复杂地层中深孔绳索取心钻探技术研究

　收稿日期:2006-01-06

　基金项目:中国地质调查局2003年地质调查实施项目“西部复杂条件下综合钻探技术研究与示范”

(编号:20023000066)　作者简介:孙建华(1962-),男(汉族),山东人,中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师,探矿工程专业,从事勘探技术研究工作,河北省廊坊市金光道77号,(0316)2096185,sunjianhua@cniet .com 。

复杂地层中深孔绳索取心钻探技术研究

孙建华,张永勤,赵海涛,刘秀美

(中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000)

摘　要:研究开发成功的S Q 系列高强度绳索取心钻杆首次采用了薄壁钻杆内镦粗技术。同时,通过优化接头螺纹参数,改进钻杆接头热处理和表面处理工艺,简化钻具结构等措施,使绳索取心钻杆强度提高40%以上,使用寿命明显增加,钻具冲洗液过流阻力大幅降低。钻杆可以采用垫叉和扳叉拧卸。在地质条件复杂的勘探区试验示范,取得了良好的应用效果。

关键词:绳索取心;钻杆镦粗;螺纹优化;复杂地层;示范推广中图分类号:P634.5 文献标识码:A 文章编号:1672-7428(2006)05-0046-05

Research on D eep Hole W i re L i n e Core dr illi n g Tech .i n Co m pli ca ted Stra tu m /SUN J ian 2hua,ZHAN G Yong 2qin,ZHAO Hai 2tao,L I U X iu 2m ei (The I nstitute of Exp l orati on Techniques,C AGS,Langfang Hebei 065000,China )

Abstract:I nner up setting technol ogy for thin wall drilling p i pes was used in Series S Q high strength wire line drilling p i pes .The strength of drilling p i pes was increased 40%by op ti m izing j oint thread parameters,i m p r oving heat treat m ent and surface treat m ent techniques and si m p lifying structure .The life of the drilling p i pes was obvi ously increased .The p res 2sure dr op thr ough the drilling p i pes was decreased .A good result was gained in comp licated geol ogy conditi ons .

Key words:wire line coring;drilling pi pe up setting;tread op ti m izati on;co mplicated stratu m;de monstrati on and popularizati on

1　概述

我国西部地区地质调查钻探工程钻遇地层复杂,钻探工作量分散,施工区域偏远,钻探施工技术难度很大。同时,先进的钻探技术推广应用发展较缓。目前在同类的地质条件和施工条件下,复杂地层中深孔地质调查钻探施工的质量、效率和进度等综合水平明显落后于历史最好水平。

随着国家经济建设重心逐步向西部转移和国内战略矿产资源供需矛盾日益突出,西部地区成为我国目前地质调查工作的重点区域,该区域的地质调查钻探工程增加。但是在国土资源大调查工作实施以来,西部地区钻探效率低下,质量难以保证,施工费用大幅度增加等问题,直接影响了地质调查效果,增加了工作成本,延长了地质调查工作周期,给国家地质调查工作造成巨大损失。因此,通过复杂地层中深孔绳索取心技术的研究示范,力求在技术上取得一定创新和发展,并以创新的钻探技术的集成为突破口,提高我国西部地区地质调查复杂地层中深孔岩心钻探技术水平是非常必要和十分迫切的。

2　复杂地层中深孔绳索取心钻探研究2.1　金刚石绳索取心钻探标准现状研究

项目组收集了M I CON 公司绳索取心钻具、A tlas

Copco 公司绳索取心钻具、Boart -Longyear 公司绳索取心钻具、M I TS U I &CO.,LT D 公司绳索取心钻具等技术资料,通过科技信息检索、对外交流等方式对国外金刚石绳索取心管材标准的最新进展进行跟踪,并对国外金刚石绳索取心管材和螺纹设计加工采用标准的情况进行了调研。

国家技术监督局1998年发布实施了《金刚石岩心钻探钻具设备》、《金刚石绳索取心钻探钻具设

备》,取代《金刚石钻探用无缝钢管》(G B 3423-82)中尺寸系列部分内容。同时原地质矿产部标准

DZ211、DZ212等废止执行。迄今正式和非正式发布金刚石岩心钻探国际标准有8项,但获多数成员国或组织通过的国际标准仅有4项:I S O 3551《金刚石岩心钻探设备　A 系列》、I S O 3552《金刚石岩心钻探设备　B 系列》、I S O 8866《金刚石岩心钻探设备　C 系列》、I S O 10098《金刚石岩心钻探绳索取心设备　CSSK 系列》,而应用较广的绳索取心钻具标准草案———I S O /DSI 10097《金刚石岩心钻探绳索取心设备　A 系列》未获得国际标准化组织TC82/SC6小组多数成员通过。

