电缆湿接头在小口径定向孔中的应用

2015-01-01尹德战余大有

钻探工程 2015年8期

尹德战，余大有，胡曦

(安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052)

0 引言

1 小口径钻孔有线随钻定向技术研究

有线随钻定向仪器包括定向测量探管、传输电缆、地面绞车及数字显示仪等组成。探管由电缆通过绞车，从钻杆内送至无磁钻铤并通过定向键固定，实现受控定向钻进。我们经过调研和分析，并进行了多轮改进，完成了一套电缆与仪器之间的湿接头的研究与试制，从而形成了一套可在小通孔钻杆内使用的有线随钻定向仪。其具体方案为:把测量探管和传输电缆分开，定向测量探管事先与钻具连接，随钻具下放到预定深度，电缆连接加重杆和地面信号上接头由钻杆内腔下入，与探管顶部的井下信号下接头在钻井液中实现电气连接(如图1所示)和信号传输，完成定向作业。

图1 连接部分示意图

1．1 关键技术及技术难点

为了实现将孔底测斜仪的测试数据及时上传到地表，用以指导地面的定向施工作业、检测定向钻进的实施效果，必须解决以下关键技术:

(1)与地表连接的信号传输装置如何在千米深孔内冲洗液中实现电信安全顺利对接;

(2)对接后两个信号源在10 MPa液柱压力下、螺杆钻进振动和泥浆流动等复杂条件下，如何保证线路连通、绝缘可靠并且信号正常。

1．2 仪器装置研究设计

1．2．1 井下信号下接头

井下信号下接头设计(如图2所示)包括:导电针头、针头上绝缘套、绝缘尼龙球头、楔形杆体、外壳导电弹簧等。

图2 井下信号下接头

(1)导电针头。由于螺杆钻进时钻具有较强的振动，故要求导电针头不仅要是导体，而且要有较高的强度和硬度。经试验，采用不锈钢制作针头部分，针头的下部覆盖上一层绝缘体。针头穿过橡胶时，针尖部分与软连接导体接触，包裹绝缘体部分与橡胶紧密接触，保证了密封与绝缘。

(2)尼龙球头。导电针头从绝缘尼龙体里穿过。绝缘尼龙球头体不仅固定针头，而且使针头与楔形杆体绝缘。针穿过橡胶时，地面信号上接头利用其配重下压，使得尼龙球头部分与橡胶紧密接触，实现了二次密封与绝缘。为顺利对接且紧密接触，绝缘尼龙体设计成球形，和楔形杆体丝扣连接。

(3)楔形杆体。楔形杆体的主要作用是对地面信号上接头起固定和导向作用。在上接头配重杆的重力作用下，使得两部分紧密固定，保护了针头，楔形杆体下端直接用丝扣与定向仪器连接。

(4)外壳导电弹簧设。地面信号上接头与井下信号下接头对接后，其外壳必须有效连接，否则定向仪器不能工作，故采用压缩弹簧连接。外壳导电弹簧安装在楔形杆体底部。

1．2．2 地面信号上接头

地面信号上接头(如图3所示)包括:橡胶绝缘密封塞、尼龙绝缘套、软连接构件、橡胶塞外壳、上连接针头、不导电机械润滑黄油。

图3 地面信号上接头

(1)橡胶绝缘密封塞。橡胶绝缘密封塞是重要关键部件。橡胶具有良好的弹性，针尖突破橡胶的阻力并穿过橡胶时，针与橡胶紧密接触，空气或水(泥浆)无法从其接触面通过。在配重杆的压力下，针尖能穿透并密封。

(2)尼龙绝缘套。尼龙绝缘套的作用是安装固定软连接构件，同时使得软连接构件与外壳绝缘。

(3)软连接构件。软连接构件包括一簇细铜丝、石墨粉。采用的铜丝，单根铜丝的直径为0．2 mm，一簇细铜丝靠近橡胶绝缘密封塞一端涂抹约3 mm厚的石墨粉以及细铜丝间隙充填石墨粉。石墨粉是很好的非金属导电物质，还具有润滑性、耐高温、导热等性能。

