論低碳發(fā)展在鉆探設(shè)備選型中的應(yīng)用

陳鑫發(fā)，牛建設(shè)

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州450053）

0 引言

本文以云南騰沖科鉆項(xiàng)目為例，闡述如何在設(shè)備、機(jī)具選型結(jié)合國(guó)家節(jié)能減排，如何進(jìn)行施工操作。巖心鉆探多采用小口徑巖心（固體）鉆探，因廣泛利用繩索取心技術(shù)，效率較高，在小于1000m鉆孔內(nèi)施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但鉆孔較深或口徑有特別要求取心時(shí)（如科學(xué)鉆探、鹽礦鉆探、頁巖氣鉆探等），小口徑鉆探設(shè)備及工藝則很難快速完成設(shè)計(jì)要求；而石油、地?zé)?、頁巖氣、巖鹽（堿）、煤和水文水井等大型鉆探設(shè)備具有動(dòng)力大、回轉(zhuǎn)提升和鉆探深度能力高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。作者結(jié)合兩種類型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，采用石油鉆井和取心鉆探新技術(shù)，在沉積地層中采用水井用φ89mm鉆桿＋其他附助鉆井及取心機(jī)具成功快速完成了大口徑深部鉆探和取心，取得了較好的效果，大大減少不必要的水電消耗，縮短施工周期，為以后從事超深部取心設(shè)備機(jī)具的選配提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

云南省騰沖國(guó)家火山地質(zhì)公園位于云南省騰沖縣北部，項(xiàng)目編號(hào)GTZY2011－002，ZK3鉆孔設(shè)計(jì)孔深2000m，實(shí)際孔深1360m（已經(jīng)達(dá)到科研的目的），全孔取心。該孔是我院2012年完成的一口采用大口徑水井鉆井新技術(shù)方法，在沉積凹陷盆地層中成功完成了大口徑深部鉆探和取心，探索出一種高效、低耗的深部快速鉆探技術(shù)方法，取得了較好成效，為沉積地層大口徑深部鉆探工程提供了示范。按設(shè)計(jì)要求，為了節(jié)約上部實(shí)際鉆進(jìn)的工作時(shí)間，快速完成上部的任務(wù)，且不能影響取心，根據(jù)傳統(tǒng)的巖心鉆探通常采用小環(huán)空間隙（2～3mm）金剛石繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合水文地質(zhì)、地?zé)?、石油等鉆探實(shí)現(xiàn)快速鉆井的理念，采用大泵量、高泵壓、適當(dāng)?shù)沫h(huán)空間隙。針對(duì)這種狀況，我們選配了較為合理的鉆機(jī)、取心鉆桿、取心鉆具、取心鉆頭等施工設(shè)備。

2 鉆進(jìn)及鉆具組合

2.1 全面鉆進(jìn)的方法及完井結(jié)構(gòu)

一開、二開、三開和四開為正循環(huán)取心鉆進(jìn)。

其鉆具組合為：

一開（0.00～20m）鉆具組合方案為：

（1）φ152mm金剛石取心鉆頭＋短川6－3取心筒＋φ121mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

（2）然后用擴(kuò)孔鉆具組合：φ300mm擴(kuò)孔錘頭＋FWC250潛孔錘（外徑220mm）＋φ273mm取粉管＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

二開（20～600m）鉆具組合方案為：

（1）φ152mm金剛石取心鉆頭＋加長(zhǎng)川6－3取心筒＋φ121mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

（2）φ250mm 擴(kuò)孔錘頭＋C200潛孔錘（外徑185mm）＋φ219.1mm取粉管＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。在巖心質(zhì)量保證前提下優(yōu)先采用。

（3）φ216mmPDC取心鉆頭＋＋短川8－3取心筒（外徑180mm、取心直徑105φmm）＋C200潛孔錘（外徑185mm）＋φ178mm取粉管＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

（4）最后用擴(kuò)孔鉆具組合：φ250mm擴(kuò)孔錘頭＋C200潛孔錘（外徑185mm）＋φ219.1mm取粉管＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿

三開（600～1210m）鉆具組合采用兩套方案：

（1）φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭＋短川8－3取心筒＋YZX165液動(dòng)潛孔錘＋5LZ156X7Y螺桿＋φ159mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

（2）φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭＋長(zhǎng)川8－3取心筒＋YZX165液動(dòng)潛孔錘＋5LZ156 X7Y螺桿＋φ159mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

四開鉆具組合（1210～2000m）采用兩套方案：

（1）φ152mm金剛石取心鉆頭＋短川6－3取心筒＋YZX127液動(dòng)潛孔錘＋5LZ120X螺桿＋φ121mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

（2）φ200mmPDC鉆頭或金剛石取心鉆頭＋長(zhǎng)川6－3取心筒＋5LZ120螺桿＋φ121mm鉆鋌＋φ89mm鉆桿＋133×133mm主動(dòng)鉆桿。

