科钻一井的井底动力的选择

 1)回转动力钻具。
 
  井底动力钻具有电动钻具、涡轮钻具、螺杆钻具、叶片钻具等4种。目前在钻井行业得到广泛应用的井底回转动力主要有涡轮马达和螺杆马达，又称涡轮钻具和螺杆钻具。
 
  涡轮钻具是一种以钻井液为动力的孑L底动力钻具，是一种动力式马达。泥浆泵泵出钻井液，经过涡轮定转子的叶片，带动传动轴旋转，把转速和扭矩传递给钻头，从而达到破碎岩石的目的(赵宁，2004)。
 
  普通涡轮钻具的特点是工作耐温高、转速较高，单位长度上（每对定转子）输出的扭矩小，总的效率低。为了满足钻井的要求，获得较大的输出扭矩及较大的功率，就必须增加涡轮的定转子级数，也就是说增加涡轮的长度，使涡轮钻具多节化，同时也使涡轮的压力降增高，这在深井钻进中是不利的。涡轮钻具具有软的工作特性，当输入涡轮的钻井液流量一定时，钻头上的扭矩和涡轮轴的转速成反比，钻头负荷越大，轴的转速越低，反之亦然；不仅仅是扭矩会随转速变化而变化，涡轮钻具的其他工作指标效率η和功率N都会改变，制动状态下转速为零时，其效率也为零。与扭矩、效率、功率不同，当转速变化时，涡轮钻具上的压降基本上没有变化，通常在制动与空转状态下只有百分之几的变化(吕苗荣，1997)。
 
  涡轮钻具具有最大效率时的转速大约为600r/min，对大口径的取心钻进而言转速较高，必须加减速装置。对采用牙轮钻头钻进，减速器的减速比需要达到10：1；对孕镶金刚石钻头而言，减速比需达到(2～3)：1。
 
  螺杆马达是以钻井液为动力的一种孔底动力机，是一种容积式马达。泥浆泵输出的钻井液经旁通阀进入螺杆马达，在马达的进出口形成一定的压差，推动马达的转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。
 
  螺杆马达的工作特性与涡轮马达有较大不同，具有硬特性，表现为大扭矩、低转速，转速只与排量和结构有关，而与工况（钻压、扭矩等）无关，其转速与输入的钻井液流量成正比，输出扭矩与马达压降成正比，而与转速无关，压降越大，扭矩越大，但在压降与扭矩变化的同时，转速变化很小，因此，在具体使用过程中，只要控制泥浆泵的排量与泵压，就基本上控制了马达的输出扭矩和转速。因此不难得知，在使用螺杆马达进行钻井作业时，泵压表可作为井底工况的监视器，由压力变化来判断和显示井下工况，通过调节排量来进行转速调节。螺杆马达的定子由橡胶制成，耐高温性能差，一般采用丁腈橡胶，耐温约150℃；如需耐高温，需要采用特殊的橡胶，成本较高。
 
  螺杆马达的实际转速特性与压降还是有一定关系的，在其临界工作载荷之内，转速与压降之间呈硬工作特性，但一旦超过马达的临界工作载荷，马达会发生“制动”工况（图8-14），此时，全部钻井液均穿过转子与已经变形了的定子之间的间隙直接排放（又称击穿），而马达并不回转，人称“制动”，此时转速为零，压降为最大，马达在该工况下表现出“软”特性。但与涡轮钻具相比，在其额定载荷之内的工作特性之“硬”已经是非常理想的了。
 
  科钻一井的目标地层为各类超高压变质岩，必须采用金刚石钻进方法，而对于金刚石钻进、特别是孕镶金刚石钻头钻进来说，保证其切削岩石的回转速度是满足钻进效率所必须的。Φ157mm的孕镶金刚石钻头，其合理转速应该为282～365r/min，而涡轮钻具的转速远远高于该速度范围，必须通过减速机构进行减速才能满足金刚石钻进需要，但由于空间条件限制，在小直径涡轮钻具上设置减速机构的技术难度较大、可靠性较差，同时还由于涡轮钻具的软工作特性，使得在深孔钻进时很难精确控制钻具所承受的工作载荷，则必然造成转速的大起大落，不利于金刚石取心钻进要求转速平稳的工况要求，影响取心质量。此外由于对马达工作载荷的要求，势必导致涡轮马达级数增多，再加上减速机构，使得钻具总长过大，也不利于现场使用。而螺杆马达则可通过改变马达定转子头数来改变马达转速，通过增减马达级数来改变其工作载荷，而一旦基本参数确定之后，马达表现出的硬工作特性，有利于金刚石取心钻进系统的平稳工作，特别是可以通过地表泵压表的变化来判断孔底工况，有利于调整并优化钻进工艺参数。
 
  综上所述，科钻一井钻探施工采用螺扦马达为金刚石取心钻进系统的井底回转驱动装置。
 
  2)冲击动力钻具。
 
  螺杆马达的应用，解决了转盘回转速度不够、无法满足孕镶金刚石钻头切削岩石需求的难题，但随之而来的问题是地层坚硬、需要较大的碎岩功率，而螺杆马达很难满足该功率矛盾需求的，矛盾导致了机械钻速低下，给钻探施工带来极为不利的影响。为解决这一难题，通过充分论证，决定采用在地质勘探钻进中得到成功应用的冲击回转钻进技术。
 
  采用冲击动力的目的是在切削具上施加一辅助冲击载荷，冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中，易产生微裂纹；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就可破碎坚硬岩石，同时切削刀具磨损也较小。
 
  钻进冲击动力有地面装置和并底装置，对于深井而言，宜采用井底冲击动力装置——潜孔锤，潜孔锤有液动潜孔锤和气动潜孔锤；对深井硬岩取心钻进，只有采用液动潜孔锤——液动锤。
 
  我国在地质勘探工作中所研发的液动锤种类繁多，其中在应用中取得较好技术经济指标的液动锤有两大类：无阀式液动锤（射流式液动锤、射吸式液动锤）和阀式液动锤（正作用式液动锤、反作用式液动锤、双作用式液动锤）。根据这个情况，科钻一井研制、试用了两种井底冲击回转动力装置；射流式液动锤和阀式双作用液动锤。