摘要
绳索取心是目前广泛应用的不提钻取心技术，对于水平孔和大深度直孔取心钻探，绳索取心钻具下入是一个难度大、耗时长过程，孔深越大，效率越低。本文基于液力举升工艺原理，利用冲洗液循环动力，采用正循环取心钻进、反循环液力打捞方法，在现有取心钻具基础上对投送打捞系统进行设计，研制了H口径液力举升式绳索取心钻具。依托钻探试验平台和试验孔开展了钻具孔内试验，分别进行了3次可视化台架模拟试验、4个回次取心钻进试验、2个回次液力举升试验，钻具顺利完成取心作业并成功实现钻具内管总成的液力举升回收。液力举升绳索取心钻具的研制为水平孔及大深度直孔取心钻探工艺开拓了新思路。
绳索取心是目前广泛应用的不提钻取心技术，该技术是指钻进过程中当岩心充满岩心管后无需起钻，而是借助绞车绳索和专用打捞工具，把内管总成提升到孔外的钻进技
液力举升绳索取心钻具是通过冲洗液液力驱动完成取心钻具内管总成的投送回收作业，即通过冲洗液正循环将内管总成投送至孔底，冲洗液反循环将内管总成回收至孔口地表（
图1 液力举升绳索取心钻具工作原理
Fig.1 Working principle of hydraulic lifting wirelile coring tool
正循环钻进时，冲洗液从钻杆内部进入推动内管总成向孔底运动并坐挂于外管总成上，钻具内管总成到位后，液流通道被截断并开始憋压，当液动力大于阀芯弹簧设定值时，内管总成内部冲洗液通道逐步打开，冲洗液从钻杆与钻孔之间的间隙返回，实现正常取心钻进。当钻进回次结束后，通过孔口的正反循环切换机构，改变冲洗液流向，实现反循环回收内管总成。反循环作业时，冲洗液从钻杆与钻孔之间的间隙进入孔底，受内管阻滞作用，冲洗液压力逐步升高推动内管总成完成解卡并运动至孔口，完成内管总成的回收作业。
孔口冲洗液正反循环切换机构是由冲洗液管路和两个球阀组成，冲洗液管路与球阀通过法兰连接。球阀的内部有两条冲洗液通道，90°旋转球阀内部的球心可以实现两条冲洗液通道的通断，改变冲洗液流向，从而实现正反循环的切换（
图2 孔口冲洗液正反循环切换机构剖视图
Fig.2 Sectional view of the mechanism for switching between forward and reverse circulation of flushing fluid at the orifice
1—循环通路；2—阻隔壁；3—球心；4—球阀外部结构
球阀外部设有4个法兰与冲洗液管路连接，球阀内部的球心顶部通过机械结构与操作手柄刚性连接，并通过嵌套密封圈、压紧螺栓，保证球阀的密封性能（
图3 球阀机械结构爆炸图
Fig.3 Explosion diagram of mechanical structure of ball valve
根据液力举升工艺原理，在传统绳索取心钻具基础上，本着结构简单、操作方便、功能可靠的原则研制了H规格液力举升绳索取心钻具，整体结构如
图4 液力举升绳索取心钻具结构示意
Fig.4 Schematic structure of a hydraulic lifting wireline coring tool
1—捞矛头；2—捞矛座；3—阀芯；4—阀体；5—齿轮；6—弹卡板；7—导正环；8—轴承腔；9—密封盖；10—内顶圈；11—芯轴；12—铜套；13—内管接头；14—阀压盖；15—岩心管；16—卡簧挡圈；17—卡簧座；18—卡簧；19—取心钻头；20—下扩孔器；21—扶正环；22—外管；23—上扩孔器；24—弹卡室；25—座挂接头；26—座环；27—转换接头
钻具工作过程如下：取心钻具与钻杆连接后打开泥浆泵，阀芯在弹簧作用下处于上死点，钻具内管总成冲洗液通道关闭，形成活塞效应。此时一小部分冲洗液从钻具内管总成和外管内壁的环状间隙流至孔底，绝大部分冲洗液推动钻具内管总成向孔底方向运动。当内管总成座挂在外管座挂接头上时，钻具内管总成和外管内壁的环状间隙阻断造成憋压，当压力达到设计值时，推动阀芯克服弹簧力向下运动，阀芯齿条驱动齿轮使弹卡板向外运动实现定位，同时阀芯出水口露出，钻具内管总成冲洗液通道打开，冲洗液流向孔底实现岩屑清理和钻头冷却。回次钻进结束后，关闭泥浆泵，阀芯在弹簧力作用下上移，钻具内管总成冲洗液通道关闭，同时阀芯齿条驱动齿轮使弹卡板径向回收实现解卡，钻具内管总成冲洗液通道关闭。此时切换冲洗液通道为反循环，当冲洗液压力达到设计值时，克服钻具重力及摩擦力推动内管总成向孔口运动，实现内管回收。
