科钻一井主孔阶段的应用与改进

主孔阶段，取心钻进液动锤的研究工作主要在三个方面：
 
  (1) YZX127阀式液动锤的应用和改进研究。主孔阶段主要采用液动锤十螺杆马达提钻取心钻进施工工艺，基于YZX127阀式双作用液动锤比较成熟，主孔取心钻进施工主要采用了YZX127阀式双作用液动锤。主孔阶段主要对液动锤内部零件中存在的问题继续加以改进，同时对深孔高温环境的适应性也作了研究，液动锤的工作性能更趋稳定。整个主孔取心施工中，液动锤钻进累计进尺2946. 56m，平均机械钻速1.15m/h，平均回次长度7.90m，经济效益非常显著。
 
  (2) KS-157绳索取心液动锤的应用研究。遵照工程初步设计，主孔取心钻进阶段初期采用绳索取心钻进工艺进行施工。KS-157绳索取心冲击器总成应用性试验是穿插在绳索取心钻进试验的过程中进行的，累计入井5个回次，其中2个回次由于井底泥浆沉渣堵塞了整套的井底取心钻具，无法实现冲洗液的循环而失败，其他的3个回次取得了良好的效果。
 
  (3)螺杆马达十液动锤十绳索取心钻具的试验研究。在螺杆马达十绳索取心和液动锤十绳索取心两种“二合一”取心钻具取得基本成功的基础上，科钻中心立项研发了螺杆马达十液动锤十绳索取心“三合一”组合钻具，期望研发井底动力冲击回转绳索取心钻进的高新技术。井底动力冲击回转绳索取心钻进技术可以解决地表顶驱动力不足、易引起井下安全事故等问题，同时可提高机械钻速、回次进尺长度和取心效率。“三合一”取心钻具的试验分为试验钻孔及主孔两个阶段，第一阶段于2004年5月17日至6月9日在中国大陆科学钻探工程现场试验钻孔内进行，自孔深58. 33～130. 6lm，共完成工作量68. 23m，圆满完成了前期的试验任务。第二阶段在主孔5125. 68m深处对钻具进行了综合试验，钻进工作量3. 5rn，机械钻速0.62m/h，并成功获取了科钻一井最后的一段岩心。虽然井底动力冲击回转绳索取心钻进技术没有完全成熟，但是该技术的突出优点在科钻一井生产试验中得到检验，可作为未来中国大陆科学钻探工程施工的储备技术。
 
  1．YZX127液动锤的成熟应用。
 
  1)存在问题和解决办法。
 
  在主孔取心钻进阶段，液动锤需要解决的主要技术问题是液动锤的整体可靠性、耐高温性能。
 
  由于前期液动锤密封结构复杂，容易失效，易造成液动锤零件冲蚀而损坏；随钻孔加深，井底温度越来越高，需提高液动锤的密封性能。
 
  通过减少液动锤零件的数量，减少径向密封结构数量，避免密封面在工作过程中由于震动磨损而失效；对于轴向密封，采用金属对金属的平面密封形式，利用零件工作过程中的振动和冲击作用施加脉动压力，出现泄漏时可自动补偿或对进入密封面的异物进行粉碎或排除。随着井深增加，液动锤的工作环境温度上升，液动锤所有密封材料都需要采用承受180℃的硅胶密封材料，以满足高温密封的要求。液动锤后期检修情况证实：以上技术措施对液动锤内部零件的失效频率下降、零件的寿命延长起到了明显的作用，液动锤零件的更换频率和检修工作量大幅度下降，稳定性大幅度提高。
 
  2)应用效果。
 
  主孔阶段液动锤钻进累计进尺2946. 56m，平均机械钻速1.15m/h，平均回次长度7.90m。与主孔阶段单纯的螺杆马达提钻取心相比，机械钻速、回次进尺长度都有大幅度的提高，经济效益非常显著。
 
