KT178 型取心鉆具在共和干熱巖鉆井中的應(yīng)用

張恒春，王穩(wěn)石，李 寬，王躍偉，閆 家，曹龍龍，胡 晨，2

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京100037）

1 地層情況

共和盆地位于西秦嶺造山帶西端、青海省東中部，隸屬于青海省海南藏族自治州，南北寬90 km、東西長 210 km，總面積 21186 km2，海拔 3000 m 左右［1-2］。共和盆地地處多個造山帶（西秦嶺、東昆侖、祁連）和塊體（柴達(dá)木和歐龍布魯克）交接轉(zhuǎn)換的重要結(jié)點(diǎn)地區(qū)，經(jīng)歷了早古生代-晚古生代的裂谷坳陷與中生代以來的陸內(nèi)構(gòu)造演化2 個階段，是我國干熱巖資源分布的重要區(qū)域之一［3-4］。共和盆地干熱巖勘查工作始于2011 年，測算本地區(qū)地溫梯度為5.42～5.81 ℃/100 m，明顯高于全球平均地溫梯度。2014 年，共和 DR3 井在井深 2927 m 鉆獲 181 ℃干熱巖；2017 年，GR1 井在井深 3705 m，鉆獲 236 ℃干熱巖；2019 年，GH-01 井在井深 4002 m，鉆獲 212.3 ℃干熱巖，均證明該地區(qū)具有良好的干熱巖勘探開發(fā)前景［5-7］。根據(jù)共和盆地近年鉆探資料，其地層分布如表 1 所示［8-9］。

表1 共和盆地巖性特征Table 1 Lithology at Gonghe Basin

干熱巖的最新定義為內(nèi)部不存在或僅存在少量流體，溫度高于180 ℃的異常高溫巖體。共和盆地干熱巖埋藏深度基本穩(wěn)定，溫度達(dá)180 ℃的干熱巖埋深基本在3000～3200 m，巖性以花崗巖、黑云母二長花崗巖為主。區(qū)域內(nèi)花崗巖地層裂隙較發(fā)育，研磨性強(qiáng)，硬度高，巖石單軸抗壓強(qiáng)度在180～275 MPa 之間，可鉆性差［10-13］。區(qū)域內(nèi)干熱巖勘探井以點(diǎn)取心為主，取心井徑大多設(shè)計為152 mm，即使在完鉆井徑為216 mm 井眼，也大多采用“小徑取心，大徑擴(kuò)眼”的方式完成取心工作，大直徑同徑取心技術(shù)應(yīng)用較少［14-15］。

2 鉆具設(shè)計

頁巖氣、地?zé)岬确浅Ｒ?guī)能源勘探大多以大口徑（完鉆井眼直徑215.9 mm）鉆井為主，取心設(shè)計通常為每間隔100～200 m 取一次巖心。該類鉆井工程的主要工作量為全面鉆進(jìn)，以三牙輪鉆頭或PDC 鉆頭為主要碎巖工具，相較于金剛石鉆頭，鉆出井眼不規(guī)則，使用配套整圓取心鉆頭的大直徑取心鉆具常有下鉆不通暢現(xiàn)象。KT178 型取心鉆具是針對上述工程特點(diǎn)研制的一種新型取心工具，是對KT系列取心鉆具的補(bǔ)充。KT 系列取心鉆具是我國大陸科學(xué)鉆探（包括科鉆一井、汶川科鉆、松科一井、松科二井等）廣泛使用的取心工具，累計取心進(jìn)尺超萬米，在?215.9 mm 井眼常用KT194 型取心鉆具。比較KT194 型取心鉆具，KT178 型鉆具外徑更細(xì)，且不使用上下擴(kuò)孔器，具有更好的通過性。同時，秉承KT 系列取心鉆具結(jié)構(gòu)簡單、可靠高效的特點(diǎn)，為單動雙管取心鉆具，主要由懸掛總成、外管、巖心管、卡簧、鉆頭等幾部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KT178 型取心鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of KT178 coring tool

2.1 技術(shù)參數(shù)

取心鉆具內(nèi)外筒采用等長結(jié)構(gòu)，每根長度2～10 m，現(xiàn)場可根據(jù)需要組合成單筒、雙筒、多筒取心鉆具，技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 KT178 型取心鉆具技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of KT178 coring tool

