摘要
针对复杂地层绳索取心钻进时易出现的内管总成打捞失败问题，开展了FDS-P型绳索取心钻具研制。基于内管总成打捞失败原因分析，完成了FDS-P型绳索取心钻具设计，通过室内试验，初步验证了钻具结构设计的合理性。为进一步验证钻具性能，在贵州页岩气井开展了野外生产试验，先后完成16个回次取心钻进，累计进尺39.03 m，岩心采取率达到98%以上，其中有6个回次发生堵心，内管打捞全部成功，内管到位及堵心均得到了及时提示。实际应用结果表明，FDS-P型绳索取心钻具结构设计合理，具有良好的到位及堵心报信提示作用，内管总成打捞可靠性得到显著提升，有效提高了易堵心地层钻进效率及岩心采取质量。
关键词
绳索取心钻进技术凭借钻进效率高、施工成本低、取心质量好等优
正常取心钻进时，弹卡钳与弹卡挡头之间预留有一定的轴向间隙，一般为2~4 mm，弹卡钳可自由向内转动，实现内管钻具正常打捞。当堵心发生时，钻具下部岩心管与岩心之间卡死，内管钻具受力逐渐上移，直至弹卡钳与弹卡挡头接触并顶紧；常规绳索取心钻具均设置有堵心报信机构，如
图1 堵心报信机构设计
1—螺母；2—压片；3—报信垫片；4—轴承保护罩；5—双向推力球轴承；6—铜套；7—接头；8—推力球轴承；9—心轴；10—压簧；11—外管；12—内管接头；13—平垫圈；14—螺母
复杂地层钻进时钻压、泵压变化频繁、波动大，难以对钻进参数进行及时、准确的调控，也不利于操作人员对泵压升高做出准确判断，堵心时极易发生报信垫片过度挤压，整个过程中会导致以下两个问题的出现，第一个问题是弹卡钳与弹卡挡头顶死，弹卡钳无法正常向内回收，致使内管钻具打捞失败；第二个问题是报信垫片过度挤压，外径涨大后无法恢复，涨大后的外径大于外管钻具中座环内径，无法顺利通过座环，即使能够通过较大拉力强行实现弹卡钳回收，同样无法完成内管钻具顺利打捞。
通过对内管打捞失败原因的分析，从解决实际问题的角度出发，优化设计了FDS-P型绳索取心钻具，整体结构如
图2 FDS-P型绳索取心钻具结构
1—捞矛头；2—定位棘爪；3—上回收管；4—捞矛座；5—弹卡挡头；6—双头螺柱；7—垫片；8—下回收管；9—弹卡钳；10—限位块；11—下铰链；12—弹卡室；13—弹卡架；14—悬挂环；15—座环；16—扩孔器；17—连接套；18—分水接头；19—外管；20—压片；21—悬挂接头；22—内接头；23—限位接头；24—滑套；25—垫片；26—轴承保护罩；27—铜套；28—接头；29—心轴；30—岩心管接头；31—回水球座；32—岩心管；33—扩孔器；34—扶正环；35—卡簧座；36—挡圈；37—卡簧；38—取心钻头；W1—压簧；W2—压簧；W3—复位弹簧；W4—张簧；W5—压簧；W6—指示衬套；W7—报信垫片；B1—螺母；B2—弹性圆柱销；B3—螺母；B4—双向推力球轴承；B5—弹性圆柱销；B6—螺母；B7—弹性垫圈；B8—平垫圈；B9—推力球轴承；B10—弹性垫圈；B11—螺母；B12—平垫圈；B13—注油嘴；B14—弹性圆柱销；B15—钢球；B16—弹性圆柱销；B17—钢球
常规绳索取心钻具弹卡钳顶死后，弹卡挡头、弹卡室、弹卡钳与弹卡架之间形成刚性机构，无法实现弹卡钳正常向内回收，为解决上述技术难题，全新设计了由弹卡钳、限位块、下铰链及弹卡架组成的双铰链弹卡定位机构，弹卡钳由张簧弹出，并与下铰链上端铰接，下铰链下端与弹卡架铰接，下铰链由回收管及限位块进行限位，保持下铰链两个铰接点连线与钻具轴向平行，利用回收管上提动作完成弹卡钳的向内回收，同时增加了复位弹簧，限定了内管钻具投放时回收管与弹卡架之间的相对位置，进而保证了限位块与下铰链之间的相对位置，从而实现对弹卡钳回转中心的可靠限位。
双铰链弹卡定位机构设计目的是在内管打捞过程中将顶死时的刚性机构转化为非刚性机构，通过内部空间的释放，实现弹卡钳向内正常回收。弹卡钳回收过程如
(a)
(b)
(c)
(d)