弹卡定位机构能在钻进过程中防止内管总成回窜，起到定位的作用。常规绳索取心钻具的弹卡定位机构为铰接回转设计，由于回转空间不足存在回收死点，经常出现弹卡顶死的故
图5 齿条式弹卡定位机构结构示意
FIg.5 Schematic structure of the rack type spring card positioning mechanism
1—弹簧；2—芯轴（带齿条）；3—弹卡室；4—齿轮；5—弹卡板
图6 球卡式弹卡定位机构结构示意
FIg.6 Schematic structure of the ball card positioning mechanism
1—悬挂接头；2—弹簧；3—锥形芯轴；4—球窝体；5—钢球
齿条式弹卡定位机构主要由弹簧、带齿条的芯轴、弹卡室、齿轮和弹卡板组成。正循环时，内管总成在冲洗液液力驱动下投送到孔底座挂在外管上，冲洗液压力升高驱动芯轴克服弹簧力向下运动，芯轴上的齿条通过齿轮带动弹卡板向外运动，实现定位功能。反循环作业时，芯轴在冲洗液液力和弹簧力共同作用下向上运动，带动弹卡板径向收缩，完成解卡作业。
球卡式弹卡定位机构与齿条式弹卡定位机构设计原理相同，当内管总成投放至孔底后，锥形芯轴在冲洗液液力驱动下向下运动，钢球在锥形芯轴的作用下进入球窝实现定位功能。回收内管时，锥形芯轴在冲洗液液力驱动下上行，钢球在外力作用下实现径向回收，完成解卡动作。
单动机构（
图7 单动机构结构示意
Fig.7 Schematic structure of single action mechanism
1—端盖，2—骨架密封，3—内顶圈，4—推力轴承，5—芯轴，6—轴承腔，7—深沟球轴承
为了验证冲洗液液力驱动钻具内总成投送和回收的可行性，观察不同条件下孔内钻具的运移情况，研制了液力驱动绳索取心钻具可视化实验装置（
图8 可视化模拟实验装置结构示意
Fig.8 Schematic structure of the visual simulation experimental device
1—泥浆池；2—泥浆泵；3—压力表；4—法兰盘控制开关；5—反循环通道；6—正循环通道；7—环空水接头；8—亚克力外管；9—亚克力内管；10—孔底压力表；11—调节螺母；12—支撑架；13—排水管道；14—DN25电磁流量计
图9 可视化模拟实验装置实物
Fig.9 Visualized simulation experimental device in physical form
可视化模拟实验装置能够直观地观察管道与地面垂直、平行、呈60°角三种情况下钻具在孔内的运动过程，其实验原理如下：实验开始，打开泥浆泵，冲洗液流入操作台，操作台压力表可显示泥浆泵静水压力，接着冲洗液通过环空水接头流入亚克力内管中，流动的冲洗液推动钻具运动至孔底，此时可测算钻具从孔口运动至孔底所用时间，根据S=VT得出钻具运动的平均速度。位于孔底的泵压表可实时监测孔底冲洗液压力变化。冲洗液流至孔底后沿着亚克力内外管之间的环状间隙上返，经环空水接头的反循环管道排出至泥浆池，此时冲洗液完成一次正循环将钻具投送至孔底。钻具投送至孔底后，转动操作台上的法兰盘开关，改变冲洗液流路，冲洗液从环空水接头的反循环口流入，沿环空间隙流入孔底并从亚克力内管内部通道上返，钻具受冲洗液推力作用上移至孔口，冲洗液从孔口流出进入环空水接头正循环通道并从排水口排出，此时冲洗液完成了一次反循环将钻具回收至孔口。
在可视化模拟实验中，采用控制变量法，以泥浆泵泵压作为单因素变量，观测钻具在不同泵压条件下完成投送回收所需时间，探究泵压与钻具运行速度的关系。泥浆泵分为4个挡位，实验中对应的泵压分别为0.1、0.15、0.2、0.25 MPa。初始打开泥浆泵第一挡位，管道中水流达到稳定后，读取压力表的示数，记录0.1 MPa恒压下钻具投送回收的运动时间、孔底压力、出水口压力、冲洗液流量的数据。改变泥浆泵的挡位，重复上述操作。
