存在固相粗颗粒，则易形成卡阻而无法工作，恢复功能需要频繁拆卸清洗；（2）技术要求高，对泥浆泵的泵量泵压、钻杆强度等都有一定要求，钻具尺寸太长增加了操作流程复杂度，打捞岩心需在孔口分两段进行；（3）钻具高效碎岩功能随金刚石钻头技术进步优势不再明显，购置价格偏贵；（4）模块化便携式钻机逐渐普及，该技术匹配度不够。

除此之外，钻具内管内壁进行抛光镀膜等减阻措施有利于岩心防堵，但卡簧组件却需要加大摩阻以提升岩心拔断力，因此该方案无法在岩心通道上进行彻底优化，至今未见应用效果数据对比分析的报道［

10-11］。

1.3 研究目标

以H规格研发新的HQFD型绳索取心振动防堵钻具，技术成熟后再推广到其它口径。该钻具利用冲洗液提供振动能量，振动机构带动内管振动，以达到防止岩心堵塞的目的。为最大程度利用现有钻具的外管总成、内管、卡心组件等，需进行钻具定尺寸研发，防堵内管总成是研究核心。常规H规格绳索取心钻具的内管总成在近1 m长度上设计了捞矛机构、弹卡机构、单动机构、调节机构、悬挂机构、到位报信机构、岩心堵塞报信机构等，各机构组件设置已非常紧凑成熟。新防堵内管总成需保持原内管总成长度直径不变，完成防堵机构研究、原有机构重布等诸多工作，以利于新老内管总成实现高效替换。

2 防堵机构原理

防堵机构工作原理选择至关重要，其受产品形状尺寸、驱动方式、应用场景等诸多因素影响，经初步分析可采取方式有：射流（吸）冲击、涡轮振动、滚珠振动，其中涡轮振动器和滚珠振动器技术通常采用高压气体驱动，以液体驱动且为循环使用不清洁的冲洗液还未见任何报道。各类原理工作特点如下：

（1）射流（吸）冲击：具有冲击能量高、泵量泵压要求高、结构组件复杂等特点，绳索取心液动锤即通过冲锤巨大冲击力实现了优秀的岩心防堵功能，但尺寸要求大，不适合该研究所需的小尺寸设计。

（2）涡轮振动：具有振动频率高、尺寸要求小、结构组件较复杂等特点，为进行初步验证，按内管总成的悬挂接头外形，研制了一件涡轮振动器小样，高压空气驱动振动效果好，液体驱动极易被杂质卡阻而不工作。

（3）滚珠振动：具有振动频率高、尺寸要求小、结构简单等特点，同样研制了一件滚珠振动器小样，高压空气驱动振动效果略逊于涡轮振动，液体驱动被杂质卡阻情况相对更少。

新设计的两种振动器小样可替代原内管总成的悬挂接头使用，结构示意如图2所示，外观如图3所示。

图2  涡轮振动器与滚珠振动器结构示意

图3  涡轮振动器小样与滚珠振动器小样外观

经过综合对比分析，选则滚珠振动作为防堵机构工作原理。滚珠振动利用冲洗液驱动内部滚珠，使其沿竖直轨道剖面产生高速圆周运动，重复经过轨道上顶点与下顶点，其对轨道上顶点器壁作用力为离心力减滚珠重力，对轨道下顶点器壁作用力为离心力加滚珠重力，滚珠速度越高则离心力越大，周期性作用力变化产生高频振动效果。

3 防堵内管总成设计［12-13］

3.1 防堵内管总成结构

经过多次测试调整，防堵内管总成结构示意如图4所示，外观如图5所示。

图4  防堵内管总成结构示意

图5  防堵内管总成外观

3.2 振动器水路轨道设计

通过前期滚珠振动器小样测试，振动器尽量远离悬挂环而靠近内管，则有利于增强内管振动效果。常规绳索取心内管总成在悬挂接头位置设置进出水口，仅作为冲洗液循环通道。新防堵内管总成仍在悬挂接头上端设置进水口，并通过长度调节螺杆将冲洗液引到远端的振动器。振动器内部优化设计包括：（1）增加滚珠轨道长度以提升振动效果，受钻具直径限制，将圆形轨道改进成半圆+矩形+半圆的轨道；（2）将出水口由圆形改成窄长矩形，双排对称设计，可防止滚珠因杂质和抽吸作用形成卡阻，提升振动器运行可靠度；（3）增设轨道中间限位柱，避免滚珠高速运转出现悬空状况；（4）增设轨道下切圆弧槽，将滚珠与轨道接触方式由单点接触改为两点接触，同时避免对进出水口产生碰撞，其滚珠轨道切面渲染如图6所示。

