大陸科鉆1井取心工藝新技術(shù)

1、大陸科鉆1井取心工藝新技術(shù)前言科鉆1井是一口地質(zhì)科學(xué)探井，在地質(zhì)構(gòu)造上有別于一般的油井。鉆井選區(qū)位于中國中東部的秦嶺大別山蘇魯造山帶的東段，江蘇省東?？h境內(nèi)蘇魯?shù)貐^(qū)的南部。地質(zhì)條件的復(fù)雜給鉆井施工帶來的主要困難： 巖層堅(jiān)硬難鉆：巖層主要為片麻巖、榴輝巖、橄欖巖、片巖、斜長(zhǎng)角閃巖、糜棱巖和碎裂巖。硬度大，可鉆性差，可鉆性級(jí)值79級(jí)，有的達(dá)1011級(jí)；先導(dǎo)孔和主孔中都將鉆到一定厚度的橄欖巖，此類巖石屬超基性巖，巖石密度大，硬度大；先導(dǎo)孔和主孔都將鉆遇到糜棱巖帶，硬度將更大，面理極發(fā)育；斷層巖硬度、密度及井隙度有很大的差異，軟硬巖層會(huì)交互出現(xiàn)。 變質(zhì)巖變質(zhì)深淺不一，其相帶變化亦即軟、硬地層交互出現(xiàn)頻

2、繁，加之面理極其發(fā)育和片巖的片狀結(jié)構(gòu)，將是強(qiáng)烈的造斜地層，該地區(qū)最大的地層傾角3035°,面理最大傾角3070°。 構(gòu)造變形巖層的不穩(wěn)定性給防塌、防卡帶來難題，特別注意在柱狀剖面上650m、1930m、3210m、4550m井段的地層變化。 井區(qū)斷裂發(fā)育，鉆井內(nèi)可鉆遇多條斷層，易出現(xiàn)漏失、噴涌。該井于2001年6月25日開鉆，截至2004年11月30日已鉆至井深4900m，共進(jìn)行1158回次的取心作業(yè)，取心進(jìn)尺4799m，收獲巖心4333m，巖心采收率90.3%，達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求80%的目標(biāo)，生產(chǎn)安全無事故，在多項(xiàng)鉆探工藝上取得的重大突破。螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘+普通雙管金剛石孕

3、鑲鉆頭取心工藝是將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和古老的頓鉆鉆進(jìn)有機(jī)的結(jié)合起來，由此而產(chǎn)生了回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)技術(shù)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)。螺桿馬達(dá)液動(dòng)錘取心鉆進(jìn)工藝在我國屬首次試驗(yàn)，液動(dòng)錘的沖擊頻率可高達(dá)1200次/min，根據(jù)地層的巖性變化來調(diào)整液動(dòng)錘的沖擊功，使回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相互轉(zhuǎn)換以適應(yīng)地層?；剞D(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)主要是以螺桿回轉(zhuǎn)為主、液動(dòng)錘沖擊為輔的鉆進(jìn)技術(shù)，通常是螺桿的轉(zhuǎn)速大于液動(dòng)錘的沖擊頻率，主要是靠螺桿的高速旋轉(zhuǎn)來達(dá)到高速取心鉆進(jìn)的目的；而沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是以液動(dòng)錘為主、螺桿為輔鉆進(jìn)技術(shù)，液動(dòng)錘的沖擊頻率遠(yuǎn)大于螺桿的轉(zhuǎn)速，主要是靠液動(dòng)錘沖擊來達(dá)到高速取心鉆進(jìn)的目的，螺桿的旋轉(zhuǎn)主要用于改變沖擊點(diǎn)和清砂作用。經(jīng)

