（二）基础数据：
人工井底 1465.2 套管尺寸 φ139.7mm 最大井斜 9.420/350.930/1675m
水泥塞深度 m 套管深度 1476.66m 拐点位置
套补距 套管壁厚 7.72 mm 特殊套管位置 938.75-944.33
1215.69-1221.09
固井质量 合格 套管接箍位置 其它 储层温度64℃
层位 射孔井段
m 射孔厚度m 孔隙度
% 含油饱和
度 % 渗 透 率μm2 地层电阻率Ω.m 解 释
结 论 备注
H33 1330.6-1333.2 2.6 17.83 21.16 0.107 19.56 水层 待压裂
1339.0-1342.3 3.3 14.33/15.44 0/8.736 0.029/0.071 13.28/16.5 水层
（三）射孔层位及压裂目的层段
（四）压裂条件分析：
E王30井是泌阳凹陷王集鼻状构造部署的一口评价井，地理位置位于河南省唐河县王集乡泌阳，构造上属于E王5井区断层+岩性油藏。2010年5月31～6月4日对该井第2试油层H33层（1330.6～1342.3m，2层5.9m）进行试油作业，射孔层位H33，6.4日0:00-13:00该井自溢出油1.0 m3，水0.6m3，22:00-24:00转抽汲产油0.51 m3，水0.33m3，累计产液：16.0m3、纯油：1.83m3,试油评价为干层（含油）。
为了更好的了解王5井区断层+岩性的含油气性，扩大含油面积。经讨论决定对试油井段1330.6～1342.3m进行压裂改造。计算目的层温度64℃。
压裂有利条件分析：
1、邻井E王5井在H331387.6～1389.8m，1431.2～1435.8m试油取得良好效果，表明该层具有一定的潜力；
2、该井区物性较好，测井解释为水层，从试油结果分析不产水，具备改造条件。
压裂不利条件分析：
1、纵向上距压裂目的层下部约18m处（1360.2m）存在水层,隔层遮挡能力较弱,为避免压窜水层，应控制施工规模与排量；
2、该井压裂目的层泥质含量较高（10%左右），为避免粘土膨胀与颗粒运移带来的储层伤害,应考虑采用防膨预处理；
3、该井压裂目的层埋藏相对较浅，井温低，需要采用低温低伤害压裂液体系，减少地层伤害。
压裂设计思路：
1、采用适当的施工排量与加砂规模，控制缝高的过度延伸；
2、施工前对地层进行预处理，尽量降低储层伤害；
3、采用低温低伤害压裂液体系，压裂液能快速破胶返排，以提高压裂增产效果。
（五）施工参数设计
井底破裂压力 MPa 29.5 动态缝宽 mm 6.4 支撑剂用量 m3 15.7
井底闭合应力 MPa 21.2 支撑缝宽 mm 5.8 压裂液沿程摩阻MPa 4.5
导流能力 μm2.cm 40 动态缝高 m 32 施工最高压力 MPa 50
动态缝长 m 85 支撑缝高 m 24 施工排量 m3/min 3.0-3.5
支撑缝长 m 73 压裂液用量 m3 88.2
平均砂液比 % 30 施工总水马力 hp 3220
（六）压裂液配方及各种原料、添加剂用量：
（1）压裂液配方：
①基液：0.4%羟丙基胍胶+0.2%杀菌剂+1%氯化钾+0.2%压裂用破乳助排剂+0.05%氢氧化钠+0.2%活化剂+0.2%破乳剂
②交联液：有机硼交联剂（现场用水按1:1稀释）；
③交联比：100∶0.3；
④热活性水：1.0%氯化钾+0.2%压裂用破乳助排剂+热水
⑤预处理液配方：2.0%KCL+1%JS-7+0.5%破乳剂+0.2%压裂用破乳助排剂+热水
（2）原料、添加剂备料单：
压裂用添加剂 胶液
吨 预处理液
吨 活性水
吨 实际总用量
吨 实际备量
吨
羟丙基胍胶 0.48 0.48 0.6
氯化钾 1.2 0.4 0.4 2.0 2.0
压裂用破乳助排剂 0.24 0.04 0.08 0.36 0.4
杀菌剂 0.24 0.24 0.24
氢氧化钠 0.06 0.06 0.1
交联剂 0.22 0.22 0.4
JS-7 0.2 0.2 0.2
低温破乳剂 0.24 0.1 0.34 0.4
活化剂 0.24 0.24 0.24
过硫酸铵 0.024 0.024 0.04
胶囊破胶剂 0.024 0.024 0.04
备注：配基液120m3，热活性水40m3，预处理液20m3。
配液顺序及说明：
①在混砂车中加入破胶剂，由压裂液技术人员在现场加入。
