不需起拔套管的孔内扩径钻具设计_燕建龙.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2014-12-31 基金项目 湖南省自然科学基金（07JJ6089） Foundation itemNatural Science Foundation Project of Hunan Province of China（07JJ6089） 作者简介 燕建龙（1965），男，陕西潼关人，教授级高级工程师，从事地质工程勘察设计与施工技术和管理工作. E-mailyanjian- long6511 引用格式 燕建龙，周云，张绍和，等. 不需起拔套管的孔内扩径钻具设计［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）132-135. YAN Jianlong，ZHOU Yun，ZHANG Shaohe，et al. A borehole reamer without lifting casing［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（3） 132-135. 文章编号 1001-1986（2016）03-0132-04 不需起拔套管的孔内扩径钻具设计 燕建龙 1，周 云2，张绍和2，3，孙平贺2，3 （1. 西北综合勘察设计研究院，陕西 西安 710003；2. 中南大学地球科学与信息物理学院， 湖南 长沙 410083；3. 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083） 摘要 针对下套管护壁后，下部地层出现新的缩颈、垮塌问题，设计了一种不需起拔套管的孔内扩 径钻具。描述了该扩径钻具的结构和工作机理，其扩孔尺寸可通过调节滑心滑块的尺寸来改变；导 出了冲洗液量与金刚石切削块上的钻压之间的理论公式，为选择合理的扩孔钻进规程提供了一种参 考依据。野外应用表明，该扩径钻具能够满足现场扩孔要求，减轻工人劳动强度，提高钻进时效。 关 键 词复杂地层；套管护壁；扩径钻具；水力学计算 中图分类号P634.4 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.026 A borehole reamer without lifting casing YAN Jianlong1，ZHOU Yun2，ZHANG Shaohe2，3，SUN Pinghe2，3 （1. Northwest Research Institute of Engineering Investigations and Design， Xi′an 710003， China； 2. School of Geosciences and Info-Physics， Central South University， Changsha 410083， China； 3. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals， Ministry of Education， Changsha 410083， China） Abstract Casing drilling technology is essential to borehole which can reduce shrinkage， collapse and save the cost. It is very essential in the soft and heterogeneous layers. A new borehole reamer without lifting casing is introduced in this pa- per. The drilling tool is composed of drilling pipe joint， sliding block， diamond cutting block and guiding rod. The au- thors discuss structure and working mechanism of the new reamer. Diameter of the reamer