深海硬巖連續(xù)取心鉆頭的研制

王艷麗，尹獻(xiàn)濤，殷國(guó)樂，陳浩文，王林清，封優(yōu)生，許劉萬

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.廊坊聚力勘探科技有限公司，河北 廊坊 065000；3.邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司，河北 邯鄲 056000）

0 引言

深海硬巖取心鉆探采用的主要方法是提鉆取心技術(shù)、繩索取心技術(shù)［1-3］。回次鉆進(jìn)結(jié)束后，提鉆取心技術(shù)需將孔內(nèi)全部鉆具提出鉆孔，拆卸巖心管獲取巖心；繩索取心技術(shù)需將巖心管從鉆桿柱中心打撈至鉆臺(tái)平面，與提鉆取心相比，減少了頻繁提下鉆，但用于投放、打撈內(nèi)管總成的輔助時(shí)間長(zhǎng)，總體鉆井效率低。鉆遇裂隙、溶洞發(fā)育地層，泥漿循環(huán)很難建立，會(huì)導(dǎo)致大量巖屑堆積孔底，易發(fā)生埋鉆、卡鉆事故。

氣舉反循環(huán)鉆井技術(shù)，自20 世紀(jì)70 年代引進(jìn)我國(guó)后逐漸發(fā)展成熟，已廣泛應(yīng)用于地?zé)峋⒌V山送料孔、大口徑工程井等領(lǐng)域［4-7］。氣舉反循環(huán)鉆桿柱由上部的雙壁鉆桿和下部的單壁鉆桿、鉆鋌組成，高壓空氣通過雙壁鉆具環(huán)隙壓入末端雙壁鉆桿的中心通道內(nèi)，高壓氣體的注入使得鉆桿柱中心上部流體密度低于下部和環(huán)空，依靠鉆桿柱內(nèi)外密度差將巖心（樣）抽吸至巖心（樣）收集系統(tǒng)。鉆遇裂隙、溶洞地層漏失對(duì)氣舉反循環(huán)過程的建立影響很小；抽吸作用減小了孔底巖屑的壓持效應(yīng)，可減少井底巖屑的重復(fù)破碎，提高鉆井效率；巖心（樣）隨氣液流上返能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)鉆井。

依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“深海鉆探技術(shù)與工程支撐（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所）”，根據(jù)深海鉆探硬巖取心技術(shù)需求，結(jié)合氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出氣舉反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)在陸地鉆井應(yīng)用中，多數(shù)鉆孔為生產(chǎn)應(yīng)用井不需取心作業(yè)，使用全面鉆進(jìn)鉆頭，針對(duì)深海硬巖連續(xù)取心鉆進(jìn)需研制專用的鉆頭。

1 深海取心鉆探的技術(shù)特點(diǎn)

（1）巖屑循環(huán)上返不徹底：在一定水深范圍內(nèi)的取心鉆探可使用隔水管系統(tǒng)，建立海底井口與鉆井船之間的泥漿往返通道及支持其他器具的下放和撤回。常用的隔水管尺寸為30、36 in（1 in＝25.4 mm，下同），由隔水管內(nèi)徑和鉆具外徑建立的環(huán)空面積大，不利于巖屑的上返。受鉆井深度、水深、材料自身性能、船載能力的限制，隔水管系統(tǒng)不能無限深度地使用。日本“地球號(hào)”是一艘特大型“隔水管”鉆探船，可在水深4000 m 的海底鉆進(jìn)7000 m，但配套的隔水管也僅有2300 m［8-10］。在無法使用隔水管系統(tǒng)的深海鉆探中，循環(huán)泥漿直接排放到海底，泥漿使用量巨大，井口位置堆積有大量的巖屑。

（2）鉆頭回轉(zhuǎn)速度低：在不使用隔水管系統(tǒng)的情況下，海床至海平面之間的鉆桿柱無實(shí)際鉆孔的限制，過高的轉(zhuǎn)速會(huì)使鉆桿柱承受各種復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變，且傳導(dǎo)至鉆頭的扭矩大量削減，限制了鉆頭的轉(zhuǎn)速。

（3）深海鉆井地層多變，復(fù)雜地層取心效率低：海洋鉆探遇到的地層十分復(fù)雜，有松軟的沉積層、堅(jiān)硬的基巖、軟硬交替地層、破碎地層。鉆頭應(yīng)能滿足多種地層的鉆進(jìn)需求，減少因地層變化提鉆更換鉆頭的次數(shù)，提高鉆井效率。鉆遇硬巖漏失地層時(shí)，處理手段有限，巖屑排出鉆孔難度大，易發(fā)生孔內(nèi)事故。不使用隔水管的情況下無法獲得鉆井巖屑，復(fù)雜地層巖心采取率低、地層信息易丟失。

2 鉆頭設(shè)計(jì)