图6  滚珠轨道切面渲染图

3.3 功能机构布局

滚珠振动器的加入对内管总成影响很大，弹卡机构以下做了大幅调整：（1）增加进水端滤网，减少钻井液中粗颗粒的进入；（2）振动器悬挂接头去除了悬挂环，采用阶梯型密封设计；（3）去除了悬挂接头内用以实现到位报信功能的钢球架和钢球；（4）加粗调节螺杆，增设内部过水通道；（5）针对两盘外露单动轴承设计了轴承保护套，防止损坏后阻碍内管打捞；（6）去除了作为减震和岩心堵塞报信机构易变形损坏的橡胶减震圈。

4 振动效果测评

4.1 振动测评方法

滚珠振动器振动能力对钻具防堵效果起着决定性作用，包括进出水口大小形状、匹配泵量等调节参数尤为重要又相互影响，现暂无历史数据可参考。因此设计了一套测评方法：新HQFD型振动防堵钻具包括外管总成、内管总成、扩孔器、钻头在内的所有配置，但为更清楚地观察振动效果，测评时仅保留外管总成上的弹卡挡头、弹卡室、座环，使防堵内管总成尽可能裸露出来，连接泥浆泵供水并采用测振仪记录振动参数。振动效果测评可采用带内管测评和不带内管测评，测试情况如图7所示。

图7  振动效果测评

4.2 振动参数变化规律

通过正交实验法对进水口、出水口、泵量等设计不同调节参数，拟找到钻具振动运转可靠、强度适宜、泵量适中、附加泵压低的最优参数，采用BW250型泥浆泵进行测试分析。具体调节参数如表1所示，振动参数如表2所示。

表1  调节参数
进水口出水口泵量
直径/mm面积/mm2长×宽/mm面积/mm2挡位流量/(L·min-1)
9.00 64 40×4 160 1速 66
8.35 55 35×4 140 2速 92
7.65 46 30×4 120 3速 130
6.85 37 25×4 100 4速 180
6.00 28 20×4 80 / /
/ / 15×4 60 / /
表2  振动参数
进水口直径/mm