can be changed by sliding core and sliding block. This characteristic is different from conventional reamer. The matching calculating between drilling fluid volume and the weight of diamond cutting block has been done through hydraulics . This ula can pro- vide mathematics basis for the reamer design. The results of the field application show that this borehole reamer can meet the reaming requirements， release the labor intensity and improve drilling efficiency. Key words heterogeneous layers； borehole stability； reamer； hydraulics calculation 采用常规钻探方法在遇水膨胀的软土、黏土泥 页岩地层，或在破碎、松散易坍塌地层中施工时， 常常会出现钻孔缩颈、垮塌等现象［1］，会严重影响 钻孔质量，还会带来卡夹钻具、水路堵塞等引起的 烧钻、降低钻进效率等后果［2］。 在钻探施工过程时，有些方法和措施也可以防 止或减少钻孔缩颈、垮塌等钻探问题［3-6］，但是由于 地层的复杂性和不均匀性以及钻具磨损的必然性 等，钻孔缩颈、垮塌等现象在钻探过程中仍常常遇 到，而解决这类问题的最好方案是采用套管护壁来 改善钻孔质量［7］。 若在下完套管后，下部孔段出现新的缩颈、垮 塌等现象，需要加长套管时，常规的做法是全部拔 出上部套管，然后扩孔钻进，之后再次下套管作业。 这种施工方法效率低，劳动强度大，甚至会影响孔 壁稳定。针对此问题， 研制出一种不需起拔套管的 孔内扩径钻具，仅需要加长套管并延伸至复杂地层 就可以达到保护孔壁的作用。与传统的施工方法相 比，可有效节省时间、节约成本、降低劳动强度， 从而提高钻进效率。 1 扩径钻具的结构和工作机理 1.1 扩径钻具的结构及其特点 扩径钻具的结构如图 1a 所示［8］。 ChaoXing 第 3 期 燕建龙等 不需起拔套管的孔内扩径钻具设计 133 1套管；2钻杆接头；3库体；4滑心； 5金刚石切削块；6滑块；7导向杆 图 1 扩径钻具的结构示意图 Fig.1 Structure of reamer 钻杆接头与库体之间通过丝扣连接，滑心和沿 圆周均匀分布的 810 个紧密接触的滑块组成滑心 滑块结构，滑心和滑块之间采用圆弧面配合接触； 滑心的外侧始终与库体的内壁接触，可沿库体的内 壁上下滑动； 库体的周围侧面均匀分布有 810 个圆 形孔；滑块的下端轴向位置限位于导向杆的上表面 处，只能沿钻具径向移动。 导向杆的结构为大、小头端外壁圆锥形面，上 端外壁为圆柱面，与库体的内表面通过丝扣连接。 变径处的阶梯顶住库体的下端，且和钻杆接头变径 处的阶梯配合使库体轴向固定。 金刚石切削块嵌入滑块中，通过穿过库体上的 圆形孔均匀分布在钻具圆周上。滑块上设有均匀分 布的由内向外的水口。 1.2 扩径钻具的工作机理 由于地层的复杂性及未知性， 当下部井段出现复杂 情况需要进行扩孔作业时，不需要起拔套管，只需先提 出钻具，然后在钻具的最下端接上该孔内扩径钻具，即 可进行扩孔钻进，扩孔完成后再进行下套管作业。 图 1a 是该扩径钻具初始状态示意图。在扩径钻 具下入到预定位置之前不开泵，此时滑心处于最高位 置，金刚石切削块缩入套管内壁，滑块间处于密封封 闭状态，扩径钻具恰能通过套管到达预定地层。当该 扩径钻具到达预定位置时，开动地表钻机和水泵，此 时该扩径钻具处于工作状态（图 1b）［8］。 钻井液通过钻杆内径通道流至滑心和滑块处， 在钻井液的压力作用下，推动滑心向下运动，从而 将滑块推出超过套管外径，在钻机回转和钻压作用 下，开始破碎孔壁岩石实现扩孔钻进。 金刚石切削块对井壁的钻压可以通过地面水泵 提供的冲洗液量和压力大小来控制。