绳索取心钻杆结泥皮原因分析及解决方案

何立新，孟义泉，高鹏举，伍晓龙

(1.海军工程设计研究院(91053部队)，北京 102202；2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)



绳索取心钻杆结泥皮原因分析及解决方案

何立新1，孟义泉2，高鹏举2，伍晓龙2

(1.海军工程设计研究院(91053部队)，北京 102202；2.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)

本文在全面分析绳索取心钻进过程中钻杆内结泥皮原因的基础上，提出了解决结泥皮问题的综合解决方案。

绳索取心；钻杆；泥浆；泥皮；固控系统

1 绳索取心钻进技术特点

绳索取心钻进技术的出现是钻探技术的一次重大革命，其技术特点是取岩心时不用把钻孔内的钻杆全部提出，而用带钢丝绳的专用打捞器，通过钻杆中心把装有岩心的内管打捞至地表，取出岩心。

绳索取心钻进技术于1947年由美国长年公司发明[1]，至今已有近70年的发展历史，我国从20世纪70年代开始绳索取心钻进技术的研究与开发，随后在固体矿产勘探领域中得到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。

采用绳索取心钻进技术，可显著提高钻进效率、保证岩矿心质量、降低钻进成本。与其他钻进技术相比，主要有以下优点：

(1)减少起下钻的辅助时间，增加纯钻进时间，钻孔越深经济效果越显著；

(2)岩心堵塞可立即捞取，提高岩矿心采取率；

(3)减轻工人体力劳动；

(4)减少钻杆螺纹拧卸磨损，延长钻杆寿命，降低管材消耗；

(5)减少钻头扫孔磨损、拧卸及与孔壁碰撞机会，延长钻头寿命；

(6)减少冲洗液抽吸和孔壁压力失去平衡机会，从而减少孔内事故；

(7)减少起下钻的机械磨损和钢丝绳消耗；

(8)减少钻孔弯曲度，提高钻孔质量；

(9)有利于复杂地层钻进，避免孔壁坍塌掉块；

(10)可以利用取心绞车钢丝绳在钻杆内下放测斜仪，进行测斜。

2 绳索取心钻进技术在非常规能源勘探中的应用

随着当前我国地质工作重点的战略性转移，非常规能源勘探中页岩气、油页岩勘探的工作量将不断增加。由于绳索取心钻进技术具有上述一系列优点，且能够取出实物岩心，为地质人员提供最直接的地层信息，所以最适于在非常规能源—页岩气和油页岩勘探中应用。

3 绳索取心钻杆结泥皮原因分析

在绳索取心钻进过程中，由于多种原因，经常会在钻杆内壁产生泥皮，如果泥皮的产生较严重，在打捞内管总成时，使得打捞器无法正常投入或内管总成打捞后无法正常提至地表，将造成内管总成打捞时间增加，或者拉断与打捞器连接的钢丝绳。因此，预防钻杆结泥皮是充分发挥绳索取心钻进技术优势的重要保证，如果不能解决泥皮问题，将使得绳索取心钻进的辅助时间大大增加，钻进成本直线上升。

3.1 泥皮特点

(1)钻杆内壁产生的泥皮，厚度一般在2～3 mm，有时会超过5 mm[3]；

(2)泥皮的主要成份包括钻井液中的固相颗粒(黏土、泥浆处理剂)和岩粉；

(3)泥皮产生的部位一般在上部钻杆内壁；

(4)泥皮的厚度自上而下逐渐由厚变薄，泥皮中的固相颗粒也由粗到细(40～70 μm)[3]；

(5)泥皮随钻杆转速增大而加厚。

3.2 结泥皮原因分析

3.2.1 泥浆中固相成份含量较大

泥浆中的固相成份越多，固相颗粒吸附在钻杆内壁的机率就越大，结泥皮的可能性就增加。

3.2.2 回转转速较高

回转转速越大，钻杆回转的线速度就越高，固相颗粒受到的离心力也就越大，越容易在钻杆内壁结泥皮。表1为PQ、HQ和NQ绳索取心钻杆在不同回转速度下钻杆内壁线速度对比数据表。

表1 PQ、HQ、NQ绳索取心钻杆不同转速下线速度对比表

通过对表1的分析，可以得出以下结论：

当回转速度从100～1 000 r/min时，PQ钻杆内壁对应的线速度范围为0.53～5.29 m/s；HQ钻杆内壁对应的线速度范围为0.42～4.24 m/s；NQ钻杆内壁对应的线速度范围为0.32～3.19 m/s。

