钻进（全面钻进、取心钻进和扩孔钻进）技术方案 夏威夷科学钻探取心钻进技术
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3\uff09\u53d6\u5fc3\u94bb\u8fdb\u6ce5\u6d46\u6cf5\uff1a2\u53f0\u4e09\u7f38\u67f1\u585e\u6cf5\uff0c\u6700\u9ad8\u6cf5\u538b140kgf/cm2\uff0814.8MPa\uff09\uff0c350r/min\u65f6\u7684\u6cf5\u91cf\u4e3a340L/m\uff1b
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5\uff09\u94bb\u8fdb\u4eea\u8868\u548c\u6570\u636e\u91c7\u96c6\u7cfb\u7edf\uff1a\u6d4b\u91cf\u94bb\u538b\u3001\u8f6c\u901f\u3001\u6ce5\u6d46\u6cf5\u7684\u6cf5\u538b\u548c\u6cf5\u91cf\u3001\u94bb\u8fdb\u901f\u5ea6\u548c\u94bb\u5934\u4f4d\u7f6e\u7b49\uff0c\u5177\u6709\u6570\u5b57\u663e\u793a\u548c\u8bb0\u5f55\u529f\u80fd\uff1b
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13000m科学超深井的钻进包括全面钻进、取心钻进和扩孔钻进。每一种钻进的技术方案涉及钻进方法、取心钻具（仅对取心钻进）和井底动力钻具。
3.3.1 钻进方法
（1）取心钻进的钻进方法
取心钻进方法的选用，与钻井直径密切相关。在大直径井眼中取心钻进，一般选用牙轮取心钻进方法。在这种条件下，如果采用金刚石取心钻头，机械钻速、回次长度和钻头寿命都很低，钻进成本会相当高。牙轮取心钻头在机械钻速和钻头使用成本方面都要明显优于金刚石取心钻头。因此，前苏联和德国实施科学深钻项目时大井眼取心钻进都采用牙轮钻头。
德国在施工KTB主孔时，也试验过大直径薄壁金刚石取心钻头。尽管钻头设计得很薄，并且采用螺杆马达井底驱动，但钻头的使用效果还是明显不如牙轮取心钻头，其机械钻速、回次长度和钻头寿命都低于取心牙轮钻头。
牙轮取心钻进的缺点是取心效果不好，表现在岩心采取率低和取心品质差。科拉超深钻上万米取心钻进进尺主要采用牙轮钻头，平均岩心采取率为40%。在KTB主孔中，牙轮钻头的平均岩心采取率为40.8%。
小直径井段取心钻进，采用金刚石钻头会获得更好的技术经济指标。钻头种类根据地层条件确定，原则上软岩用聚晶金刚石复合片钻头，硬岩用孕镶金刚石钻头。由于13000m钻井的上部井段可能是软岩，也可能是硬岩，因此在取心钻进时采用复合片钻头和孕镶钻头的可能性都存在。而不管是在沉积岩还是在结晶岩中打钻，钻进到下部小直径井段时岩层必定是硬岩，因此13000m钻井的下部井段取心钻进主要考虑采用孕镶金刚石取心钻头。
我国在实施“中国大陆科学钻探工程”项目时，对硬岩取心钻进方法进行了系统的试验和研究。总共试验了6种取心钻进方法，基本包括了目前世界上主要的硬岩取心钻进方法。试验结果表明，螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法（图3.3）是最佳的硬岩取心钻进方法。
与其他硬岩取心钻进方法相比，该方法有以下优点：
——螺杆马达驱动，钻杆柱不回转，可减轻功耗和钻具磨损，有利于改善钻杆柱工作状态和保护井壁，减少事故；
——液动锤冲击载荷碎岩，可提高钻速50%～100%，提高回次进尺长度1～2倍；
——高转速（200r/min左右），有利于硬岩高效钻进；
——低钻压，有利于防斜和降斜。
这种取心钻进方法应用的井深，主要取决于井底工具的耐温能力。据估计，可用到6000～7000m的深度。因此，可考虑将该方法作为13000m科学超深井上部大直径井段施工钻小直径超前孔时的主要取心钻进方法。
