摘要
本文针对金刚石绳索取心钻进过程中钻杆内壁结垢影响岩心顺利打捞的问题，在借鉴国内外研究成果的基础上，系统梳理了影响钻杆内壁结垢的主要因素，编制了可以方便、快捷地计算结垢指数I和临界通径Dc的计算程序系统，系统可根据计算结果提出相应的防垢除垢措施。在工程中进行了现场应用，为现场钻探工程师进行防垢除垢、确保钻探安全高效进行提供了有益的科学指导。
绳索取心钻进与普通钻进方法相比，由于不需要将钻杆提升到孔外，大大节约了起下钻具时间，具有钻探效率高、生产成本低和取心效果好等优点，在小口径岩心钻探中得到了广泛应用。
金刚石绳索取心钻进过程中，泥浆中的各种固相微粒在钻杆高速旋转所造成的离心力场的作用下，会不断沉积于钻杆内壁上，形成所谓的“泥垢”（或称“泥皮”），导致钻杆实际的内径（又称“流动通径”）的缩小。这一现象，被称为钻杆内壁结垢效应。当钻杆内壁结垢超过一定厚度时，打捞器或携带岩心的取心管在钻杆内的上下运动将会受阻，这时可能不得不提出几根或数十根带结垢的钻杆后，才能进行岩心的打捞工作，大大影响了钻进效率。
绳索取心钻进钻杆内壁上的泥垢，是泥浆内的固相物质（如粘土颗粒、岩粉、未完全溶解的化学处理剂、絮凝物）以及其他各种固体微粒在钻杆内壁上的沉积物。泥浆中的这些固相颗粒由于离心力的作用，被甩向管壁，不断沉积和压实，加之各种粘土颗粒和有机聚合物的粘结作用，沉积物将逐渐脱水而变得十分结实，并牢固地粘在钻杆内壁
在钻探现场，防垢除垢是绳索取心钻进的难题之一，如果能够方便、快捷地预测钻杆结垢和由此导致的取心管打捞遇阻风险，并提供合理的防垢除垢措施建议，无疑会减少打捞受阻风险，大大提高钻探效率。
众所周知，泥浆在钻杆内以恒排量流动时，其流速将随通道直径变小而增大，雷诺数也将升高。绳索取心钻杆内平均流速一般为0.1~0.5 m/s，结垢前的流态常为层流，对钻杆内壁几乎没有冲蚀作用，管壁结垢将自然发展而不受抑制。但是，当钻杆内壁上的垢层发展到雷诺数达到临界值时，钻杆内的泥浆将由层流转变为紊流。紊流流态下的质点运动是无序的，除了宏观的轴向流动外，还存在微观的径向紊动，径向紊动动量将随雷诺数的增大而急剧增长。这样，对钻杆内壁结垢效应产生了下述两个方面的作用：
（1）质点的紊乱流动部分抵消了离心力场的影响，沉降作用不按正常进行，一些层流中原来极易沉降的颗粒，在紊流下难于结垢，延伸了结垢长度。
（2）同时，由于流体的径向冲蚀，各种颗粒不断冲击泥垢，使其表面不断冲刷剥蚀，直至通径扩大到雷诺数降低至临界值为止。
这一水力学原理，能被用来控制泥垢的形成，包括两种方式：
（1）控制泥浆流态为紊流，抑制颗粒的沉降，达到除垢防垢的目的；
（2）当管壁出现泥垢时，增大排量或降低流变参数（用清水稀释泥浆或用离心机等各种设备除去泥浆中部分固相颗粒），人为地提高雷诺数，以增强径向冲蚀作用，来清除钻探内壁上的泥垢。
由于雷诺数与冲蚀能力呈非线性关系，直观判断困难。所以还需要引用临界通径概念，来定量评价冲蚀范围和结垢稳定后的自然通径的大小。
根据有关资料和文
| （1） |
| , |
式中：τc——钻井液卡森屈服值，Pa；ηc——钻井液卡森塑性粘度，Pa·s；ρm——钻井液密度，kg/
临界通径Dc的计算使用了牛顿迭代法，计算过程为：
首先由已测得的参数和计算出的流变参数（τc、ηc）计算出A、B两个系数，并代入方程中求得方程的各个系数。并设Dc=X，a1=
| f（X)=a1 | （2） |
由
| f '(X)=16a1 | （3） |
由牛顿迭代法可得迭代公式：
| k=0，1，2，3 | （4） |
取X0=D，（D为钻杆内径）代入迭代公式，进行迭代计算，直到│Xk+1―Xk│≤0.00000001为止，则临界通径Dc=Xk+1。
结垢特性是绳索取心钻进泥浆的重要指标之一。众所周知，在取心钻具的钻杆内壁与岩心管外壁之间实际上存在着一定的间隙δc：
| （5） |
式中：D——钻杆内径；D0——岩心管外径。
如果在回次时间Tc内，生成的泥垢厚度≯δc，则岩心打捞作业将不会出现障碍。因此，可以根据这一条件来评价泥浆的结垢特性。根据有关资料和文
| （6） |
式中：ρs——岩屑密度，kg/
其中，钻井液和岩屑密度（ρm，ρs）、钻杆内径（D）、岩心管外径（D0）、钻杆转速（N）、回次时间（Tc）、固相含量（Cs）、以及固相粒径（dsi）及其质量百分比（Pi）都可由现场测量获得，流变参数ξ和ηc还要经过一些计算得到。
ηc为钻井液卡森塑性粘度，由下式计算：
| ηc=［0.03779(R60 | （7） |
其中，R600和R100分别为钻井液在600和100转时的读数。
ξ计算过程：
| （8） |
当∏≥5时，可用以下近似公式计算，其相对误差≯0.5%：
| （9） |
由
| (10) |
将以上参数代入
影响结垢特性的主要参数是转速、颗粒浓度、颗粒大小及其级配，此外还有打捞岩心的回次时间。虽然提高粘度和降低排量，也有助于缓解结垢现象，但收效不明显，却带来许多其他困难。
我们使用可视化编程语言Visual Basic 6.0设计了结垢指数I和临界通径Dc计算程序系统——“防垢除垢专家系统”。该系统具有以下功能：
