井底动力冲击回转取心钻进系统的创新点

在科钻一井中成功应用的井底动力冲击回转取心钻探技术系统是我国工程技术人员在中国大陆科学钻探工程科钻一井的施工中集体创造的、一项具有自主知识产权的、世界首创的钻井新技术。
 
  这项钻探新技术在硬岩深井取心钻探应用中可显著提高钻探综合效率；提高岩心采取率、岩心质量和钻孔质量；减少钻杆磨损和钻柱对孔壁的扰动；降低功率消耗和孔内事故的发生概率；缩短施工周期，降低施工成本。它的研究成功将推动科学钻探技术乃至整个钻井技术取得重大进展。
 
  井底动力冲击回转取心钻探技术系统的主要创新点有以下几点。
 
  1．确定以井底动力为取心钻探的主要动力
 
  无论哪种钻探技术都无法回避一个基本问题：如何将破碎岩石的动力有效地传达到井底，钻孔越深，这个问题越加严峻。早期的钻探是以地面冲击动力为主，我国早在宋朝即发明了以冲击方式钻盐井的“卓筒井”技术，一度发展得十分先进，到清朝道光年间(1835年)已经创造了超过千米井深的世界记录。后来传到西方，形成了钻凿石油井的主要技术——顿钻。直到20世纪初随着大功率动力机的出现才逐步被回转方式的钻机代替，但是直到今天这种地面驱动的纯冲击钻进的方式因具有特殊优势仍然在水井钻机上应用。
 
  过去的纯冲击碎岩方式只适合于全面钻进，取心钻探必须依靠回转方式，而且地面驱动的回转钻进是唯一可以实际应用的方式。地面驱动回转必然要依赖于细长的钻杆。以5000m井深为例，采用Φ127mm钻杆，细长比达到39 370：1，如果使用Φ89mm钻杆，细长比将达到56 180：1，也就是说相当于长度为Im的钢丝，直径只有0.018～0. 025mm。因此以地面驱动的回转方式施工深井，对于钻具是极大的考验。国外在科学钻探工程中应用了井底动力驱动的方法，获得了比较好的效果。但是仅限于应用回转方式的井底动力，这种方法对于坚硬岩石的取心钻探来说，存在效率较低、取心质量较差的问题。中国大陆科学钻探工程在施工科钻一井过程中研究开发应用的回转加冲击复合井底动力方式无疑是国际上首创的一种新型钻探技术体系。
 
  2．正确选取螺杆马达作为回转动力井底回转动力
 
  钻具有两种形式，一种是以液体动力能为驱动动力源的涡轮马达，另一种以液体静压力为驱动动力源的螺杆马达，前苏联在科学钻探中采用前一种，美国在科学钻探中应用的是后一种。对比两种动力钻具，我们认为螺杆马达具有硬特性、直径小、功率大、输出速度和扭矩易于选择和调整等优点，因此选择了螺杆马达。实践证明这一选择是正确的。
 
  选择了基本形式，还要确定与成套钻具匹配的参数。孕镶金刚石钻头要求的基本工艺条件（转速、扭矩、钻压、冲洗液泵量）和液动锤需要的泵量、泵压之间是不同的，关键是通过改造钻具特性，选择与调整马达参数，使两者相匹配，才能发挥应有的作用。
 
  当然，如果能够根据需要重新设计参数最优的马达和液动锤，效果会更好，但是那样将延长施工工期，提高施工成本。
 
  3．研制开发深井用大直径液动锤作为冲击动力
 
  液动锤的冲击力是提高硬岩钻进机械效率和回次进尺的关键因素之一，也是这套技术系统的核心所在。它的优势已经通过室内台架试验获得充分证实，国内虽然在地质勘探小口径钻探中获得成功应用，但是在大口径深井及泥浆环境中没有解决背压、冲蚀、活动零件的卡阻等难题，致使可靠性低，不能用于实际钻探施工中。国外曾经研究过将液动锤应用于科学深钻，也没有成功。
 
  科钻一井研制的大直径深井用液动锤创造性地解决了流量参数与螺杆马达的匹配，活动零件的防卡和耐磨性，井下冲击的启动和长时间工作的可靠性以及现场维护管理的操作技术规程等一系列难题，获得十分肯定的使用效果。
 
  4．研究钻具组合与钻进工艺技术参数，制定严格的操作规程和现场应用技术管理措施
 
  井底动力驱动冲击回转取心钻探技术系统由螺杆马达、液动锤、大直径薄壁单动双管取心钻具和金刚石钻头这些硬件组成的。如果将这些钻具部件简单地连接起来，并不能创造出一套新型的取心钻探系统，必须根据不同地层、不同岩性、不同井段的要求，对从钻头到最上部的稳定器全部近10个部件进行不同的组合，同时还是要有一套能充分发挥其作用的钻进工艺软件，在使用过程中还要随时进行必要的调整。这一切依赖于技术经验，并将这些经验总结成一整套操作规程和现场应用技术管理措施。