硬岩深井取心技术中井底动力冲击回转取心钻进应用效果

  新钻进方法钻进规程参数的确定与传统钻进方法完全不同，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，钻压、转速、泵量之间的相互作用更加明显，必须在该技术体系内先做好每—单项的技术工作，使其达到在一定条件下的优化，之后进行全面、综合配套研究，使之在完整的技术体系内相互融合，从而发挥出这一全新技术的整体优势。
 
  1．钻孔质量。
 
  对于科钻一井来讲，钻孔质量指标主要有岩心采取率与岩心品质、钻孔弯曲程度、钻孔超径情况等。
 
  1)岩心质量。
 
  科学钻探是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体（气体和液体），以及进行地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，来获取地下的各种信息。如在特大型陨石冲击坑底部打钻取心，了解大陨石撞击与地表环境变化和生物种群灭绝的关系。在全球较深的湖泊中连续钻取沉积物和在极地冰川钻探采取冰心，以便了解数百万年以来全球气候的变化。在碰撞造山带的核心部位钻取来自地幔深处的岩石，了解地幔的组成、结构以及碰撞造山的动力学过程。在地震和火山的源区钻探取样，了解地震发生的机制与火山系统的热结构，以逐步减轻地震与火山爆发给人类造成的损失等。
 
  岩心、岩屑等实物样品，是地质学家们进行深入地学研究的第一手资料，科学钻探项目的大量资金用于科钻一井的钻探施工，就是为了尽可能多地获取高品质地下实物资料（岩心、岩屑、流体等），所以设计中要求科钻一井的岩心采取率不／J、于80%，而且由于地学研究的需要，还要对全部岩心表面进行扫描成像，所以还要要求岩心品质尽可能好。
 
  科钻一井研发成功的螺杆马达液动锤取心钻探技术，在应用初期，曾经因为单动双管取心钻具单动性能不好而造成岩心采取率低、岩心品质差曾经给现场钻探技术人员带来极大的压力。后经过不断改进与完善，获得了平均岩心采取率85. 82%的良好效果，岩心品质也得到了极大改善t即便是在极为破碎的复杂地层，所获取的岩心也在最大程度上保留了地层的原始状态，为地学研究提供了高质量实物样品。
 
  保证岩心采取率和提高岩心质量的主要技术措施为：①确保单动双管的单动性能，尽量减少岩心磨耗。②确保液动锤的工作性能，尽可能减少岩心堵塞。③改善泥浆的润滑性能，减少岩心磨损。④优化取心钻头结构，确保岩心表面规则光滑。⑤优化钻进规程参数。⑥提高司钻操作水平，确保钻进过程的平稳与连续。
 
  2)井身质量。
 
  井身质量通常包括孔壁完整程度与钻孔弯曲状况。
 
  钻孔井身质量的好坏，会对地球物理测井数据质量和安全施工产生较大影响。因此要求钻孔孔壁尽可能规整，以获取更为完整翔实的测井资料。而钻孔弯曲程度，则是影响钻孔安全的重要因素，常常能够决定是否可安全并经济地钻达目标孔深。前苏联科拉超深井和德国KTB项目均未钻达设计孔深，井斜超差是最主要的原因。
 
  岩心、岩屑、岩层中的流体样品等实物资料固然重要，但其携带的地下地质信息还会因采取率的影响使得基本数据缺失，还必须借助地球物理测井等方法采集相关数据，与岩心、岩屑等实物资料进行对比研究，互为补充。同时，为充分利用花费巨大代价所完成的科学钻孔，地质学家们还需要在钻孔中安放仪器进行长期观测，来获取地下的各种信息。这些都需要通过科学钻探，为地球物理测井和之后的长期观测提供一个高质量的通道，以利于各种测井仪器的反复下孔测量。
 
  孔底动力与液动锤的成功应用，大大减少了因高速回转钻杆柱而对孔壁的机械破坏，这一点，在硬脆碎等复杂地层（如断层等）中对保护钻孔原始几何形状来说至关重要。科钻一井在长达3年多的施工时间中，钻孔始终保持稳定，所进行的数十次测井作业很少发生测井遇卡等复杂情况，未发生测井仪器因遇卡而落井的恶性事故，成功的综合测井作业为地学研究获取了大量宝贵的测井数据，而日常进行的工程测井则为钻探施工的正常进行提供了决策依据。
 
  孔底动力与液动锤的成功应用，还使得在高硬度、强研磨性、强致斜地层中进行小规程钻进成为可能，从而大大降低了钻孔弯曲强度，先导孔2028m时井斜角仅4.1°，实现了双孔合一，为科钻一井节约了大量时间与经费。
 
  2．钻进效率。
 
  液动锤的成功应用，使得在深孔硬岩中进行大直径连续取心钻进并取得良好的经济技术指标成为可能，其主要原因就是液动锤的应用给切削具施加了一个冲击负荷。而冲击负荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。所以尽管岩石动硬度比静硬度大（一般大8～9倍），但仍易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育。因此可以用不大的冲击功（数十个J）就可破碎坚硬岩石，而静压入则需很大的功，同时切削刀具磨损也较小。其原因有：①钻进中所需的轴向压力较小，转速低}⑦体积破碎的能量消耗低于表面破碎的能量消耗，而在冲击回转钻进中易达到体积破碎岩石的程度。③钻速快，切削具的相对磨损减小。④冲击破碎岩石时，刀具与岩石的作用时间短。⑤因为在冲击时还加有一定的轴向压力，改善了冲击功能的传递条件，增大了冲击效果。⑥因为高频并连续地给岩石施加冲击负荷，所以在破碎岩石过程中，裂隙发育较完全，更有利于破碎硬岩石。⑦因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改善了冲击负荷的传递方向，充分发挥了冲击破碎岩石和切削破碎岩石的效果。
 
