处理地质岩心钻探孔内事故的专用工具种类很多,常用的有打捞工具、解卡起拔工具、磨割工具、透扩和偏斜工具五大类。不同的孔内事故应选择或自行设计不同规格的处理工具。
1.打捞工具
(1)丝锥类
丝锥类打捞工具主要用于处理钻杆、岩心管和套管事故。不同型号规格的公锥、母锥如图11-1所示,其中右螺纹丝锥与普通钻杆连接;左螺纹丝锥与反丝钻杆(左螺纹钻杆)连接。通天公锥[图11-1(a)]用于处理内径较小的事故钻具(如钻杆及锁接头等);套管公锥[图11-1(b)]用于处理内径较大的事故钻具(岩心管、套管、较大直径绳索取心钻杆、钻头等);母锥[图11-1(c)]用于处理事故头偏离钻孔轴线公锥难以对准的情况,另外钻具在孔内卡埋较紧时,采用母锥处理便于拉脱,避免次生事故风险。
图11-1 主要丝锥类型
(a)公锥;(b)套管公锥;(c)母锥
地质岩心钻探事故打捞常用丝锥规格如表11-4、表11-5所示。
(2)可退式打捞矛
可退式打捞矛(卡瓦式)如图11-2所示。它不同于丝锥,处理事故时可直送到事故管材内任何一个部位(钻具内无异物障碍),不用回转,通过泵送冲洗液推动卡瓦卡牢事故钻具。若孔内事故钻具卡得太死无法打捞可以退回打捞矛,不会造成新的孔内事故。地质岩心钻探用可退式打捞矛规格参数如表11-6所示。
除可退式打捞矛外,还有倒扣式、滑块式等事故处理打捞矛,其作用原理基本类似。
表11-4 地质岩心钻探常用公锥规格
表11-5 地质岩心钻探常用母锥规格
图11-2 可退式打捞矛
表11-6 可退式打捞矛规格参数
(3)打捞钩具
处理孔内事故常见的打捞钩具如图11-3所示。
图11-3 打捞钩具
图11-3中(a)、(b)、(c)为打捞钻杆钩具,(d)、(e)、(f)、(g)、(h)为绳环类打捞钩具,其中(d)、(f)、(h)为外钩式打捞具,主要用于捞各种电缆、钢丝绳、提环、空心短圆柱体、短绳套等落物;(e)、(g)为内钩式打捞具,主要打捞钻孔测井井下仪探管及短绳(缆)。打捞钩具一般都是现场自行设计制作。
(4)小件落物打捞工具
1)磁性打捞器
利用永磁铁的吸力,用于孔内小件钢质落物的打捞。磁性打捞器如图11-4所示。图11-4(a)打捞器下孔前须将胶皮和护盖拿掉。图11-4(b)打捞器下孔时不投钢球,可泵送水扫孔到底,提钻前投入钢球,以利于打捞。常用磁性打捞器规格参数如表11-7所示。
图11-4 磁性打捞器
(a)直吸式;(b)可送水扫孔式
表11-7 常用磁性打捞器规格及参数
2)其他小件落物打捞工具
除磁性打捞器外,钻探工作者还设计了多种简易实用的打捞工具。常用的简易打捞工具如图11-5所示。
图11-5(a)为接于岩心管之上的小口径打捞杯。相当于大口径钻探用的取粉管,用来捞取钻进过程中泥浆无法正常带出孔口的钻屑或金属碎屑。
图11-5(b)为钢丝打捞筒,在打捞筒内管靴上有呈螺旋状分布的钢丝束。孔内落物经引鞋导入打捞筒,利用钢丝束的弹性将落物留在打捞筒内。
图11-5(c)为一把抓打捞筒。下孔后将孔底落物罩入抓齿内或缝隙之间,通过钻柱加压将各抓齿压弯,再回转使已压弯变形的抓齿成螺旋状抱紧孔内落物而打捞上来。
2.解卡起拔工具
孔内发生卡钻、烧钻、埋钻事故时,常用的解卡起拔工具有如下几种。