2.2 配套鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

在共和恰卜恰干熱巖勘探工程中，取心井段被設(shè)計在破碎地層，以便更直觀地了解干熱巖地層破碎帶裂隙發(fā)育情況。針對破碎、堅硬等地層情況，鉆頭設(shè)計為底噴式孕鑲金剛石鉆頭，同時為防止鉆頭水眼堵塞，部分水眼設(shè)計為側(cè)開式，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。鉆頭胎體金剛石粒度40～60 目、濃度100%、胎體硬度HRC40～42，內(nèi)外聚晶保徑。鉆頭實物如圖3 所示。

圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Coring bit structure

2.3 外管強(qiáng)度校核

取心鉆具薄弱部件為外管，設(shè)計中外管所用材料最低抗拉強(qiáng)度860 MPa，抗剪強(qiáng)度341 MPa，其抗拉和抗扭能力可根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)公式核算。

圖3 鉆頭實物Fig.3 Actual Bit

抗拉公式：

式中：P——拉力，N；A——管材截面積，mm2；σb——管材抗拉強(qiáng)度，MPa；D——管材外徑，mm；d——管材內(nèi)徑，mm。

抗扭公式：

式中：T——扭矩，10-3N·m；Wp——抗扭截面模數(shù)，mm3；τp——抗剪強(qiáng)度，MPa。

外管外徑178 mm、壁厚13 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管最大抗拉5790 kN、最大抗扭176 kN·m。外管螺紋凈壁厚8 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管螺紋管壁最大抗拉4760 kN，最大抗扭118 kN·m。取心鉆具正常工作的情況下，拔斷巖心時外管所受拉力最大，拔斷巖心所需拉力可表示為：

式中：Fy——拔斷巖心所需拉力，N；Ay——巖心截面積，mm2；σy——巖心抗拉強(qiáng)度，MPa。

設(shè)計巖心直徑為110 mm，一般巖石抗拉強(qiáng)度≯36 MPa［16］，代入公式（3）可得Fy最大為 340 kN；另外，石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）最大工作扭矩一般不大于101.4 kN·m，取心鉆具井底正常工作時，扭矩更小，因此外管強(qiáng)度滿足正常工作要求。

2.4 卡簧擠毀校核

上提鉆具拔斷巖心時，卡簧在巖心和卡簧座的復(fù)合作用下，受力較為復(fù)雜，對受力情況進(jìn)行簡化、整理后，卡簧受力如圖4 所示。其中α為卡簧外錐面錐度?？ɑ沙茏陨碇亓外，還受到巖心對卡簧的側(cè)向壓力F1、卡簧和卡簧座間的摩擦力Ff、巖心對卡簧的軸向摩擦力F2、卡簧座對卡簧的法向正壓力Fn。

圖4 卡簧受力示意Fig.4 Force diagram of the core catcher

由圖4 可知：

式中：μ——卡簧與卡簧間的摩擦系數(shù)，取0.11；Sy——巖心橫截面積，mm2；σy——巖心抗拉強(qiáng)度，取36 MPa。

由式（4）、（5）、（6）、（7）可知：

因卡簧座與卡簧的接觸面積遠(yuǎn)大于巖心與卡簧的接觸面積，這里只校核F1對卡簧的破壞作用，F(xiàn)1作用到卡簧上的應(yīng)力為：

式中：σk——卡簧在F1作用下所受應(yīng)力，MPa；Ay——巖心與卡簧的接觸面積，mm2。

把巖心強(qiáng)度和卡簧結(jié)構(gòu)參數(shù)代入公式（10）可得計算結(jié)果如表3 所示。從表中可以看出拔斷巖心時鉆具卡簧所受最大應(yīng)力為356.34 MPa，小于其材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

表3 卡簧校核Table 3 Calibration of the core catcher

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 GH-01 井試驗應(yīng)用

2019 年，KT178 型取心鉆具首先在共和干熱巖GH-01 井進(jìn)行試驗性應(yīng)用。該井完鉆井深4002.88 m，試驗井段為3000～3800 m。該段地層巖性以淺灰、灰白色花崗閃長巖為主，并常見淺肉紅二長花崗巖，地層破碎，研磨性高。鉆具試驗井眼及鉆進(jìn)參數(shù)如下：

