SK绳索取心钻具结构分析

SK53/4″×94mm绳索取心钻具结构分析
王永平
中国地质调查局中国大陆科学钻探工程中心北京100011
摘要：为在中国大陆科学钻探工程中实施大口径绳索取心钻进，特从德国引进一套绳索取心钻具，在使用和测绘过程中发现该钻具在结构上确有其特色，同时也存在个别缺陷和不足，本文做了简单剖析，对小口径绳索取心钻具的设计，特别是对深孔绳索取心钻具的设计有一定的参考和借鉴之处。

关键词：绳索取心钻具；结构分析；材料选择；多功能配套
作者简介：王永平（1942－）辽宁岫岩人，中国大陆科学钻探工程中心工作人员，高级工程师，从事探矿工程专业，北京市西城德外黄寺大街24号院21楼，100011，（010）51632333
SK53/4″×94mm绳索取心钻具（以下简称“SK钻具”）是德国MICON公司为中国大陆科学钻探工程设计和制造的口径为157mm，井深为6000m的绳索取心钻具，该钻具系统包括岩心管总成、投放器、旋转接头和打捞器等四部分组成。

就157mm孔径而言，对石油钻井是小口径，而对以找固体矿床为目的的地质岩心钻探又是少见的大口径，加之为6000m井深所设计，因此就其结构设计和材料选择上有其自身的特点，同时对地质岩心钻探绳索取心钻具在结构设计和材料选择上也有其可借鉴之处。

1 岩心管总成（见图1）
1.1 基本设计参数
钻头外径157mm，钻头内径94mm；外管串设两只稳定器，下端为钻头稳定器，上端为钻杆稳定器，其外径均为156.8mm，外管外径146mm；外管内径110mm；内管外径106mm，内径97.3mm，其上端与仪器仓接头相接，下端与岩心定向短节5和卡簧座2相连。

1.2 结构特点：
⑴钻头、稳定器与外管：该钻具钻头稳定器6的位置相当于国内钻具的扩孔器，其公称直径较钻头直径小0.2mm，而国内设计的常规钻具一般扩孔器较钻头外径大0.5mm，因此SK钻具在钻头设计上特别重视保径，其唇刃较长并设有保径规，而设稳定器的主要目的是
稳定钻具和尽量减少岩心外管的磨损，而不是扩孔和保径，重点保护的又是钻具的螺纹连接部位，外管使用42CrMo4V(化学成分相当于国产S42CrMo)经整体调质处理，因此制造成本较高。

⑵内管总成：①内外管环空较小，单侧只有2mm，因此钻具压力损失较大，内管总长为6000mm，用STE460制造（化学成分相当于国产16MnRE），为保证内管的结构刚度和尽量避免由于岩心堵塞造成弯曲变形，有利于提高钻具系统单动的可靠性，在内管两端和中间设三道用青铜制造的扶正环4和9。

②卡簧3使用50CrV4制造（化学成分相当于国产50CrV A），内表面卡心部位喷涂一层硬质合金粉末。

③为配合岩心定向，在定向短节5内表面纵向设一把主刻刀和两把副刻刀，刻刀内环下大上小，这样有利于岩心畅通和刻痕加深。

主刻刀与付刻刀之间的夹角分别为130°和80°，为显示主刻刀的位置，特在定向短节外表面对应处设有标记。

④内管上部为仪器仓，两端用O型密封，内腔放置“电子多点测量仪”。

⑤内管用两副非标准推力轴承21和22悬挂，以实现内外管的传动分离和承受在钻进过程中可能产生的轴向力，该推力轴承无保持架，同时轴承体较标准轴承厚，滚珠粒也较大，这种结构可提高轴承的使用寿命和保证钻具单动的可靠性。

⑥设两串碟型弹簧，下弹簧串19为悬挂弹簧，确保内管在工作时处于浮动状态，同时在拔岩心时借助弹簧的压缩来补偿内管的轴向位移，以避免内管悬挂系统诸元件受力过大而损坏；上弹簧串27为堵心压缩报警弹簧，当内管的上顶力为约5500N时，泵压开始发生变化，当上顶力约为17000N时水路将全部堵塞。

⑦钻具在悬挂状态下卡簧座2下端面与钻头内台阶面的推荐距离为5mm。

⑧内外管之间的悬挂台阶较小，单侧只有1mm，定位环29和悬挂环30均用S42CrMo制造。

⑨捞矛头37由五件组成，分别靠五只压缩弹簧34支撑，是一个有特色的多功能结构：内管投放到位后，五只矛头在弹簧的作用下同时张开，使矛头外侧的凸槽卡入弹卡室38的内环形槽里，防内管轴向上窜，其允许上窜距离为5mm；在打捞岩心时用作打捞矛头；在放弃打捞器时又作为释放矛头（参见打捞器和投放器）。

1.3 特殊功能
⑴井温测量：本钻具的设计测温范围为44℃到127℃，共提供三组不同的温敏条，每组温敏条又分六个不同的测量区，测温范围在65℃以下的最大测量偏差为＋4℃，65℃～127℃的测量偏差为＋6℃，当温敏条上某个测温区的颜色由白变黑，表示井温已超过该测温区所标定的温度，其颜色变化是稳定不变的。