2.2 井身結(jié)構(gòu)與套管下入程序

由于該井屬于科研勘探和鉆探開發(fā)“探采結(jié)合井”。所以，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、工程和取心特點(diǎn)，將該孔設(shè)計(jì)為四開井身結(jié)構(gòu)（表1）。其中，一開、二開、三開、四開（0～2000m）均為取心鉆進(jìn)段。

表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序

3 施工設(shè)備及機(jī)具選擇

3.1 施工設(shè)備選擇

根據(jù)工程項(xiàng)目的要求、工作的思路并針對(duì)設(shè)備參數(shù)性能特點(diǎn)，選取的主要鉆探設(shè)備包括鉆機(jī)、鉆塔、泥漿泵和固相控制設(shè)備。

3.1.1 GZ－3000型鉆機(jī)

選擇石家莊煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的鉆機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 GZ－3000型鉆機(jī)性能參數(shù)

3.1.2 鉆塔

選擇寶雞通用石油機(jī)械有限公司人字A型鋼架結(jié)構(gòu)鉆塔，其技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鉆塔主要技術(shù)參數(shù)

3.1.3 泥漿泵

泥漿泵配備2臺(tái)，分別為張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BW－1200型泥漿泵（圖1）和青州石油機(jī)械廠有限公司生產(chǎn)的QZ3NB－500型泥漿泵（圖2），其技術(shù)參數(shù)見表4。

圖1 BW－1200型泥漿泵

圖2 QZ3NB－500型泥漿泵

表4 泥漿泵技術(shù)參數(shù)

3.1.4 空氣壓縮機(jī)

空壓機(jī)選用英格索蘭電驅(qū)動(dòng)高壓空氣壓縮機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 RHP825E空壓機(jī)性能參數(shù)

3.1.5 固相控制設(shè)備

固相控制采用三級(jí)固相控制：多極分離的振動(dòng)篩、旋流除砂器以及離心機(jī)。

3.2 鉆桿和鉆具選擇

3.2.1 鉆桿選擇

使用石油φ89mm石油厚壁無細(xì)扣鉆桿；取心階段（0～1360m）使用河北石探機(jī)械制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的加強(qiáng)型φ89mm無細(xì)扣鉆桿，φ73mm石油厚壁無細(xì)扣鉆桿為備用，其參數(shù)見表6。

表6 取心鉆桿規(guī)格特點(diǎn)

3.2.2 取心鉆具選擇

全孔中選用了取心筒、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)潛孔錘、液動(dòng)潛孔錘、PDC合金鉆頭

由于該鉆孔采用較大泵量的泥漿泵，為減少取心鉆具內(nèi)流體阻力，鉆頭類型的選擇對(duì)鉆井速度影響很大，往往由于鉆頭選型不當(dāng)，使得鉆井速度慢、成本高。正確的選擇鉆頭，一方面應(yīng)對(duì)現(xiàn)有鉆頭的結(jié)構(gòu)、工作原理了解清楚；另一方面還應(yīng)對(duì)所鉆地層巖石物理機(jī)械性能有充分認(rèn)識(shí)。鉆頭特性與地層性質(zhì)的合理匹配時(shí)鉆頭選擇的基本出發(fā)點(diǎn)。

3.3 取心鉆進(jìn)鉆頭選型

3.3.1 具體選擇鉆頭時(shí)應(yīng)考慮的因素

淺井段，由于巖石膠結(jié)疏松，宜選擇能取得高鉆速的鉆頭；深井段，由于起下鉆時(shí)間長(zhǎng)，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)3000m鉆深的井，起下鉆時(shí)間占鉆井總時(shí)間的8%，而5000m深的井，起下鉆時(shí)間占鉆井總時(shí)間的16.5%。因此選用能獲得較高進(jìn)尺指標(biāo)的鉆頭；在軟及非研磨性地層，如塑性的沉積巖地層、頁巖、石灰?guī)r和軟砂巖宜選用PDC鉆頭；若出井鉆頭外排齒磨損嚴(yán)重，應(yīng)選用保徑齒鉆頭；對(duì)易產(chǎn)生井斜的地層，選用滑動(dòng)量小，無保徑齒及齒多且齒短的鉆頭；地層巖性主要為頁巖時(shí)，選用楔形齒鑲硬質(zhì)合金鉆頭；地層巖性為灰?guī)r時(shí)，選用拋物體形或雙錐形齒鉆頭；地層巖性為硬的研磨性灰?guī)r、白云巖、燧石、石英時(shí)，選用無移軸或雙錐齒（或球齒形）鉆頭。

3.3.2 鉆頭選型

國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的金剛石取心鉆探工藝需要較高的轉(zhuǎn)速。而對(duì)于水文水井或石油鉆機(jī)，其轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較低，采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)不能滿足鉆頭所需的較高線速度。所以，在以泥頁巖為主的沉積地層，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)宜用底噴式、PDC復(fù)合片鉆頭。

