科拉超深孔钻探技术

  迄今为止，世界上已有不少国家开展过或正在开展大陆科学钻探活动，各国在科学深钻实践  中，根据本国钻探技术水平和科学深钻项目的具体情况，采取了不同的钻探技术体系。了解这些钻探技术体系的特点和优、缺点，对于未来科学钻探项目的设计与施工具有重要意义。
 
  1．概况。
 
  前苏联是世界上最早和最大规模地进行科学钻探的国家之一，该国在结晶岩中施工了大量的取心科学深孔和超深井，如科拉超深井、乌拉尔超深井、萨阿特雷超深井、克罩沃罗格超深井、迪尔劳兹深井和沃罗季洛夫深井等。他们在施工这类钻孔时，基本上都采用连续取心，并几乎毫无例外地采用了统一的钻探技术体系（钻进工艺方法、钻探设备和器具）以及钻孔结构和套管程序设计原则，形成了具有鲜明特色的前苏联结晶岩科学深钻技术。现以科拉超深钻为例，来介绍前苏联的科学深钻技术。
 
  2．钻孔结构、套管程序和钻进施工程序。
 
  前苏联在结晶岩中施工科学深孔和超深井采用的钻孔结构、套管程序和钻进施工程序（科兹洛夫斯基，1989），遵循的设计原则是“超煎前裸眼钻进方法(advanced open borehole method)”。
 
  这种方法是前苏联通过大量科学深钻实践总结出来的。
 
  采用该方法进行钻孔设计和施工的基本思路如下：
 
  设计时先不确定整个钻孔的结构和套管程序，而仅考虑钻孔的上部，一般仅确定第一层（有时到第二层）套管的深度，因为上部的地质和地球物理资料还是比较可信的。但需考虑可能出现的复杂情况和留有足够的套管储备，钻孔结构设计留有余地。开孔、钻穿松散层并进入稳固的基岩后，下入孔口管并用水泥固结。在固定套管内下一层可回收的活动套管，如果岩层稳定，则尽量采用裸眼和小尺寸钻头以能获得最佳技术经济指标的直径往下钻所谓的“超前孔”。这样一则可保证较高的钻进效率；二则可简化孔身结构，减少下套管的数量，最终降低施工成本。如果遇到复杂情况必须下套管护孑L时，将活动套管拔出，用扩孔钻头扩大钻孔，钻穿不稳定层，再下套管和固井，然后继续往下钻。根据套管直径和钻孔深度情况，可能在新下的技术套管内再悬挂一层活动套管。下活动套管一则可以改善环空中的钻孔水力学特性，保证岩屑的有效携带；二则可改善钻柱的工作状态，使其避免因为过度受力而损坏。
 
  前苏联在结晶岩中施工的所有科学钻孔都采用了这种钻进施工程序，其有效性得到了充分的证实。前苏联的钻探专家认为，在深部地层情况不清楚、钻孔设计依据不足的情况下，“超前孔裸眼钻进方法”是钻孔施工的最佳方案。
 
  设计深度为15000深井、萨阿特雷超深井和乌拉尔超深井都是按此战略施工的，其中科拉超深井的超前裸眼孔段曾长达1万m。此后，这种设计思想为世界其他国家的钻探技术人员所接受。德国施工KTB先导孔以及美国施工夏威夷科学钻孔时都采用这种钻进施工程序。
 
  3．取心钻进工艺方法。
 
  科拉超深钻施工是连续取心钻进，采用Φ215.9×Φ60mm牙轮取心钻头以及涡轮马达孔底驱动，通过提钻回收岩心。
 
  钻进科拉井时，前苏联研制和采用了三种主要的取心钻具及其改进产品：KTЦ4C-195-214/60-80涡轮钻具；KЦM-195-214/60取心钻具和MAI:一195-214/60水力输送岩心钻具。
 
  KTЦ4C-195-214/60-80型多节式涡轮钻具属于涡轮式井底动力机'其特点是整个长轴为空心的，它除了主要给钻头传递扭矩和压力外，还可在其中安放一个专用取心器。取心器由卡簧、岩心管、返水阀、加长管和调整装置等组成。为了保证取心器在回转的空心轴中不转动，在涡轮钻具外壳中设有专门的支承，在这个支承上借助调整装置使取心器悬挂起来。取心器可以做成绳索提取式的或不能提取式的。钻具的涡轮部分由三节同样的涡轮组成，每节包括105级具有一定形状翼键槽的接籍和接头与下一段涡轮相连接。
 
  KЦM-195-214/60型取心钻具用于硬的研磨性岩层中钻进取心，它的适用性较厂，既口J用于转盘钻，还用于井底动力机。涡轮钻进时，可将它连在井底动力机的轴上。钻具可以是单节的、双节的或多节的，每节取心部分的长度为5. 8m，节间用圆锥螺纹相接。取心器伸缩式地相互连接，这样在组装时就无需调整。