②配基液时，先加入杀菌剂、防膨剂，再缓慢加入稠化剂，注意不要形成“鱼眼”，循环30分钟待溶液粘度增加后，再加入助排剂，基液粘度要求达到36-39mPa.s左右，PH=8-9。
③配液水质PH为6.5—7.5，机械杂质小于0.2%。
（4）支撑剂：20/40目陶粒15.7m3，质量要求：52MPa下破碎率≤5%，筛析合格率＞90%，体积密度＜1.8g/cm3。
（七）压裂层段泵注程序
项 目 液体
名称 液量
m3 砂液
比% 砂浓度
Kg/m3 砂 量
m3 砂 量
t 排 量
m3/min 胶排量(l/min) 时间
min 备 注
前置液 胶联液 12 3.0 9 4.0 20/40目陶粒
0.7m3
前置液 胶联液 10 7 119 0.7 1.2 3.0 9 3.5
前置液 胶联液 10 3.0 9 3.3
携砂液 胶联液 8 10 170 0.8 1.4 3.0 9 2.8 20/40目陶粒
15.0m3
携砂液 胶联液 10 20 340 2.0 3.4 3.5 9 3.7
携砂液 胶联液 14 30 510 4.2 7.1 3.5 10.5 4.7
携砂液 胶联液 10 40 680 4.0 6.8 3.5 10.5 3.5
携砂液 胶联液 8 50 850 4.0 6.8 3.5 10.5 3.0
顶替液 原胶液 6.2 3.5 1.8
合计 88.2 15.7 26.7 30.3
平均 30.0
（八）压前井筒准备：
1．清理平整井场，做好施工准备。
2．起管柱：卸提井口，起出井内测试管柱。
3、下压裂管柱：下φ89mm N80油管＋RTTS-114型封隔器(下深1300.0m±0.5m，避开套管接箍) +2＂平式油管1根＋喇叭口。
4、用80℃热活性水30m3大排量反洗井。
5、座封：校对好指重表，上提油管，然后正转 4 圈以上，保持扭矩下放管柱，同时观察指重表的变化，若座封载荷达到1012吨，则座封合格。
6、验封：从油管用80℃热活性水打压1520MPa，观察套管20min，若无溢流，合格。
7、以0.3-0.5 m3/min的排量挤注预处理液20m3。
8、座井口：座千型压裂井口，保证50MPa下不刺不漏。
（九）压裂施工
1、摆放压裂施工所需的各台设备。
2、连接高低压管汇。
3、走泵、排空、关井口闸门，高压部分试压50MPa不刺不漏为合格。
4、按泵注程序进行压裂施工。
5、压后测瞬时停泵压力，并测压降曲线。
6、压裂后如果不自喷则释放封隔器，上起2根油管后进行抽汲排液，验证压后增产效果。若有特殊情况，则根据生产动态另行安排。
（十）QHSE具体要求
1、质量保证要求
1）所用各种添加剂质检合格后方可使用，保证压裂液的数量和质量。
2）配置压裂液所用清水，水质应清洁无杂质，所有压裂液罐及拉水罐车必须清洗干净。
3）对配制好的液体进行取样。施工前现场应取样检查压裂液耐温性能。
4）必须保证支撑剂的数量和质量，入井料应基本达到厂家送样标准。
5）取全取准施工压力、排量、液量及等参数，在施工过程中及施工完，应准确计量各阶段压裂液罐、支撑剂储罐内的泵入液体、支撑剂的体积和时间，以与仪表计量进行校正。
6）按有关技术要求和安全操作规程完成各道工序。
7）压裂前检修压裂设备，确保设备完好。
8）严格按设计要求进行地面压裂管汇试压压力，地面压裂管汇试压压力一般为设计泵压的1.2-1.5倍，保持5分钟不降。
9）正常情况下按设计进行施工；出现异常情况，由指挥技术人员按照压裂预案进行处理。
10）各作业工序要求有齐全准确的原始记录，压裂队提交连续记录的泵压、液量、排量和砂液比曲线和数据等施工资料。
2、健康要求
1）施工人员应穿戴劳动保护具上岗。
2）施工前按设计要求试压，非施工作业人员严禁进入高压作业区。
3）施工现场要配备医务急救药品及相关器材、人员。
3、安全要求
1）施工前开分工、安全大会，各工作岗位分工明确，听从统一指挥。
2）施工现场排空、放喷管线用30MPa试压合格的硬管线。
3）施工现场要设立明显的标志,避免无关人员进入作业区，作业区域严禁烟火。
4）井场消防设施、井控设备齐全完好，现场备消防车一辆，救护车一辆。
5）压裂液罐必须距井口20m以外。
6）安装试压合格的千型压裂井口，井口用地锚固定，施工限压50MPa，套管平衡压力限压15MPa并安装保护阀。
7）作业、施工过程中，加强井控岗位责任制，牢固树立井喷失控就是灾难事故的思想。 8）严格按照正确的操作规程安装作业设备、循环系统、井控设备、消防设备，污水或残液回收罐等做到正确安装使用与维护。