印度在许多方面的国情与中国相似,因此项目

组专门对印度绳索取心钻探标准进行了调查。该国绳索取心钻杆已经基本实现国产化,并且质量较好,可以满足地质勘探一般施工要求。印度最大的钻探管材生产企业I S MT公司(The I ndian Sea m less Metal Tubes L td)目前主要按照国际标准和国外企业标准(如DCDMA标准、瑞典的SI S-74130-I E 标准、英国的BS-4019标准、日本的J I S-G3465标准、美国石油协会AP I标准)生产部分地质勘探用管材及绳索取心钻杆。印度目前尚无自己的绳索取心钻探技术标准,在I S标准库(印度标准)中尚未检索到绳索取心钻探方面的标准文件。

通过研究比对发现,金刚石钻探的国际标准A、B、C三个系列互不通用。由于目前资源勘探领域仍处于全球不景气状态,国际间交流明显减少。同时,由于国家利益和跨国公司权益的干扰以及各国和地区资源勘查应用条件的差别巨大,统一的替代的标准编制过程缓慢,协调工作异常困难。绳索取心钻杆接头螺纹形式、钻具结构的差别出现明显扩大趋势,如Boart-Longyear公司的防脱扣钻杆螺纹、M I2 CON公司的变锥度钻杆螺纹等产品即证实了这一变化趋势。当然,国际上钻杆规格系列标准却逐步趋于一致,但是这种一致并非统一于国际标准组织,亦非某些发达国家行业标准,而是市场影响最大的商业公司———美国长年公司的Q系列标准。因此,研究人员在广泛咨询专家意见和建议后认识上形成共识:项目研究工作在技术路线上,既要依循既有标准,又可以针对具体国情和目前西部地区钻探技术条件,大胆优化。从另一角度说,技术规范和标准也需要适应现实要求,体现科技进步和“与时俱进”的要求。

2.2　钻杆接头螺纹副优化分析

绳索取心钻杆在钻孔内承受非常复杂的载荷。通常钻杆本体的刚性和强度远大于接头螺纹,钻杆失效破坏主要发生在接头上。根据项目组的抽样调查,在中深钻孔钻杆接头失效导致的孔内事故占孔内钻具事故的90%以上。因此,研究绳索取心钻杆接头螺纹失效机理,提高其联接强度具有重要意义。绳索取心钻杆接头螺纹形式的优化研究成为项目工作的重点之一。

钻杆接头螺纹副优化受到钻探界的广泛关注。多年来,一些学者从理论角度研究了钻柱的联接强度。阎铁等将螺纹联接“简化”为绳索绕滚子运动模型,应用挠性件摩擦理论研究载荷分布规律[1]。张焱等对上述模型进行了改进,并利用一种修正的弹簧模型,分析了螺纹载荷分布规律,得到螺纹锥度、螺纹脂、螺纹牙的相对弹性系数对载荷分布规律的影响关系[2]。李润方、林腾胶等应用二维接触有限元方法研究了联接螺纹在预紧和工作状态下的接触应力场,这种计算理论严格、运算复杂,不便于工程技术人员掌握[3]。据此,张焱等提出了一种半解析———有限元方法,在保证求解精确性的前提下,螺纹联接强度的研究计算过程有所简化[4]。

此后,王利等用能考虑螺纹接触边界存在大变形和大滑移条件的有限元程序,对套管螺纹接头滑脱失效影响参数进行了有限元模拟[5]。模拟结果表明:螺纹锥度大小对滑脱影响很小,材料性能对滑脱影响最大;滑脱的开始位置在接箍的端部。模拟结果与实际情况相吻合。因此,得出了套管螺纹接头必须满足结构完整性条件的结论。

此外,2000年西安交通大学习俊通等人根据套管螺纹接头的结构和受载特点,在先期建立的套管接头螺纹旋合接触的有限元分析模型和分析程序的基础上,研究了因加工误差而造成套管接头内、外螺纹螺距不一致时对其载荷传递特性的影响;给出了在内、外螺纹具有不同的螺距配合时,载荷在套管接头各扣螺纹上的分布规律曲线,为设计时合理选择套管接头内、外螺纹的螺距公差提供了依据[6]。2.3　绳索取心钻杆接头螺纹形式的优化

多年来,国外许多公司对钻杆螺纹副连接形式进行了大胆尝试试验。如美国Boart-Longyear公司绳索取心钻杆“负角度面”防脱扣螺纹及不等高螺纹、美国GRANT TF W公司的变型AP I螺纹、德国M I CON公司的不等锥度螺纹等,这些螺纹形式在钻探施工中已经得到应用。项目组对国外应用于钻探实践中的各种螺纹形式的技术性(强度、密封性、磨损后强度变化规律等)、可加工性、经济性进行了详细论证研究。认为,美国长年绳索取心钻杆“负角度面”防脱扣螺纹技术上有一定优势。但是,考虑到国内绳索取心钻杆常规加工工艺落后,加工精度难以保证等具体因素,对螺纹副扣型的优化采取了更加稳妥的技术路线。项目组按照实际工况对绳索取心钻杆柱进行受力分析,确定了对绳索取心钻杆进行镦粗,并科学合理调整螺纹副锥度、齿高及公差精度等参数,达到提高联结强度,增加使用可靠性的技术目标。

2.4　中深孔复杂地层用绳索取心钻杆形式

2.4.1　钻杆结构的改进

方案的制定首先针对西部地区中深孔绳索取心