分压式孔底局部反循环钻具设计.pdf

第 2 6卷第 3期 2 0 1 0年 6月 有色矿冶 N0N F ERROUS M I NI NG AND M ETALLURGY Vo 1 2 6 3 J u n e 2 0 1 0 文章编号： l O O 79 6 7 x( 2 O l O ) 0 3一 o o 1 6 0 4 分压式孑 L 底局部反循 环钻具设计 林立 ， 张明科 ， 王胜奎 ( 沈阳地球物理勘察院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 1 2 1 ) 摘 要： 在破碎地层中进行金刚石钻探 ， 普遍存在有岩芯采取率不足的问题。本文通过对普通单 动双管钻具的分水接头、 卡簧、 卡簧座、 及钻头水路的改进， 从而改变钻具内外环空间隙， 强迫冲洗液在孔底形成分流， 造成孔底局部反循环。利用内循环冲洗液对岩芯的浮托力， 使岩芯顺利进入岩芯管上部， 消除了钻头人 E l 处挤压的岩芯， 从而保证岩心采取率。 关键词： 金刚石钻探 ； 破碎地层； 分压式孔底局部反循环钻具 中图分类号： T U 7 5 3 6 5 文献标识码： B 1 概述 小 口径金刚石钻进在破碎地层中堵心频繁而引 起的回次长度短、 钻头寿命低及取心困难等问题， 直 接影响着钻进效率， 钻孔质量和钻探成本， 是小口 径 金刚石钻探急需解决的技术关键问题之一。 为了提高破碎地层钻进的技术经济效果 ， 满足 生产实际的迫切要求和为取心工具 的技术储备 ， 我 们以防止堵心为突破 口， 在对 内蒙乌兰达坝破碎地 层存在的钻进工艺 问题和岩性特点连行调查分析的 基础上 。经过反复研究 、 计算 、 改进 ， 目前 ， 己完成 了 “ 分压式孔底局部反循环单动双管钻具” 的设计工 作， 此套钻具适用于回次短， 取心困难的破碎地层钻 进， 结构简单， 加工容易， 使用方便。 2 2 过钻头水 口 经钻具于孔壁之间的环状间隙上返 ， 起到清除 岩粉和冷却钻头的作用。 分反钻进的基本特点是 ： ( 1 )孔底正反循环液流压力相等 ， 同步上返； ( 2 )内返液流量大于外返液流量 ； ( 3 )钻进过程产生的岩屑大部份随冲洗液从内 管上返 。粗颗粒 岩屑( 从返水孔 不能排 出的) 则浮 集于内管的上部空间； ( 4 )碎块岩心或较短的柱状岩心应可被冲洗液 浮起 ； ( 5 )基于返水孔与钻杆外环空间贯通 ， 钻具不 存在“ 活塞效应” ， 升降钻具时的抽吸和激动压力均 减轻。 2 工作原理 3 设计指导依据 分反钻具具有普通单动双管和孔底局部反循环 的功用， 其结构与普双钻具类似， 但单动双管接头， 卡簧座系统和钻头的水路结构 自有特点 。其水流分 布如下 ： 钻进时 ， 冲洗液经分水接头 的 3个送水孔 ， 进入 内外管之问的环状间隙， 流至孔底 ， 由于内外管 上返水路的过水断面积从结构参数上有比例 限制 ， 因而冲洗液在上返时的阻力 就有差别 ， 迫使它在卡 簧座底端产生分流。即分成内外两路上返。 2 1 过卡簧底座切 口进入内管 经活动内管接头 中心孔 、 分水接头 的三个返水 孔与外返液流汇合 ， 同时上返冲洗液通过内管时可 携带一部分岩屑 ， 能 浮动小块岩心 ， 延缓 或防止堵 心， 并能保护岩心( 减少 自磨) 。 影响小口径金刚石钻进效率和回次长度的关键 因素是岩心堵塞， 而岩心堵塞又主要是由破碎岩心、 粗粒岩屑在重力作用下沉落于 内管下端( 多发生在 卡簧座与短 节处 ) 所 引起 的。使岩 心进入 内管受 阻， 中断回次进程。因此 ， 要解决破碎地层的取心问 题 ， 关键在于有效预防堵心。 目前， 比较简单可行的方法是利用 冲洗液的反 向循环 ， 对岩心产生举力 ， 使破碎岩心处 于浮动状 态， 从而防止或延缓岩心堵塞， 这是公认的预防堵心 的有效方法之一， 同时要提高岩矿心采取率， 首先也 必须在钻进过程 中有效地保护岩心， 实践证明， 只有 使岩矿心呈悬浮状态才能防止它们互相挤夹 和磨 损 ； 能够形成孔底局部反循环的有喷返钻具 ， 但其内 收稿 日期： 2 0 1 0 0 30 3 作者简介： 林立 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 学 士， 探矿工程高级工程师 ， 从事探矿工程及 岩土工程设计及生产 工作 。 第 3 期 林立等： 分压式孔底局部反循环钻具设计 l 7 返流量受到钻具 抽吸负压 ( 小 于 1个大气压 ) 的限 制 ， 使用范围和效果均受影响 ， 且零件加工精度和装 配间隙都要求严 格， 须经常检查调整 ， 操作不便 ， 不 利于推广。 