（1）各个参数现场输入；
（2）保存现场参数至计算机硬盘；
（3）提取上次保存的参数；
（4）自动计算和显示结垢指数I和临界通径Dc；
（5）根据计算结果提出相应的防垢、除垢措施。
防垢除垢专家系统的使用界面如
图1 科学钻探钻杆防垢除垢专家系统
(a) I<1
(b) I>1，且Dc-D0>=1
(c) I>1，且-1<Dc-D0<1
(d) I>1，且Dc-D0<-2
图2 不同计算结果显示界面
当单击“结束运行”按钮时，结束程序运行。
本系统程序已全部调试完毕，并对多组实验数据进行了计算（见
| 泥浆类型 | 流 动 条 件 | 临界 通径 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| R600/（Pa·s） | R100/Pa | ρ/ （kg· | Q/ （ | Dc/mm | |
| 典型的低固相泥浆 | 18.3 | 5.8 | 1030 | 0.00025 | 14.88 |
| 0.0005 | 23.53 | ||||
| J01低固相泥浆 | 7.5 | 1.5 | 1030 | 0.00025 | 30.15 |
| 0.0005 | 49.70 | ||||
| B01低固相泥浆 | 33.0 | 7.5 | 1030 | 0.00025 | 10.12 |
| 0.0005 | 18.67 | ||||
| J02低固相泥浆 | 16.0 | 3.0 | 1010 | 0.00025 | 18.05 |
| 0.0005 | 32.74 | ||||
| B02低固相泥浆 | 14.0 | 4.5 | 1010 | 0.00025 | 16.83 |
| 0.0005 | 26.22 | ||||
| 2% LBM泥浆 | 6.4 | 1.3 | 1020 | 0.00025 | 32.73 |
| 0.0005 | 53.33 | ||||
| 1.5%LBM泥浆 | 5.1 | 1.0 | 1020 | 0.00025 | 39.99 |
| 0.0005 | 65.21 | ||||
| 1%LBM泥浆 | 3.9 | 0.7 | 1010 | 0.00025 | 50.88 |
| 0.00033 | 62.59 | ||||
| 0.00042 | 73.23 | ||||
| 清水 | 2.0 | 0.33 | 1000 | 0.00025 | 151.57 |
| 0.0005 | 303.15 | ||||
该系统先后在大庆汶川科学钻探、松科1井等重大工程及山东、青海、甘肃、黑龙江、河南等能源资源勘查工程进行了现场应
钻杆内壁结垢是影响绳索取心钻进效率的重要因素，将钻探现场测量获得的泥浆密度ρm、岩屑密度ρs、钻杆内径D、岩心管外径D0、钻杆转速N、回次时间Tc、固相含量Cs、固相粒径dsi及其质量百分比Pi，以及计算获得的流变参数ξ和ηc输入专门编制的结垢指数I和临界通径Dc的计算程序，可以方便、快捷地计算和显示以上两个参数，并根据两个参数计算结果，给出是否可以顺利打捞岩心管及相应的防垢除垢措施，指导绳索取心钻进安全、高效进行。
参考文献
陶士先，汤松然，彭步涛.绳索取心钻杆内壁结垢机理与防治［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2007，34（S1）：155-159. [百度学术]
李恩海.绳索取心钻杆内壁结垢原因分析与对策［J］.中国煤田地质，1989，1（3）：3. [百度学术]
邓清松，张中.绳索取心钻杆内壁泥皮的成因及预防［J］.四川地质学报，2013，33（A1）：138-139. [百度学术]
张培丰.科学钻探绳索取心钻进泥浆膨润土分散机理研究［D］.武汉：中国地质大学（武汉），2007：14，52. [百度学术]
杨亿.绳索取心钻进钻杆内壁结垢及其泥浆体系的选型分析［J］.科技信息，2011（12）：383-389. [百度学术]
汤松然.绳索取心钻进泥浆［Z］.1988：52-63. [百度学术]
汪仲英，汤松然.钻杆内壁的结垢效应与临界流动通径的计算［C］.中国地质学会第一次全国钻井液学术会议.1986：15-25. [百度学术]
李宽，李鑫淼，韩丽丽.绳索取心钻杆内壁结垢成因与预防及清理装置的研发［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（2）：5. [百度学术]
薛倩冰，张金昌.智能化自动化钻探技术与装备发展概述［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（4）：9-14. [百度学术]
冯美贵，翁炜，刘家荣，等.雄安新区地热D20井钻井液固控循环系统应用分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（10）：38-42. [百度学术]
郑文龙，乌效鸣，吴笛，等.深部盐岩层绳索取心钻井液技术研究与应用［J］.地质与勘探，2015，51（5）：977-983. [百度学术]