(1)吊锤
吊锤通过震击孔口以上钻杆向孔内被卡钻具传递解卡的能量,使其松动,主要用于浅孔。吊锤常见规格有50kg、100kg、120kg等几种(图11-6)。
图11-5 小物件简易打捞器
(a)小口径打捞杯;(b)钢丝打捞筒;(c)一把抓打捞筒
(2)液压千斤顶
处理孔内事故用双缸卡瓦式液压千斤顶如图11-7所示。常用的卡瓦规格有Φ50mm、Φ63.5mm、Φ68mm、Φ89mm、Φ108mm、Φ127mm、Φ146mm、Φ168mm;起拔重量规格有12t、25t、30t、40t、50t、80t几种。
图11-6 吊锤图
图11-7 液压双缸千斤顶
(3)孔内震击器
震击器按工作原理分为机械式、液压式、机械液压式三种,如图11-8所示。
机械式上击器[图11-8(a)]接在事故头上部。工作时,卡瓦在拉力作用下抱住卡瓦心轴并阻止其向上运动,钻杆同时被拉伸而贮存弹性势能。当向上的拉力达到预调的吨位时,卡瓦心轴立即从卡瓦内滑脱出来,钻柱释放弹性势能,卡瓦心轴上肩对花键套的下端面产生有力的向上打击。下放机械式上击器时,卡瓦心轴推动卡孔复位。重复上述过程,直至达到解卡目的。
液压震击器[图11-8(b)]与孔内事故头相连接。上提钻具时,震击器中预注的液压油只能沿活塞环的开口间隙泄漏,使活塞只能缓慢上移,为上部钻具弹性变形提供了足够的时间。当活塞上行至释放腔时,液压油的约束被解除,上部钻具贮存的巨大弹性势能带动震击杆上的震击垫向上运动,打击上缸套的下端面,通过连续产生的向上震击实现解卡。
机械液压式震击器[图11-8(c)]集上下震击作用于一体。上击作业时,上提钻具,在碟簧弹性力及卡瓦锁紧力作用下,卡瓦锁紧机构抱紧卡瓦心轴。卡瓦心轴上行克服卡瓦锁紧力及液压阀总成与延长轴之间的阻尼作用,使钻柱储能、延时。当心轴上行到解除约束状态,钻柱中储存的弹性势能转换成向上的动能,产生上击。如需连续上击,则应下放钻具直到锁紧机构重新锁紧,再重复上述过程将产生连续上击。下击机构锁紧器的松开负荷可根据使用者需要改变。上锁紧力和下锁紧力之比可调。下放钻具当压力达到下锁紧力时,震击器将产生下击力。若需要重复震击,上提钻具到重新锁紧的位置,重复上述过程。
图11-8 典型孔内震击器结构示意图
(a)机械式上击器;(b)液压震击器;(c)机械液压式震击器
(4)管内爆破筒
装有聚能炸药和电雷管的孔内爆炸装置(图11-9)一般从钻杆(或套管)内放至被卡位置,起爆炸断或震松卡埋钻具,可避免动用反丝钻杆处理事故。
图11-9 管内爆破筒
1—电线;2—提环;3—丝堵;4—塞子;5—爆炸筒;6、7—电雷管;8—炸药;9—导向重锤
3.磨割工具
(1)切割工具
岩心钻探常见切割工具如图11-10所示。
图11-10 常见割刀结构示意图
(a)鼓形离心割刀;(b)全断面割刀;(c)扇形离心割刀;(d)水压割刀
(2)套铣工具
套铣工具主要用于处理遗留孔中无法取出的短钻具(岩心管、钻头等落物),如图11-11所示。一般用普通套铣钻具处理事故钻具外侧,用带导正套铣钻具磨铣事故钻具头部或整个事故钻具。铣刀钻头(或称套铣鞋)可用硬质合金或孕镶金刚石制作。
图11-11 常见套铣工具
