硬岩深井取心钻进技术应用效果中取心钻进概况

  科钻一井初步设计中要求全孔取心，岩心采取率不小于80%。因此，取心钻进是科钻一井最重要的施工程序和实物工作量。在坚硬的结晶岩中，取心钻进；5000 m深的钻孔，在我国没有先例，在国外也极少应用，施工难度相当大。取心钻进过程主要分为先导孔取心钻进、主孔取心钻进。
 
  1．先导孔取心钻进。
 
  根据钻探子工程初步设计，科钻一井先导孔取心钻进到2000m时，先导孔即告结束，先导孔的另一项重要任务是试验主孔将采用的各种钻井新技术。科钻一井先导孔实际的取心钻进从井深101m开始，至2046. 54m结束。根据取心钻进方法试验和取心钻进系统改进和完善的进程，可将先导孔取心钻进分为四个阶段：螺杆马达双管取心钻进为主的钻进阶段(101. 00～502. 06m)、螺杆马达液动锤系统初步试验阶段(502. 06～1000. 05m)、螺杆马达液动锤系统改进提高阶段(1000. 05～1503. OOm)、螺杆马达液动锤系统完善阶段(1503. 00～2046. 54m)。
 
  1)螺杆马达双管取心钻进为主阶段。
 
  在先导孔取心钻进第一阶段(101. 00～502. 06m)，首先对螺杆马达双管取心钻进、螺杆马达单管取心钻进和转盘双管取心钻进方法分别进行了试验，结果证明：螺杆马达双管取心钻进在机械钻速、回次长度和岩心采取率主要指标方面都优于其他两种方法。由于岩石坚硬和岩石的解理发育、易碎裂的特点，螺杆马达双管取心钻进主要存在机械钻速较低（o．8m/h左右）和回次进尺短（2m左右）的问题。
 
  针对螺杆马达双管取心钻进方法存在的问题，钻探技术人员考虑将液动锤结合到螺杆马达双管取心钻进系统中去。液动锤可提高机械钻速、减轻岩心卡堵，提高取心回次进尺长度。取心钻进到井深218. 44m时，进行了首回次螺杆马达液动锤双管取心钻进系统的试验，试验中液动锤工作时间很短，但液动锤工作时机械钻速有显著的提高，后续又进行了12个回次的试验。此阶段液功锤存在的主要问题是工作可靠性差，工作时间短。
 
  2)螺杆马达液动锤系统初步试验阶段。
 
  这一阶段(502. 06—1000. 05m)的取心钻进以螺杆马达双管取心钻进为主，同时根据第一阶段的施工情况，对液动锤进行了改进，继续进行螺杆马达液动锤井底组合动力钻进系统试验。该阶段地层以片麻岩为主，并含有一定厚度的花岗质榴辉岩和超基性岩。
 
  在该阶段189回次钻进中，回次进尺超过4m的有35回次，其中采用液动锤钻进22回次，是液动锤入井次数的37. 29%;机械钻速超过Im/h的有76回次，采用液动锤钻进38回次，是液动锤入井次数的64%。与纯螺秆马达钻进相比，螺秆马达液动锤钻进的平均回次进尺长度和机械钻速分别提高45%和63%，采用液动锤对提高回次进尺长度和机械钻速有着非常明显的作用。
 
  该阶段液动锤存在的主要问题是工作可靠性较差和部件寿命较低。
 
  3)螺杆马达液动锤系统改进提高阶段。
 
  在螺杆马达液动锤系统取心钻进改进提高阶段中(1000. 05～1503. OOm)，液动锤的改进工作一直在进行，其工作可靠性有了较大的提高，液动锤钻进的比例也大幅度上升，优点更加突出，已成为一种主要采用的取心钻进方法。
 
  这一阶段共钻进148回次，更多地应用了螺杆马达液动锤钻进。该阶段液动锤钻具工作的可靠性有了较大的提高，其平均回次进尺达到3. 94m，岩心管(长度分别为5.6m和8.6m)装满的有26回次，回次进尺超过8m的有6回次。最高回次进尺8.72m，最高机械钻速2.87m/h。与螺杆马达钻进相比，螺杆马达液动锤钻进的机械钻速提高65%，回次进尺长度提高49%。
 