4、环保要求
1）严格遵守当地环境部门的有关规定，严格执行HSE要求。
2）压裂液罐前挖一条排污沟至排污池，作业液严禁乱排乱放，实施无污染、无落地作业。
3）井场排污池和排污沟必须采取防渗措施，防止污油、污水渗漏，并及时回收；
4）起下油管井口装自封，井内溢出污油、污水必须排至排污池内；
5）洗油管杆时必须采取防范措施，防止落地油污染；
6）作业施工完毕及时清除井口设备及井场油污，回收排污池污油、污水，做好环境保护工作。
7）施工作业结束后对井场进行全面清理，剩余残液按甲方指定方式、指定地方排液,不得随意排放,以免造成井场及周边环境污染。
5、压裂施工中可能出现的问题及处理预案
压裂施工中可能出现的问题主要包括以下几个方面：一施工压力过高；二是施工未达到设计排量要求；三是施工砂堵；四是施工中发生管线刺漏；五是施工过程中封隔器出现问题。针对以上问题提出如下处理预案：
1、对于施工压力过高：该井设计在排量为3.5m3/min时井口最高施工压力50MPa，若井口施工压力已达到50MPa，排量小于3.5m3/min，就以实际排量为准，不再上提排量。
2、对于施工未达到设计排量的现象：若施工压力达到50MPa，施工排量<1.0m3/min，经3～5次间歇试挤(间隔10min)，情况无法改善，立即停止施工，分析相关原因，待制定改进措施后再进行相关作业。
3、对于砂堵问题：施工中若出现砂堵，则应当立即停泵，油管放喷。
4、管线刺漏问题：若施工中前置液阶段出现地面高压管线刺漏，则应当立即停泵，关井口闸门，放压后整改好地面高压管线，继续施工；若在携砂液阶段出现地面高压管线刺漏，则应当立即停泵，关井口闸门，放压后整改好地面高压管线，由现场施工技术领导小组协商后决定下步措施。
5、封隔器问题：施工中若出现封隔器不密封，套压不断上升，保护阀爆破，则要立即停止施工，分析相关原因，制定改进措施后再进行相关作业。
绳索取心钻进是不提钻取心(钻进)方法之一,即在钻进过程中,当岩心管装满岩心或岩心堵塞时,不需要把孔内的全部钻杆柱提升到地面,而借助专用的打捞工具从钻杆柱内把内岩心管取上来只有当钻头磨损失需要检查或更换时才提升全部钻杆柱的钻进方法。它是当代地质钻探的一种新方法在我国发展十分迅速。以绳索取心为主体的金刚石钻探,已成为地质钻探三大技术体系之一。
(一)金刚石绳索取心钻探的特点和功能
图2-1 绳索取心钻探示意图
1—金刚石钻头2—扩孔器3—内管总成4—外管5—打捞器6—钻杆柱7—绞车8—钢丝绳
金刚石绳索取心钻探是指在钻探施工过程中提取岩心时不用提升全套钻柱,而是通过绞车和钢丝绳把打捞器下放到孔内,将容纳岩心的内管连同岩心一同提至地表然后再将空的内管投放孔内(自重投入,干孔用钢丝绳送入,仰孔和水平孔用泵送入),继续钻进,如此重复进行(图21)的取心钻探方法。
1.绳索取心钻探的特点
在钻探施工过程的回次钻进中,不用提出全套钻柱(包括外管)、而借助绳索打捞器打捞内管取心,可实现长孔段连续钻进。
2.绳索取心钻探的主要功能
1)减少升降钻具时间,增长纯钻进时间,大幅度提高钻探效率,降低每米钻探成本。
2)有效提高岩矿心采取数量与品质。
3)明显提高金刚石钻头寿命。
4)增加钻孔的稳定性,减少坍塌掉块现象。
5)减少钻杆连接螺纹的磨损,延长钻杆寿命。
6)减少钻机升降作业系统的磨损与动力消耗。
7)便于根据岩层变化更换内管类型或更换无岩心钻进。
8)绳索取心钻具可兼用于下封隔器进行地层渗透性试验,输送聚合物混合液以护孔堵漏。
9)减轻现场操作人员劳动强度。
(二)金刚石钻进采用绳索取心的意义
1.普通金刚石双管的缺憾
普通金刚石双管钻进小时效率高、进尺快但突出存在以下两方面问题:
(1)回次钻进时间短
其原因是:
1)岩心容纳管的长度有限。
2)在破碎地层钻进或由于操作使用问题容易造成岩心堵塞,必须提钻。
(2)提、下钻辅助时间长
据统计,岩心钻探的纯钻进与升降工序时间各占计入台月时间的30%～40%。辅助时间主要部分是升降钻具时间,孔愈深所占比例愈大。
随着资源开发利用程度的提高,地质勘探钻孔的深度有增加趋势如何缩短辅助时间,研究认为:关键在升降工序。
减少升降工序时间的途径有以下几个方面:
1)改进升降设备及操作,减少升降钻具时间。这是过去一直强调的一个方面,但效果有限并且在金刚石钻进中,如果提下钻速度过快则会产生较大的抽吸及压力激动,不利于保持孔壁稳定甚至还容易产生事故。