4、試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該工藝，比單獨(dú)使用螺桿鉆進(jìn)可提高機(jī)械鉆速46倍，平均提高50%以上。另外液動(dòng)錘的使用，可以在巖石破碎的地層中可以有效的防止堵心和提高單筒進(jìn)尺，同時(shí)還具有延長(zhǎng)鉆頭進(jìn)尺壽命、防止井斜、減少井底鉆具卡鉆等作用。1 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝1.1 沖擊回轉(zhuǎn)概念沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)就是在帶有沖擊載荷下的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，它是頓鉆鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的一種鉆進(jìn)方法。1.2 沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的巖石破巖機(jī)理沖擊回轉(zhuǎn)的主要特點(diǎn)是沖擊載荷在沖擊瞬時(shí)達(dá)到極高值，接觸應(yīng)力集中，在有預(yù)壓作用下可以瞬時(shí)破碎巖石。在鉆頭刃齒上不但對(duì)巖石作用著靜載軸向力和回轉(zhuǎn)切削力，另外還附加了一種連續(xù)沖擊動(dòng)載荷，鉆頭同時(shí)在三種載荷下工作。1.3 沖

5、擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)優(yōu)點(diǎn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和純沖擊鉆進(jìn)及純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)都有不同，歸納起來有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)： 由于鉆頭在三種載荷下工作，所以這種鉆進(jìn)方法對(duì)鉆頭要有很好的抗沖擊要求； 這種鉆進(jìn)方法與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法相比，它要求的鉆進(jìn)參數(shù)是鉆壓低，鉆速低，流量大，泥漿含砂量要小； 它與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，可以擴(kuò)大鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍，硬軟地層兼可； 一般來說，它比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)具有效率高，鉆孔質(zhì)量好，事故少，成本低等優(yōu)點(diǎn)。2 液動(dòng)錘技術(shù)2.1 液動(dòng)錘的工作原理液動(dòng)錘的工作原理是將液體流動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成錘子的沖擊力。從地面看來，不需要轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，只消耗泵壓，也就是說，只需要泥漿泵提供能量。液動(dòng)錘的控制元件是一個(gè)雙穩(wěn)射流元件，泥漿泵輸出

6、的高壓水經(jīng)鉆桿柱輸入射流元件的噴嘴時(shí)產(chǎn)生附壁效應(yīng)，它主要是靠液流的附壁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)活塞的上下活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋沖鉆進(jìn) (見圖1)。該鉆具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)方便、工作穩(wěn)定、性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，能明顯提高機(jī)械鉆速和井身質(zhì)量。2.2 技術(shù)性能沖擊器外徑（mm）： 127沖錘質(zhì)量（kg）(含活塞) 5060沖擊行程（mm）： 20100水泵流量（l/min） 500600壓力降（mpa） 34沖擊頻率（次/min） 10001500 單次沖擊能（j） 60150鉆具總長(zhǎng)（mm） 22902.3 中國大陸科探井使用液動(dòng)錘的情況液動(dòng)錘的使用使單一的轉(zhuǎn)盤的回旋鉆進(jìn)變成回旋沖擊鉆進(jìn)，從理論上非常有利于快速破巖，從實(shí)際

7、使用效果來看也非常樂觀，它有效的加快了鉆進(jìn)速度，防止了井斜和堵心（見表1）。從現(xiàn)場(chǎng)試用看，無論是在榴輝巖里還是在角閃巖和片麻巖里，液動(dòng)錘正常工作時(shí)機(jī)械鉆速是不工作時(shí)的46倍，而且單筒進(jìn)尺也較長(zhǎng)，由此可見，液動(dòng)錘在鉆進(jìn)速度上體現(xiàn)了很大的優(yōu)越性。2.4 液動(dòng)錘的優(yōu)越性及展望從中國大陸科學(xué)鉆探井ccsd-1的施工來看，液動(dòng)錘的確解決了許多問題： 在同種地層鉆進(jìn)比較，機(jī)械鉆速大約是普通鉆進(jìn)的46倍； 大大提高了單筒取心進(jìn)尺和收獲率，有效地防止了堵心； 有效地防止了卡鉆，液動(dòng)錘在起下鉆遇到阻卡時(shí)可以開泵解卡； 從液動(dòng)錘在科探井應(yīng)用來看，它表現(xiàn)出了前所未有的優(yōu)越性，解決了許多取心問題，大大提高了鉆進(jìn)速度。