同时通过调节 滑心滑块等组成部分尺寸和位置，可以改变钻孔直 径扩大的最大范围。在扩孔钻进过程中，由于导向 杆的下半部分外表面设计为锥形均匀变径，可起到 导向的作用，保证扩大后的钻孔沿着原钻孔轨迹加 深而不改变空间位置。 2 扩径钻具的优点 a. 在不起拔上部套管的前提下，可实现在孔内 扩孔钻进。 b. 可通过控制钻井液排量的大小来控制金刚 石切削块对井壁的钻压， 从而选择合理的扩孔规程。 c. 金刚石切削块沿圆周均匀分布，能够使需扩 孔孔壁的各向均匀受到切削，从而防止扩孔后钻孔 轴线偏离原钻孔轴线，有效防止孔斜等。 d. 导向杆的设计， 不但可以起固定库体作用， 还能使扩大后的钻孔沿着钻孔轨迹加深而不改变 空间位置。根据需要可在导向杆的下端镶焊若干 块金刚石或硬质合金切削块，利于切削破碎孔内 岩层。 e. 可有效利用泵送的冲洗液压力展开金刚石 切削块，利用钻机传递的钻压和转速至金刚石切削 块实现扩孔钻进，不需增加其他额外动力源和机械 设备，节约成本。 3 结构设计与水力学计算 3.1 滑心滑块结构设计 滑心滑块组合是扩径钻具的核心部件，要使得 滑块能够被滑心推出库体，则滑心与滑块配合锥面 必须满足一定的角度。如图 2 所示，F1是滑心作用 在滑块接触面上的推力，θ 是滑块锥面与水平面的 夹角。滑块移动的条件是 1 1 sincos ＞0FFθμθ- （1） 式中 μ 为滑块与导向杆之间有冲洗液润滑时的摩 擦系数，取 μ0.12［9］，可知 θ＞7。 同时金刚石切削块的扩孔尺寸取决于静止时滑 心下表面与滑块上表面的距离 h1和角 θ。当扩径钻 具处于如图 2 所示的工作状态时，扩径钻具的扩孔 尺寸 d1为 1 1 tan h dd θ （2） 式中 d 为库体外径。 通过改变 h1和 θ 即滑心滑块组 的尺寸和位置就可以改变扩径钻具的扩孔尺寸。 ChaoXing 134 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 2 滑块受滑心作用力示意图 Fig.2 Chart of sliding core force applied to sliding block 3.2 金刚石切削块设计 该扩孔钻具的工作寿命取决于金刚石切削块的 切削材料。合理设计金刚石切削块的切削材料和选 择扩孔规程会极大的延长扩孔钻具的工作寿命和提 高扩孔钻具工作效率［10］。 a. 金刚石切削块切削材料设计。扩孔器的切削材 料目前使用最多的是聚晶金刚石［11］。综合考虑加工、 组装、寿命等因素，选择的烧结体与 TL80ZR2磨耗比 应大于 30 000，并且热稳定好，尺寸为φ1.8 mm4 mm 的圆柱体。根据胎体材料应该满足的粒度、形状、 浸润性和密度要求等，选择 0.074～0.187 mm 的铸 造碳化钨作为胎体材料。 根据在无压浸渍工艺中粘 结金属应满足渗透性和脱模性的要求， 选择锌白铜 作为粘结金属。 同时在制作扩孔器的时候要注意在 石墨模具上用 Al2O3汽油橡胶溶液涂上薄薄的一 层，防止石墨对刚体可能产生的渗碳，延长其使用 寿命［12-14］。 b. 扩孔钻进规程与水力学计算。根据该扩径钻 具的结构可知，当扩径钻具处于工作状态时，金刚 石切削块对井壁的钻压 FN可用表示为 1 （sin cos ） N FFθμθ- （3） 那么在滑心滑块结构一定（角 θ 一定）的情况下，要 改变切削块对井壁的钻压，只能改变 F1。而 F1取决 于冲洗液对滑心的冲击力 F2。取如图 3 所示的控制 体 I1-2该控制体的空间区域是由断面 1、 断面 2 及钻 具内冲洗液通道组成，控制体Ⅰ1-2就是在其中流动 的冲洗液。设滑心对控制体的作用力为 F2′，对控制 体列动量方程 1 1221132232 02 201 1 （）（） （） p Ap Ap AApAAF Qvvραα ′ ----- - （4） 式中 p1、p2为断面 1、断面 2 处的流体压强；A1、 A2、A3为断面 1、断面 2、断面 3 处的断面面积；ρ 为冲洗液密度；Q 为冲洗液的流量；α01、α02为断面 1、断面 2 的动量修正系数，对于不可压缩流体及一 般的工程计算有 α01α021［15］；v1、v2为断面 1、断面 2 处的平均流速。 