科钻一井初步设计拟采用的取心钻进技术

 科钻一井钻探子工程的任务非常明确，就是全孔连续取心，且岩心采取率不小于80%。完成这一国内空前艰巨的任务，必须采用高效、先进的取心钻进技术。在超高压变质带的高硬度、强研磨性地层中完成终孔直径为l57mm的5000m钻孔，必须对现有取心钻进技术进行深入分析、评价。
 
  如能在现有取心钻进技术的基础上进行继承应用，将不失为一种多快好省的选择；如果现有技术无法满足科钻一井的取心钻进要求，则必然要求我们在继承的基础上进行新的探索，以研发出经济、适用的新型取心钻进技术体系。
 
  由于我国在深孔、大直径金刚石绳索取心钻杆、钻具的设计、制造等方面都缺乏经验，短时间内研发从未应用过的新型钻具并应用于我国第一口科学深钻，必然存在相当风险。经过反复论证，决定引进德国KTB在其先导孔中成功应用并经过进一步改进的绳索取心钻杆、钻具等用于科钻一井的取心钻进。
 
  不同的取心钻进方法依靠不同的取心钻进技术体系来实现。一套取心钻进技术体系一般由以下几部分组成：驱动系统（顶驱、转盘或孔底马达）、钻杆柱（常规石油钻杆或绳索取心钻杆）、岩心管（单管、双管或三层管，在长度和钻孔／岩心直径比方面有差别）、辅助钻进工具（如液动锤等）、取心钻头（有不同形式的取心钻头）。对以上这些钻进系统或部件进行不同组合，就形成了多种取心钻进技术体系。要在一种取心钻进技术体系中解决前面提到的所有的技术难题是不可能的，换句话说那些解决技术难题的措施应该通过不同的取心钻进技术体系或取心钻进方法来实现。从原理上来说，应对科钻一井的难题有多种取心钻进方法可供选择。但是，有些方法效率太低、经济性太差，还有些方法未在大直径、硬岩和深井条件下经受过检验。到底何种方法最适合于硬岩、深井取心钻进的要求呢？在进行中国大陆科学钻探工程项目的钻探子工程设计时，这个问题是没有答案的。当时的策略是；在科钻一井施工封考虑采用各种可能的取心钻．透方法，包括常规的方法和各种先进的甚至是创新的方法。尽管常规方法效率比较低，但是在那些先进的新方法得到验证和发展成熟前，采用常规方法是必要的。希望通对不同取心钻进方法的研究、摸索和改进，最终研发一种适合于硬岩、深井施工条件的取心钻进方法，这将不仅有助于顺利完成中国大陆科学钻探工程这一国家重大科学工程项目，还将对钻探技术的发展做出贡献。
 
  对于取心钻进设计，以下两点得到了技术人员的一致认可。
 
  1．由于岩石坚硬，应该采用孕镶金刚石钻头。
 
  取心牙轮钻头虽然也能在硬岩中使用，但由于以下两方面的原因未在设计中考虑：①取心效果较差，岩心采取率较低；②取心牙轮钻头只适用于直径较大的钻孑L，钻孔直径至少应该是Φ215.9mm (8l/2in)。该项目的取心钻进直径按声157mm考虑，若为使用这种方法而将钻孔直径加大一级，钻进总成本将大大增加，不符合经济性的原则。
 
  2．为了获得好的取心效果，应该采用单动双管取心工具。
 
  在参考分析了国外类似工程采用的钻井技术之后，针对中国科钻一井所面对的超高压变质岩地层，钻探工程初步设计确定了采用以金刚石绳索取心钻进为主的取心技术，同时也考虑了根据不同情况可分别采用的其他多种取心工艺技术，基本原则如下：①当孔浅时使用常规提钻取心钻探技术；②当钻孑L达到一定深度后，为减少起下钻时间，提高钻探效率，采用常规绳索取心钻探技术；③当孔较深、扭矩大、不能使用地面回转驱动时，采用孔底马达绳索取心（二合一）钻探技术；④如果孔底马达绳索取心钻具不成熟难以应用时，采用孔底马达提钻取心钻探技术；⑤为提高硬岩钻速，可使用液动锤钻探技术，包括液动锤绳索取心（二合一）钻探技术和常规液动锤提钻取心钻探技术。
 
  根据以上原则，科钻一井初步设计中确定了以7种取心钻进方法来应对各种复杂情况。具体思路是：①转盘取心钻进，该方法是国内外石油钻井应用较多的一种取心钻进方法，在科学深钻中也有应用，但主要用于牙轮钻头点取心。②井底动力钻具取心钻进，该方法在国外的一些石油钻井和科学钻探项目中得到过应用，如美国卡洪山口科学钻孔、索尔登湖钻孔和德国KTB主孔等项目中都用过螺杆马达驱动的金刚石取心钻进方法；前苏联则采用涡轮马达作为井底动力进行牙轮钻头取心钻进。在CCSD项目实施前，我国未采用过这种方法。③孔底马达十液动锤取心钻进，该方法是一种新的取心钻进方法，在世界上从未有应用。④顶驱十绳索取心钻进：该方法是目前国外进行深孔硬岩取心钻进采用的主要方法之一。在德国KTB先导孔、墨西哥尤卡坦半岛科学钻孔、美国夏威夷科学钻孔和长谷科学钻孔中都得到了应用。在科学钻探项目中，应用的最大孔深为3893m(KTB先导孔)。⑤顶驱十液动锤十绳索取心钻进，以顶驱十绳索取心钻进方法为基础，加上液动锤，以提高机械钻速和回次长度。⑥顶驱＋提钻取心钻进，是顶驱十绳索取心钻进方法的替代方案，在绳索取心系统的应用出现问题时，采用该方法。⑦孔底马达十绳索取心钻进，将孔底动力驱动和绳索取心方法的优点结合在一起，该方法在世界上其他地方没有应用。
 
  2001年6月25日科钻一井先导孔开钻后，由于国内在短时间内还没有生产大规格绳索取心钻具的能力和经验，所需钻具需从国外进口，而从德国MICON公司定购的SK139.7绳索取心钻杆、SK146 绳索取心钻具要到2002年才能到货。为确保工期、早出成果，决定以原设计中的备用取心钻进方案即螺杆马达驱动提钻取心钻进技术暂时代替金刚石绳索取心钻进。考虑到对采用何种取心钻进技术还存在不同看法，为科学选择最合理的取心钻进技术，同时对初步设计中所考虑的其他多种取心钻进方法分别进行了适应性试验研究，试图根据试验结果进行合理化筛选，最终确定金刚石绳索取心钻进方法的正式替代方案。
 
  在科钻一井先导孔和主孔上部井段，根据初步设计和现场施工具体情况，共试验了10种取心钻井方法。