科钻一井液动锤冲击回转钻进技术

 科钻一井是在坚硬的结晶岩地区取心钻进5000m的深孔，为提高钻进效率、增加回次进尺长度，在初步设计的取心钻进设计中，特别强调取心钻进应采用液动锤的冲击回转取心钻进技术。采用液动锤技术进行金刚石取心钻进有以下优点：①提高在坚硬地层中的钻进效率。液动锤的动载碎岩在可提高钻进效率同时还有利于金刚石钻头出刃。②减少岩心堵塞、提高回次长度。液动锤工作时的震动可起到震动解卡作用，有利于岩心进入岩心管，减少岩心堵塞、提高回次长度，从而减少了起下钻等辅助工作时间，提高台月效率。③有利于减少钻孔孔斜。避免由于钻压过大导致的钻孔弯曲，使用液动锤钻进，不需提高钻压就可以大幅度提高钻进效率，同时可减缓钻孔井斜的增长速度。④降低施工成本。
 
  1．冲击回转钻进技术。
 
  冲击回转钻进是在回转钻进的基础上对岩石破碎工具施加上具有一定频率的冲击能量，回转着的钻头不但对岩石有静压力和扭矩，还附加了一种连续不断的冲击动载荷。
 
  可钻性为Ⅵ～Ⅶ级以上的岩石，一般均由硬度较高的矿物组成。就其物理机械性质而言，此类岩石的抗压强度比较高，相应地脆性较高。采用冲击回转钻进时，岩石受到钻压的作用，切削刃将岩石的表面局部压碎，同时使破碎部分处于预压应力状态，当受到周期性的冲击能量时，呈现出更大的体积破碎。冲击载荷的作用力区别于静压力，冲击载荷的明显特征是瞬间达到极大的作用力，比一般回转钻进轴向静压力要大得多。由于冲击作用速度快、时间极短、而作用力又大，致使岩石受力的局部区域应力、应变高度集中，来不及向周围的岩石传递，岩石不易产生塑性变形，有利于岩石中裂隙的扩展而形成体积破碎，由此就可以使坚硬岩石的研磨（磨削）或微细体积破岩状态，变为大颗粒的体积破碎；同时由于液动锤持续不断地对岩石施加冲击载荷，这样就使岩石内部分子被迫振荡产生疲劳破坏和强度降低，也有助于压碎和剪切体产生，形成均匀坑穴，促进了压碎作用和剪切体的产生。因此，在Ⅵ～Ⅶ级以上的岩石中采用回转冲击钻进可以大幅度提高钻进速度，这是冲击回转钻进技术的主要优点。脆性大的岩石一般抗冲击的能力也较低，冲击回转钻进法比较理想地利用了坚硬岩石脆性大及岩石抗剪强度较低的特点(王人杰等，1988)。
 
  液动回转冲击金刚石钻进技术是前苏联于1975～1980年间在应用硬质合金冲击回转钻进的基础上而发展起来的。该技术对液动锤输出的冲击功要求较低，以回转钻进作用为主而冲击碎岩为辅，又称之为回转冲击金刚石钻进。该技术与纯回转钻进方法相比，具有钻进效率高、取心回次长、减少岩心堵塞和减轻孔斜等优点，是一种坚硬地层的高效钻进方法，在我国的地质勘探中得到了成功的应用。其机理同冲击钻进碎岩机理类似，但也有所不同。
 
  在坚硬致密岩石中采用一般金刚石回转钻进时，其外加的钻压很难超过坚硬岩石的抗压强度，因而钻头只能产生表面研磨（磨削），或者是微细的体积破碎岩石。钻头唇部的金刚石类似于球形或平底压模的作用，只要金刚石刃具上作用载荷超过坚硬岩石的抗压入强度，其破碎岩石同样可经历一个弹性变形、压裂、压碎和剪切的循环过程。由于冲击碎岩过程中体积破碎量所占比例增加，岩粉颗粒也增大，岩粉对金刚石钻头胎体的研磨性也加强，则有利于金刚石出露克取岩石。
 
  回转冲击金刚石钻进潜孔锤产生的高频脉冲作用，不仅可以改变钻头唇部的通水条件，使其岩粉积存、重复破碎以及压实块的形成都可以减少，同时还可以减少岩心与岩心管之间的磨擦阻力，防止岩心堵塞，这些都有利于避免钻头唇部的金刚石抛光。
 
  实践也已经证明，在金刚石钻头上施加一个高频冲击脉冲载荷是提高坚硬岩石钻进效率的有效途径，特别是对坚硬致密的弱研磨性“打滑”地层钻进效果更为明显。
 
  2．冲击回转钻进技术分类。
 
  生产中用于产生冲击作用的设备根据其驱动方式的不同可分为：气动、液动、油压、电动和机械等多种类型。由于冲击能量在传递过程中会有明显的损耗，而且会对被冲击的部分产生较强的破坏作用，所以在比较深的钻进施工过程中，通常希望该设备（钻具）能够随同钻具一同进入井内，能够将其输出的冲击力直接作用在钻头或岩心管上，减少能量消耗、提高能量利用率和减少井内钻具事故。现在能够普遍应用于潜孔工作的冲击输出设备通常为液动和气动两种潜孔锤。
 