井眼直徑：215.9 mm

裸眼段長：1500～2300 m

驅(qū)動方式：地面轉(zhuǎn)盤驅(qū)動

鉆具組合：KT178 型取心鉆具+?165 mm 鉆鋌+?127 mm 加重鉆桿+?127 mm 鉆桿

轉(zhuǎn)速：55 r/min

鉆壓：20～80 kN

排量：30 L/s

KT178 型取心鉆具在該井段共入井試驗4 個回次，進(jìn)尺13 m，僅第3 個回次在3528～3532 m 井段，進(jìn)尺4.00 m，獲取巖心3.35 m，采取率84%，巖心發(fā)育近水平向的裂隙，且?guī)r心沿裂隙斷開，整體較為破碎。其它回次均未能獲得巖心，且鉆頭存在不同程度的開裂、變形等非正常損壞（如圖5 所示）。分析認(rèn)為取心失敗的原因如下：

圖5 鉆頭開裂Fig.5 Cracks in the core bit

（1）鉆頭剛體開裂、變形導(dǎo)致取心鉆頭內(nèi)圓變形，鉆取的巖心直徑小于卡簧完全收縮時的內(nèi)徑，卡簧不能卡取巖心。

（2）地面轉(zhuǎn)盤驅(qū)動取心鉆具，轉(zhuǎn)速低，機(jī)械鉆速很慢，同時鉆頭內(nèi)保徑較長，內(nèi)保徑長時間研磨巖心，消耗巖心直徑，導(dǎo)致卡簧完全收縮也不能卡取巖心。

（3）取心鉆具未設(shè)計上下擴(kuò)孔器，地面轉(zhuǎn)盤驅(qū)動時鉆頭在孔底存在渦動現(xiàn)象，鉆頭渦動同樣消耗巖心直徑，使巖心直徑變小。

（4）巖心整體較為破碎，進(jìn)入取心筒內(nèi)巖心多為塊狀及顆粒狀，卡簧自身無法抓住巖心或在起鉆過程中丟心。

3.2 GH-02 井現(xiàn)場應(yīng)用

在2019 年試驗的基礎(chǔ)上，改進(jìn)鉆頭剛體結(jié)構(gòu)，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止鉆頭變形；其次改單卡簧結(jié)構(gòu)為雙卡簧結(jié)構(gòu)，提高卡簧卡取巖心的可靠性。鉆具優(yōu)化后在共和干熱巖GH-02 井現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用，井眼及鉆進(jìn)參數(shù)如下：

井眼直徑：215.9 mm

裸眼段長：180 m

驅(qū)動方式：地面轉(zhuǎn)盤驅(qū)動+螺桿鉆具

鉆具組合：KT178 型取心鉆具+?172 mm 直螺桿+?178 mm 鉆鋌+?172 mm 鉆鋌+?114 mm 加重鉆桿+?127 mm 鉆桿

轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)盤55 r/min+螺桿轉(zhuǎn)速

鉆壓：5～40 kN

排量：30 L/s

本次取心設(shè)計在破碎地層，為防止鉆井液沖刷巖心，采取投球取心的方式進(jìn)行取心鉆進(jìn)。在1690～1691.64 m 井段，取心鉆進(jìn)1.64 m，因設(shè)備異常提鉆，獲取巖心1.24 m，巖心采取率75.61%。巖心整體較完整（見圖6），為地層巖石應(yīng)力、物理性質(zhì)測試提供了實物樣本。巖心柱上端直徑磨損至102 mm，可見孔底消耗巖心直徑之嚴(yán)重。

圖6 獲取的巖心Fig.6 Cores obtained

4 結(jié)語

（1）在硬巖地層，大鉆壓工況下，對鉆頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，在鉆頭設(shè)計時應(yīng)特別加強(qiáng)鉆頭剛體的整體強(qiáng)度。

（2）在干熱巖地層，地面驅(qū)動（轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)）+井底動力鉆具的復(fù)合鉆進(jìn)方式，是一種有效的取心鉆進(jìn)方法，提高機(jī)械鉆速的同時，減少巖心直徑的磨損，提高取心成功率。

（3）改進(jìn)后，KT178 型取心鉆具逐漸成熟，滿足以干熱巖地層為代表的堅硬、破碎地層的取心需求，同時具備了向頁巖氣、水資源勘察等具有間斷取心需求的同類工程推廣應(yīng)用的條件。