科钻一井取心钻具的基本情况

 取心钻具是井底动力驱动冲击回转取心钻进系统中又一个重要的组成部分。在石油天然气钻井和地质勘探中，都不乏各种各样的取心钻具。但由于科钻一井的具体工况和要求，这些钻具均不能照搬应用于新型取心系统。
 
  1．钻具的工况。
 
  科钻一井取心钻进的技术特点，是在坚硬的地层中，以螺杆马达回转驱动、液动锤高频冲击的井底液动冲击回转钻进。与岩心钻探相比，科钻一井钻孔直径大，岩心直径粗，岩心拔断力大。与石油钻井中的取心钻进相比，地层可钻性级别高，钻头转速快，钻具承受的震动力大。钻具在如下的工况中工作。
 
  (1)所钻岩层为榴辉岩与片麻岩，可钻性级别7～9级，部分石英含量较高的层段达10级以上。
 
  绝大部分层位较完整。
 
  (2)工作转速200～300r/min，轴承的回转线速度一般在2m/s以上。
 
  (3)轴向压力20～50kN。
 
  (4)钻井液密度1.03～1. 06g/cm3，含砂量≤0. 1%，泵排量9～15L/s;(5)螺杆马达井底驱动，外管承受较高频率的径向震动。与液动锤配合工作，外管承受高频的轴向冲击载荷。
 
  (6)岩心堵塞时，内管承受压力和螺杆马达、液动锤径向与轴向的复合震动载荷。
 
  (7)拔断岩心时钻具承受向下的拉力，拉力峰值可达lOOkN以上。
 
  2．对钻具的技术要求。
 
  科钻一井的岩心全部在专用扫描仪上进行外观扫描，心柱的圆柱度与表面粗糙度对扫描成像质量影响很大，因此科钻一井不仅要求岩心采取率必须达到规定指标，还要求岩心外观规整、光滑。
 
  钻具必须具备如下技术性能，才能做到优质、安全钻进。
 
  (1)内管单动可靠。这是对取心工具最基本的要求，只有单动性能可靠，才能避免岩心与内管以及破损岩心断口间的相对转动，从而保持较高的岩心采取率和规整的岩心外观。
 
  (2)钻具水路通畅。在9～12L/s甚至更大排量的泥浆通过时不产生过高的水力压降。
 
  (3)润滑条件良好。有效的润滑，可保证钻具在恶劣的工作环境中维持可靠的单动性能和较长的轴承寿命。
 
  (4)钻具结构简单。降低加工和维修成本、易于现场组装拆卸。
 
  (5)岩心卡取牢固。由于地层坚硬，岩心粗大，拔心力峰值有时达loOkN以上，因此卡簧对岩心必须要有足够的抱紧力。
 
  (6)丝扣强度足够、拧卸方便。
 
  3．研制科钻一井专用钻具的必要性。
 
  我国岩心钻探管材系列，外径规格适合科钻一井的有Φ146mm -档，但管材厚度仅4.75mm，无法设计加工高强度连接丝扣。
 
  石油钻井取心工具，在整体强度设计上有很高的安全系数，但其是基于地表回转驱动方案、针对松软的油系沉积地层与石油钻井的泥浆体系设计的。为了防止岩层膨胀卡钻，降低高黏度泥浆大排量循环时的压力损失，石油钻具外管与井壁间及内、外管间的环隙都比较大，因此钻头碎岩覆盖率很高，而国内钻具尤为突出，如表8-36所示（李海石等，1993）。在软地层中钻进，钻头碎岩覆盖率对钻进效率的影响并不明显，但在坚硬地层中，覆盖率高的钻头不仅会使钻进效率大幅度下降，而且钻头制作与使用成本也相应增加。由表8-36可见，国内无适合科钻一井的钻具，国外钻具规格虽基本合适，但价格昂贵，美国BAKER HUGHES公司的外径Φ140mm、内径Φ89mm硬岩取心工具的收费标准为：若现场技术服务，则人头费1000美元／人日，工具使用费200美元/h;若全套钻具销售，则整套钻具6. 15万美元，套，推荐入井工作12次的备用件2套，1.52万美元／套。单动结构在螺杆马达和液动锤的复合高频震动下能否可靠地长时间工作也未得到过有效的验证。除此之外，石油钻井因工作地层软，取心工作量少，故钻具转速低、回次钻进时间短，轴承所受动载荷也较小，轴承寿命问题不显突出。石油钻具在坚硬变质岩中的工作寿命，国内也未见过有说服力的统计。科钻一井需在5000m的硬地层中连续取心，轴承寿命是必须高度重视的问题。因此，石油行业已有的成品钻具，不能成为科钻一井的首选钻具。
 
  综上所述，CCSD必须立足于国内、立足于科钻一井的工程实际情况，自行研制在硬岩条件下能够承受高转速和高频复合震动工况的提钻取心钻具。
 
  4．钻具设计与应用概况。
 
  科钻中心根据上述要求，委托勘探技术研究所设计了KZ型单动双管和单管两种取心钻具。单管钻具在科钻一井钻进了5个回次，因不适应所钻地层，岩心采取率低而停用。双管钻具经历了2轮研制，首轮研制因设计缺陷，钻具成本高、加工制作与组装困难，因单动过早失效造成诸多不良后果，钻进105m后停用。第二轮研制对钻具结构进行了彻底改造，钻具的单动性能与轴承寿命较第一轮样机大幅度提高，岩心堵塞的概率下降，尤其是在泥浆中加入润滑剂后，钻具创造了纯钻进150h未拆卸维护的记录。KZ型单动双管钻具完成钻进工作量4742. 41m。
 
  现场还应用了北京探矿工程研究所研制的TG一1钻具钻进了196. 05m，胜利钻井院工具所研制的SL-1钻具钻进了18. 73m;在难取心地层，用勘探技术研究所研制的喷反单动双管钻具进行了少量钻进。