Ⅰ 主要附屬設備的選擇
(一)升降工序附屬設備及機具
升降工序是指起下鑽具、套管,投放提升取心內管、測井儀器及其他目的的作業工序。在岩心鑽探中,升降工序作業頻繁,且作業時間長(占總工時的20%～60%)。升降工序的時間越長,鑽探總效率就越低。因此,優選升降工序所用機械和機具,實現升降工序的機械化和自動化是保證安全生產、提高鑽探效率的重要措施。
1.鑽桿擰卸設備
鑽桿擰卸設備是與鑽機配套的附屬機械,用於代替人力擰卸鑽桿或鑽具。擰卸設備有機械式、液壓式和電動式三種類型。機械式主要與老式立軸式鑽機配套,目前已很少生產。目前普遍採用液壓式鑽桿擰卸設備。
(1)NY-1型擰管機
NY-1型液壓擰管機由擰卸機構、沖擊機構和液壓系統組成(圖2-28),用於擰卸直徑42mm、50mm、60mm規格的普通鎖接頭鑽桿。當系統液壓力為6MPa時,擰管轉矩為0.33kN·m;油壓達8MPa時,液壓缸的卸扣轉矩為0.44kN·m,液壓缸活塞行程130mm,擰卸鑽桿的轉速為75r/min。
圖2-28 NY-1型液壓擰管機
(2)SQ114/8型液壓擰管動力鉗
SQ114/8型液壓擰管動力鉗由主鉗、前導桿、背鉗、後導桿、懸吊桿、吊筒、液壓馬達、液壓換向閥、換擋手柄等組成(圖2-29),主要用於繩索取心鑽桿及中小直徑的地質鑽探套管,主要技術參數如表2-17所列。
表2-17 SQ114/8型液壓擰管動力鉗主要技術參數
圖2-29 SQ114/8型液壓擰管動力鉗
SQ114/8型液壓擰管動力鉗主要性能特點是:①銜接方便,可與所有地質鑽機進行銜接,可單獨配套動力站;②可靠夾持並卸扣,夾持鑽桿鐓粗部分,不打滑、不啃傷鑽桿;③主背鉗對中性能良好,彼此浮動,整體浮動懸掛,可側擺移開孔口;④操作簡單,換向閥實現擰卸,主背鉗同步夾緊、同步松開;⑤兩擋設置,可實現高擋位快速擰卸和低擋位大扭矩擰卸,可設定扭矩。
該液壓擰管動力鉗與液壓立軸式鑽機和全液壓動力頭鑽機配套使用,已在全國繩索取心鑽探中得到廣泛應用。
2.孔口夾持裝置
孔口夾持裝置用於孔口夾持鑽桿之用。根據所夾持鑽桿的類型不同,分為普通夾持器和繩索取心夾持器。普通夾持器多採用墊叉式,擰卸鑽桿時,墊叉直接叉入鑽桿切口座在孔口或者擰管機上,使用較為便利。但繩索取心鑽桿為內外平鑽桿,接頭壁薄,無法加切口,只能根據楔面原理採用卡瓦式、卡球式夾持器等,目前常用的有木馬夾持器和液壓夾持器。
(1)木馬夾持器
木馬夾持器,又稱為腳踏式夾持器,用於夾持繩索取心鑽桿。它是利用兩個偏心座擠夾卡瓦,靠鑽桿的重力實現自動夾緊的。孔內鑽桿的質量越大,夾持器產生的夾緊力也越大。卡瓦磨損後應及時更換,以防夾持不牢跑管,木馬式夾持器如圖2-30所示。
圖2-30 木馬夾持器
(a)自重木馬式;(b)輕型木馬式
(2)液壓夾持器
液壓夾持器極大地改善了工人的勞動強度,並提高了安全生產水平。常見的液壓鑽桿夾持器如圖2-31所示。
在深孔鑽探中孔內鑽桿質量大,選擇孔口夾持裝置時一定要注意夾持器有足夠強度和夾持能力,以防因夾持力不足打滑造成跑鑽事故。鑽孔深度≥1000m時應選擇自重式木馬夾持器和液壓、液壓/氣動夾持器。
圖2-31 液壓夾持器
(a)液壓夾持器;(b)氣動/液壓夾持器
3.鑽桿及套管懸吊裝置
鑽桿及套管提下過程都離不開懸吊裝置,懸吊裝置主要由游動滑車、提引器、吊卡、夾板等機具構成(圖2-32至圖2-35),其強度與質量直接關繫到作業工人人身安全和孔內安全。
圖2-32 游動滑車及游動大鉤
圖2-33 提引器
(a)切口式;(b)手搓式;(c)球卡式;(d)爬桿式
圖2-34 繩索取心吊卡
圖2-35 夾板
懸吊裝置的配置與選擇應注意以下幾點:
