(一)升降工序附属设备及机具

升降工序是指起下钻具、套管,投放提升取心内管、测井仪器及其他目的的作业工序。在岩心钻探中,升降工序作业频繁,且作业时间长(占总工时的20%～60%)。升降工序的时间越长,钻探总效率就越低。因此,优选升降工序所用机械和机具,实现升降工序的机械化和自动化是保证安全生产、提高钻探效率的重要措施。

1.钻杆拧卸设备

钻杆拧卸设备是与钻机配套的附属机械,用于代替人力拧卸钻杆或钻具。拧卸设备有机械式、液压式和电动式三种类型。机械式主要与老式立轴式钻机配套,目前已很少生产。目前普遍采用液压式钻杆拧卸设备。

(1)NY-1型拧管机

NY-1型液压拧管机由拧卸机构、冲击机构和液压系统组成(图2-28),用于拧卸直径42mm、50mm、60mm规格的普通锁接头钻杆。当系统液压力为6MPa时,拧管转矩为0.33kN·m;油压达8MPa时,液压缸的卸扣转矩为0.44kN·m,液压缸活塞行程130mm,拧卸钻杆的转速为75r/min。

图2-28 NY-1型液压拧管机

(2)SQ114/8型液压拧管动力钳

SQ114/8型液压拧管动力钳由主钳、前导杆、背钳、后导杆、悬吊杆、吊筒、液压马达、液压换向阀、换挡手柄等组成(图2-29),主要用于绳索取心钻杆及中小直径的地质钻探套管,主要技术参数如表2-17所列。

表2-17 SQ114/8型液压拧管动力钳主要技术参数

图2-29 SQ114/8型液压拧管动力钳

SQ114/8型液压拧管动力钳主要性能特点是:①衔接方便,可与所有地质钻机进行衔接,可单独配套动力站;②可靠夹持并卸扣,夹持钻杆镦粗部分,不打滑、不啃伤钻杆;③主背钳对中性能良好,彼此浮动,整体浮动悬挂,可侧摆移开孔口;④操作简单,换向阀实现拧卸,主背钳同步夹紧、同步松开;⑤两挡设置,可实现高挡位快速拧卸和低挡位大扭矩拧卸,可设定扭矩。

该液压拧管动力钳与液压立轴式钻机和全液压动力头钻机配套使用,已在全国绳索取心钻探中得到广泛应用。

2.孔口夹持装置

孔口夹持装置用于孔口夹持钻杆之用。根据所夹持钻杆的类型不同,分为普通夹持器和绳索取心夹持器。普通夹持器多采用垫叉式,拧卸钻杆时,垫叉直接叉入钻杆切口座在孔口或者拧管机上,使用较为便利。但绳索取心钻杆为内外平钻杆,接头壁薄,无法加切口,只能根据楔面原理采用卡瓦式、卡球式夹持器等,目前常用的有木马夹持器和液压夹持器。

(1)木马夹持器

木马夹持器,又称为脚踏式夹持器,用于夹持绳索取心钻杆。它是利用两个偏心座挤夹卡瓦,靠钻杆的重力实现自动夹紧的。孔内钻杆的质量越大,夹持器产生的夹紧力也越大。卡瓦磨损后应及时更换,以防夹持不牢跑管,木马式夹持器如图2-30所示。

图2-30 木马夹持器

(a)自重木马式;(b)轻型木马式

(2)液压夹持器

液压夹持器极大地改善了工人的劳动强度,并提高了安全生产水平。常见的液压钻杆夹持器如图2-31所示。

在深孔钻探中孔内钻杆质量大,选择孔口夹持装置时一定要注意夹持器有足够强度和夹持能力,以防因夹持力不足打滑造成跑钻事故。钻孔深度≥1000m时应选择自重式木马夹持器和液压、液压/气动夹持器。

图2-31 液压夹持器

(a)液压夹持器;(b)气动/液压夹持器

3.钻杆及套管悬吊装置

钻杆及套管提下过程都离不开悬吊装置,悬吊装置主要由游动滑车、提引器、吊卡、夹板等机具构成(图2-32至图2-35),其强度与质量直接关系到作业工人人身安全和孔内安全。

图2-32 游动滑车及游动大钩

图2-33 提引器

(a)切口式;(b)手搓式;(c)球卡式;(d)爬杆式

图2-34 绳索取心吊卡

图2-35 夹板

悬吊装置的配置与选择应注意以下几点:

