美国夏威夷项目钻探技术

  1．项目概况。
 
  夏威夷科学钻孔的目的是钻穿形成Mauna Kea火山的熔岩层，研究该火山形成的机制和火山深处的地下水的运动。钻孔的设计孔深为4419. 6m (14 500ft)，要求全孔连续取心，取心钻进的钻孔直径为98.4mm 。所钻的地层是火山喷出的玄武岩，岩层中气孔较多，属于相对比较好钻的岩层。地层比较破碎，要求下较多套管保护孔壁。地层的页理或片理不发育，各向同性好，钻进时不易产生孔斜。由于有地下水循环，岩层的地温梯度低（lOOOm先导孔的地温梯度为负值），有利于钻进施工。
 
  2．取心钻进系统的特点。
 
  为完成以上条件下的钻探施工，采用了一种组合式的钻探技术．即在常规的石油转盘钻机上加上一套取心钻进系统，形成一套能在深孔和硬岩中进行取心钻进的钻探设备（张伟，1999）。其中，转盘钻机用于扩孔、下套管、固井和起下钻具，取心钻进系统用于取心。
 
  组合式取心钻进系统是DOSECC（地球陆壳钻进、观察和取样组织）专门为科学钻探中的深孔取心钻进研制的，其主要特点：①采用液压油缸给进，给进行程7. 6m，加减压能力112. 5t;②采用液压顶驱，转速0～900r/min;③采用2台三缸柱塞泥浆泵进行取心钻进，最高泵压14MPa，350r/min时的泵量为340L/min;④采用一套特殊的绳索取心钻杆柱，钻杆柱由两部分组成，上部是Φ88. 9mmHvdril油管管柱，下部是1828, 8m (6000ft) Longyear公司的HQM绳索取心钻杆柱，这一复合钻柱的钻深能力是以Φ101. 6mm (4in)钻孔直径钻进6000m;⑤取心钻进采用孕镶金刚石取心钻头，钻头内、外径分别为≠6lmm和Φ98. 4mm;⑥扩孔钻进采用带导向的硬合金镶齿牙轮钻头。
 
  3．钻进施工程序。
 
  由于大直径取心钻进成本高、效率低，采用的钻进施工程序是：采用组合式取心钻进系统进行小直径取心钻进(全孔的取心钻进孔径统一为Φ98. 4mm)，然后通过扩孔来加大孔径。若需要扩孔的直径较大，可通过两次扩孔来完成。
 
  钻孔施工按设计分为三个阶段：第一阶段从开钻到孔深1828. 8m (6000ft)；第二阶段从1828. 8m钻进到3352. 8m (11 000ft);第三阶段从3352. 8m钻进到终孔深度4419. 6m (14 500ft)。
 
  现已完成第一和第二阶段的施工，在第三阶段遇到孔内复杂问题后已暂停施工。
 
  4．取心和扩孔钻进技术经济指标。
 
  该项目的第一和第二阶段施工相当顺利，事故较少，钻进速度较高，以下是一些统计的钻进施工技术经济指标：①Φ98. 4mm取心钻进的平均钻进速度（包括回收岩心）为2. 35m/h，平均钻头寿命为297m；②Φ98. 4mm扩到Φ311. 1mm 时的扩孔钻进速度平均为2.22m./h；③从Φ311. 1mm扩到Φ444. 5mm 时的扩孔钻进速度平均为2.30m/h。