2)采用绳索取心。采用绳索打捞岩心容纳管(内管)而不提出钻杆的方法,能大大节约升降钻具时间,这种方法简单、易行,适用范围广,有利于推广应用。
3)柔杆钻探。实施有一定难度,我国只进行过阶段性试验,适用孔深亦有限。
4)反循环连续取心。岩心随钻进被反循环冲洗介质携带到地表,不需专门捞取,能获得实时样品且更大程度地节约了升降工序的时间。但反循环连续取心对设备及工艺的要求较高,目前应用的钻孔深度也有限。
2.绳索取心钻进的优点
绳索取心能大幅度减少提下钻次数,提高钻进效率,同时能减少钻头与孔壁碰撞及扫孔造成的消耗岩心堵塞能及时打捞,既能保证岩心、矿心质量,也能提高纯钻小时效率和钻头寿命。此外,钻杆与孔壁间隙小,有一定屏蔽作用钻杆升降次数少则有利于保护孔壁和快速穿透复杂孔段打捞通道还有利用于钻孔弯曲测量及其他孔底监测等。绳索取心的优点可概括为“三高”、“两低”、“一优”。
1)“三高”即钻速及钻头寿命高,纯钻进时间利用率高,岩(矿)心采取率高。
2)“两低”即工人劳动强度低,钻探成本低。
3)“一优”即岩心矿心品质优良,结构清晰,完整度好,纯洁性高。
(三)金刚石绳索取心钻具结构
1.实现绳索取心钻进对钻具结构的基本要求
绳索取心钻进要求必须具有既能取心又能在钻杆内升降内管的钻具。因此,与普通金刚石小口径钻具相比,绳索取心钻具除了能够实现单动和卡取容纳岩心外,还必须完成下列主要动作:
1)内管必须从钻杆内通过。采取途径:①增大钻杆内径,使用薄壁、大径钻杆并要求内外平整。②适当缩小内管外径、增加钻头底唇面厚度。
2)内、外管相对独立(打捞时能分离)。
3)内管总成能悬挂在外管总成内的座环上。并使卡簧座端部离钻头内台阶有一定的间隙,保证钻具良好的单动性和底部的通水性。
4)内管总成到达外管总成中预定位置时,能及时反馈信号。
5)打捞器在一定速度范围内能从钻杆中下到内管总成上端,并把装有岩心的内管总成捞取上来。
6)钻进时内、外管有固定的相对位置。即需要限位装置,限位装置有上、下之分:①定位机构。防止内管总成在岩心推力及冲洗液上举力作用下上行,形成“打单管”现象。②悬挂机构。防止内管总成底端直接座在钻头内台阶上,堵水,摩擦或破坏单动性能。
7)需要有能抓住内管总成,且能取消限位,释放内管总成的打捞机构装置。
8)需要有安全解脱内管装置。
在打捞器捕捉住内管总成提拉不动或提升过程中遇阻时,能够安全解脱内管总成,以防止损坏钢丝绳。
此外,绳索取心钻具还应具有内管总成长度能够调节、内管受到保护、岩心堵塞报信等要求。
2.绳索取心钻具组成
根据绳索取心钻进的技术要求,为了使钻具结构简单,动作灵活,经久耐用,以达到提高钻进效率、减轻劳动强度、降低钻探成本之目的,我国在绳索取心钻进技术生产试验、扩大应用的同时,不断总结经验,研制、采用了多种形式的绳索取心钻具。随着使用经验的积累和应用领域的拓宽,绳索取心钻具的结构(部件)还在不断改进和完善,并且派生出新的钻具。但其基本结构原理和形式仍未发生变化。
它们虽然都有着各自的特点,但在钻具结构上,与世界各国的金刚石绳索取心钻具大致相似。
下面以我国研制、常用的S75型绳索取心钻具为例作介绍。绳索取心钻具可分为单动双层岩心管总成、打捞器总成、钻杆和钻头4个部分。随着钻探条件、取心要求、钻孔角度、深度以及孔内岩层、孔壁稳定和漏失情况的不同,局部结构会有变化。
(1)单动双层岩心管总成部分(图2-2)
图2-2 S75绳索取心钻具双管总成结构图
1—弹卡挡头2—捞矛头3—弹簧销4—回收管5—张簧6—弹卡室7—弹卡钳8—弹簧销9—弹卡座10—弹簧销11—弹卡架12—内接头13—锁14—碟形弹簧15—垫圈16—螺母17—开口销18—弹簧座19—黄油嘴20—螺母21—垫圈22—阀堵23—轴承24—调节螺母25—接头26—下轴27—外管28—内管29—扩孔器30—内管接头31—卡簧32—卡簧座33—钻头34—悬挂座环35—悬挂肩套36—扶正环
单动双层岩心管总成又分为外管总成和内管总成。
1)外管总成。由弹卡挡头—弹卡室—上扩孔器—外管—下扩孔器—钻头组成并按序连接。
2)内管总成。由捞矛头—弹卡装置—到位报信机构—岩心堵塞报警机构—单动机构—内管保护机构—调节机构—内管—卡心装置组成并连接。