挡位/泵量/

(L·min-1）

振动参数出水口规格/mm数据统计
40×435×430×425×420×415×4平均值标准差
9.00 1速/66 附加泵压/MPa 0.200 0.200 0.200 0.200 0.400 0.500 0.28 0.13
加速度/(m·s-2) 12.675 8.625 11.275 12.350 13.425 12.325 11.78 1.69
速度/(mm·s-1) 5.550 3.350 3.950 4.325 5.150 5.125 4.58 0.84
位移/mm 0.065 0.084 0.085 0.113 0.126 0.155 0.10 0.03
2速/92 附加泵压/MPa 0.800 0.800 0.800 0.800 0.800 1.000 0.83 0.08
加速度/(m·s-2) 24.600 21.225 23.875 21.875 23.625 24.650 23.31 1.43
速度/(mm·s-1) 7.950 9.800 14.225 4.750 6.050 3.500 7.71 3.90
位移/mm 0.129 0.139 0.195 0.080 0.072 0.069 0.11 0.05
3速/130 附加泵压/MPa 1.500 1.600 1.500 1.600 1.700 2.000 1.65 0.19
加速度/(m·s-2) 36.375 35.550 36.425 35.850 33.225 32.900 35.05 1.58
速度/(mm·s-1) 11.725 12.275 8.650 9.700 15.175 6.850 10.73 2.95
位移/mm 0.198 0.317 0.125 0.151 0.241 0.154 0.20 0.07
4速/180 附加泵压/MPa 2.900 2.900 3.000 3.000 3.100 3.500 3.07 0.23
加速度/(m·s-2) 59.125 67.650 54.450 53.475 47.125 54.075 55.98 6.88
速度/(mm·s-1) 24.650 22.750 16.575 10.900 12.875 13.925 16.95 5.58
位移/mm 0.401 0.596 0.444 0.277 0.275 0.388 0.40 0.12
8.35 1速/66 附加泵压/MPa 0.200 0.300 0.300 0.300 0.300 0.500 0.32 0.10
加速度/(m·s-2) 24.275 18.325 16.850 13.575 10.050 12.275 15.89 5.09
速度/(mm·s-1) 4.925 6.625 6.175 6.150 4.675 4.750 5.55 0.86
位移/mm 0.097 0.142 0.158 0.172 0.124 0.132 0.14 0.03
2速/92 附加泵压/MPa 0.900 0.900 0.900 0.900 0.900 1.000 0.92 0.04
加速度/(m·s-2) 33.750 31.225 28.600 24.850 15.725 17.925 25.35 7.26
速度/(mm·s-1) 7.700 10.975 8.925 9.300 6.325 6.525 8.29 1.79
位移/mm 0.104 0.136 0.107 0.090 0.093 0.074 0.10 0.02
3速/130 附加泵压/MPa 1.800 1.700 1.700 1.700 1.800 2.000 1.78 0.12
加速度/(m·s-2) 53.000 43.850 38.500 35.050 24.725 31.150 37.71 9.91
速度/(mm·s-1) 13.325 17.225 20.800 12.850 10.550 7.975 13.79 4.61
位移/mm 0.315 0.201 0.304 0.155 0.177 0.136 0.21 0.08
4速/180 附加泵压/MPa 3.500 3.500 3.500 3.500 3.500 3.700 3.53 0.08
加速度/(m·s-2) 90.225 82.300 63.450 58.950 46.050 44.900 64.31 18.63
速度/(mm·s-1) 25.150 13.118 23.300 20.550 23.000 25.350 21.74 4.57
位移/mm 0.376 0.448 0.512 0.319 0.487 0.446 0.43 0.07
7.65 1速/66 附加泵压/MPa 0.500 0.500 0.500 0.500 0.500 0.600 0.52 0.04
加速度/(m·s-2) 22.325 18.625 15.850 13.475 12.775 12.950 16.00 3.82
速度/(mm·s-1) 7.675 5.225 3.200 5.150 5.575 5.675 5.42 1.43
位移/mm 0.110 0.085 0.059 0.075 0.126 0.159 0.10 0.04
2速/92 附加泵压/MPa 1.200 1.100 1.100 1.100 1.100 1.200 1.13 0.05
加速度/(m·s-2) 31.850 30.225 28.575 26.500 22.425 15.525 25.85 6.02
速度/(mm·s-1) 15.025 12.975 4.425 4.175 4.925 3.825 7.56 5.04
位移/mm 0.307 0.143 0.067 0.058 0.106 0.073 0.13 0.09
3速/130 附加泵压/MPa 2.300 2.200 2.100 2.300 2.200 2.500 2.27 0.14
加速度/(m·s-2) 60.550 55.550 50.325 43.525 38.800 26.875 45.94 12.21
速度/(mm·s-1) 25.075 11.375 9.200 9.175 7.500 13.050 12.56 6.43
位移/mm 0.838 0.183 0.143 0.094 0.128 0.144 0.26 0.29
4速/180 附加泵压/MPa 2.300 4.000 / / / / 3.15 1.20
加速度/(m·s-2) 66.775 94.100 / / / / 80.44 19.32
速度/(mm·s-1) 29.800 37.275 / / / / 33.54 5.29
位移/mm 0.772 1.526 / / / / 1.15 0.53
6.85 1速/66 附加泵压/MPa 0.700 0.700 0.700 0.800 0.800 0.800 0.75 0.05
加速度/(m·s-2) 16.000 17.525 16.550 15.625 15.475 13.450 15.77 1.36
速度/(mm·s-1) 10.875 8.950 4.625 3.900 4.225 4.775 6.23 2.94
位移/mm 0.092 0.061 0.044 0.048 0.041 0.049 0.06 0.02
2速/92 附加泵压/MPa 1.500 1.500 1.500 1.500 1.500 1.600 1.52 0.04
加速度(m·s-2) 33.150 28.950 31.700 25.450 22.000 20.275 26.92 5.22
速度/(mm·s-1) 11.350 8.275 13.150 7.200 10.075 6.875 9.49 2.48
位移/mm 0.113 0.121 0.076 0.098 0.071 0.081 0.09 0.02
3速/130 附加泵压/MPa 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 3.000 3.00 0.00
加速度/(m·s-2) 75.050 72.250 64.425 58.200 34.850 33.725 56.42 18.14
速度/(mm·s-1) 26.750 26.000 17.625 22.975 11.825 16.725 20.32 5.88
位移/mm 0.395 0.589 0.323 0.329 0.250 0.240 0.35 0.13
6.00 1速/66 附加泵压/MPa 1.100 1.100 1.100 1.100 1.100 0.900 1.07 0.08
加速度/(m·s-2) 30.575 25.300 20.175 18.200 16.750 16.175 21.20 5.65
速度/(mm·s-1) 18.400 11.925 12.125 9.875 8.525 8.075 11.49 3.78
位移/mm 0.227 0.145 0.137 0.140 0.136 0.166 0.16 0.04
2速/92 附加泵压/MPa 2.200 2.100 1.900 2.100 2.100 2.000 2.07 0.10
加速度/(m·s-2) 51.400 48.025 36.275 30.100 28.800 26.125 36.79 10.60
速度/(mm·s-1) 29.350 25.600 23.075 23.050 18.275 11.100 21.74 6.35
位移/mm 0.193 0.208 0.288 0.247 0.231 0.163 0.22 0.04