离心力计算公式为：

式中：F—离心力，N；

m—物体的质量，kg；

ω—角速度，rad/s；

r—回转半径，m。

根据离心力计算公式可以知道：

(1)如果角速度增加，则回转转速增加，线速度增加，离心力迅速增大；

(2)角速度不变时，回转速度不变，钻杆内径越小，线速度越低，离心力越低。

4 绳索取心钻杆结泥皮解决方案

通过上面对绳索取心钻杆结泥皮原因进行的全面分析，可以采用以下方案解决结泥皮的问题。

4.1 减小钻井液中固相成份含量

当钻井液中固相成份含量>20%，颗粒大小在40 μm时钻杆内容易结泥皮。要减小固相成份的含量，可以通过以下方式实现：

4.1.1 采用低密度无固相或低固相的泥浆

在地层情况允许的条件下，尽可能采用低密度的无固相或低固相的泥浆作为冲洗液。

(1)低密度低固相泥浆配方如下[3]：

清水(1 m3)+膨润土(10～25 kg)+CMC(1～2 kg)+磺化褐煤(20～30 kg)+润滑剂(3～5 kg)。

(2)泥浆性能参数[5]：

密度：1.05～1.08 g/cm3；

苏氏漏斗黏度：21～30 s；

滤失量：7～10 mL/30 min；

pH值：8～9。

4.1.2 增加固控系统

泥浆固控系统包括旋流式除砂器[6]、除泥器、离心机、振动筛等，选择合适的泥浆固控系统，可以很好地控制泥浆中的固相成份。图1为不同类型的固控系统分离固相颗粒尺寸对比图[2]，图2、图3分别为旋流除砂器和离心机实物图。

图1 不同类型的固控系统分离固相颗粒尺寸对比图

图2 旋流除砂器实物图

图3 离心机实物图

4.1.3 合理设计泥浆循环槽长度和宽度

现场尽可能加长钻井液循环槽长度，一般不小于15 m[4]。如果现场场地有限，为了增加循环槽长度，可以把循环槽布置为双排平行式(见图4)，这样可以在有限的场地内最大限度地延长循环槽的长度。同时在循环槽不同位置间隔设置多个岩粉沉淀池，并定期清理循环槽中和沉淀池内的岩粉。

在保证泥浆循环槽长度的同时，为最大限度地增加泥浆中固相颗粒在循环槽中的自然沉降效果，应加宽泥浆循环槽的宽度，条件许可时可加宽至400～500 mm，以降低泥浆在循环槽中的流速，使泥浆中的固相颗粒有足够的时间进行沉降。

图4 双排泥浆循环槽布置图

4.2 使用无悬挂环的双弹卡绳索取心总成

双弹卡绳索取心总成，取消了原来内管总成上直径最大的悬挂环，有利于在钻杆内更好地打捞和投放。图5为双弹卡绳索取心总成实物图。

图5 双弹卡绳索取心总成实物图

4.3 控制转速或换用小一级的钻杆钻进

降低回转速度或换用小一级的钻杆钻进，可以减小钻杆内壁回转的线速度，降低固相颗粒的离心力，有利于减轻或消除钻杆内结泥皮的效果。

4.4 其他措施

(1)采用专用工具定期清理钻杆内的泥皮；

(2)取心时提出上部结泥皮严重的立根；

(3)泥浆中加入表面活性剂，降低固相颗粒与钻杆之间的吸附力。

5 结语

绳索取心钻进过程中，钻杆内结泥皮受多种因素的影响，只有彻底解决钻杆内结泥皮的问题，才能最大限度地发挥绳索取心钻进技术的优势。而要彻底解决结泥皮的问题，需要对结泥皮的原因进行综合全面的分析，在掌握结泥皮的原因后根据现场的实际情况，采用最经济的方案来解决结泥皮的问题。

[1] 耿瑞伦. 绳索取心钻探现状及其发展[J]. 西部探矿工程,1992,4(5):1-3.

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[9] 孙建华, 王林钢, 梁健, 等. 深孔小直径绳索取心钻进施工调研分析和技术建议[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2016, 43(2):12-17.

[10]李占锋. 地表近水平孔绳索取心工艺钻探实践[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2016(1):48-50.

2016-08-16

何立新(1966一)，男，江西玉山人，1987年武汉地质学院探矿工程系钻探专业毕业，海军工程设计研究院高级工程师，主要从事岩土工程勘察工作，Tel：13720090616，E-mail：330824465@qq.com。

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