(4)外壳。地面信号上接头(包括配重杆)必须从钻具内孔通过，充分考虑50、60 mm钻杆及接头内径，其外壳外径设计为22 mm。

(5)上针头。上针头没有什么特别的要求，其作用是连接铜丝与地面信号传输电缆，保证信号的联通。

(6)不导电机械润滑黄油的选择。在橡胶绝缘密封塞下部装入约20 mm厚的不导电机械润滑黄油，导电针头穿透橡胶塞时，黄油隔离开了针尖和外壳，实现三次密封与绝缘。选择大于60℃的耐高温润滑剂黄油，稠度等级为1的粘稠状胶体黄油，不流淌。

1．2．3 引导管及配重杆

(1)引导管设计。为保证顺利对接，在井下信号下接头上安装引导管。引导管上端扩成“喇叭”口，下端车扣与楔形杆体连接，使地面信号上接头顺利的进入。为防止堵水以及泥浆中的砂子淤埋井下信号接头上的针头，引导管外壁开槽和钻眼。同时也为地面信号上接头进入时畅通排浆。上端“喇叭”口最大外径等于或略小于无磁钻铤内径。

(2)配重杆设计。配重杆连接于地面信号上接头之上，其上连接电缆，外径和地面信号上接头外径相同，其质量为针尖穿过橡胶所需压力的基础上增加3～5 kg重。一是保证了针尖与铜丝的接触，二是保证了尼龙球头与橡胶绝缘密封塞紧密接触。

1．2．4 组装说明

(1)不锈钢针尖与尼龙球头之间间隙用101(或502等)胶固定;尼龙球头中心孔两端打适当的内坡口，抹上AB胶，加强针头固定效果。

(2)橡胶绝缘密封塞外壳与尼龙套外壳之间丝扣连接时必须涂抹密封胶，以防进水。

(3)橡胶绝缘密封塞利用丝扣的压力压紧，但压力≯90 N。可通过适当的调整丝扣的长度来实现。

(4)从橡胶绝缘密封塞底部加入的厚度20 mm的不导电机械润滑黄油，当尼龙球头与橡胶绝缘密封塞充分接触后，不导电机械润滑黄油呈环形，充填在空隙，起到绝缘封闭作用。

(5)实际上在不导电机械润滑黄油下部还存在一定厚度的压缩空气，更进一步起到绝缘封闭作用。

2 现场试验与应用实例

2．1 现场试验

2014年6月20日，在国投新集杨村煤矿DF33断层地面探测及注浆工程XT－1孔进行试验，将95 mm螺杆、105 mm无磁钻铤连接好井下信号下接头的定向测量探管组装连接后，随同60 mm钻杆一同下入孔深520 m处，然后将地面信号上接头组装好，用电缆从60 mm钻杆内下入，到位后顺利实现了对接，并且定向仪器信号反应正常。拉起放下6次，仪器信号依然正常。开泵使螺杆钻具工作，此时能明显感觉钻具的跳动，泥浆泵持续工作40 min，仪器显示无任何异常。

2．2 现场应用实例

(1)国投新集杨村煤矿DF33断层地面探测及注浆工程XT－1孔原设计地面位置因有建筑物，无法安装施工设备，故将孔位移动22 m，为此需要实施定向钻进对目的层进行勘查。钻孔造斜段为570～770 m，采用 7LZ95DW7．0，1．25°螺杆钻具，造斜方位267°，因采用的60 mm钻杆，其最小内径30～34 mm，YST－25型有线随钻仪从钻杆内无法下入。2014年8月15日—9月8日，采用小直径电缆湿接头对接的方法顺利地完成了该孔的定向钻进作业任务，期间对电缆湿接头进行4次的投放对接，每次均获得成功，且施工中未出现信号中断和数据失常等现象。

(2)国投新集莲塘李井田煤炭勘探24－12孔揭露为推覆系统内地层，煤层及构造不十分明确。增补附属定向斜孔24－12X，设计孔深740 m，直孔段300 m，开始造斜至550 m，方位角182°、顶角35°，造斜段后全取心钻进至终孔。造斜段采用小直径电缆湿接头对接的方法施工。钻具组合:95 mm全面钻头+5LZ73DW7．0螺杆+85 mm无磁钻铤(1～2根)+50 mm钻杆+主动钻杆+随钻通缆水龙头。配320 L/min泥浆泵。

2014年10月24日—11月12日完成了定向造斜工作，2015年1月20日钻孔全部完工。经高精度JJX－3型测斜仪终孔测井校验，数据基本吻合(见表1)。