硬岩深井取心钻探技术中钻进规程的参数

螺杆马达液动锤取心钻进技术是在科钻一井施工过程中研发并逐步成熟起来的一项全新取心钻进技术，之前没有成熟的经验可资借鉴，完全依靠参与科钻一井工程施工的工程技术人员在科钻一井施工过程中不断探索才形成了一套适合这一新工艺的钻进参数。
 
  与其他钻进方法一样，螺杆马达液动锤取心钻进技术的钻进规程主要参数依然是：钻压、转速、泵量(P、N、Q)。钻探施工中主要通过优化和调整钻进规程参数使钻进速度达到最优，才能获得最佳的钻进技术经济指标。采用孔底动力冲击回转取心钻进工艺是一种全新的钻探工艺，钻进规程参数与传统钻进方法有所不同，其影响因素更多，主要取决于螺杆马达性能、泥浆性能、钻孔地质条件、金刚石钻头类型、液动锤工作特性等，并且钻进规程参数（钻压、转速、泵量）之间的相互作用更加明显。孔底动力冲击回转取心钻具的钻进规程参数的确定没有成熟的经验可以借鉴，只能在理论计算的基础上进行实践探索。
 
  1．钻压。
 
  在钻进规程参数中，钻压是关键的参数之一。孕镶金剐石钻头对岩层没有足够的比压，金刚石的尖刃就不能有效地压入岩石，直接影响钻进效率。在中硬到硬地层中，孕镶金刚石钻头有效切入岩石的推荐单位压力为a=4.1×106～8. 82×106Pa，通过理论计算得出的钻压P=30～65kN。
 
  对孕镶金刚石钻头而言，如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，就无法实现“自锐”，在孔底过程中表现为钻头“打滑”，钻速迅速下降。
 
  但是，钻压与井斜又紧密相关。相关研究表明，即使在满眼钻具组合条件下，所施加的钻压仍然会产生导致钻孔偏斜的分力，称之为井斜力。由于井斜力的存在，钻孔将产生偏斜，而偏斜强度，除受井斜力的影响之外，还重点取决于地层条件，如地层倾角、岩石各向异性程度、地应力大小等。反过来，井斜角大小又可影响井斜力的大小。因此，合理钻压的确定要综合考虑多种环境变量之后进行选定。
 
  钻压必须考虑到螺杆马达的额定输出扭矩和功率。钻压满足理论上碎岩需求，碎岩功率和扭矩可能超过螺杆马达的额定扭矩和功率，或者螺杆马达功率储备不足导致螺杆马达经常憋死，从而降低了螺杆马达的使用寿命。为解决这一难题，现场工程技术人员把在地质勘探钻进中得到成功应用低，还可减少孔底动力螺杆钻具的负载，经过科钻一井多种地层的钻进探索，根据地层条件的不同，推荐使用的钻压为10～35kN。
 
  2．转速。
 
  对于孕镶金刚石钻头来说，金刚石硬度高，耐磨性好，但出刃很小，必须以高转速的高切削速度来获取高钻速，传统上认为孕镶金刚石钻头的平均线速度应达到1. 5～3m/s，一般情况下，只要地层条件和技术条件许可，线速度应取高值，即转速应尽可能高一些。
 
  螺杆马达十液动锤十金刚石双管取心钻具，采用螺杆马达驱动为主，转盘驱动为辅，即“双驱动”或“双回转”钻进方式，有以下优点：①有效地克服井壁对钻具的磨阻，实现精确控制钻压；②减少钻杆的磨损和钻杆对孔壁的破坏作用；③减少钻具在孔内的振动，以免引起钻具共振，破坏钻具；④减少对套管的破坏，尤其是对活动套管的损坏等。
 
  采用螺杆马达驱动为主、转盘驱动为辅的双回转方式，增加转速主要依靠螺杆马达来实现。螺杆马达的输出转速随泥浆泵量成线性增加，其负载特性为：输出功率、输出扭矩与压降成近线性关系，当压降达到一定值时，输出转速迅速下降，输出功率增长减缓，其机械效率有一个最大值。
 
  螺杆马达的最优输出转速应当是钻头有足够的钻压、足够的工作扭矩，螺杆马达机械效率最高时的输出转速。但是由于液动锤和螺杆马达同时工作，钻井液的循环压降大，限制了泵量的增大和转速的提高。对于直径120mm的螺杆马达而言，即使最大泵量，也无法实现直径157mm金刚石钻头达到4m/s的线速度(487r/min)；但是可以在工作扭矩时，达到1.6m/s的线速度(200r/min)。
 
  3．泵量。
 
  采用螺杆马达十液动锤孔底动力钻进，功率能够确保金刚石取心钻进的基本需要，泵量的匹配关系等。
 
  泵量的确定首要考虑因素是确保螺杆马达的输出转速与其次是岩屑上返的要求，最后是液动锤、金刚石钻头与泵量的匹配关系等。
 
  螺杆马达输出转速与泵量呈线性正比关系，欲维持孕镶金刚石钻头所需要的高转速，必须尽可能提高泵量，但泥浆泵量过高，会造成泥浆循环压力过高、冲刷孔壁严重、钻头胎体冲蚀加剧、液动锤工作异常等副作用。采用螺杆马达十液动锤十金刚石取心钻具的转速和泵量的确定，只能参考螺杆马达生产厂家提供的技术参数进行适当优选，而无论是液动锤生产厂家还是金刚石钻头生产厂家，都必须根据这个特点研发适合科钻一井使用条件的产品，让取心钻具、液动锤、金刚石钻头等机具来适应螺杆马达的工作特性，而不是相反。
 
  科钻一井采用的螺杆马达十液动锤十金刚石双管取心钻具井底动力冲击回转取心钻进的钻进规程参数，确定通过理论计算和实践摸索，基本上达到最优。钻进规程参数为，钻压：10～35 kN：
 
  泵量：8. 62～10. 34L/s;转速：157～189r/min（螺杆马达）+12r/min（转盘）。在该钻进规程参数下，平均机械钻速达到1. 1m/h以上。