大陆科钻1井取心工艺新技术.docx

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大陆科钻1井取心工艺新技术

大陆科钻1井取心工艺新技术

前言

科钻1井是一口地质科学探井，在地质构造上有别于一般的油井。

钻井选区位于中国中东部的秦岭—大别山—苏鲁造山带的东段，江苏省东海县境内苏鲁地区的南部。

地质条件的复杂给钻井施工带来的主要困难：

⑴岩层坚硬难钻：

岩层主要为片麻岩、榴辉岩、橄榄岩、片岩、斜长角闪岩、糜棱岩和碎裂岩。

硬度大，可钻性差，可钻性级值7~9级，有的达10~11级；先导孔和主孔中都将钻到一定厚度的橄榄岩，此类岩石属超基性岩，岩石密度大，硬度大；先导孔和主孔都将钻遇到糜棱岩带，硬度将更大，面理极发育；断层岩硬度、密度及井隙度有很大的差异，软硬岩层会交互出现。

⑵变质岩变质深浅不一，其相带变化亦即软、硬地层交互出现频繁，加之面理极其发育和片岩的片状结构，将是强烈的造斜地层，该地区最大的地层倾角30~35°,面理最大倾角30~70°。

⑶构造变形岩层的不稳定性给防塌、防卡带来难题，特别注意在柱状剖面上650m、1930m、3210m、4550m井段的地层变化。

⑷井区断裂发育，钻井内可钻遇多条断层，易出现漏失、喷涌。

该井于2001年6月25日开钻，截至2004年11月30日已钻至井深4900m，共进行1158回次的取心作业，取心进尺4799m，收获岩心4333m，岩心采收率90.3%，达到工程设计要求80%的目标，生产安全无事故，在多项钻探工艺上取得的重大突破。

螺杆马达+液动锤+普通双管金刚石孕镶钻头取心工艺是将传统的旋转钻进和古老的顿钻钻进有机的结合起来，由此而产生了回转冲击钻进技术和冲击回转钻进技术。

螺杆马达＋液动锤取心钻进工艺在我国属首次试验，液动锤的冲击频率可高达1200次/min，根据地层的岩性变化来调整液动锤的冲击功，使回转冲击钻进和冲击回转钻进相互转换以适应地层。

回转冲击钻进主要是以螺杆回转为主、液动锤冲击为辅的钻进技术，通常是螺杆的转速大于液动锤的冲击频率，主要是靠螺杆的高速旋转来达到高速取心钻进的目的；而冲击回转钻进是以液动锤为主、螺杆为辅钻进技术，液动锤的冲击频率远大于螺杆的转速，主要是靠液动锤冲击来达到高速取心钻进的目的，螺杆的旋转主要用于改变冲击点和清砂作用。

经试验结果表明，采用该工艺，比单独使用螺杆钻进可提高机械钻速4~6倍，平均提高50%以上。

另外液动锤的使用，可以在岩石破碎的地层中可以有效的防止堵心和提高单筒进尺，同时还具有延长钻头进尺寿命、防止井斜、减少井底钻具卡钻等作用。

1冲击回转钻进工艺

1.1冲击回转概念

冲击回转钻进就是在带有冲击载荷下的回转钻进，它是顿钻钻进和旋转钻进相结合的一种钻进方法。

1.2冲击回转钻进的岩石破岩机理

冲击回转的主要特点是冲击载荷在冲击瞬时达到极高值，接触应力集中，在有预压作用下可以瞬时破碎岩石。

在钻头刃齿上不但对岩石作用着静载轴向力和回转切削力，另外还附加了一种连续冲击动载荷，钻头同时在三种载荷下工作。

1.3冲击回转钻进优点

冲击回转钻进和纯冲击钻进及纯回转钻进都有不同，归纳起来有以下几个主要特点：

⑴由于钻头在三种载荷下工作，所以这种钻进方法对钻头要有很好的抗冲击要求；

⑵这种钻进方法与常规回转钻进方法相比，它要求的钻进参数是钻压低，钻速低，流量大，泥浆含砂量要小；

⑶它与回转钻进相比，可以扩大钻头对地层的适应范围，硬软地层兼可；

⑷一般来说，它比回转钻进具有效率高，钻孔质量好，事故少，成本低等优点。

2液动锤技术

2.1液动锤的工作原理

液动锤的工作原理是将液体流动的能量转化成锤子的冲击力。

从地面看来，不需要转盘旋转，只消耗泵压，也就是说，只需要泥浆泵提供能量。

液动锤的控制元件是一个双稳射流元件，泥浆泵输出的高压水经钻杆柱输入射流元件的喷嘴时产生附壁效应，它主要是靠液流的附壁效应来实现活塞的上下活动，实现旋冲钻进（见图1）。