当127℃测温区的温敏条由白变黑时表示井温已等于或大于127℃，因此当井温低于44℃和大于127℃时不在测量范围之内。

在矛头座32内腔装有一只测温杆33，根据不同井段，首先根据井温的大致范围选择一组合适的温敏条，然后将温敏条贴在测温杆上，在安装测温杆时要注意腔体的密封，以防泥浆污染温敏条，确
保测量结果的准确。

⑵ 岩心定向：电子多点测量仪的仪器仓13与岩心内管之间由仪器仓接头11相连，接头外缘沿360°刻槽，并标有度数，同时在接头的上表面与0°相对应处设有定位销12，以此确保仪器的安装与仪器仓接头的相对位置是唯一的，当确认内管短节5、内管7、仪器仓接头11和仪器仓13之间连接可靠后，首先要确定定向短节主刻刀与仪器仓接头11外表面0°之间的初始夹角，然后根据电子测量仪实测的结果和主刻刀在岩心表面的刻痕，并用初始夹角加以修正，以此确定岩心的方位。

2 投放器（图2） 因内管总成比较重，无法用人工直接投放，因此该钻具系统特配有投放器，以便向井内投放钻具。

其操作方法为：①将手柄5和6全部放到最上方，此时脱矛套筒4靠定位套3的滚珠定位，锁销2靠手柄5入槽定位。

②将内管总成的矛头37放到
投放器的环行槽内。

③拉下手柄5，使锁销插入到矛
头的内环空间，在压缩弹簧7的作用下使锁销无法回弹，矛头也就无法收缩，于是内管总成便被投放器可靠抓住。

④用投放器拉起钻具，将内管总成沿钻杆内孔下放，使投放器5°的环形面慢慢落到钻杆上端面上，且防损伤钻杆的5°密封面。

⑤拉起手柄5，以便让开矛头的内环空间，然后用力拉下手柄6，靠脱矛套筒4的倒锥形头将矛头收回以实现脱矛，于是便完成内管总成的投放。

在脱矛作业时两个手柄有一个互锁功能，即手柄5不拉起，手柄6是无法下落的，以此保证内管总成在吊运过程中的可靠悬挂。

3 旋转接头（图3）
在投放打捞器和打捞岩心筒的过程中，为防止钢丝绳在投放过程中不缠绕打扣，在打捞器上接一个可自由旋转的接头，旋转接头上的吊环与绳索取心绞车的钢丝绳相连。

4 打捞器（图4）
打捞器有打捞钻具和放弃打捞两个功能，因此在结构上不同于常规小口径打捞器。

4.1 打捞作业：打捞器在下放过程中，靠本身的自重冲击矛头37,在打捞器锥形头的作用下使五只矛头压缩弹簧34收回，同时矛头的外凸台与弹卡室38脱离，当矛头进入打捞器的环行槽后，在矛头压缩弹簧的作用下又使矛头迅速张开，矛头便被打捞器牢牢抓住。

此时矛头的外凸台外环直径已小于弹卡室的通径，于是内管总成便可用绳索取心绞车拉起。

4.2 脱矛作业：由于某些原因导致井内阻力过大，只好放弃打捞。

在常规小口径绳索取心钻具设计中多采用脱矛套筒和拉断安全销的方法处理，对于像6000m这样的深孔钻具，若使用脱矛套筒投放，下落时间过长，到位又不易判断，同时会对钢丝绳造成损伤；对于深孔取心钻具，钢丝绳本身就很重（Φ10.5mm钢丝绳自重2500kg，Φ12mm钢丝绳自重3600kg），由于孔深的变化绞车负荷变化很大，因此安全销不易设计，更不可靠。

SK钻具所设计的打捞器，避免了使用脱矛套筒和安全销所存在的问题，而采用自动脱钩的方法。

该打捞器在牙嵌套1上设七对牙嵌槽，牙嵌套每向上提拉一次，锁片2（固定在脱杆6上）在扭转弹簧3的作用下便跳一个槽，如果提拉次数达到预先的设定值，锁销便自动脱槽，于是托杆6在弹簧3的作用下冲向内管总成的矛头，使五块矛头同时收回，此时打捞器便与内管总成分离，完成脱矛作业。

使用该打捞器必须注意，在打捞器下放的沿途，钻杆内表面不允许有凸台，因为打捞杯5每受到一次轴向碰撞，锁销2将跳一个槽，如果沿途被碰撞次数超过原设定值，打捞器将释放内管总成，失去打捞功能。

由于德方提供的绳索取心钻杆质量出现问题，SK钻具系统在科钻一井的施工中未能得到正常使用，在对钻具的解剖和测绘过程中感到，该钻具对小口径绳索取心钻具在结构设计、材料选择和多功能配套上确有一定的参考价值，特别是对于深孔绳索取心钻具的设计，更有其独到之处。