1)游动滑车有单轮、双轮和多轮。钻孔浅部钻进一般选用单轮和双轮,可提高提下钻速度。钻孔孔深≥1000m后,应根据钻机卷扬系统单股绳提升能力,选用多轮游动滑车,游动滑车承载能力必须大于等于孔深钻具总重力的3倍以上。

2)提引器是连接钻杆与游动滑车的机具。主要类型有手搓式、切口式、爬杆式、球卡式等。切口式多用于带锁接头普通钻杆,手搓式用于绳索取心钻杆。深孔钻探时,为了升降钻杆安全起见,选择钻杆带蘑菇头,用爬杆式或吊卡式提引器。选择提引装置时,其提引能力必须大于等于钻具总重力的2倍以上。

3)吊卡多用于带锁接头钻杆和带大一级接箍的套管提升装置,吊卡强度较高,升降安全系数大。夹板主要用于质量在10t以下的套管升降,其安全性较差,深孔钻探不宜选用。

4.水龙头

水龙头安装在主动钻杆的上端,并用软管和水泵相连。其作用是将泥浆泵排出的冲洗液送入钻杆内孔,送往孔内,而且在主动钻杆转动时保证高压胶管不转动。另外,水龙头还承载悬吊钻杆的作用。

水龙头有多种形式,按其适用孔深不同,分为浅孔用水龙头和深孔用水龙头;按其回转部不同,可分为外转式(壳体转动式)及内转式(心管转动式);按冲洗液及介质的通道数量可分为单通道和双通道形式。

主要水龙头类型如图2-36所示。其中,小直径轻便式水龙头主要适用于小口径1000m以浅钻孔,其特点是水龙头体积小,心管通水面积小,耐水压小,抗拉强度低,适应于高速运转;高压水龙头和提引式高强度水龙头特点是:体积较大,抗拉强度高,密封性能好,耐水压高,适应于深孔使用;双通道水龙头可用于多介质正反循环钻进,相对于常规水龙头,它多一个侧入式循环介质通道,用于反循环钻进时将循环介质导入双壁钻杆内外管之间的环隙。另外,还有用于定向钻进有缆式随钻测量的通缆式水龙头。

图2-36 主要水龙头类型

(a)小直径水龙头;(b)轻便式水龙头;(c)高压水龙头;(d)高强度水龙头;(e)双通道水龙头

5.绞车

钻探现场配置的绞车主要有两种,测井与定向钻进用电缆绞车和绳索取心钻进打捞投放内管(亦可兼用孔内存储式测斜仪输送)用钢缆绞车。如图2-37所示。

图2-37 钻探现场专用绞车

(a)测井绞车;(b)绳索取心绞车

选择钻探现场绞车时应满足如下使用条件:①功率必须满足孔深及工况要求;②绞车轮毂排缆容量应大于工作孔深要求;③绞车尽量设有排绳和孔深计数仪;④要设有升降变速机构。

(二)泥浆净化及制浆设备

深孔钻探施工中必须及时、有效地清除混入钻井液中的大量岩屑等固相物质,以便再次循环使用泥浆,以提高钻进效率、延长孔内机具使用寿命,降低成本,预防事故发生。

可以通过沉淀、机械分离和化学处理三种方法来净化泥浆。常用的是机械分离法,即利用泥浆净化设备强制清除泥浆中的钻屑。泥浆净化设备主要有振动筛、水力旋流除砂器、离心分离机等,泥浆制备设备则是搅拌机(图2-38)。

图2-38 泥浆净化及制浆设备

(a)振动筛;(b)离心机;(c)振动筛与除砂器双作用处理机;(d)搅拌机

1.振动筛

振动筛借助筛面振动,促进浆液与固相颗粒分离以及不同粒级固相颗粒之间的分离,是泥浆净化系统中的第一级净化设备。从钻孔内返出的泥浆,首先通过振动筛,以清除粗粒钻屑(20目左右的固相颗粒)。

振动筛一般由以下部分组成:电动机及皮带传动装置,筛体和筛网、弹性支撑(或悬吊)装置,激振器,底座或框架,溢流槽和储浆箱等。激振器工作后带动筛面做单向或多向振动。当泥浆由溢流槽流向筛面时,浆液和浆液中的固相颗粒与振动的筛面之间产生相对移动和振击,这一运动促进了液体与固相颗粒的分离过程。浆液和小于筛孔的钻屑通过筛面流向下面的储浆箱,而大于筛孔的粗粒钻屑将沿倾斜的筛面向下滑动。如叠合采用多层不同规格的筛网(小目数筛网在上,大目数在下),则会使不同粒径的钻屑得以分离,并沿不同的筛面滑落。