PDC鉆頭（Polycry Stalline Diamond Compact Bit）是將聚晶金剛石復(fù)合片與硬質(zhì)合金齒柱結(jié)合成切削元件鑲裝在鋼體或胎體上，其特點(diǎn)是不需要較高的轉(zhuǎn)速，且成本低、效率高。

而取心鉆進(jìn)全部采用取心主要使用φ152mm、φ200mm、φ216mm PDC 底噴式取心鉆頭（內(nèi)徑φ75mm），生產(chǎn)廠家分別選用了無錫鉆探工具廠和武漢萬邦鉆頭。鉆頭設(shè)計(jì)制造時(shí)注意復(fù)合片全出露（見圖3、4、5）。以便增大過水面積，及時(shí)排渣，達(dá)到提高鉆進(jìn)效率、防止燒鉆事故和非正常損壞、提高鉆頭使用壽命之目的。

圖3

圖4

圖5

根據(jù)不同地層特地點(diǎn)，有針對(duì)性選擇合適的、鉆進(jìn)過程中穩(wěn)定性鉆頭，會(huì)大大提高鉆效，提高進(jìn)尺效果，同時(shí)提高鉆頭使用壽命，提高鉆頭的碎巖能力，滿足快速鉆進(jìn)及取心的要求。

4 結(jié)語

通過在深部沉積地層大口徑取心技術(shù)的試用，取得了以下成果：

（1）在巖心鉆探領(lǐng)域引進(jìn)石油鉆井理念，對(duì)今后深部巖心鉆探工程，針對(duì)不同地層和要求，采用多工藝、復(fù)合鉆探方法，在大口徑超深孔鉆探時(shí)，合理選配施工設(shè)備和鉆井機(jī)具，采用石油鉆井和取心工藝將會(huì)達(dá)到“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短”、高效鉆探之目的。實(shí)踐證明具有安全可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）通過大口徑鉆探取心鉆具和水源鉆機(jī)的組合，在沉積水溶性地層2000m以深實(shí)現(xiàn)了大口徑連續(xù)取心，巖心采取率平均高達(dá)93%，且?guī)r心和鉆孔質(zhì)量均滿足地質(zhì)要求。通過增加鉆具和孔壁的環(huán)空間隙，采用小鉆壓、大泵量、低轉(zhuǎn)速規(guī)程，可以提高鉆井液的上返速度，從而避免了巖屑的重復(fù)破碎，提高鉆探效率。

（4）針對(duì)不同地層和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在復(fù)雜的沉積地層中鉆井取得了較好成效，提升鉆具阻力和埋鉆事故及孔內(nèi)扶正器、停泵時(shí)間、泥漿性能等有關(guān)。

（5）為在孔內(nèi)形成巖屑的體積破碎和提高上返速度，采用“大排量、低轉(zhuǎn)速、小鉆壓”規(guī)程和增加繩索取心內(nèi)外管間隙等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了快速鉆探預(yù)期目標(biāo)。復(fù)雜鉆孔結(jié)構(gòu)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)正常鉆進(jìn)和取心，為今后頁巖氣鉆探、科學(xué)鉆探和深部鉆探工程提供了示范。

（6）更重要的是經(jīng)過多個(gè)鉆探施工項(xiàng)目，在設(shè)備機(jī)具選型中充分考慮低碳發(fā)展的重要性，通過對(duì)施工方式、鉆探技術(shù)工藝創(chuàng)新與合理的應(yīng)用，完全符合當(dāng)前國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的要求，與國(guó)際社會(huì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展相吻合，鼓勵(lì)我們?cè)谠O(shè)備施工使用上不斷改變觀念，在設(shè)備應(yīng)用上多思考節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新、使新技術(shù)、新工藝不斷更新并不斷推廣與應(yīng)用，為“美麗中國(guó)、低碳發(fā)展”增加一點(diǎn)綠色。

［1］張成城，黃紀(jì)馮，梁英津.江蘇鹽田深井繩索取心鉆探技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），1996（5）：28－29.

［2］陳風(fēng)云，谷天本.西平鐵礦深孔繩索取心鉆探技術(shù)應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2010（6）：16－19.

［3］姜光忍，李忠，王獻(xiàn)斌.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應(yīng)對(duì)措施［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009（3）：15－17.

［4］靳紅兵.深部巖鹽取心鉆探技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011（10）：10－12.

［5］胡中立.高強(qiáng)度繩索取心鉆桿接頭［J］.地質(zhì)與勘探，1991（7）：58－60.

［6］王斷梅.繩索取心鉆桿螺紋的數(shù)控車削加工［J］.地質(zhì)與勘探，2000（2）：89－90.

［7］盧予北，吳燁，陳瑩.繩索取心工藝在大口徑深部鉆探中的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)與勘探，2012（6）：1221－1228.