图3 弹卡钳回收动作分解
提高内管总成打捞可靠性，同时要提高堵心报信机构的可靠性，堵心报信机构采用了内嵌式设计，如
到位报信机构作为绳索取心钻具关键机构之一，其可靠性的好坏直接影响钻具的使用效果，绳索取心钻具在浅孔、中深孔中应用时，通常对内管钻具进行简化，去掉了到位报信机构阀芯，以提高内管钻具投放速度，减轻冲洗液循环阻力，降低泥浆泵负荷，通过孔口听悬挂环和座环之间的撞击声音判断内管钻具是否投放到
FDS-P型绳索取心钻具将到位报信机构进行了改进设计，如
钻具零件加工完毕后，开展了组装及调试工作，首先完成了打捞机构和弹卡定位机构的装配，弹卡定位机构关键零件如
(a) 限位块
(b) 下铰链
(c) 改进后的限位块
(d) 改进后的下铰链
图4 关键零件改进前后对比
针对发生撞击的位置，对限位块和下铰链这两个关键零件的结构进行了改进，改进后的零件外形如
钻具调试完毕后，开展了弹卡钳顶死回收室内试验，试验现场如
图5 弹卡钳顶死打捞试验
利用装配好的堵心报信机构开展了报信垫片挤压试验，报信垫片材料为聚乙烯，外径Ø60 mm，厚度为12 mm，采用两片叠加的使用方式，中间用钢垫片分隔，需封堵的内孔直径为Ø68 mm，通过多次挤压试验确定了轴向最佳压缩位移为9 mm，此时报警垫片变形后的封堵效果达到设计要求，同时不影响零件的快速拆卸及更换。
2018年8月，依托我单位承担的“南方地区1∶5万页岩气基础地质调查填图试点”项目，在贵州省铜仁市的黔铜地1井进行了野外生产试验，使用的钻机型号为XY-6N立轴岩心钻机，泥浆泵型号为NBB260/7，钻压16 kN，转速300 r/min，泵量60~106 L/min，孕镶金刚石钻头外径Ø122 mm、内径Ø85 mm，钻具岩心管有效长度3 m，在215.88~254.91 m井段开展了野外生产试验，地层为浅灰色、灰色中厚层泥晶灰岩，裂隙相对发育，充填泥质，取心钻进过程中易发生堵心。
使用本次改进设计的FDS-P型绳索取心钻具，在黔铜地1井先后完成16个回次取心钻进，累计进尺39.03 m，岩心采取率均达到98%以上，其中有6个回次发生堵心，均通过泥浆泵压力的升高得到了准确、有效的判断，有效预防了岩心过度研磨。每次投送内管，到位报信机构均正常工作，压力的变化及持续时间与设计基本一致，满足使用要求。16次内管打捞全部一次成功，在实际生产中再次验证了FDS-P型绳索取心钻具结构改进的合理性以及其使用的可靠性，避免了提钻取心的发生，有利于保持复杂地层井壁稳定，有效保证了复杂地层岩心采取率及绳索取心钻进效率。
（1）在裂隙发育、松散、破碎、强水敏性等复杂地层取心钻进时极易出现堵心，导致内管钻具打捞失败，究其原因包括两点，第一是弹卡钳与弹卡挡头顶死，弹卡钳无法正常向内回收，第二是报信垫片过度挤压，外径涨大后无法通过座环。
（2）从工程实际问题出发，完成了FDS-P型绳索取心钻具优化设计，室内试验及野外生产试验结果表明，双铰链弹卡定位机构及内嵌式报信机构，动作执行可靠，有效提高了内管钻具定位及打捞可靠性，解决了易堵心地层内管打捞失败问题；钢球配合指示衬套的到位报信方式，能够给出准确提示，操作便捷，可靠性高。
（3）FDS-P型绳索取心钻具的成功研制及应用，避免了复杂地层钻进时高频率提钻的出现，有效保证了绳索取心钻进技术高效率的优势，提高了易堵心地层岩心采取率及取心钻进效率，同时有助于保持井壁稳定。
（4）FDS-P型绳索取心钻具虽是针对易堵心地层优化设计，但仅是在钻具原有功能基础上，提高了其在复杂地层钻进时的使用性能，同样适用于常规地层钻进，具有良好的广谱性，应用前景非常可观，极具市场推广价值。
（5）基于目前的研究基础，争取早日将钻具系列化，以满足不同钻孔口径的使用需求，力争为深部钻探及科学钻探提供可靠的技术支撑。
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