(a)普通套铣钻具;(b)带导向套铣钻具;(c)铣刀钻头;(d)带导正铣刀钻头
(3)磨削工具
事故磨削工具如图11-12所示。其切削刃多为硬质合金或孕镶金刚石,主要用于磨碎其他方法难以打捞的孔内小件落物。
图11-12 事故磨削工具示意图
(a)平底磨削钻头;(b)凹底磨削钻头;(c)带引鞋磨削钻头;(d)锥形磨削钻头
平底钻头[图11-12(a)]用于磨削如钻头、卡瓦、接头等孔底落物。凹底钻头[图11-12(b)]的凹形底面可在磨削过程中罩住落物,迫使其聚集于切削范围内。主要用于磨削如钢球、螺栓、螺母等孔底不稳定落物。图11-12(c)所示的钻头由于引鞋的存在,可以将孔底落物罩入引鞋之内,以保证落物始终置于钻头磨削范围内,常用于磨削各种摇晃的管、杆类落物。锥形钻头[图11-12(d)]主要用于修复变形的钻具、管具头部及套管鞋。
4.透扩工具
如图11-13所示的透扩工具适于有落物覆盖或管内有残留岩心及钻孔缩径、出现键槽时的粗径钻具(或套管)卡、埋、烧钻事故,通过透扩处理实现解卡。
图11-13 透扩工具结构示意图
(a)岩心管透扩钻具;(b)掏心钻具;(c)水压式扩孔钻具;(d)螺旋式修孔钻具;(e)透扩钻头;(f)、(g)偏心扩孔钻头
图11-13(a)所示的透扩钻具可用内透或外扩方式处理事故。用于内透时,透扩钻头应不带外侧刃,且外径比事故钻具内径小1～2级;用于外扩事故钻具时,扩孔钻头应不带内侧刃,且内径比事故钻具外径大1～2级。
掏心钻具[图11-13(b)]常用于事故钻具底部掏心,处理烧钻及沉淀卡埋异物,其心杆长度应小于1m,钻头直径视孔底事故钻头的内径而定。
水压式扩孔钻具[图11-13(c)]扩孔前在弹簧作用下刀头外径与扩孔钻具外径相同,下至待扩孔段后开泵,随着活塞下移,活塞杆上的齿条推动齿轮使刀头张开进行扩孔。扩完后停泵,在弹簧作用下,刀头又恢复到原位并提出孔外。
螺旋式扩孔钻具[图11-13(d)]的螺旋凸出部位镶有硬质合金或金刚石,其外径比扩孔段孔径小5～10mm,主要用于扩扫钻孔键槽部位,以减少键槽卡钻事故。此外,图11-13中的(e)、(f)、(g)分别为透扩钻头和偏心扩孔钻头。
5.绕障工具
当孔内事故无法处理时,可借助偏心楔、连续造斜器、孔底马达(螺杆钻、涡轮钻)等造斜工具绕过事故头继续钻进。详见第七章。
6.其他工具
(1)安全接头
安全接头是连接在孔下钻柱上的一种安全装置。当孔底钻具被卡埋时容易卸开,以便取出上部钻柱,使后续事故处理变得更简单。当然安全接头须能承受钻进中的轴载和扭矩。常见的H型和J型安全接头如图11-14所示。
图11-14 典型的安全接头结构示意图
安全接头由公母接头组成,并用销子连接成整体。公接头上设计有横、竖有序的凸块和滑槽,母接头内孔中有滑块,滑块与公接头的滑槽配合(如同花键轴套),公母接头间用O形圈密封保证冲洗液循环。需要安全退出时,上提剪断销子使公接头的滑槽沿母接头的滑块上下、左右运动完成接头的安全退扣动作。
(2)球式打捞器
球式打捞器又称为三球式打捞器(图11-15),主要用于绳索取心内管总成打捞。当弹卡挡头连接螺纹处折断且事故头有掉块及岩粉覆盖时,可用钻杆连接球式打捞器冲扫事故头部同时将内管总成打捞上来。
图11-15 球式打捞器