1)游動滑車有單輪、雙輪和多輪。鑽孔淺部鑽進一般選用單輪和雙輪,可提高提下鑽速度。鑽孔孔深≥1000m後,應根據鑽機卷揚系統單股繩提升能力,選用多輪游動滑車,游動滑車承載能力必須大於等於孔深鑽具總重力的3倍以上。
2)提引器是連接鑽桿與游動滑車的機具。主要類型有手搓式、切口式、爬桿式、球卡式等。切口式多用於帶鎖接頭普通鑽桿,手搓式用於繩索取心鑽桿。深孔鑽探時,為了升降鑽桿安全起見,選擇鑽桿帶蘑菇頭,用爬桿式或吊卡式提引器。選擇提引裝置時,其提引能力必須大於等於鑽具總重力的2倍以上。
3)吊卡多用於帶鎖接頭鑽桿和帶大一級接箍的套管提升裝置,吊卡強度較高,升降安全系數大。夾板主要用於質量在10t以下的套管升降,其安全性較差,深孔鑽探不宜選用。
4.水龍頭
水龍頭安裝在主動鑽桿的上端,並用軟管和水泵相連。其作用是將泥漿泵排出的沖洗液送入鑽桿內孔,送往孔內,而且在主動鑽桿轉動時保證高壓膠管不轉動。另外,水龍頭還承載懸吊鑽桿的作用。
水龍頭有多種形式,按其適用孔深不同,分為淺孔用水龍頭和深孔用水龍頭;按其回轉部不同,可分為外轉式(殼體轉動式)及內轉式(心管轉動式);按沖洗液及介質的通道數量可分為單通道和雙通道形式。
主要水龍頭類型如圖2-36所示。其中,小直徑輕便式水龍頭主要適用於小口徑1000m以淺鑽孔,其特點是水龍頭體積小,心管通水面積小,耐水壓小,抗拉強度低,適應於高速運轉;高壓水龍頭和提引式高強度水龍頭特點是:體積較大,抗拉強度高,密封性能好,耐水壓高,適應於深孔使用;雙通道水龍頭可用於多介質正反循環鑽進,相對於常規水龍頭,它多一個側入式循環介質通道,用於反循環鑽進時將循環介質導入雙壁鑽桿內外管之間的環隙。另外,還有用於定向鑽進有纜式隨鑽測量的通纜式水龍頭。
圖2-36 主要水龍頭類型
(a)小直徑水龍頭;(b)輕便式水龍頭;(c)高壓水龍頭;(d)高強度水龍頭;(e)雙通道水龍頭
5.絞車
鑽探現場配置的絞車主要有兩種,測井與定向鑽進用電纜絞車和繩索取心鑽進打撈投放內管(亦可兼用孔內存儲式測斜儀輸送)用鋼纜絞車。如圖2-37所示。
圖2-37 鑽探現場專用絞車
(a)測井絞車;(b)繩索取心絞車
選擇鑽探現場絞車時應滿足如下使用條件:①功率必須滿足孔深及工況要求;②絞車輪轂排纜容量應大於工作孔深要求;③絞車盡量設有排繩和孔深計數儀;④要設有升降變速機構。
(二)泥漿凈化及制漿設備
深孔鑽探施工中必須及時、有效地清除混入鑽井液中的大量岩屑等固相物質,以便再次循環使用泥漿,以提高鑽進效率、延長孔內機具使用壽命,降低成本,預防事故發生。
可以通過沉澱、機械分離和化學處理三種方法來凈化泥漿。常用的是機械分離法,即利用泥漿凈化設備強制清除泥漿中的鑽屑。泥漿凈化設備主要有振動篩、水力旋流除砂器、離心分離機等,泥漿制備設備則是攪拌機(圖2-38)。
圖2-38 泥漿凈化及制漿設備
(a)振動篩;(b)離心機;(c)振動篩與除砂器雙作用處理機;(d)攪拌機
1.振動篩
振動篩藉助篩面振動,促進漿液與固相顆粒分離以及不同粒級固相顆粒之間的分離,是泥漿凈化系統中的第一級凈化設備。從鑽孔內返出的泥漿,首先通過振動篩,以清除粗粒鑽屑(20目左右的固相顆粒)。
振動篩一般由以下部分組成:電動機及皮帶傳動裝置,篩體和篩網、彈性支撐(或懸吊)裝置,激振器,底座或框架,溢流槽和儲漿箱等。激振器工作後帶動篩面做單向或多向振動。當泥漿由溢流槽流向篩面時,漿液和漿液中的固相顆粒與振動的篩面之間產生相對移動和振擊,這一運動促進了液體與固相顆粒的分離過程。漿液和小於篩孔的鑽屑通過篩面流向下面的儲漿箱,而大於篩孔的粗粒鑽屑將沿傾斜的篩面向下滑動。如疊合採用多層不同規格的篩網(小目數篩網在上,大目數在下),則會使不同粒徑的鑽屑得以分離,並沿不同的篩面滑落。