  同时，由于液动锤产生的冲击负荷需要通过岩心管传递到孔底钻头上，所以在取心钻进时，岩心管要承受一定频率的振动。正是这个振动，可以在复杂地层中，有效减少破碎岩心在进入岩心管后发生堵卡的概率，而一旦发生堵卡，该振动作用可以在堵卡尚未发展到把岩心彻底卡死的时候使岩心解卡。众所周知，取心钻进所用金刚石钻头是环状切削地层岩石的，如果钻进过程中发生岩心堵塞，则钻头新钻取的岩心因无法顺利进入岩心管而在岩心管入口处形成栓堵，此时的岩心将与地层直接产生摩擦，有限的钻压将因此而无法有效地作用于钻头切削具切削地层，导致机械钻速大幅度下降，非正常消耗钻头内径并严重磨耗岩心，导致岩心采取率降低。此时在无法有效使岩心解卡的情况下，只有提钻进行处理。液动锤的使用，使得回次进尺长度大幅度提高，既保证了岩心采取率，又大幅度提高了纯钻时间和机械钻速。
 
  3．钻孔安全。
 
  虽然科钻一井钻遇地层位于郯庐大断裂附近，又由于杨子板块与中朝板块之间碰撞后的俯冲与折返等剧烈地质构造运动的影响，经过了超高温超高压变质作用，导致地层构造复杂，岩石各向异性发育，地应力强。但在没有钻穿地层之前，各地层单元处于自然条件下的平衡状态，只有在受到外界干扰比如钻孔之后，原始的平衡状态才被打破，各种不稳定因素开始显露出来，呈现出孔内复杂现象。而根据地层特点，科钻一井施工过程中，影响施工安全的最大因素是掉块卡钻。
 
  由于采用了孔底动力，转盘无需高速回转，则避免了高速回转的钻杆柱对孔壁敲击和刮削，最大程度地减小了对地层原始平衡状态的破坏，使得在常规钻探方法下经常出现的复杂地层中的频繁掉块、坍塌等现象大大缓解，即便是发生由于地应力释放而导致钻孔崩塌的情况，也会由于钻杆柱对孔壁的扰动降低到了最大限度而把外力作用下使得钻孔崩塌的程度大大减小，掉块尺寸也受到了有效的控制，而大块掉块、特别是坚硬地层的掉块，是造成卡钻的最大原因。
 
  科钻一井的取心钻进施工从101m开始，至5118. 2m结束，取心钻进总进尺5005. 87m，共试用了9种取心钻进方法，基本涉及世界上现有的各种取心钻进方法。螺杆马达液动锤驱动双管完成科钻一井80. 77%的取心钻进工作量，螺杆马达驱动双管完成科钻一井18. 16%的取心钻进工作量，而其他7种取心钻进方法仅占1. 07%的I作量。螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进总进尺4043. 25m，平均机械钻速(1. 13m/h)和平均回次长度(6.34m)是这9种取心钻进方法中最高的，岩心采取率(85.44%)能满足科钻一井的取心要求。螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进比螺杆马达驱动双管取心钻进，机械钻速提高59%，回次进尺长度提高1780/。
 
  在石油钻井中常用的转盘驱动双管取心钻进及顶驱驱动双管取心方法均不适合于科钻一井的硬岩取心钻进，机械钻速、岩心采取率和回次长度均极低，取心效果和经济性太差。在地质勘探中常用的绳索取心钻进方法也不适合于科钻一井的大口径、深孔取心钻进，机械钻速、岩心采取率和回次长度也极低，取心效果和经济性太差，绳索取心钻进提钻回次长的优点没有发挥出来。
 
  通过科钻一井取心钻进的实践表明，螺杆马达液动锤驱动双管取心钻进方法是这些方法中最好的一种，用该方法获得的钻探技术经济指标要明显优于其他方法。
 
  总之，井底动力冲击回转取心钻进技术经受住了苏鲁超高压变质带坚硬岩石和复杂地层的严酷考验，取得了辉煌的成绩，不仅在国内创造了一系列的第一位，而且在国际上引起了巨大反响。
 
  2005年3月在德国波茨坦地学研究中心(GFZ)举行的国际大陆科学钻探十年回顾和展望论坛上，我国科钻一井的钻探施工技术得到了国际钻井技术界的高度评价。
 
  井底动力冲击回转取心钻进在各阶段的取心钻进效果如表8-53和图8-07，机械钻速稳定在1m/h以上，回次进尺长度随着试验的进行逐步提高，在主孔段趋于稳定，岩心采取率稳定在80%以上，特别是在主孔的三个阶段，平均岩心采取率随孔深的增加还逐步提高。从各阶段的数据可以看出，该取心钻进方法，从第一次下井试验，到发展成熟，经历一个较长的时间段。在这期间，研究人员对该取心钻进方法的各个环节进行了反复、大量的改进和完善，使该取心钻进技术的可靠性不断提高，钻探技术经济指标也不断得到改善。