对于13000m科学超深井下部小直径井段的取心钻进，将主要考虑采用涡轮马达驱动的孕镶金刚石取心钻进系统。
总结以上的分析结果，可根据表3.5选择科学超深井的取心钻进方法。
表3.5 取心钻进方法的选择
图3.3 CCSD科钻一井取心钻进钻具组合
（2）全面钻进的钻进方法
根据地层条件来确定使用钻头的种类。软岩钻进采用螺杆马达驱动的金刚石聚晶复合片钻头，硬岩采用高速涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头。研究与试验结果表明，涡轮钻具的转速可达每分钟几百至上千转，与孕镶金刚石钻头配合，可大大提高硬岩钻进的机械钻速，比牙轮钻进至少提高50%，高的达100%，甚至更多。
（3）扩孔钻进的钻进方法
扩孔钻进分两种情况，一种是领眼式扩孔，另一种是套管下扩孔。
领眼式扩孔是在小直径超前孔施工后进行，采用领眼式扩孔钻头（图3.4）。这种钻头的领眼部分插入已钻成的小井眼中，起导向作用，靠后部的切削具扩大井眼。根据地层条件，可采用复合片或者牙轮作切削具。
图3.4 领眼式扩孔牙轮钻头
图3.5 套管下扩孔钻进
套管下扩孔是在套管内下入采用双心扩孔钻具（图3.5），在套管的下方扩出比套管直径还大的孔眼。
3.3.2 取心钻具
科学超深井取心钻具应用在高温、高压及地应力强烈释放的地层条件下，由井底动力冲击回转驱动，应具备以下条件：
1）有足够的强度、刚度、稳定性，以确保恶劣工况下的安全性；
2）可靠的单动性能在超深井高温、高压、高密度钻井液环境中不失效，保障岩心采取率和原状性；
3）合理的钻头内、外径与内、外管间隙配合，以实现同等钻孔直径下，钻头切削面积最小化。
选用图3.6所示KT型单动双管钻具结构为13000m科学超深井提钻取心的基本型式钻具。
图3.6 KT型单动双管钻具结构
钻具的内管考虑采用耐温、耐腐蚀、强度高、内壁光洁等优点的不锈钢、铝合金、喷瓷、玻璃钢等材料，以使岩心进入内管的摩擦阻力减小，有利于提高回次进尺和岩心采取率。
对于地层破碎程度较强的地层，将采取一些特殊的取心工具，如半合管取心钻具、三层管钻具、叠式组合内管钻具等一些特殊钻具，以提高破碎地层的岩心采取率。
为了改善破碎地层的取心效果，还应在取心钻头上采取一定的技术措施。半隔液式电镀孕镶金刚石取心钻头就是一种适合于破碎地层的钻头，该钻头的特点是：钻头主水路流畅，底唇面与外工作边润滑、清洗和冷却充分，可以维持较清洁的孔底环境。钻头内工作边形成数条狭长的缝隙，既能较好地在岩心与钻头内工作边间阻止径向分流的形成，又可在其间保持一定做微量循环的钻井液，使通常易损耗的钻头内工作边总能得到应有的冷却和润滑。钻头隔水环与卡簧座隔水环的配合，及钻头内岩心与隔水环的小环隙配合，形成有效的径向流屏蔽。
3.3.3 侧壁取样技术
在超深井取心钻探中往往发生岩心失落甚至取不到岩心的情况，这时就要借助侧壁取样技术进行补取岩心。
现有多种侧壁取样方法，包括压入式侧壁取样方法、射孔式侧壁取样方法、造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法、旋转式侧壁取样方法等。其中的造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法和旋转式侧壁取样方法相对较适合应用于科学超深井钻探的补取岩心。对于深度超万米的科学超深井，主要要解决这些方法的高温高压耐受能力。
3.3.4 井底动力钻具
对于超万米超深井钻进，采用井底动力驱动是必然的选择，开展井下动力钻具研究对于万米超深井的施工具有十分重要的意义。
当前采用的井下动力钻具主要有螺杆钻具、涡轮钻具和液动锤三种，其中螺杆钻具和涡轮钻具属于提供回转动力的钻具，液动锤是利用冲击能量进行破岩钻进的钻具。根据目前的技术水准，螺杆钻具和液动锤的耐温能力约为150℃；涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，其耐温能力可达300℃。
超深井中使用井下动力钻具首先应该保证所在工况条件下的适应性和安全性，应该考虑如何保证在高温高压下密封可靠、操作简单、使用安全和较长的使用寿命等要求。深井超深井钻井工具的技术开发应从钻井工艺与钻井参数研究、工具结构设计、材料选择、钻具的匹配等方面开展工作。