8、如果液動(dòng)錘能石油在鉆井上廣泛使用，它將使石油鉆井產(chǎn)生巨大的進(jìn)步，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在石油鉆井的垂直鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)和水平鉆進(jìn)中都有著和普通的純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)不可比擬的優(yōu)越性，將大大推動(dòng)鉆井技術(shù)的發(fā)展。 3 鉆頭優(yōu)選由于科探井堅(jiān)硬的巖石和大傾角的地層，金剛石取心鉆頭優(yōu)選技術(shù)成了科學(xué)鉆探井要解決的首要問題。針對(duì)這種特殊地層，有12種型號(hào)的金剛石鉆頭在科鉆1井試驗(yàn)，優(yōu)選出了適合于低鉆壓、硬巖和高轉(zhuǎn)速條件下工作的大直徑薄壁金剛石取心鉆頭。金剛石取心鉆頭分表鑲和孕鑲兩種類型，而孕鑲鉆頭按制造方法又分電鍍鉆頭和熱壓鉆頭，要求在低鉆壓、高轉(zhuǎn)速和硬巖的使用條件下，獲得較好的鉆頭壽命和機(jī)械鉆速。3.1鉆頭的改進(jìn)依據(jù)所鉆地層特

9、點(diǎn)，和廠家結(jié)合，對(duì)鉆頭作了以下改進(jìn)： 水口的過水面積加大，內(nèi)外水槽加深，有利于排粉和冷卻金剛石； 減少了金剛石胎塊與孔底的接觸面，使相應(yīng)比壓較大，有利于提高鉆速； 內(nèi)外保徑加長(zhǎng)，減少鉆頭徑向的抖動(dòng)力，起了很好的防震效果； 采用圓弧面和尖齒型的端面，起了很好的防斜效果； 加厚金剛石工作層，延長(zhǎng)了鉆頭壽命。3.2通過改進(jìn)和優(yōu)選后金剛石鉆頭所具備的主要性能參數(shù) 鉆頭外徑 157mm； 鉆頭內(nèi)徑96mm； 金剛石粒度 0.4250.500 mm； 金剛石單晶強(qiáng)度大于343n； 鉆頭胎體硬度羅氏硬度hrc3045； 鉆頭水口、水槽數(shù)量（1016個(gè)），底唇面以平底為主，另外輔助使用多階梯，半圓弧，同心圓底

10、噴鉆頭克服特殊地層。4 單動(dòng)雙管取心工具科鉆井取心鉆進(jìn)均采用140mm單動(dòng)雙管鉆具（見圖2）。為適應(yīng)科學(xué)鉆探的工況，進(jìn)行了一些改進(jìn)： 將軸承腔由密閉式改為開放式，去掉了單動(dòng)軸承的密封，由油潤(rùn)滑改為泥漿潤(rùn)滑，解決了由于密封實(shí)效導(dǎo)致軸承腔內(nèi)集砂造成單動(dòng)失靈的問題； 鉆具的軸心螺紋過細(xì)（螺距3），在鉆進(jìn)振動(dòng)和沖擊的條件下，出現(xiàn)絲扣磨禿的現(xiàn)象。將心軸螺紋改為螺距4梯形扣，可進(jìn)一步延長(zhǎng)其無故障工作時(shí)間；  單動(dòng)軸承由輕型軸承改為重型軸承，并加大了軸承的規(guī)格，提高了軸承抗沖擊載荷的能力。改進(jìn)后的鉆具最大無故障工作時(shí)間達(dá)151 h，進(jìn)尺97m，巖心采取率98.76%，完成該孔絕大部分取心工作量；在三開取心鉆進(jìn)后期，經(jīng)幾次改進(jìn)后的雙管鉆具完全可以滿足取心鉆具的要求，加之泥漿潤(rùn)滑性能的改善，一套鉆具最高連續(xù)鉆進(jìn)7個(gè)回次（8m巖心管滿管取心）、進(jìn)尺54m未出現(xiàn)故障，兩套鉆具連續(xù)鉆進(jìn)191m終孔，一直未更換軸承。5 高轉(zhuǎn)速螺桿的使用    低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的金剛石鉆頭需要有高轉(zhuǎn)速的螺桿配合使用，使用了單頭120螺桿、3頭120螺桿和5頭95螺桿、4頭120螺桿，他們的使用鉆壓在0.52t，轉(zhuǎn)速在200500r不等，排量在914 l/s，通常使用壽命可以達(dá)到100h左右。通過螺桿馬達(dá)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)金剛