绳索取心钻具单动双层岩心管总成是实现绳索取心的核心部分。其中弹卡钳又称定位机构,在钻进时防止内管上移。阀体及其有关组合部件又称到位报讯机构,这种机构国外大部分钻具没有,但生产实践中十分需要。该机构采用液压差报讯原理,其阀堵可以自动实现3个不同位置(内管下降、钻进状态、打捞状态),钻具到位报讯灵敏准确,可使钻探人员准确掌握开始钻进的时间。蝶形弹簧及其有关组合部件又称岩心堵塞报讯机构,当岩心充满内管或发生堵塞压缩弹簧,推动内管上移,使水眼三分之二面积被阻塞而泵压骤升,既防止了烧钻,又可使钻探人员及时中止钻进。扶正环又称扶正机构,固定在扩孔器与外管螺纹连接处,对内管起扶正定中心作用。内管和外管的长度可以根据具体需要情况作同步增长或缩短。内管通过上部轴承实现单动,其内壁宜光滑以减少岩心进入阻力。很多派生绳索取心钻具产品,都是从变化内管总成结构,增加若干功能机构来实现的。
(2)打捞器总成部分(图2-3)
图2-3 S75绳索取心钻具打捞器
1—打捞钩2—弹性圆柱销3—捞钩架4—弹簧5—铆钉6—脱卡管7—重锤8—弹性圆柱销9—安全销10—圆柱销11—接头12—油杯13—开口销14—螺母15—垫圈16—轴承17—压盖18—连杆19—索卡套20—绳卡芯21—圆柱销22—定位销套
打捞器总成由接头—单动防扭轴承—安全销—重锤—脱卡管—打捞钩组成并连接。
在钻探取心过程中,通过专用的地表绞车和钢丝绳下入或提升打捞器来安放和提取内管总成。只有在孔内充满冲洗液并且在不会造成损伤的前提下,内管总成才自由投入而不用打捞器送入孔底。在大斜度孔和水平孔钻进时,打捞器要通过泵送的方法才能到达孔内预定位置。打捞器能实现安全脱钩。当捞取岩心遇阻时,绳索取心绞车用力向上提拉,直至将安全销拉断。如不见效,则拉紧钢丝绳,由孔口沿钢丝绳投入脱卡管,当脱卡管到达打捞钩上端时,放松钢丝绳,打捞钩头部斜面沿捞矛头的圆锥体向下滑移并逐渐张开与此同时,打捞钩尾部向内收缩这样,脱卡管便可罩住打捞钩尾部,使打捞钩与内管总成脱开而提出钻孔,然后在地表处理。
整套钻具必须具有如下机构:
图2-4 弹卡定位机构
1—弹卡挡头2—捞矛头3—弹簧销4—回收管5—张簧6—弹卡室7—弹卡8—弹簧销9—弹卡座
1)定位机构。其主要作用是钻进过程中固定内岩心管在工作位置,它是钻具结构的关键部分。采取的结构形式各不相同,大体上分为弹卡和球卡两种类型,其中弹卡型应用较多,中国、瑞典、美国等均采用这种形式。图2-4所示为弹卡定位机构,它主要由弹卡架、弹卡、张簧等零部件组成。内管总成投入钻杆内后,弹卡借助张簧的弹力张开一定角度,并沿钻杆内壁下滑,到达外管总成中的预定位置时,弹卡两翼进一步张开,并贴在弹卡室的内壁上,其上端有较小内径的弹卡挡头,钻进过程中可以防止内管总成左右摆动和向上串动,同时,弹卡室内壁上所镶焊的合金或弹卡挡头上的拨叉带动内管轴承上部机构和外管总成一起旋转,以减少弹卡的磨损。
2)悬挂机构(见图2-2所示)。由内管总成上的悬挂环与外管总成中的座环组成,可使卡簧座与钻头内台阶保持2～4mm间隙。
3)打捞机构。它由打捞器的打捞钩、内管总成的捞矛头及回收管组成(见图2-2和图2-3)。打捞钩与重锤下行,冲击捞矛头后张开,继续下行至捞矛头颈部,弹簧使之复位收拢,抓住捞矛头。开动绞车上提,回收管上行迫使弹卡钳收拢,使内管总成从定位机构中释放出来(图2-5)。
图2-5 打捞示意图
1—回收管2—弹卡3—弹卡挡头4—打捞钩
4)单动机构。由轴、轴承、轴承座,及蝶簧座组成(图2-2)。
5)内管保护机构。见图2-2所示,它是由轴,轴承座、弹簧、弹簧套组成的缓冲机构。采心时,外管带动轴上行压缩弹簧,卡簧座坐在钻头内台阶上,可以避免内管承受大的拉力而损坏。
6)调节机构。见图2-2所示,它由调节螺母及调节接头组成,可调节卡簧座与钻头内台阶的间隙。
7)扶正机构。在外管下端近钻头处装置扶正环。扶正环用以扶正内管,保证内外管同心和便于岩心进入。扶正环常用黄铜或尼龙制作并开有通水槽。
8)安全脱卡机构。在打捞受阻时,为避免拉断钢丝绳,有两种安全脱卡形式:①打捞器上有安全销,其抗拉强度小于钢丝绳②稍放松钢丝绳,使打捞钩顺捞矛头的锥面向下并张开。顺钢丝绳投入脱卡管罩住打捞钩尾部,打捞钩无法收拢而与内管总成脱离接触。
9)干孔送入机构。干孔或孔内液面低时,内管总成高速下落可能造成钻具损坏。因此应用钢丝绳送入。但要求到位后能自动脱离、回收。干孔送入机构可与打捞器设计为一体(如YS-60可拆除),亦可另附装置。S75钻具可利用已有的附加装置,该装置亦可用于安全脱卡。