  2．KS157绳索取心液动锤的应用研究。
 
  为研究开发以绳索取心钻进技术为基础的，具有更好钻进效果的机具，科钻中心在2000年首批预研项目中设立了一项将绳索取心与液动锤技术结合在一起的“二合一”钻具组合，即《KS157绳索取心冲击器总成的研制》。将绳索取心和液动锤的优点合而为一，充分发挥了绳索取心和液动锤的长处。采用液动锤绳索取心技术，不仅可以提高机械钻速，而且可以有效地防止岩心堵塞，增加回次进尺长度，同时还可以提高岩心采取率。通过对绳索取心液动锤总体尺寸的综合考虑，最终确定金刚石钻头内径为Φ85mm，因其破碎岩石面积较大，要求冲击器具有较大的冲击功，需要研制一种符合尺寸要求的大冲击功液动锤。
 
  1)液动锤性能参数。
 
  外径：    102 mm    冲锤重量：25 kg阀程：    30～50 mm    锤程：    40～60 mm冲击功：  100-200 J    冲击频率：15-30 Hz工作流量：200～400 L/min  工作压力：1～4 MPa在YZX127液动锤改进取得成功后，参照了YZX127液动锤的成功经验，立即进行了KS157液动锤的研制和改进工作，并完成了室内调试及性能测试。
 
  2)现场试验总结。
 
  KS157液动锤在井口试冲时，启动容易、工作可靠。
 
  对比绳索取心液动锤与普通绳索取心钻具钻进数据，可以看出：虽然绳索取心液动锤钻头底唇面积较普通绳索取心钻具的钻头增加了8. 9%，但机械钻速提高了41%。
 
  生产试验证明：绳索取心打捞器设计合理，安全可靠，打捞和投放成功率为100%;液动锤具有良好的工作性能。
 
  3．液动锤十螺杆马达十绳索取心“三合一”钻具。
 
  为了进一步完善金刚石绳索取心钻进技术体系，克服绳索取心十液动锤“二合一”钻具钻柱扭矩大、必须从地表驱动回转的缺点，克服绳索取心十螺杆马达钻具钻头唇面厚、钻进效率低的不足，在两种“二合一”钻具研究成功的基础上，进行了螺杆马达十液动锤十绳索取心“三合一”组合钻具的研究。如果“三合一”组合钻具研发成功，绳索取心钻进技术将具有更广阔的应用前景。
 
  螺秆马达十液动锤十绳索取心“三合一”组合钻具研究在解决了螺杆马达与液动锤的流量匹配问题后，于2004年5月在科钻一井现场试验钻孔内进行了整体组装调试及实钻试验，取得了突破性的进展。试验共完成钻进工作量68. 23m，与液动锤性能相关的回次进尺的满管率、岩心采取率、钻进时效、液动锤的连续工作时间在试验钻孔内均超过了设计书及合同规定的指标要求。在试验钻孔取得良好技术效果的基础上，于2005年2月又在主孔内进行了试验，在孔深5125. 86～5129. 36m进行，共进尺3. 50m（因岩心堵塞提钻），平均机械钻速0.62m/h。取出了中国大陆科学钻探工程最深、也是最后的一筒岩心。
 
  1)主要性能参数。
 
  配套的YZX98阀式双作用液动锤技术参数：
 
  规格：Φ97～≠98 mm    单次冲击功：80～100 J冲击频率：  10～20 Hz    工作泵量：  4～6 L/s工作压力：  2～4 MPa2) YZX98液动锤的改进。
 
  (1)基本结构的选用和改进。YZX98液动锤设计是在总结YZX127液动锤成功经验的基础上进行。针对YZX127液动锤存在的结构比较复杂，零件数量较多的问题，简化了YZX98液动锤的内部结构，减少液动锤密封结构的数量，从而提高液动锤的可靠性；改变了液动锤外管的结构，降低了加工难度，易保证加工质量；提高零件的互换性，降低了整套钻具的加工成本。
 