该钻具具有结构简单、启动方便、工作稳定、性能可靠等诸多优点，能明显提高机械钻速和井身质量。

2.2技术性能

冲击器外径（mm）：

127

冲锤质量（kg）（含活塞）50~60

冲击行程（mm）：

20~100

水泵流量（L/min）500~600

压力降（MPa）3~4

冲击频率（次/min）1000~1500

单次冲击能（J）60~150

钻具总长（mm）2290

2.3中国大陆科探井使用液动锤的情况

液动锤的使用使单一的转盘的回旋钻进变成回旋冲击钻进，从理论上非常有利于快速破岩，从实际使用效果来看也非常乐观，它有效的加快了钻进速度，防止了井斜和堵心（见表1）。

从现场试用看，无论是在榴辉岩里还是在角闪岩和片麻岩里，液动锤正常工作时机械钻速是不工作时的4~6倍，而且单筒进尺也较长，由此可见，液动锤在钻进速度上体现了很大的优越性。

2.4液动锤的优越性及展望

从中国大陆科学钻探井CCSD-1的施工来看，液动锤的确解决了许多问题：

⑴在同种地层钻进比较，机械钻速大约是普通钻进的4~6倍；

⑵大大提高了单筒取心进尺和收获率，有效地防止了堵心；

⑶有效地防止了卡钻，液动锤在起下钻遇到阻卡时可以开泵解卡；

⑷从液动锤在科探井应用来看，它表现出了前所未有的优越性，解决了许多取心问题，大大提高了钻进速度。

如果液动锤能石油在钻井上广泛使用，它将使石油钻井产生巨大的进步，冲击回转钻进在石油钻井的垂直钻进、定向钻进和水平钻进中都有着和普通的纯回转钻进不可比拟的优越性，将大大推动钻井技术的发展。

3钻头优选

由于科探井坚硬的岩石和大倾角的地层，金刚石取心钻头优选技术成了科学钻探井要解决的首要问题。

针对这种特殊地层，有12种型号的金刚石钻头在科钻1井试验，优选出了适合于低钻压、硬岩和高转速条件下工作的大直径薄壁金刚石取心钻头。

金刚石取心钻头分表镶和孕镶两种类型，而孕镶钻头按制造方法又分电镀钻头和热

压钻头，要求在低钻压、高转速和硬岩的使用条件下，获得较好的钻头寿命和机械钻速。

3.1钻头的改进

依据所钻地层特点，和厂家结合，对钻头作了以下改进：

⑴水口的过水面积加大，内外水槽加深，有利于排粉和冷却金刚石；

⑵减少了金刚石胎块与孔底的接触面，使相应比压较大，有利于提高钻速；

⑶内外保径加长，减少钻头径向的抖动力，起了很好的防震效果；

⑷采用圆弧面和尖齿型的端面，起了很好的防斜效果；

⑸加厚金刚石工作层，延长了钻头寿命。

3.2通过改进和优选后金刚石钻头所具备的主要性能参数

⑴钻头外径157mm；

⑵钻头内径96mm；

⑶金刚石粒度0.425~0.500mm；

⑷金刚石单晶强度大于343N；

⑸钻头胎体硬度罗氏硬度HRC30~45；

⑹钻头水口、水槽数量（10~16个），底唇面以平底为主，另外辅助使用多阶梯，半圆弧，同心圆底喷钻头克服特殊地层。

4单动双管取心工具

科钻井取心钻进均采用φ140mm单动双管钻具（见图2）。

为适应科学钻探的工况，进行了一些改进：

⑴将轴承腔由密闭式改为开放式，去掉了单动轴承的密封，由油润滑改为泥浆润滑，解决了由于密封实效导致轴承腔内集砂造成单动失灵的问题；

⑵钻具的轴心螺纹过细（螺距3），在钻进振动和冲击的条件下，出现丝扣磨秃的现象。

将心轴螺纹改为螺距4梯形扣，可进一步延长其无故障工作时间；

⑶单动轴承由轻型轴承改为重型轴承，并加大了轴承的规格，提高了轴承抗冲击载荷的能力。

改进后的钻具最大无故障工作时间达151h，进尺97m，岩心采取率98.76%，完成该孔绝大部分取心工作量；

在三开取心钻进后期，经几次改进后的双管钻具完全可以满足取心钻具的要求，加之泥浆润滑性能的改善，一套钻具最高连续钻进7个回次（8m岩心管满管取心）、进尺54m未出现故障，两套钻具连续钻进191m终孔，一直未更换轴承。

5高转速螺杆的使用

   低钻压、高转速的金刚石钻头需要有高转速的螺杆配合使用，使用了单头120螺杆、3头120螺杆和5头95螺杆、4头120螺杆，他们的使用钻压在0.5~2t，转速在200~500r不等，排量在9~14L/s，通常使用寿命可以达到100h左右。

通过螺杆马达的高速运转驱动金刚石取心钻头在硬岩中进行连续取心钻进在我国尚属首次。

前一阶段的取心钻进实践证明，该工艺方法所钻取的岩屑均是粉状，适合于硬岩取心钻进，有助于提高钻进效率并获得好的取心质量。

高速螺杆与金刚石钻头的配合使用技术与传统的低转速的转盘驱动相比，可减少钻杆的负荷、延长钻具寿命、避免对井壁和套管的磨损和扰动，在降低井内复杂，减少钻具事故方面有很大的优越性。