注：  上述测试为单矩形出水口，因为附加泵压过高，部分振动参数缺乏3速和4速的数据。

对表2数据进行整理分析，得出以下规律：

（1）附加泵压变化规律：进水口不变，附加泵压随泵量增加而增大，增幅先大后小，泵压增长幅度约为泵量增长幅度的2~2.5倍；泵量不变，附加泵压随进水口直径减小而增大，进水口直径越小，附加泵压增长幅度越大；相同进水口和泵量条件下，当出水口面积超进水口面积的5/4时，泵压随出水口面积变化几乎不变。

（2）加速度、速度、位移变化规律：进水口不变，振动参数值随泵量增加均呈增加趋势，同时位移参数离散程度小，速度和加速度参数离散程度大；泵量不变，振动参数随进水口减小，极大值倾向于出现在出水口大的位置，说明出水口越大越利于振动效果的提升；相同进水口和泵量条件下，振动参数随出水口面积减小而减小。

（3）以H口径常规流量66 L/min和92 L/min为例，研究发现振动参数随进水口直径减小而增大，在进水口直径为6 mm时，泵量不变而振动参数值有跃迁突变现象，可能此时液体射流与滚珠、轨道等形成了最优匹配。

4.3 振动参数优化

以尽可能小泵量实现尽可能优的振动效果，且附加泵压不高，是实验希望达到的目标。根据振动规律，进行以下优化：（1）6 mm进水口时，振动效果有跃迁突变现象，选择该规格进一步实验；（2）当出水口面积超进水口面积的5/4时，其附加泵压、振动参数波动不大，甚至振动参数还随出水口面积增大而增强，考虑6 mm进水口附加泵压偏高，在振动器上再新增一个40 mm×4 mm矩形出水口，与原相同出水口对称排布并呈全开状态，以进一步降低附加泵压；（3）9 mm进水口孔大，不易被杂质堵塞，且附加压力小，选择该规格作对比实验。采用BW150型泥浆泵进行测试，优化振动参数如表3所示。

表3  优化振动参数
进水口出水口（两个）泵量附加泵压/MPa振动参数
直径/mm面积/mm2规格/mm面积/mm2挡位流量/（L·min-1）加速度/（m·s-2）速度/（mm·s-1）位移/mm
6 28 40×4×2 320 1速 32 0 7.340 22.360 1.388
2速 47 0 18.880 78.700 >2
3速 72 0.6 44.200 52.380 1.688
4速 125 3 / / /
9 64 40×4×2 320 1速 32 0 4.300 3.080 0.144
2速 47 0 6.340 5.560 0.1668
3速 72 0 14.840 9.820 0.144
4速 125 0.5 44.180 29.420 1.056

对表3数据进行整理分析，可得以下结论：（1）6 mm和9 mm进水口都可实现钻具振动功能，且前者振动效果更好；（2）6 mm进水口匹配两个矩形出水口，其稳定高效振动的泵量需求与H规格规范推荐泵量60~90 L/min吻合度高，附加泵压<1 MPa。

5 下一步工作计划

根据前期测试研究，振动防堵钻具基本具备岩心防堵功能的可能性，即使不工作也可作为普通钻具使用，有进一步研究价值，下一步拟进行以下工作：

（1）HQFD型振动防堵钻具仅进行了少量孔内测试，可实现正常打捞取心，单动问题引起取心质量不佳，目前正在改进当中。后期将进一步加大现场应用测试，对暴露出的技术问题做好优化改进。

（2）现仅设计制作了HQFD型振动防堵钻具，没有进行常用N规格和便携式钻机薄壁钻具规格进行设计，需要在后续工作中进一步开展设计研究。

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