根据上述情况分析 ， 并 翻阅参考国内外有关资 料 ， 我们认为， 接现有水泵的性能， 在保证冲洗液冷 却钻头 ， 清除岩粉 的前提下 ， 尽量加大 内管返水量 ， 使其举力能满足浮动破碎和短柱状岩心的需要， 但 究竟内返水量多大时才合适 ， 目前 ， 由于试验设备和 测试手段的限制， 只能根据一些相关公式进行计算 ； 当金刚石钻进送水量为 ( 3 0 L m in ) 时 ， 即可达到带 岩屑 ， 冷却钻头的功用 ， 而内返流量在 5 0 L m in时， 即可达到悬浮短柱状岩心的目的， 即： 应把 内返流量 控制在 占送水量 5 5 6 5 。 根据流体动力学原理可知 ， 局部反循环钻具内 外返水的汇合点和分流点 的压力是相等的。在两点 之间 ， 内外返水量 的大小取决于 内返水阻力和外返 水阻力的大小 ( 由于钻具的内外管上返水路 的结构 规格是一定的， 流速取决于流量， 流速又是决定流体 举力 的重要因素 ， 因此在这里也可以说 流量是决定 流体举力的关键) ： 而返水阻力的大小又取决于过 水断面的大小 ， 所 以， 应合理设计 内、 外返水路 的断 面积 ， 以保证外返水阻力 ： 内返水 阻力 =( 23 ) ： 1 ， 为此， 设计的主要任务就归结到设计合理的， 能形 成孔底局部反循环的双管接头和修改钻具的卡簧座 系统以及调整钻头的内外径规格和过水断面。 4 分反钻具结构参数 4 1 分返接头的结构参数 分水接头外径为 5 8 m m， 可安装 6 0 m m钻具 ， 此分水接头 ， 是在普双的异径接手基础上 ， 稍加改动 而成的。 ( 1 )在接头体 内均布六个08 m m水孔 ， 其中三 个进水孔 ， 三个返水孔 ， 相互交叉 ， 冲洗液通过三个 送水孔进入内外管间隙， 而内返上来的冲洗液则通 过三个返水孔排至孔壁间隙中， 与外返液汇合； ( 2 )为了减少返水通道的局部压头损失 ， 三个 返水孔均与轴线成 2 0 。 交角 的斜孔 ， 且在 出 口处加 工成与返水孔角度相 同的圆锥 ， 一是为打孔方便 ， 二 是作外返冲洗液 的导向槽 ， 减少压头损失 ， 减少冲洗 液对孔壁的冲刷破坏 ； ( 3 )考虑到接头的强度， 先在接手体中打一段 5 5 m m长 ， ( 2 j 1 5 m m 的圆孔然后 ， 才加工 4 5 m m长 的 M2 7 X2螺纹 ， 以连接空心 吊轴 。此种分水接头 一 体化 ， 结构简单 ， 加工使用方便。 4 2 活动的内管接头 ( 1 )空心吊轴的通孔直径为(2 j 1 6 m m 使之过 水顺畅 ， 上端的丝扣长度为 6 5 mm以保证空心吊轴 轴向伸缩的微调量 ； ( 2 )为保证 内外管之间有较好 的同心度 。把轴 承放在轴套 的两边 ， 利用冲洗液的流向， 简化 了轴承 的密封装置 ； ( 3 )侧通螺帽有 4个 8 m m的排水孔 ， 并开在 侧面 ， 是为 了防止岩心浮至钻具顶端后封闭 吊轴通 孔， 使内返水路堵塞而降低或失去反循环的作用。 分水双管接头的主要结构参数及与普通双管钻 具对 比见表 1 。 表 1 分水双管接头的主要结构参数及与普通双管钻具对比表 4 3 卡簧座系统结构参数的确定 在卡簧座系统的设计上， 我们采取了两套方案。 4 3 1 组合式卡簧座 系统 组合式卡簧座系统由底 座、 套 管、 卡簧 、 挡簧管 组成 ， 起卡断岩心和冲洗液分流作用 。 ( 1 ) 主要零件的设计根据及尺寸参数的确定底 座 ： 用于排水和承座收紧卡簧 ， 下端最大外径为 5 l m m， 以保证内管对中和限制冲洗液外返， 上端开有 6 条透槽， 与套管插接后保持有四个矩形水 口， 与六 条透槽相连有 6条水槽 ， 一直通到底座下部 的六个 半圆形水口， 使另一部份水通过底座而到达钻头的 工作面 ， 用于外返 。 套管 ： 用于接连底座与挡簧管 ， 壁厚 1 m m， 以保 持套管内外有足够的间隙。 卡簧： 设为光皮式， 即卡簧体上无过水的切口或 排水槽 ， 这可以隔离 冲洗液对岩心的直接 冲刷。为 1 8 有色矿冶 第 2 6卷 保持卡簧有较好的弹性 ， 上端簧体壁厚 1 5 mm， 卡 簧高度为 1 5 m m 。 挡簧管： 为防止卡簧改短后易挤进短节而设置 的， 上端与短节插接， 下端与套管插接， 并保持通水 顺畅， 端面应淬火使之耐磨。 把卡簧座系统改为组装式 ， 是为了底座加工简 化和对卡簧的限位可靠， 同时， 也可有效地防止岩心 在此阻塞。 ( 2 ) 卡簧座系统的结构参数 接一定的断面积来控制其阻力， 见表 2 。 表 2 卡簧座系统的结构参数及与普通双管钻具对比表 4 3 2 卡簧加深水槽式 卡簧加深水槽式与普双卡簧座系统的结构一 致， 但为了加大内返水量， 将卡簧的内水槽加深。 相同。 