  气动的通常称为气动潜孔锤或风动潜孔锤，利用地表的空压机输出的压缩空气驱动，驱动介质比较干净，优点是输出的单次冲击功大、钻进效率高、钻具的寿命长，缺点是由于井内没有泥浆护壁，对孔壁稳定性要求较高，适应孔深不大的条件下使用，功耗大。该技术在矿山、爆破、工程施工等领域得到广泛的应用。
 
  液动的则称为液动锤（又称液动冲击器或液动潜孔锤），其基本原理是利用泥浆泵供给的液能，直接驱动液动锤内的冲锤上下往复运动，连续不断地对钻头造成冲击，其优点是可以用于深孔条件，但是由于其驱动介质为泥浆，其中的杂质和成分比较复杂，工作环境比较恶劣，故输出的冲击能量通常稍小，钻具的连续工作寿命相比较低，实际工作中稳定性比风动潜孔锤稍差。
 
  3．液动冲击回转钻进技术的发展。
 
  采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。1867～1887年，一些代替钻杆冲击钻的潜孔式液动冲击器相继出现，1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从而实现冲击回转钻进。
 
  从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。
 
  海湾石油公司和壳牌石油公司对此进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲锤重量有重达300kg，冲击频率较低。在地质勘探方面国外研究最有成效的是前苏联，从1900～1905年间即开展液动冲击回转钻进技术的研究，但直到1970年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约70年。匈牙利在20世纪60年代研制了直径为48～160 mm的5种双作用液动冲击器，其特点是组装在专用拖车上并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为多台钻机服务。当某台钻进遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来全套的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其他机台服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质勘探中使用，其较大口径的液动冲击器也用在水井钻和工程施工钻探。日本对液动冲击钻的研究起步于20世纪70年代，比较成功的例子是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液混合工作介质。
 
  我国1958年开始开展液动冲击回转钻进技术研究，至1965年，研究了7种不同结构形式的液动冲击器，并在勘探技术研究所周口店试验站专门建立的试验室中进行了性能对比和岩样钻进试验。辽宁地质矿产局第九地质大队与原长春地质学院等单位从1971年开始研究了一种具有独创性的SC-89和JSC-75型射流式液动冲击器，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。从1975年以后，我国除地质系统广泛地研制液动冲击器外，其他有钻探任务的工业部门都对此钻进技术进行了研究，在生产实践中几乎都得到了好评。这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程中稳定地发展着。其技术核心正逐步形成井底动力钻进的一个主要分支。
 
  20世纪80年代，我国的液动锤研究进入鼎盛阶段，地质、冶金等部门分别研制出多种形式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤(图8-22)，全部型号达到30种以上，累计钻探进尺超过了百万米，取得了良好的经济效益。据统计可提高钻进效率30%～50%以上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。
 
  在进入20世纪90年代，勘探技术研究所主要对水文水井、油田和工程施工用大口径的液动锤进行研究，如ZC-800、YQ-150、YQ-178、YS-219、SYC-178等型号的液动锤，同时在提高液动锤能量利用率和单次冲击功方面做了更深入的研究，例如，YZX系列液动锤的研制，球齿钻头配备YZX127液动锤在Ⅶ级以上可钻性的花岗岩中全面钻进效率达到了3～6m/h；原长春地质学院对射流式液动锤进行了深入的研究，通过增加冲锤的行程而提高单次冲击功。液动锤研究的重心向大口径全面钻进的需要发展，取得了一定的进步，但是由于我国的地质勘探工作量有所下降，液动锤的研究投入有所放缓，这些成果没有得到很好的应用和进一步提高，多数科研机构的液动锤研究出现了停滞。
 
  在科学钻探领域，液动冲击回转钻进技术曾经得到重视。如德国的KTB计划中，克劳斯塔尔大学马克思教授领导的研究所曾计划在KT13 工程中引用液动锤技术，对此作了大量的研究工作，多次到我国相关的液动锤研究单位进行J，考察，从原长春地质学院引进了射流式液动锤进行室内的测试研究，进行了学术和人才交流，建立了专门的试验条件，对液动锤的设计、应用和碎岩机理等进行了深入的研究，参照我国的研究情况，设计了一种正作用式液动锤样机，在液动锤零件材料选择和冲击回转钻进技术深孔应用上取得了一定的研究成果。由于诸多因素影响，该成果没有在KTB计划实施中得到实际应用。
 
  国际大洋钻探计划对我国的液动冲击回转钻进技术给予了一定的关注，曾派人到勘探技术研究所考察了液动锤技术。近年来，德国、澳大利亚、美国等公司对液动锤技术显示出非常高的兴趣，先后从我国引入了液动锤技术，并进行了试用研究。