10)到位报信机构。由弹卡架、复位簧、阀体、定位簧、弹簧、调节螺堵、阀堵等组成。投放内管时阀堵关闭,液流从内管与钻杆的间隙中流通。到位后悬挂坐落在座环上,环隙被堵塞,冲洗液压力升高,克服张簧的张力使阀堵下移,阀门打开,阀堵的粗径移出定位簧后、定位簧即限制其复位,泵压下降。因此泵压的变化即到位信号。捞取岩心时,提捞矛,阀体及阀堵随之上行,直至阀堵越过堵水位置,不阻碍冲洗液下泄。内管总成提出地表后,复位簧使阀堵自动回到关闭位置。
11)岩心堵塞报警机构。由滑套、蝶簧、调节螺母等组成。内管打捞或岩心堵塞时顶起内管,压缩蝶簧,使滑套向上运动,直至堵塞悬挂接头上的通水眼,使泵压升高(图2-6)。
图2-6 岩心堵塞报警示意图
1—通水眼2—滑套3—碟簧4—外管5—调节螺栓
悬挂接头通水眼处有限位台阶,滑套只能堵塞通水面积的2/3,这样在报警的同时不致造成烧钻事故。
(3)绳索取心钻杆
其与常规金刚石岩心钻探用钻杆的不同点是,地质岩心钻探用的绳索取心钻杆一般要求内平和外平,以便在钻杆内升降内管总成并尽量减少钻头壁厚,采取较粗的岩心。
(4)绳索取心金刚石钻头
绳索取心钻探效果在很大程度取决于正确地选择金刚石钻头。通常把金刚石钻头有一定寿命作为某一工矿区采用绳索取心技术的先决条件之一。例如金刚石钻头寿命要是回次进尺长度的5～10倍,通常不低于30m只有最坚硬岩层才降低到15～30m。而大量情况下为30～300m,少数条件下高达500～1000m。
绳索取心钻头因克取环面较宽,特别讲究钻头唇面造型与水路冲洗冷却条件。
根据岩层情况,分别选用天然金刚石表镶钻头、聚晶钻头、复合片钻头和人造金刚石孕镶钻头。
(四)绳索取心钻具规格系列
金刚石绳索取心钻具的规格系列标准,随着推广应用的经验积累和应用范围的扩大而不断完善。
我国原地质矿产部于1976年完成第一种规格S56绳索取心钻具的试验、技术鉴定并批量生产,迄今已开发、形成S46,S59,S75,S91四种口径标准系列绳索取心钻具。同时还开发了专门用于煤田钻探、坑道钻探、水文地质钻探、深孔和复杂条件下用的增强型绳索取心钻具,派生出内管为半合管型的,带三层管的(第三层为塑料管,可与岩心一齐储存)、内管超前的、兼能采集气体的以及孔底局部反循环绳索取心钻具,专门应用于松软、脆碎、易被冲蚀的岩矿层钻探取心,或者用于采取非挠动岩矿心样品。并成功开发了带液动锤的绳索取心钻具和不提钻换钻头的绳索取心钻具,进一步扩大了绳索取心钻探应用领域与效果.特别是用于若干复杂地层和硬岩层钻进更为有利。
我国地质系统研制和采用的绳索取心钻具规格系列。按用途分为如下六类:
1)常规绳索取心钻具规格有46mm,59mm,75mm,91(95)mm。
2)坑道内水平孔用绳索取心钻具规格有46mm,59mm。
3)带液动冲击器的绳索取心钻具规格有59mm,75mm,91mm。
4)增强型绳索取心钻具(用于复杂地层和深孔)规格目前有75mm。
5)不提钻换钻头绳索取心钻具规格有75mm,91(95)mm。
6)水文钻探用绳索取心钻具规格目前有135mm。
在国内,除原地质矿产部研制采用的绳索取心钻具外,其他部门和地方省市地勘单位亦研制了若干品种系列的绳索取心钻具:如原冶金部门和有色金属总公司系统的YS系列和TK系列,原煤炭部门的SQ系列,原四川省地矿局的SM系列原北京市地矿局的JS系列原河北省地矿局SZG系列以及原黄河水利委员会设计院的SG型绳索取心钻具等。上述绳索取心钻具包括带液动锤的、在坑道内使用的、带三层管和半合管的,以及增强型绳索取心钻具等类型,都有各自特点,并在生产中推广应用。
(五)绳索取心钻探技术的应用领域
随着地质勘探事业的发展,绳索取心钻探技术的进步,在世界范围内其应用领域亦不断拓宽。已经应用的领域有:固体矿产钻探、砂矿钻探、石油、天然气钻探、工程地质钻探、地热钻探、水域钻探、冰层钻探、科学深孔钻探、坑道钻探。
(六)金刚石绳索取心钻探工艺
在进行绳索取心钻探施工之前,现场操作人员必须经过技术培训,要求熟悉绳索取心钻具结构原理和使用维护规程,能熟练根据钻探施工条件,合理掌握钻进参数,充分发挥金刚石绳索取心钻探优越性,减少各类事故,保证绳索取心顺利进行。
1.钻探准备工作
1)钻探设备的选择包括钻机(最好能实现机上捞心,采用大通孔立轴钻机或动力头钻机)、泥浆泵、绳索取心绞车等设备以及拧卸、提引工具等进行合理选择,性能可靠。
2)钻孔结构设计通常情况下当钻孔不超过1000m时,宜用一径或两径到底的钻孔设计。只有在地层复杂,孔深较大时,才采取多径成孔的钻孔结构。金属矿多用69mm孔径,煤田多用75mm,95(91)mm孔径。