對(duì)已實(shí)施的國(guó)際大洋科學(xué)鉆探工程進(jìn)行調(diào)研，深海鉆探硬巖主要為堅(jiān)硬的沉積巖或火成巖地層，廣泛使用的鉆頭類型是牙輪鉆頭，牙輪鉆頭地層適應(yīng)范圍廣、鉆進(jìn)效率高、壽命長(zhǎng)［11-13］。為適應(yīng)深海多變硬巖地層，深海硬巖連續(xù)取心技術(shù)亦使用牙輪鉆頭，并在陸地鉆井中的硬巖地層開展應(yīng)用試驗(yàn)。地?zé)峋@遇的硬巖地層主要有沉積巖（泥巖、砂巖、灰?guī)r）、火成巖（花崗巖）等，灰?guī)r地層是地?zé)峋哪繕?biāo)層位，裂隙、溶洞發(fā)育，地?zé)峋貙訋r性與深海硬巖有一定的相似性；地?zé)峋亩_、三開井徑為12?、8? in，與深海硬巖鉆探口徑接近。基于以上原因，選擇地?zé)峋_、三開井段進(jìn)行深海硬巖連續(xù)取心鉆頭的試驗(yàn)，在今后深海取心鉆井工程應(yīng)用中根據(jù)具體口徑再設(shè)計(jì)相應(yīng)的規(guī)格。

2.1 牙輪掌的選型

深海硬巖連續(xù)取心鉆頭采用成熟的石油牙輪鉆頭掌，根據(jù)鉆遇的地層選擇齒形，軟至中軟選用勺形齒，中硬、破碎地層選擇錐勺形與邊楔形齒，研磨性高的硬巖地層適用圓錐形與楔形齒，高研磨堅(jiān)硬地層如玄武巖選用球形與尖卵形齒［14-15］。選用的牙掌采用滑動(dòng)軸承、復(fù)合密封，提高鉆頭使用壽命。

2.2 扣型及中心通孔設(shè)計(jì)

三牙輪鉆頭扣型設(shè)計(jì)一般為公扣，絲扣端中心通孔直徑小，無法滿足取心鉆頭的設(shè)計(jì)要求。連續(xù)取心鉆頭扣型設(shè)計(jì)為母扣，在保證扣的強(qiáng)度情況下盡可能設(shè)計(jì)大通孔，確保巖心、巖屑、循環(huán)介質(zhì)的順利上返。in 連續(xù)取心鉆頭具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 連續(xù)取心鉆頭參數(shù)Table 1 Parameters of the continuous coring bit

2.3 牙輪布掌

連續(xù)取心鉆頭設(shè)計(jì)為4 個(gè)牙輪掌按圓周90°分布，硬質(zhì)合金齒相互嚙合；牙輪掌與鉆頭體焊接固定，牙輪掌布置見圖1、圖2。四牙輪結(jié)構(gòu)牙輪掌轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，有利于巖心的保護(hù)，鉆井形成的斷面較規(guī)則，為鉆孔完成后套管的下入提供較好的孔壁條件。

圖1 連續(xù)取心鉆頭牙輪掌布置Fig.1 Cone arrangement

2.4 巖心卡斷器

在鉆頭的中心通道內(nèi)設(shè)置巖心卡斷器，實(shí)現(xiàn)巖心的定長(zhǎng)卡斷，避免超過一定長(zhǎng)度的巖心卡阻在巖心上返通道內(nèi)。巖心卡斷器由本體及球形硬質(zhì)合金組成，通過焊接的方式將卡斷器固定在鉆頭體上。巖心卡斷器中心與牙輪掌中心支點(diǎn)的距離為巖心設(shè)計(jì)長(zhǎng)度；鉆取的巖心與卡斷器球形硬質(zhì)合金最前端發(fā)生干涉受阻后折斷。

深海硬巖連續(xù)取心鉆頭結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 連續(xù)取心鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the continuous coring bit

3 試驗(yàn)與分析

3.1 模擬試驗(yàn)

按設(shè)計(jì)方案試制加工鉆頭，先通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證鉆頭基本功能。定制單軸抗壓強(qiáng)度為130 MPa 的花崗巖塊模擬深海硬巖地層，巖塊尺寸為2 m×2 m×2.3 m，埋置在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)。因巖塊埋置較淺不能建立氣舉反循環(huán)過程，采用SDC-1000 型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)配備正循環(huán)泥漿工藝開展模擬試驗(yàn)。

3.1.1試驗(yàn)鉆頭規(guī)格

圖3 8? in 連續(xù)取心鉆頭Fig.3 8?in continuous coring bit

3.1.2鉆具組合

3.1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程分為3 個(gè)回次，試驗(yàn)具體數(shù)據(jù)見表2，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖4。

表2 連續(xù)取心鉆頭模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Simulation test data of the continuous coring bit

圖4 模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Simulation test site

3.1.4試驗(yàn)情況

（1）試驗(yàn)巖塊表面無導(dