CSP75 繩索取心鉆具在煤田勘探中的應用

2022-11-05 03:24:14劉洪亮

煤炭與化工 2022年9期

劉洪亮，蔡知

（安徽省地質礦產勘查局325 地質隊，安徽淮北 235000）

1 概述

傳統普通繩索取心鉆具工藝效率低下，生產要素浪費大，生產成本高，雖能以分段取心手段來提高生產效率、降低勘探成本，但犧牲了準確性，成果質量難言保證，嚴重時會造成巨大損失。同時，繩索取心鉆具結構復雜，部件配合間隙小，循環液通道小（過流通道及面積小），鉆柱、鉆具系列（套管、鉆桿、鉆具口徑系列）結構固定，泥漿性能和鉆進參數要求高，但煤田勘探環境惡劣，這些傳統的繩索取心鉆具就會顯得“嬌氣”，作業效果不理想。

2 存在問題

現有普通繩索取心鉆具適用于非煤固體地質鉆探，在深孔煤田勘探時其通流能力小，不能使用較大流量泥漿，與煤田鉆探必須使用泥漿護壁的特點形成了矛盾。

（1）煤田鉆探使用泥漿護壁，稠度和粘度相對較高，采用繩索取心鉆進工藝，泵壓相對較高，鉆桿外環隙小而流速高，沖刷孔壁嚴重，難以形成護壁膜（泥皮），從而加劇孔壁失穩；鉆桿內通流面大而流速低，內壁易結垢，致內管總成撈投失敗而引發事故；鉆具內外管總成通流能力小，形成局部高流速沖刷破壞作用。

（2）煤田地層結構不致密，鉆進多屬切削或刮削破碎，粗粒巖屑含量較高，且較難徹底清除，即通常所說的泥漿中固體含量高，這些物質不僅是內壁結垢組分，而且對繩索鉆具系統總成間隙配合沖刷破壞巨大，均會導致繩索取心鉆具內管系統總成定位、撈投失敗。

針對傳統普通繩索取心工藝在煤田勘探中存在的這些問題，本文介紹CSP75 繩索取心鉆具在深孔煤田勘探中的應用。

3 CSP75 繩索取心鉆具結構及參數

3.1 設計原理

CSP75 型煤層繩索取心器內管系統設計為上下兩個機構，上部為CNQ75 煤田繩索取心器懸掛打撈機構，下部為滑動機構及二重管取心器。二重管機構由第一層內管+攔簧機構、第二層容納管（半合管）+卡簧機構組成，配合滑動機構實現攔簧的張開與收攏功能。投放時第一層內管+攔簧系統落座鉆頭到位后，懸掛機構和容納管+卡簧機構在重力及慣性作用下，繼續向下滑移（滑動機構）撐開攔簧，同時懸掛機構落座到位限位；打撈時提拉懸掛機構帶動容納管上移，攔簧自動收攏包底后牽引內管總成一并上行，實現兜底包鑲式取心，松散巖煤心在內管總成提升過程中不宜脫落，提高巖心的采集成功率。

3.2 鉆具結構

CSP75 型煤層繩索取心器結構如圖1、圖2 所示，主要包括外管系統（包括球卡室、外管和鉆頭）和內管懸掛定位系統。取心部分的內管系統分為下懸掛機構、滑動機構（花鍵系統）、二重管取心機構。

圖1 CSP75 型煤層繩索取心器結構Fig.1 Structure of No.csp75 coal seam wire line coring device

圖2 CSP75 型煤層繩索取心器現場圖片Fig.2 Field picture of No.csp75 coal seam wire line coring device

二重管取心機構包括第一層內管+攔簧、第二層容納管+卡簧，下懸掛機構與第二層容納管剛性連接，滑移機構與第一層內管剛性連接，第二層容納管可在第一層內管上下滑動。具體構成為：由外向內，第一層內管總成包含內管、攔簧和包鑲式攔簧座，包鑲式攔簧座設置在內管上，攔簧鑲嵌在包鑲式攔簧座內；第二層容納管總成包括煤心容納管、內卡座和內卡簧，內卡座設置在容納管上，三者絲扣連為一體，內卡簧設置在內卡座上，在內管內可上下軸向滑動。攔簧自然狀態向內彎曲，可全斷面包封容納管底口，如圖3、圖4 所示。