國內使用的振動篩有兩種基本類型:一種是單向振動篩,使用雙軸對稱的激振器,帶動篩面沿其長軸方向作單方向振動;另一種是多向振動篩,動力機帶動著偏心軸回轉,篩體、篩網與偏心軸連接成一體,篩面則作多方向振動。
振動篩篩網通常用不銹鋼鋼絲編織而成。篩孔尺寸是影響固相清除效果的主要因素,其規格有:30目、40目、60目、80目、100目、120目、140目、160目和200目等多種。篩孔形狀有正方形和長方形兩種,後者不易堵塞。
2.水力旋流除砂器
水力旋流除砂器(圖2-39)藉助離心力來分離漿液中的固相顆粒。在泥漿凈化系統中,它接在振動篩之後,從泥漿中清除20～30目以細的鑽屑(一般清除70～200μm顆粒),實現泥漿的第二級凈化。水力旋流除砂器是一個結構簡單,無運動件的筒狀設備,上部呈圓筒狀,下部為一個倒圓錐體。此外,還有切向進漿管、溢流管和底流孔(或稱排砂孔)。
圖2-39 旋流除砂器原理
(a)旋流式除砂器;(b)雙螺旋模型;(c)二維跡線表示各種流態
1—進漿管;2—溢流管;3—圓筒體;4—錐形體;5—排砂嘴;6—短路流;7—循環流;8—內旋流;9—外旋流;10—空氣柱;11—軸向零速面;12—排出外旋流
由砂泵壓送的具有一定壓力的泥漿,經進漿管沿圓筒的切線方向進入旋流器上部,由於液流運動的慣性、圓形筒壁的導向和液體重力作用,泥漿在筒內旋轉,並形成不斷向下推移的螺旋狀液流。液流中的固相顆粒因其質量不同受到大小不等的離心作用力,而從漿液中分離出來,甩向筒壁。並在旋轉液流帶動及其自重的作用下,按螺旋形軌跡沿筒壁滑落。當螺旋液流降到錐體部分時,由於過流截面不斷縮小,液流圓周線速度不斷加快。在高速旋流的影響下,筒內空氣被集中於軸線附近,並且由於液流的卷吸作用,圍繞軸線形成一個似柱狀負壓區。這樣,當螺旋液流到大錐體下部(多數鑽屑分離之後,已是比較干凈的泥漿),便在軸心負壓作用下改變方向,形成一個同向旋轉的上升旋流並沿軸線按螺旋形上升,由溢流管排出。依靠旋流器內向下與向上兩股旋流運動,實現了漿液和鑽屑的有效分離和反向匯集。
旋流除砂器的規格通常以除砂器上部圓筒直徑(單位:in,1in=0.0254m)表示,如:2in、3in、4in、5in、6in、7in、8in、10in、12in。一般來說,隨旋流器尺寸越大,其分離的固相顆粒粒徑和單位時間處理的泥漿量也越大。
除泥器的結構和工作原理和除砂器相同,其區別在於結構尺寸、清除鑽屑固相顆粒的粒徑和處理泥漿的能力不同。除泥器的尺寸小,通常用於分離15～40μm的固相顆粒,泥漿處理量也小。故常用多個除泥器與除砂器配套使用。
除砂器和除泥器的筒體內壁很容易被固相顆粒的高速液流所磨蝕。為了提高其耐磨性,可採用白口鑄鐵、內壁襯以耐磨橡膠的碳素鋼或其他耐磨材料製造。
3.離心分離機
通過除砂器、除泥器後,如泥漿中的固相含量顆粒還不能滿足鑽探使用要求,則再將除泥器處理後的泥漿抽入離心機分離,可將泥漿中細小岩屑和砂粒分離出去,一般可以除去2μm以上有害固相,並除去鑽井液中多餘的膠體,控制泥漿黏度,回收重晶石。
分離機有沉澱式、篩筒式、水力渦輪式、疊片式等多種類型。
一般岩心鑽探的泥漿凈化設備只包括振動篩、旋流除砂器或除泥器、砂泵和泥漿槽箱即可,較少使用離心機。因為取心鑽進過程中產生的鑽屑粒度細小,以金剛石取心鑽進為例,70%以上的岩屑粒度＜0.1mm,所以通常只使用除砂器或除泥器並輔以適當的化學處理劑(如絮凝劑等)即可滿足泥漿凈化要求。
4.泥漿攪拌機
制備泥漿的設備主要有泥漿攪拌機及水力攪拌器兩種。現場配備的卧式泥漿攪拌機容量一般為0.3～0.5m3,立式為0.5～1m3,攪拌速度一般為80～100r/min。水力攪拌器多用於固井及封孔水泥攪拌。