三种井底动力钻具的研究和改进重点如下：
（1）螺杆钻具的改进措施
1）预轮廓定子螺杆钻具。预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大约1倍。同时，螺杆钻具的效率也得到了提高。预轮廓螺杆钻具有利于减少迟滞热的聚集，防止局部升温。
2）耐高温定子橡胶。将螺杆马达衬里材料换成丁基橡胶并将螺杆马达的转子制作成中空的形式，可以解决6000m左右的螺杆钻具钻井问题。采用氟橡胶可以进一步提高螺杆钻具的应用井深，但对于13000m的孔深仍有一定差距。
3）陶瓷轴承。陶瓷轴承具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速等特性，所以将其应用于螺杆钻具会大幅提高传动轴性能及使用寿命。
4）铝合金转子。选择合适的铝合金材料作为马达转子（表面采用镀铬处理），可以有效减轻转子重量，减轻对定子塑料及万向轴的压力，同时提高转子的耐腐蚀性能，从而提高螺杆钻具马达及万向轴的使用寿命。
（2）液动潜孔锤钻具的改进措施
1）适用超深孔液动潜孔锤类型及钻进参数的确定；
2）提高运动密封副工作寿命的措施；
3）固定式密封耐高温的研究；
4）提高液动锤冲击能量的研究；
5）液动锤万米深孔对背压适应可行性探索；
6）与螺杆钻、涡轮钻组合后的泵量适应性。
（3）涡轮钻具的改进措施
涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，从工作特性方面考虑，螺杆钻具属于容积式钻具，比较适合于钻井作业，因此，建议涡轮钻具只是在较深的井段，或者高温井段使用，可在8000～10000m以深选用涡轮钻具。应重点注意下述各方面：
1）叶型设计与优化技术；
2）减速器设计技术；
3）长寿命高可靠轴承技术；
4）涡轮钻配套钻井工艺技术研究。
3.3.5 13000m科学超深井钻进技术方案
（1）采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案
采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案见表3.6，其要点如下：
1）7500m以上，采用“超前孔裸眼钻进方法”（小直径取心钻进，扩孔下套管的施工方案），超前孔直径216mm，活动套管直径245mm，活动套管下入的最大井深约为5000m。
2）超前孔取心钻进主要采用孕镶金刚石钻头。为提高机械钻速和回次长度，尽量采用液动锤。
3）超前孔钻进时，取心钻进和全面钻进间隔进行。取心钻进和全面钻进全部采用井底驱动。可能的情况下，尽量采用高转速的涡轮马达驱动，以提高机械钻速。
4）超前孔全面钻进时，采用垂孔钻进系统，一方面可将钻井的上部7000～8000m钻得铅直，为钻达最终目标打好基础；另一方面可实现高钻压钻进，有利于提高机械钻速，节省施工时间和成本。
5）7500～9000m井段，已是活动套管不可下入的深度，考虑采用一次取心钻进（或全面钻进）成井。由于直径太大，采用螺杆马达驱动金刚石钻头取心钻进效果较差。因此，该井段计划采用涡轮马达驱动孕镶金刚石钻头取心钻进。
6）无论是取心钻进，还是全面钻进，全部采用井底驱动。上部采用螺杆马达，下部采用涡轮马达。
7）7500m以上井段，采用主动防斜的井斜控制方案（自动垂孔钻进系统）；7500m以下，采用被动防斜的井斜控制方案，即采用钟摆钻具防斜，施工中测得井斜超标后，采用常规纠斜工具纠斜。
表3.6 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“超前孔裸眼钻进方法”）
（2）采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案
采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案见表3.7。
表3.7 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“等井径钻进方法”）
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