圖3 攔簧機構Fig.3 Spring retaining mechanism

圖4 攔簧機構與鉆頭工作狀態Fig.4 Working state of spring retaining mechanism and drilling bit

內管攔簧座中攔簧具有張開和收抱功能，容納管內卡簧具有抱卡功能，在煤層鉆進采用底噴內齒超前先壓后轉式工藝，內管總成單動性可使煤心減少擾動而成“柱狀”，煤心采心先由內卡簧輕度抱卡，打撈時上提內具使攔簧收抱兜底包封，即對煤心采取起到二次保護作用，保證了松散煤心（破碎巖心）在提升過程中不脫落，提高了采集成功率。滑動桿主軸中空，上部鋼球為單向閥，取心鉆進時煤心（巖心）進入容納管，管內液體從此排出，打撈過程中，鋼球封住主軸通道，隔離泥漿液柱壓力，使管內煤心（巖心）不承壓，保證不脫落。

3.3 SSR 型內封單動鉆頭

繩索取心鉆具外管系統與內管系統屬單動旋轉系統，鉆進中外管系統不僅旋轉運動，而且軸向運動，而內管系統僅軸向同步運動。鉆具內管與鉆頭之間都有間隙，是沖洗液的過流通道。而SSR 型內封單動鉆頭使內管與鉆頭緊密接合，因而在鉆頭內設置了軸承機構。內管卡簧座（攔簧座）的下部設有密封倒角，單動旋轉軸承上部也設有與之匹配的密封倒角，軸承使鉆頭與內管旋轉運動分離，保證單動。內管總成到位后，卡簧座下部與軸承上部密封倒角匹配閉合，既實現單動旋轉，又截斷泥漿流經鉆頭內側，使沖洗液從鉆頭增強外水口流出，避免沖刷松散層的巖心，如圖5、圖6 所示。

圖5 內封單動鉆頭結構Fig.5 Structure of inner seal single moving drilling bit

圖6 SSR內封單動鉆頭Fig.6 SSR inner seal single moving drilling bit

鉆頭采用直通道底噴+增強外側水口型式，即俗稱側噴式鉆頭，外側水口過流通道較普通側噴鉆頭有所加大。當鉆頭旋轉刻取松散煤層巖心時，鉆頭內水道封閉，泥漿經過鉆頭的增強外水口流出，同時加大了增強外水口的過流通路。容納巖心的內管卡簧座與鉆頭單動軸承套緊密接觸，實現單動旋轉卡簧座與鉆頭體之間相對旋轉運動，鉆頭與內管總成相對轉動。

當鉆頭旋轉刻取松散煤層巖心時，泥漿被封閉系統與煤層松散巖心隔離，鉆頭內單動機構，使內管系統與鉆頭剛體接觸，且不隨鉆頭旋轉，巖心進入容納管不受扭轉擾動，保護巖心能夠順利進入。

3.4 鉆具整體合理性

CSP75 型煤層繩索取心器、SSR 型內封單動鉆頭在松散層如煤層中組合使用，使鉆具系統各部位泥漿流動合理，各部件功能可靠，各機構合理配合，實現了整體功能和效果。

鉆具懸掛定位機構上下兩排有彈簧支撐鋼球，不僅定位可靠，而且撈投過程流暢，解決了傳統鉆具彈卡凸臺與繩索鉆桿接頭處內壁變徑處的阻擋，尤其是當鉆桿內壁結垢（此處是結垢最嚴重部位）時能夠順利通過，提高了撈投成功率。

外管系統和內管系統構成的泥漿內循環系統，流通路徑盡可能少繞彎，少變徑，途徑截面積變化合理，雙管內狀間隙的橫截面小于鉆頭水口的橫截面，鉆頭水口的橫截面小于外管系統和孔壁之間構成的外環狀間隙的橫截面，這種由小到大的水路結構設計，使自懸掛定位系統部位引起的壓力水頭向后逐步釋放，在同樣的供水量下可穩定泵壓，減小鉆具因水流不穩定作用的振動，同時還減小鉆頭水壓，減小對鉆頭的過度沖刷，延長鉆頭的壽命。

4 實驗及應用情況

2013 年3 月4 日野外生產試驗鉆孔（科研一孔）正式開鉆，9 月17 日終孔，歷時196 d。3 月20 日3層套管安放完畢。孔深359.90～1 162.02 m 為繩索取心鉆進，日期為3 月21 日—6 月22 日，其中6 月11日以前生產較為正常，鉆進至1 157.27 m出現嚴重坍塌（始點1 152 m），處理后繼續勉強鉆進至1 162.02 m，此后坍塌進一步惡化發展，采用多工藝鉆進至終孔，耗時3 個多月，鉆進技術參數見表1。鉆孔地層復雜，將繩索取心段劃分為3 類特性層，見表2。