国内使用的振动筛有两种基本类型:一种是单向振动筛,使用双轴对称的激振器,带动筛面沿其长轴方向作单方向振动;另一种是多向振动筛,动力机带动着偏心轴回转,筛体、筛网与偏心轴连接成一体,筛面则作多方向振动。

振动筛筛网通常用不锈钢钢丝编织而成。筛孔尺寸是影响固相清除效果的主要因素,其规格有:30目、40目、60目、80目、100目、120目、140目、160目和200目等多种。筛孔形状有正方形和长方形两种,后者不易堵塞。

2.水力旋流除砂器

水力旋流除砂器(图2-39)借助离心力来分离浆液中的固相颗粒。在泥浆净化系统中,它接在振动筛之后,从泥浆中清除20～30目以细的钻屑(一般清除70～200μm颗粒),实现泥浆的第二级净化。水力旋流除砂器是一个结构简单,无运动件的筒状设备,上部呈圆筒状,下部为一个倒圆锥体。此外,还有切向进浆管、溢流管和底流孔(或称排砂孔)。

图2-39 旋流除砂器原理

(a)旋流式除砂器;(b)双螺旋模型;(c)二维迹线表示各种流态

1—进浆管;2—溢流管;3—圆筒体;4—锥形体;5—排砂嘴;6—短路流;7—循环流;8—内旋流;9—外旋流;10—空气柱;11—轴向零速面;12—排出外旋流

由砂泵压送的具有一定压力的泥浆,经进浆管沿圆筒的切线方向进入旋流器上部,由于液流运动的惯性、圆形筒壁的导向和液体重力作用,泥浆在筒内旋转,并形成不断向下推移的螺旋状液流。液流中的固相颗粒因其质量不同受到大小不等的离心作用力,而从浆液中分离出来,甩向筒壁。并在旋转液流带动及其自重的作用下,按螺旋形轨迹沿筒壁滑落。当螺旋液流降到锥体部分时,由于过流截面不断缩小,液流圆周线速度不断加快。在高速旋流的影响下,筒内空气被集中于轴线附近,并且由于液流的卷吸作用,围绕轴线形成一个似柱状负压区。这样,当螺旋液流到大锥体下部(多数钻屑分离之后,已是比较干净的泥浆),便在轴心负压作用下改变方向,形成一个同向旋转的上升旋流并沿轴线按螺旋形上升,由溢流管排出。依靠旋流器内向下与向上两股旋流运动,实现了浆液和钻屑的有效分离和反向汇集。

旋流除砂器的规格通常以除砂器上部圆筒直径(单位:in,1in=0.0254m)表示,如:2in、3in、4in、5in、6in、7in、8in、10in、12in。一般来说,随旋流器尺寸越大,其分离的固相颗粒粒径和单位时间处理的泥浆量也越大。

除泥器的结构和工作原理和除砂器相同,其区别在于结构尺寸、清除钻屑固相颗粒的粒径和处理泥浆的能力不同。除泥器的尺寸小,通常用于分离15～40μm的固相颗粒,泥浆处理量也小。故常用多个除泥器与除砂器配套使用。

除砂器和除泥器的筒体内壁很容易被固相颗粒的高速液流所磨蚀。为了提高其耐磨性,可采用白口铸铁、内壁衬以耐磨橡胶的碳素钢或其他耐磨材料制造。

3.离心分离机

通过除砂器、除泥器后,如泥浆中的固相含量颗粒还不能满足钻探使用要求,则再将除泥器处理后的泥浆抽入离心机分离,可将泥浆中细小岩屑和砂粒分离出去,一般可以除去2μm以上有害固相,并除去钻井液中多余的胶体,控制泥浆黏度,回收重晶石。

分离机有沉淀式、筛筒式、水力涡轮式、叠片式等多种类型。

一般岩心钻探的泥浆净化设备只包括振动筛、旋流除砂器或除泥器、砂泵和泥浆槽箱即可,较少使用离心机。因为取心钻进过程中产生的钻屑粒度细小,以金刚石取心钻进为例,70%以上的岩屑粒度＜0.1mm,所以通常只使用除砂器或除泥器并辅以适当的化学处理剂(如絮凝剂等)即可满足泥浆净化要求。

4.泥浆搅拌机

制备泥浆的设备主要有泥浆搅拌机及水力搅拌器两种。现场配备的卧式泥浆搅拌机容量一般为0.3～0.5m3,立式为0.5～1m3,搅拌速度一般为80～100r/min。水力搅拌器多用于固井及封孔水泥搅拌。