断面 1，断面 2 之间的位置势能之差与断面 1， 断面 2 之间的压力势能和动能之差相比可忽略，因 图 3 流经滑心的控制体示意图 Fig.3 Chart of fluid flowing through the sliding core 此由伯努利方程得 22 11 122 2 22 pvpv h gggg ζ αα ρρ （5） 式中 α1、α2为断面 1、断面 2 的动能修正系数，αw 为流体处于紊流状态时的动能修正系数，对于紊流 可 取 α1α2αw1.01 对 于 一 般 工 程 计 算 取 αw 1.01［16］；hζ为断面 1、断面 2 之间的能量损失。 对于hζ，可只考虑局部水头损失，而局部水头 损失因数只与断面的形状有关［16］ 2 2231 122 133 1 （1）（）（1） 42 Av AAv h gAAAg ζ -- （6） F2则与F2′大小相等，方向相反。综合式（3）式（6） 得到 2232 2 2 313 2 w3 22 21 21 111 （）（1） 42 1111 （）（） 2 AA FQ AAAA A AAAA ρ α ■ -- ■ ■■ ■ --- ■ ■■ （7） 将式（7）写成F2ρQ2α1-2，α1-2是仅与库体内 径、滑心内径、导向杆内径有关的系数。 综合式（3）和式（7）得钻压 N F的表达式 2 1 2 （sincos ） cos N Q F n ρα θμθ θ - - （8） 式中 n为滑块个数。上述计算表明，在滑心滑块结 构一定的情况下，可通过控制钻井液排量的大小来 控制金刚石切削块对井壁的钻压，从而选择合理的 扩孔钻进规程。 4 应用效果 4.1 地层岩性及施工概况 河南驻马店某矿区地层由上到下依次为第四 系黏土、粉质黏土和粉细砂局部夹砂砾岩，黏土矿 物成分以蒙脱石为主，含少量伊利石、高岭土；新 ChaoXing 第 3 期 燕建龙等 不需起拔套管的孔内扩径钻具设计 135 近系（N）由砂岩、砂砾岩、砂质泥岩和砾石层组成， 层厚 30～60ｍ；第三层由一套变质程度较高的结晶 片岩、片麻岩组成，为勘查目的层。为防止第一层 水敏性地层遇水膨胀而造成的缩颈卡钻事故，采用 套管护壁。由于事先没有预料到新近系中的砾石层 由黏土、砂砾充填，胶结松散，钻孔极易坍塌。在 目的层中取心时，钻孔掉块严重，故需扩孔并延长 套管至新近系底部，以保证后续施工的安全进行。 4.2 扩孔钻进效果 第四系（Q）及新近系（N）由于地层岩石的可钻性 均小于 5 级， 采用硬质合金钻进。 勘查目的层岩石的 可钻性在 6～7 级， 采用金刚石绳索取心钻进。 在新近 系（N）中扩孔钻进时，根据式（8）选了扩孔时的泵量， 使得施加在金刚石扩孔器上的钻压处在合适的范围， 保证扩孔顺利进行。在矿区的 ZK1105、ZK1309、 ZK1511 三个钻孔中分别使用该扩径钻具，快速、安 全的完成了新近系的扩孔任务，扩孔时效达 0.44 m/h、0.38 m/h、0.42 m/h，扩孔完成后顺利下入套管。 与起拔套管的作业方式相比，采用该孔内扩径钻具， 大大减轻了劳动强度，提高了工作效率。 5 结 论 a. 研制的金刚石扩孔钻具，可在下套管护壁 后，下部孔段出现新的缩径坍塌现象，钻具可以在 不起拔套管的前提下实现扩孔钻进。 b. 研制的扩径钻具的金刚石切削块能够在冲 洗液的作用下自动伸出，通过改变滑心滑块的尺寸 来控制该扩径钻具的扩孔尺寸。 c. 对该扩径钻具处于工作状态时进行水力学计 算，得出施加在每个金刚石切削块上的钻压与冲洗液 的流量之间的理论公式。这说明可以通过改变冲洗液 量的大小来控制金刚石切削块对井壁的钻压，为选择 合理的扩孔钻进规程提供了依据。 d. 现场试验表明，在复杂地层钻进过程中，使 用该扩径钻具能满足现场扩孔要求，并可以优选扩 孔规程，大大减轻工人劳动强度，提高钻进时效。 参考文献 ［1］ 李世忠. 钻探工艺学［M］. 北京地质出版社，1992250-260. ［2］ 鄢泰宁. 岩土钻掘工程学［M］. 武汉中国地质大学出版社 200190-100. ［3］ 时志兴， 翟东旭， 张东兴. 小口径岩心钻探钻孔缩径的预防与 处理［J］. 探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（6）91-95. 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