卡簧： 外径根据(2 j 6 0 m m普双卡簧设计， 内径根 据f2 j 6 0 m m绳钻卡簧设计， 因而， 可将水槽加深至3 卡簧座： 尺寸形状与06 0 m m普双卡簧座大致 m m( 由于钻头加厚， 岩心直径为03 5 m m) 。 表3 卡簧加深水槽式结构参数及与普通双管钻具对比表 参数 ： 见表 3 。 4 4 钻头结构及其水路参数的确定 除分反钻具的双管接头和卡簧座系统对内返水 量有影响外 ， 钻头 的结构及其水路参数对 内返水量 也有影响。 4 4 1 钻 头 内径 的确 定 在钻具 内管规格 ( 4 7 5 m m2 m m) 不变 的 情况下 ， 钻头 内径 的大小决定 了岩心的粗细。岩心 与内管的间隙也随之变化 ， 从而影 响到卡簧座系统 间隙， 增加内返水量， 我们设计了内径为f2 j 3 5 m m的 厚壁钻头， 为方便加工， 厚壁钻头胎体部分与绳索取 心钻头相同， 钢体部分与普双钻头相同。 4 4 2 钻 头水路 尺寸 的确定 钻头水路的分布对冲洗液的分流起着最终的控 制作用。其中以钻头内外排水槽断面积对分流的影 响尤为敏感， 为满足 Q内大于 Q外， 固此钻头排水 槽断面积s内应大于s 外。所以， 在内加厚钻头中， 加深了内排水槽 ， 改浅了外排水槽 ， 可增加内管上返 与内管过水断面积 和返水量 的大小 ， 【 2 j 6 0 m m普双 水量 。 钻头的内径为 4 1 5 m m， 为了增大岩心与内管的 4 4 3 参数确定( 见表 4 ) 表 4 钻头水路尺寸参数及与普通双管钻具对比表 4 4 4 分返钻头与普双钻头的岩心与 内管的环状 间隙值对比( 见表 5 ) 表 5 分返钻头与普双钻头的岩 心与内 管的环状间隙值对比表 岩心直径 ( m m) 岩心与 内管之同隙( c m ) 4 1 5 ( 普双 ) 1 3 4 3 6 ( 分返钻具 ) 4 6 8 5 分反钻具的最终结构 按其装配包括： 变丝接手、 分水接头、 活动内管 接头、 内管 、 外管 、 扩孔器、 短节 、 卡簧座及钻头。 6 理论计算 由于试验设备和测试手段 的限制 ， 许多钻具的 第 3期 林立等： 分压式孑 L 底局部反循环钻具设计 1 9 性能参数不能实测 ， 只能做理论计算。 6 1 冲洗液内、 外返沿程阻力损失的计算 ( 公式与 过程省略 ) 内返流 的压力损失分为九个小段计算 ： ( 1 )卡簧座底端 到卡簧底端 7 mm环空 的压力 损失 ； ( 按紊流计 ) ( 2 ) 卡簧与岩心问矩形断面的压头损失( 1 2 个 小槽 ， 卡簧座外忽略不计 ) ； ( 3 )内管与岩心间的压力损失 ； ( 4 )吊轴螺帽的局部损失 ； ( 5 )吊轴内压头损失； ( 6 )吊轴出口压力损失 ； ( 7 )三个排水 口人 口局部损失 ； ( 8 )排水通道局部压力损失 ； ( 9 )排水通道出口局部压力损失。 ( 4)底水槽到外排水槽的压力损失 ； ( 5 )环状间隙( 扩孔器前 ) 的压力损失 ； ( 6 )粗径上段的压力损失。 计算后 ， 外返流的返水阻力与内返流的返水阻力 之比为 1 9 5 ：1 ， 即内返流量应为外返流量的 1 9 5倍。 6 2 内返液的悬浮力计算( 公式计算省略) ( 1 )岩心柱上 、 下的阻力差 ； ( 2 )岩心侧面圆柱面对流体 的摩擦阻力 ； ( 3 )管壁间隙中流动阻力造成的压力差 ； ( 4 )柱体两端液流先收后扩造成的压差 ； ( 5 )水浮力 。 经计算 ， 上述五项之和在最低泵量 ( 6 5 L min ) ， 时可以使岩心悬浮。 7 结语 外返流的压力损失分为六个小段计算 ： 钻具加工成型后 ， 在多个钻孔 中进行了对 比试 ( 1 )钻头内水槽压头水力损失 ； 验 ， 破碎地层 中的取芯质量 比常规钻探工艺提高 了 ( 2 )内水槽到底水槽 9 0 。 折角的局部损失 ； 6 0 ， 同时 ， 由于岩芯堵塞情况减少， 提高了回次进 ( 3 )底水槽的压力损失 ； 尺长度 ， 从而也提升了钻探效率 。 