为减小试验器材、人员操作等不可避免因素所带来的实验误差，实验数据采用多次测量取平均值的方法，并将管道与地面垂直、平行、呈60°角三种情况下的实验数据记录处理后得到不同泵压条件下内外管压差-运移时间图。
（1）
图10 垂直状态内外管压差-运移时间关系
Fig.10 Relationship of pressure difference and migration time between inner and outer pipes in the vertical condition
（2）
图11 60°状态内外管压差-运移时间关系
Fig.11 Relationship of pressure difference and migration time between inner and outer pipes in the 60° condition
（3）
图12 水平状态内外管压差-运移时间关系
Fig.12 Relationship of pressure difference and migration time between inner and outer pipes in the horizontal condition
分析管道与地面垂直、平行、呈60°角三种情况下实验数据可知，无论是正循环还是反循环，随着泵压的增大，内外管的压差随之增大，对应的运移时间也随之减小；冲洗液液力能够驱动钻具完成投送与回收，泵压与流体流量、钻具运动速度呈正相关；当管道与地面垂直时，钻具运移至孔口的速度最慢，运移所需泵压最大，当管道与地面水平时，钻具运移至孔口的速度最快。实验验证了液力驱动绳索取心钻具理论上的可行性。
按照钻具图纸，完成了H口径液力举升绳索取心钻具的加工试制，对钻具内外总成不同结构优选合适的材料，确保钻具整体结构强度，并对钻具内外总成进行试装与调试。钻具组装完成后，完成钻具内总成阀芯机构、弹卡机构、悬挂机构以及单动机构的功能调试，并与外管总成进行适配，调节岩心管机构与取心钻头内台阶之间的间隙，并控制间隙范围在8~10 mm。组装完毕钻具样机实物见
图13 H口径液力举升绳索取心钻具
Fig.13 Picture of H‑caliber hydraulic lifting wireline coring tool
H口径液力举升绳索取心钻具组装调试完成后，在唐山某实验孔和生产孔中分别进行了6个回次的取心实验和4个回次的液力打捞实验（
图14 H口径液力举升绳索取心钻具下孔实验
Fig.14 Experimental study for H‑caliber hydraulic lifting wireline coring tool
试验主要记录了钻压、转速、泵量、泵压等参数，测试钻压14~18 kN，转速260 r/min，泵量145 L/min，泵压0.3~0.5 MPa，经过不断测试及改进，钻具在钻进过程中弹卡实现可靠定位，岩心管成功获取岩心，打捞作业时，弹卡机构顺利解卡，内管及岩心从孔深21.7 m处举升至孔口历时37 s，实验获取了完整的岩心样品（
图15 内管成功举升获取的完整水泥岩心
Fig.15 The complete cement core obtained through successfully lifting the inner tube
（1）从工程实际问题出发，完成了液力举升绳索取心钻具的结构设计，单动机构运转灵活，大大提高轴承寿命；钻具投送时弹卡定位机构定位可靠，保证内管不上窜，打捞时弹卡机构解卡顺畅，确保了打捞的可靠性。
（2）模拟实验以泵压为单因素变量，观测钻具在不同泵压条件下投送至孔底或者回收到孔口的所需时间，探究泵压与钻具运行速度的关系。结果表明，冲洗液液力能够驱动钻具完成投送与回收，且钻具运移效率较高。泵压与流体流量、钻具运动速度呈正相关。
（3）采用XY-5型立轴式岩心钻机完成钻具的孔内实验，成功获取孔深 21.7m处的完整岩心，内管及岩心打捞至孔口用时37s，充分验证了钻具机构的可靠性和钻具方案的可行性。
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