科钻一井第二轮KZ钻具结构设计与应用

 1．钻具结构。
 
  (1)全泵量开式润滑轴承，使钻具结构得到简化，方便了拆装过程。在液流分配上，介质的大部分流过轴承腔水道实现对轴承的强制润滑，小部分横向流过心轴上与轴承腔连通的侧水眼清除轴承体内的积污、润滑滚珠（只要心轴侧水眼与轴承腔水道间存在压差，就有液流横向通过）。
 
  (2)未沿袭将轴承腔设。
 
  计到内总成中的传统方法，而是大胆地将轴承安放在外总成上。由于开式润滑减小了心轴直径，从而为装置重系列推力轴承提供了空间，使钻具在高转速环境下承压和抗冲击能力提高，以及总体寿命延长。心轴的作用是悬挂内管、实现单动，同时可调节内管到钻头的距离。为方便拧卸内管，心轴螺纹设计为M60×3。因普通螺纹的自锁能力较差，为防止钻进中内管受震转动而发生轴向位移，放弃了第一轮设计的背帽锁紧方案，而是在心轴和内管接头上沿轴向各开了一道半合槽。内管在心轴上的位置调好后，在半合槽内插入勾头键，即可有效地约束内管的移动。背帽的作用是对内管施加一个预紧力，防止内管旷动损坏螺纹，同时也防止键从槽中窜出落入环隙。
 
  (3)内管接头的卸压孔改为直开式，防止内管泥浆局部反循环，避免单动失效时内管结皮。
 
  (4)内总成各连接取螺距4mm、丝高0.75mm的5。梯形直扣。经校核，该螺纹抗拉强度大于150kN，远大于岩心拔断力，故略去了内总成中拔心缓冲机构，采心时内管螺纹直接承受岩心拔断力。这样不仅使钻具结构更为简单，也节约了内总成空间，使同样长度的钻具可获得更高的回次进尺。
 
  (5)外总成各联接取螺距8mm、丝高2mm的5。梯形直扣。该扣型加工简单，占用管壁厚度少，抗拉、抗扭强度可以满足钻进要求(10kN．m的上扣扭矩下抗拉强度不小于400kN)。缺点是密封补偿性能较差，高泵压工作时易造成刺漏粘扣。为防这一现象发生，在经常拧卸的螺纹部位装1个铜垫圈以保证密封的可靠性。
 
  (6)卡簧与钻头的内径配合改为一(0. 5—0.8) mm，卡簧体调质后不再进行表面淬火处理。
 
  (7)长回次钻进时，内管总长达9.5m，为提高内管的抗拉强度和使用寿命，其与内管接头的连接采取了焊接方式。内管下螺纹取公扣并加粗螺纹外径与短节连接。短节的作用有二：一是保护内管下螺纹，二是限制卡簧上窜。
 
  (8)定向仪器舱作为内总成可组装部件，需要入井时连接在心轴与内管接头之间，依赖钻具轴承实现单动。与第一轮设计相比，优点是结构简单、单动可靠，缺点是占用了内总成的岩心容纳空间，使定向取心钻进的回次长度变短。
 
  (9)钻头碎岩覆盖率62. 61%，是现有钻具中最低的。螺纹连接形式、钻具扶正与修孑L保径、岩心卡取等，在第一轮试制时已证明有效，仍继续采用。
 
  (10)施工后期由于井斜上升导致内管下垂，时有岩心将卡簧顶人内管的现象发生。在钻头与扩孔器之间放置1个用尼龙6棒料车制的扶正环使内管总是居中，同时减小短接下端内径，即有效地避免了卡簧上窜。
 