Diffe r e n t ia l Pr e s s u r e Bo r e Bo t t o m Lo c a l it y Re v e r s e Cir c u l a t io n To o l De s it n L I N L i， Z HANG Min g - k e ， WANG S h e n g - k u i ( S h e n y a n g G e o p h y s ic a l E x p l o r a t io n I n s t it u t e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 2 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t： Du ri ng o p e r a t in g in t h e c r a c k e d s t r a t um b y dia mo n d dri l l i n g，t h e c o r e r e c o v e r y r a t e in a d e q u a c y is a n u b iq u it o p r o b l e mT h r o u g h im p r o v in g t h e d iv i s o r j o in t ， c ir c l ip ， c ir c l i p b a s e a n d d r il l c o n d u it o f n o r m a l s in g l e a c t io n d o u b l eb a r r e l l e d b o r in g t o o l ， t h e c l e a r a n c e b e t w e e n i n s i d e a n d o u t s id e o f b o r in g t o o l s wa s c h a n g e d ，i t f o r c e s t h e w a s h in g l iq u o r f o r mi n g d iv e r s io n a t t h e b o t t o m o f t h e h o l e， b ri n g a b o u t t h e b o r e b o t t o m l o c a l it y r e v e r s e c ir c u l a t io n Us i n g t h e u pl i ft fl o t a g e o f wa s h in g l i q uo r in in t e r n a l r e c y c l e，t h e c o r e c a n g e t in t o t h e t o p o f t he i n ne r t u b e s mo o t h l y ，it c a n e l imin a t e t h e c o r e in t h e b o t t o m o f t h e b i t ，wi t h t h e r e s u l t t h a t e n s u r e t h e r e c o v e r y f a c t o r Ke y wor ds： di a mo n d d ri l l in g ； c r a c ke d s t r a t u m； d if f e r e n t ia l p r e s s u r e b o r e b o t t o m l o c a l i t y r e v e r s e c ir c u l a t io n t o o l p t p ) ( 上接第 1 2页) 在有矿化露头和覆盖较浅的地带采 头等方面看 ， 具备形成有工业价值 的银铅多金属矿 取利用探槽揭露矿化特征的方法； 在覆盖较厚地带 ， 床 的条件。通过现有工作程度对该区 的认识显示 ， 采用地表钻进行矿化体深部特征的揭露 。 该 区发育多条具有一定延深 、 延长的平矿化体 ， 科学 4结 论 与 意 义 蒿 西地房子探矿区从所处构造位置和地表矿化露 题 。 The M in e r a l iz a t io n a n d Pr o s pe c t in g M e t h o d a bo u t Xid if a n g z i M in e Ar e a in Zhe ng x ia n g ba iq i o f I n ne r M o n g o l ia Aut o no mo us Re g io n ZHANG W e i c hu n， CUI Da y o ng，ZHAO Ga n g ( C h in a N o n f e r r o u s Min in g G r o u p F h u n H o n g t o u s h a n C o ， L t d ， C h in a ) Abs t r a c t ： The mine a r e a o f Xid i f a n g z i c o v e r e d b y ma in o u t c r o ps o f Pe rm i a n s t r a t a ， Ea r l y Ya n s h a n g r a n it