  (2)零件设计强度问题。根据YZX127液动锤研发经验，YZX98液动锤的实际和试制减小了零件的复杂程度，尤其是外管的复杂结构，避免零件的应力集中效应；减少内部零件连接数量，提高液动锤的整体强度。分别从材料的选择、热处理、零件的结构设计和样机的整体结构进行了严格的规范，主要有以下几个方面。
 
  零件材料和热处理方面：将材料的强度和耐冲击疲劳性能作为重点，辅助零件根据其尺寸和材料的淬透性进行了一定的调整。
 
  零件的结构方面：首先将零件的尖角、过渡台阶等容易产生应力集中的部位全部圆角化处理。
 
  针对液动锤零件中截面变化太大的问题，通过改变零件的整体结构进行改进；将液动锤的下接头（传功架）与液动锤的连接采用半圆卡瓦形式，减少了被冲击零件中的螺纹连接，消除了冲击功传递部分的薄弱环节。
 
  运动磨损表面的处理：考虑到在应用过程中每个回次需要对液动锤进行检修，提出的检修间隔为8h左右，于是采用了合金钢表面淬火和氮化对活塞副进行处理，对液动锤的打击面进行表面淬火处理，以便提高零件运动配合面的使用寿命；提高硬度(HRC50～55)，减少了零件打击部位冲击变形导致的零件损坏。
 
  (3)钻具参数的匹配。泵量匹配：“三合一”钻具选用北京石油机械厂的C51.295螺杆马达作为回转动力，与液动锤为串联方式工作，液动锤泵量需与螺杆马达的工况相匹配。总体方案中采用了分流结构进行泵量匹配，但仍需适当减少二者泵量的差值以提高能量利用率。液动锤的冲锤行程和泵量都可调节，调整液动锤的内部参数和传功座的泄流孔，泵量可由250L/min提高到400L/min，较好地实现了泵量的匹配。
 
  冲击功的匹配：采用“三合一”钻具进行取心钻进，钻头唇厚较大，克取岩石面积比较大。在液动锤尺寸大幅度减小的情况下，还需满足比单动双管钻具更大碎岩面积的需求。
 
  “三合一”取心钻具样机组装后，在室内试验台上进行了调试，通过变换内部参数组合寻求最佳的参数匹配，确保了液动锤的工作性能稳定。
 
  3)试验应用效果。
 
  (1)试验孔内的试验情况。“三合一”钻具的试验分为试验钻孔及主孔两个阶段，第一阶段于2004年5月17日至6月9日在科钻一井现场试验钻孔内进行，钻进井深58. 33--130. 6lm，共完成工作量68. 23m，圆满完成了前期的试验任务。
 
  试验钻进19个回次，液动锤累计工作时间56. 9lh，井底启动次数超过50次，除第4回次由于杂物卡死外，其他回次开泵后，YZX98液动锤都能正常启动、平稳工作，体现了YZX98液动锤极佳的工作稳定性和启动性能。与液动锤不工作的第4个回次0. 63m/h的机械钻速相比，采用液动锤机械钻速提高82. 5%。
 
  (2)主孔内的试验情况。“三合一”钻具原计划在主孔井深5118. 20m进行试验，但在下钻过程中由于德国绳索取心钻柱与井壁环隙过小、循环压力大，导致井底漏失，无法建立正常的循环，循环漏浆分别为55m3、78m3，无法下钻，因而改变原试验方案。改用Φ89mm (31/z in)钻杆连接三合一钻具进行提钻取心钻进试验，共进行了3个回次的钻进试验，对整套钻具在5000m井深下的工作性能进行了检验。
 