  2．钻具技术指标。
 
  钻孔公称直径：Φ157mm。
 
  岩心公称直径：Φ96mm。
 
  金刚石钻头直径：+157. 2—157. 5mm。
 
  扩孔器直径：Φ157. 5～157. 8mm。
 
  钻头碎岩覆盖率：62. 61%。
 
  外管规格：Φ139. 7mm/118. 7mm。
 
  内管规格：Φ110mm/lOOmm。
 
  可容纳岩心长度，9.5m。
 
  可承受最大工作钻压：40kN;轴承平均寿命：≥80h。
 
  3．应用效果。
 
  1)与第一轮样机的钻进效果对比。
 
  钻具下井初用即显示了较第一轮样机的优越性：岩心外观明显好转，断裂面不再有圆化现象。
 
  卡簧与卡簧座寿命增加，轴承寿命增加尤其显著，内管泥皮消失。虽然纯回转驱动时回次进尺长度无明显增加，但钻进效率与岩心采取率显著提高。统计了本轮钻具在与第一轮样机相同钻进地层中61个纯回转钻进回次的技术指标，新钻具指标上升，是因为钻具单动性能的改善，使岩心相互间、岩心与内管间的摩擦机会，以及岩心堵塞的机会大为减少。
 
  2)岩心管长度的演变过程。
 
  随着液动锤钻进技术在科钻一井的完善，钻进中岩心堵塞的概率降低，提高回次迸尺长度以提高纯钻进时间利用率的问题也随之迫切。现场指挥部通过探索，将岩心管长度从最初设计的3m、4.5m加长到6m，最后定型在9m，有效地压缩了深井的提、下钻总时间，优化了科钻一井的技术经济指标，岩心管长度在先导孔中的演变过程如表8-37所示。
 
  4．技术分析。
 
  (1)科钻一井虽有局部破碎与裂隙充填层段（图8-48），但总体上比较完整，因此钻具可以满足“岩心采取率大于80%”的总体技术要求。钻具在液动锤的配合下工作，不仅岩心采取率得到提高，而且岩心质量也得以提高，现场曾取上数段单根长度超过3m的完整岩心，最长的达4.25m。
 
  (2)钻具使用初期，对轴承寿命进行了100余个回次的跟踪观察。在不使用液动锤的情况下，轴承的连续纯钻进寿命最高达到150h;与液动锤配合使用时，平均寿命也超过80h。轴承寿命长的原因在于重系列轴承、全泵量强制润滑以及优质泥浆的运用。
 
  (3)主孔钻进时，增加了对管材丝扣寿命的观察项目，在液动锤回次使用率100%的情况下，丝扣寿命达100h以上。钻孔深度超过3800m后，为绝对保证井内安全，现场指挥部规定钻进80h或拧卸10次后的外总成组件予以强制报废。
 
  (4)在满足使用要求的前提下，结构力求简单、加工精度力求宽松，从而使钻具的加工、组装和维护高度简化。在材质选择和螺纹强度设计上充分考虑了安全因素，因此在4600余米的钻进中，钻具本身从未造成过井内事故。外管采用钢级适中的厚壁料，使长达8. 5m的管材在轴载与复合冲击震动条件下既保证了丝扣的连接安全、不发生管体的失稳变形，又可有效地传递液动锤的冲击功，说明选材与螺纹强度设计基本合理。
 
  (5)液动锤技术的应用与完善，大大地发挥了钻具的能力。随着现场实践与认识的加深，井深1800m后，钻具的岩心容纳量由最初设计的6m增加到9.5m，钻具在液动锤的配合工作下，钻进指标得以大幅度提高。主孔的回次进尺与机械钻速均远高于先导孔，其原因主要是长岩心管的运用和液动锤近100%的工作成功率。这两项技术指标的上升，对于大幅度降低科钻一井深部的钻进成本有着举足轻重的影响。主孔的岩心采取率较先导孔有所下降，并不是钻具本身的问题，而是因为主孔地层的完整程度劣于先导孔，(6)钻具成本低廉，与国外公司同样用于硬岩取心的钻具相比，即使不考虑国外钻具因岩心直径小所连带产生的钻头费用上升、钻进效率下降等负面因素，在同样钻进1000m工作量的情况下，国外公司钻具直接费用是本钻具的数十倍。同时因本钻具加工精度要求不高、螺纹车制工艺简单，随时可在现场附近完成全套加工，因此节省了钻具购置的运输费和生产储备费用。
 
  (7)提高回次进尺，是提高深井提钻取心方法技术经济效益的最有效途径。本钻具通过钻进实践，将岩心容纳量从最初设计的6m提高到9.5m，取得了显著效果。
 
  (8)本钻具仅针对较完整的硬地层设计，虽对坚硬的易破碎层有所适应，但难以保证结构疏松、构造复杂与水敏性地层的岩心采取率。