3)钻具选择根据所钻探的岩、矿层情况,合理选择取心管的类型。例如采用常规结构、带半合管或三层管结构等。
4)钻杆选择根据岩层复杂程度和孔深情况,合理选用常规绳索取心钻杆或增强型钻杆。
5)钻头选择按照钻探所遇岩层和矿层,合理选择不同结构和磨料的钻头,达到保证质量、提高效率、降低成本的目的。
6)冲洗液的选择根据地层稳定性和完整程度,合理选择冲洗液类型。如果使用泥浆,要保证泥浆性能,防止钻探过程中出现各类孔内事故和钻杆内结泥皮现象。
2.绳索取心钻具的组装、检查与调整
新采用的绳索取心钻具下孔前,应按照说明书对内、外管和打捞器总成进行认真检查,然后将内管总成装入外管总成,调整内外管长度配合,并用打捞器试捞内管总成,确认符合技术要求后方能下孔使用。
1)外管总成的组装和检查外管总成由钻头、扩孔器、稳定器(上部),外管、弹卡室、弹卡挡头、座环及扶正环组成。检查时注意:①外管每米弯曲度不大于0.3mm②扶正环无变形③稳定器之外径宜略小于扩孔器④所有螺纹处要涂丝扣油,以增强密封性能,方便拧卸。
2)内管总成的检查内管总成由捞矛头、弹卡、单动轴承、内管、卡管座等组成。检查时注意:①各部件丝扣拧紧,尤其要防止卡簧座倒扣(有用反扣设计)②装入弹卡动作应灵活,两翼张开间距应大于弹卡室内径③钻具有到位报信机构时,宜根据孔深调节工作弹簧预压力,单位机构灵活,轴承套内注满黄油④内管平直无弯曲现象和凹坑⑤卡簧内径与钻头内径相匹配,比钻头内径小0.5mm为宜。
3)打捞器检查将打捞器与绳索取心绞车的钢丝绳相连接,并注意检查:①打捞钩安装周正,无偏斜②尾部弹簧灵活可靠,头部张开距离以8～12mm为宜③脱卡管能确保安全脱卡作用。
4)内外管总成装配和调整 装配时注意检查:①弹卡与弹卡挡头的顶面应保持一定距离,一般为3～4mm②卡簧座与钻头内台阶保持合理间隙,一般为2～4mm。该间隙可通过内管总成调节螺母进行调整③内管总成在外管总成卡装牢固,捞取方便灵活。
3.金刚石绳索取心钻进工艺参数
绳索取心钻进和常规金刚石岩心钻探一样,必须根据岩层特性、钻头类型、钻孔深度、钻孔倾角、钻孔直径,冲洗液类型和所用设备和钻具性能等因素选择优化钻进工艺参数,主要指钻压、转速和冲洗液量。上述参数的合理选择,是决定取心质量、钻速、钻头寿命、回次进尺长度、提钻间隔等技术经济指标的主要因素。
1)钻压绳索取心钻进环状克取面积比常规取心钻进要大,因此钻进时所用钻压亦相应增大。绳索取心一般用于中硬至硬(6～11级)的岩层中钻进,当用常规表镶和孕镶金刚石钻头时的钻压范围,推荐值如表2-1所示。实际采用钻压应按具体岩层条件、钻头类型、钻头实际尺寸(如超径钻头)等,通过实践合理确定。为减少钻孔弯曲,降低钻压,绳索取心钻进宜选用底唇面接触面积小的钻头,如多水口、交错唇面和齿形结构的钻头,可以明显降低钻进时所需的钻压,利于防止孔斜。
表2-1 绳索取心钻进用钻压推荐值
2)转速和常规金刚石取心钻探一样,在孔径、孔深、冲洗润滑条件、孔壁稳定性、岩层研磨性、钻杆坚固性以及设备等条件允许下,尽量取较高转速钻进。当用孕镶钻头时,平均钻头的线速度一般为1.5～3.0m/s当用表镶钻头时则为1～2m/s。上述转速亦宜根据具体施工条件确定。
3)冲洗液和冲洗液量。绳索取心钻进在条件许可时宜用无固相和低固相并加有润滑剂的冲洗液。当用泥浆时宜用优质搬土做原料,防止在钻杆内结泥皮现象。确定冲洗液量的要素有两种:①保持环状间隙上返流速在0.45m/s至1.0～1.5m/s范围内。②保持钻头唇面单位面积(cm2)冲洗液量在3～5L/min(中硬至硬岩)或2.4～4.0L/min(硬至坚硬岩)。根据后者用不同直径的绳索取心孕镶金刚石钻头,钻进时所需冲洗液量推荐值见表2-2所示。上述冲洗液量亦宜根据具体施工条件合理确定。
表2-2 绳索取心钻进冲洗液量推荐值
4.绳索取心操作要领
(1)投放内管
将检查合格的内管总成,由机上或孔口投入孔内。遇漏失层孔内无冲洗液时不用投放内管,应用打捞器干孔送入机构送入孔内,亦可泵入适量冲洗液后迅速投入内管总成。
(2)开始钻进
当在孔口投入内管并确认内管已下降到位后,才能开始扫孔钻进。钻进过程中如发现岩心堵死.或者当进尺已接近岩心容纳管长度时,应停止钻进,并适当冲洗钻孔。
(3)捞取岩心
捞取岩心根据所用设备采用孔口下打捞器捞取法或机上下打捞器捞取法。