  4)螺杆马达液动锤系统完善阶段。
 
  螺杆马达液动锤取心钻进系统完善阶段(1503. 00～2046. 54m)进行了112回次钻进，除去5回次因螺杆马达没有及时到货而使用转盘钻进，及3回次螺杆马达双管取心钻进外，全部采用螺杆马达液动锤钻进技术。自井深1634. 38m，第579回次后，为了克服钻具在井壁上的摩阻，使钻压有效地传递到并底，采用了“双回转”钻进，即在螺秆马达回转的同时，缓慢地回转转盘(转速8～12r/min)。与第三阶段相比，回次进尺长度大幅度提高，其中，8m以上的7个回次，7m以上的28个回次(后期岩心管长度为7. 9m)。特别是在钻井液中加入1%GLUB润滑剂以后，除2回次因钻头胎体磨平外，创造了连续16回次钻满岩心管的记录，大幅度减少起下钻时间。润滑剂的加入，大幅度提高了液动锤的工作寿命和可靠性。
 
  总的来说，在先导孔取心钻进的第四阶段，螺杆马达液动锤金刚石双管取心钻具的钻进系统比较完善，使取心钻进的技术经济指标有了显著的提高，主要原因有：①液动锤的不断改进；②钻井液中加入润滑剂；③取心钻具（取心筒）性能不断得到改善；④钻具使用管理措施不断完善；⑤司钻人员取心钻进操作越来越熟练，经验越来越丰富。
 
  2．主孔取心钻进。
 
  按照钻探子工程的初步设计，主孔的取心钻进施工应采用顶驱金刚石绳索取心钻进方法，液压顶驱设备和绳索取心钻杆由ICDP资助。在主孔取心钻进的开始，共进行了5个回次的顶驱绳索取心钻进试验，其机械钻速慢、钻进回次短、岩心采取率低，同时由于提供的绳索取心钻杆有问题，多次绳索打捞岩心管不成功。鉴于顶驱绳索取心钻进试验效果不理想和先导孔螺杆马达液动锤双管取心钻进的优良效果，主孔取心钻进主要采用了螺杆马达液动锤双管取心钻进方法，同时进行绳索取心钻杆修复和研发螺杆马达液动锤绳索取心钻进系统的工作。
 
  主孔取心钻进可分为三个阶段：第一阶段CCSD -MH，井深2046. 54～2982. 18m;第二阶段CCSD-MH-IC，井深2974. 59～3665. 87m;第三阶段CCSD-MH-2C，井深3624. 16～5118. 2m。
 
  1)主孔取心钻进第一阶段(CCSD-MH)。
 
  主孔的第一阶段取心钻进从2046. 54m开始，取心钻进到2982.18m时，由于钻孔顶角超过16。，需要进行纠斜，暂时中止了取心钻进。
 
  该阶段取心钻进共进尺935. 64m，使用了6种取心钻进方法，除了在先导孔阶段用过的螺杆马达双管取心钻进和螺杆马达液动锤双管取心钻进方法之外，还有顶驱双管取心钻进方法、顶驱绳索取心钻进方法、顶驱液动锤绳索取心钻进方法、螺杆马达绳索取心钻进方法。各种取心钻进方法使用的效果如表8-49。从表8-49可以看出：螺杆马达液动锤单动双管取心钻具的钻进方法是一种高效、优质的取心钻进方法，在地层破碎的复杂钻孔条件下使用，依然能获得较好的施工效果，优势明显。
 
  2)主孔取心钻进第二阶段(CCSD-MH-IC)。
 
  科钻一井主孔钻进到2770m后，岩性变成以片麻岩为主，岩层倾角大，岩层造斜性强。取心钻进到2935m时，钻孔顶角增加到16. 34。，增斜率为0.559/lOm。取心钻进达到2982. 18m时，进行回填纠斜。纠斜结束后，从2974. 59m开始CCSD-MH-IC阶段的取心钻进，2003年10月2日钻进到井深3665. 87m时，发生下扩孔器公扣断裂，扩孔器和钻头掉落在井内，多次处理不成功后，决定起拔活动套管、扩孔、下套管，然后再继续取心钻进，至井深3665. 87m CCSD-MH-IC取心阶段结束。该取心钻进阶段全部采用螺杆马达液动锤双管取心钻具的取心钻进系统，获得了很好的技术经济指标。
 
  3)主孔取心钻进第三阶段(CCSD-MH-2C)。
 
  第二次扩孔钻进和下套管固井后，从3624, 16m开始主孔第三阶段取心钻进，取心钻进至5118. 2m结束。CCSD-MH-2C取心钻进，除了一个回次采用螺杆马达双管取心钻进方法之外，其余全部采用螺杆马达液动锤金刚石双管取心钻具的取心钻进方法，获得了优秀的施工效果。