  在井深5125. 86m进行“三合一”钻具的第一回次钻进试验。距井底约lOm处遇阻，开始划眼，由于牙轮钻头形成的孔径不规矩，共划眼14. oh，多次发生憋泵现象。立压高达13～l5MPa，钻进时同样多次发生憋泵现象。取心进尺0. 04m后，立压降低至5.06MPa且稳定，上提钻具基本不回压，同时出现钻压不回现象。最初怀疑是内管总成被岩心顶起，造成螺杆马达与外管总成的密封失效或内管总成有倒扣部位。该回次钻具在井底工作l5. 5h，起钻后检查发现无岩心，钻具没有问题，扭矩传递板侧面有明显的磨损痕迹，说明扭矩传递正常。
 
  为了证明螺杆马达是否工作，钻具组合完后在井口接方钻杆对组合后的钻具进行了试验；由于钻具泻流孔处喷出泥浆过多，无法将钻具提出井口观察下部钻具是否回转。在开泵后可感觉有明显的回转与敲击声，泵冲为39次/min，压降为SMPa。于是下钻进行第二回次的试验。钻具在划眼及钻进过程中泵压稳定没有变化，均未发现憋泵现象。在钻进0. 69m后，钻进不进尺，立压降至9MPa，且非常稳定，即使钻压加到4.5t仍无反应。起钻检查后发现螺杆马达输出轴已折断，该回次钻具在井底工作4. 5h，提钻后无岩心。
 
  第三回次利用在试验钻孔内使用过60余小时的旧螺杆马达，在地表进行了测试，将钻具提出井口观察下部岩心管回转正常后下入井内。孔口试验泵冲为35冲，压降为4. 3MPa。距孔底1.1～1. 8m处开始划眼，时有憋泵现象，划眼共用6.5h。划眼至孑L深5126. 4lm时钻台钻压4t，立压9. 5～10. 9MPa，泵冲35冲/min并保持稳定，进尺稳定在1.1～1. 5cm/min，判断钻头已经接触孔底。从前次孔深5127. 09m处计算共进尺2.27m，泵冲40～45冲/min，立压11～12MPa。钻进至井深5129. 36m，立压下降为9MPa，几次活动钻具后泵压没有明显回升，钻压不降，判断为岩心堵塞，起钻。按进尺2. 27m计算，时效为0.64m/h，成功取出了一筒岩心。岩心长2.4m，较为破碎，岩心堵塞严重。
 
  4) YZX98液动锤的评价。
 
  “三合一”钻具的液动锤传功效果好、启动泵冲低，在井口测试螺杆马达20冲/min，液动锤就开始工作。
 
  深井钻进由于钻杆的柔性和螺杆马达的扭矩压力特性的共同作用，螺杆马达受井]：高温影响，其性能降低，频繁出现憋泵情况，影响了试验效果。如在螺杆马达的耐高温上、扭矩输出能力、传动轴的强度上做些工作，提高螺杆马达的性能，可以提高“三合一”钻具在深井中的整体性能。
 
  配套“三合一”项目设计的YZX98液动锤，是在YZX127液动锤的成功经验基础上进行研制的，设计、试制过程中本着简单、可靠和经济的原则，方法和思路正确，经过现场试验证明，其工作性能稳定可靠，取得了令人满意的试验结果。主要成果体现在以下几个方面。
 
  启动和工作稳定性良好：试验过程中，井下累计启动次数超过50余次，除一舳于泥浆中的塑料小球影响没有启动外，其余回次均正常启动、平稳工作，成功率超过了95%，正常启动后没有出现中途突然停止工作的现象；结构简单实用：由于简化液动锤的结构，现场检修耗费的时间减少，零件的数量也减少，有利于降低成本和提高稳定性；可大幅度提高机械钻速：与液动锤没有工作的第4回次0. 63m/h的机械钻速相比，采用液动锤钻进平均机械钻速提高了82. 5%，回次最高机械钻速2.5m/h，证明“三合一”钻具的YZX98液动锤具有较高冲击功的输出能力；传功机构：该机构灵活，能够准确到位，强度可满足对冲击功传递的要求，在试验过程中工作正常。