1)孔口打捞法。操作程序包括提断岩心、提升主动钻杆、卸开主动钻杆、钻机移离孔口、下放打捞器、开动绳索绞车提升内管总成、将备用内管总成二次投入。
2)机上打捞法。操作程序包括提断岩心,钻具不离开孔底,卸开机上捞取岩心专用水龙头压盖(图2-7),打捞器通过水龙头下入机上钻杆而到达孔底,开动绳索绞车,提升内管总成。尤其在采用机上打捞法时宜用回水漏斗(图2-8)将溢出的冲洗液引向水源箱。
(4)大斜度和水平孔绳索取心钻进
在钻进大斜度和水平孔用绳索取心时,钻杆柱有专门机构进行起下钻。投放内管和打捞岩心时则由专门设计的安全输送装置进行(图2-9)。操作程序是:①投放内管。将内管塞入钻杆。再塞入安全输送器,接上封接头,启动水泵,借泵压将内管送下,到位后提出输送器,进行钻进。②捞取内管。回次终了,将卸去加重杆的打捞器接在输送器上塞入钻杆,接上密封接头,启动水泵,借泵压将打捞器送抵孔底内管总成顶部,捞住矛头,拉出内管总成并取心。
图2-7 机上捞取岩心专用水龙头
1—压盖2—三通接头3—轴承4—内套5—异径接头胶管
图2-8 回水漏斗
1—漏斗2—接头3—胶管4—卡盘
图2-9 绳索取心内管和打捞器安全输送装置
1—内管总成2—打捞器3—输送器4—密封接头
图2-10所示为专门设计用于水平孔的水龙头结构图。其上部带中心孔的塞堵是泵送内管和打捞器用的。钻进时则更换实心塞堵。水龙头内孔能通过打捞器和内管总成。
图2-10 水平孔用水龙头结构图
5.钻具的维护保养
为了保证绳索取心钻具的正常使用,防止钻具零部件失灵。捞取岩心失效而导致提钻处理甚至发生孔内事故,必须经常检查钻具,作好维护保养工作。重点检查项目是:
1)弹卡磨损情况和张簧是否变形,并经常注油润滑。
2)单动轴承是否灵活,并定期清洗注入黄油。
3)内管有无弯曲和凹坑变形,发现不合用时宜修理或更换。
4)卡簧及卡簧座有无变形和过磨损,卡簧座水口深度不小于4mm。
5)每次提钻要检查弹卡挡头拨叉磨损断裂情况,发现磨出圆角要用锉修平。
6)悬挂环和座环磨损情况,发现吻合面已磨成圆锥面时要及时更换。
7)每次捞取岩心前检查打捞钩头部和尾部弹簧磨损情况,如有明显磨损变形要及时更换。
8)钢丝绳有无损伤断股情况,并注意涂油保养。
9)全套钻具、钻杆螺纹磨损情况,并经常涂丝扣油保护。平常应平整堆放,防止锈蚀。
6.常见故障及排除方法
1)打捞器捕捞不住内管总成。其原因是捞矛头损坏,打捞器钩挂不住,岩粉沉淀或有实物覆盖矛头,打捞钩损坏或尾部弹簧断而失灵等。其处理方法是反复提放打捞器数次,如无效,提出打捞器,然后提钻检查处理。
2)打捞器捕捞住内管总成后提拉不动。其原因是岩心堵死或卡簧倒扣,使内管总成在钻头内台阶和弹卡挡头间顶死,岩心下端呈倒蘑菇头状并卡在钻头底部弹卡的弹性轴销脱出卡住回收管,卡簧座下端和内管螺纹部分因岩心堵死变形,通不过外管总成座环,悬挂环和座环严重损坏相互卡死,弹卡挡头拨叉折断,内管总成被卡等。其处理方法是使用安全脱卡机构使打捞器脱钩。如确认是岩心蘑菇头造成的,则将钻具放到孔底研磨片刻,再下打捞器试捞。如无效,提钻处理。
3)打捞途中遇阻提拉不上来。其原因是钻杆螺纹变形,阻挡内管通过,内管严重弯曲变形,通不过钻杆,所用泥浆低劣,杂质多,在钻杆内结成泥皮,阻碍内管等。其处理方法是:首先使用安全脱卡机构提出打捞器,继而提升钻具检查原因,并更换不合格的钻杆或内管调整泥浆性能,并有效采用循环沉淀系统,增设除砂器和除泥器。
4)打捞出的内管缺失岩心或无岩心。其原因是岩心直径与卡簧不匹配,造成没有拔断岩心或未卡紧中途脱落弹卡不起作用,钻进时内管上窜,形成“单管”钻进,内管总成因各种原因下放未到位,钻进时形成“单管”钻进岩心松软(如煤层)未采取合理结构的钻具和钻进规程等。其处理办法是检查卡簧是否合格,弹卡是否磨损失灵,以及造成打“单管”之原因如因地层松软宜更换合理结构的(内管超前、带半合管、用底喷式钻头和带孔底反循环的)钻具等。
5)钻进效率低。其原因是岩层致密坚硬,超过10级,钻头金刚石质量差或胎体性能与岩层不匹配钻头内径过度磨损,岩心变粗,进不去卡簧,形成堵塞卡簧已损坏,岩心受阻,内管有损伤、阻碍岩心顺利进入等。其处理办法是将内管总成提出并检查卡簧、卡簧座和内管,采用与岩层性能匹配的钻头和钻进规程,必要时换常规钻进或用带液动锤的绳索取心钻具。
6)钻孔偏斜严重。其原因与处理方法与普通金刚石钻进类似,不再赘述。
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