井底动力冲击回转取心钻进系统的构成

  通过多种取心钻进方法的试验研究和生产应用，逐步形成的这种全新的取心钻进方法，即螺杆马达液动锤单动双管取心钻进技术，从实质上讲这套技术系统更为准确的称谓应当是“井底动力冲击回转取心钻进系统”，其中“井底动力”是指螺杆马达（回转动力）和液动锤（往复冲击动力），“冲击回转”是指井底碎岩方式，既有冲击破碎也有回转切削（磨削）。该井底动力冲击回转取心钻进技术是科钻一井取心钻进的主打技术。
 
  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。井底动力冲击回转取心钻进系统由以下几部分组成：回转动力螺杆马达、冲击动力液动锤、单动双管取心钻具、取心金刚石钻头、钻进工艺和钻井液体系等。螺杆马达十液动锤驱动的井底动力冲击回转取心钻进技术体系主要包括以下几方面的技术：①井底冲击回转动力钻具；②大直径硬岩取心金刚石钻头；③长寿命液动锤；④大直径薄壁单动双管取心钻具；⑤低固相泥浆体系；⑥钻进工艺。其中前四部分是井底动力冲击回转取心钻进技术的核心内容；后两部分是该技术的配套技术，是该技术不可缺少的组成部分。
 
  1．井底冲击回转动力钻具。
 
  通过理论分析和实践探索，成功研究了井底动力（螺杆马达十液动锤）冲击回转金刚石取心钻进技术体系，这项钻探新技术在硬岩深井取心钻探应用中可降低功耗和孔内事故的发生概率；减少钻杆磨损和钻柱对孔壁的扰动；提高岩心采取率、岩心质量和钻孔质量；缩短施工周期，降低施工成本。
 
  井底动力冲击回转金刚石取心钻探技术在科钻一中应用获得了巨大的成功，总进尺4043. 25m，平均钻速1. 13m/h，平均回次长6.34m，平均岩心采取率85. 44%，在孔深3000m处取得月进尺282. 73m。
 
  2．大直径硬岩取心金刚石钻头。
 
  针对孔底动力冲击回转取心钻进的特点，研制了二次成型镶嵌式、一次成型热压和二次成型电镀三类金刚石取心钻头。在钻头结构设计制造中，采用了优化的钻头结构设计、独特的金刚石材料与配比、超细粒度合金化粉料的胎体配方、二次成型热压镶嵌式制造工艺等技术手段。该钻头具有地层适应面广、钻速高和寿命长的优点。
 
  在科钻一井应用中，共使用这三类取心钻头202个，钻头平均使用寿命22. 46m，最长使用寿命为75. 23m，平均机械钻速1.03m/h。
 
  3．硬岩深井液动锤。
 
  根据井底冲击回转复合动力钻具的特点，研发成功了硬岩深井液动锤。在液动锤的设计中，进行了液动潜孔锤的理论分析计算和计算机仿真设计计算，为解决与螺杆马达流量匹配问题，分别采用了宽流量调节和流量分流设计的不同方法，使液动锤有较宽的泵量和冲击功适应范围(单次冲击功80～200J，冲击频率5～12Hz)。在制造加工中，为提高易损件的使用寿命，采用了耐磨材料、热喷涂处理工艺等金属材料热处理和加工工艺。
 
  在科钻一井主孔的应用中，液动锤取得了连续工作时间17. 66h、累计进尺26. 3m、平均回次长度7. 92m（岩心管装满）、平均钻进时效1.14m/h的好成绩。采用孔底动力冲击回转提钻取心钻进与螺杆马达提钻取心钻进相比，机械钻速提高了59%  (1. 13m/h：o．7lm/h)，回次进尺长度提高了178%  (6. 34m：2.28m)。
 
  4．大直径薄壁单动双管取心钻具。
 
  根据井底动力冲击回转取心钻进的特点，研制的大直径薄壁单动双管取心钻具，在设计上根据泥浆的特性，在结构上采用外管悬挂轴承方式，轴承润滑采用全泵量开式强制润滑与内部微循环相结合的构思。薄壁单动双管取心钻具具有结构简单，加工组装方便，工作性能可靠，轴承使用寿命长等优点。
 
  在液动锤大量使用的情况下，钻具轴承平均寿命达60h以上、管材丝扣寿命达loOh以上。在科钻一井中，共取心钻进了4742. 4lm，平均回次进尺长度4.84m（先导孔段取心管长度较短），最长回次进尺9. 5m，平均岩心采取率86. 46%。
 
  5．低固相泥浆体系。
 
  针对井底动力冲击与回转复合动力作用对泥浆体系的要求（良好的流动性能、合适的悬浮能力、非常低的含砂量、良好的润滑性能和低密度等），研发了低黏度、低切力、低密度和低失水、润滑性能优良的“四低一高”泥浆体系（密度1. 06～1.08g/cm3，漏斗黏度35～40s，含砂量<0.1%，API失水量15～20ml，初切力0.5～1．OPa，终切力1～2Pa)。
 
  在科钻一井中采用该泥浆体系，提高了孔底动力冲击回转钻具的工作效率；减少孔底动力钻具的磨损；提高了取心钻进效率和取心质量；减少泥浆的循环压力损失；具有高稳定性、长寿命的优点和较高的性能价格比。
 
  6．取心钻进施工工艺。
 
  根据硬岩深井井底动力冲击回转取心钻进的钻具特点，设计了满井眼防斜钻具组合；根据孔底  冲击回转复合动力作用的特点，通过理论研究和实践摸索，优选出一套钻进工艺参数；加强钻进过程监控，提高孔底动力冲击回转钻进过程监测和决策水平。
 
  在科钻一井中，多扶正（2个扩孔器+1～2个稳定器）的满井眼钻具组合、优选的钻进规程参数(钻压10～33kN，泵量8.62～10. 34L/s，转速：转盘12r/min+螺杆马达157～189r/min)、网络化的钻进过程监测系统等技术措施为充分发挥孔底动力冲击回转取心钻进技术的优势提供重要的保证。
 
  井底动力冲击回转取心钻进技术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、具有自主知识产权的、世界领先的一项钻井新技术。通过钻探科技人员的不懈努力，该项技术不断完善和成熟，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。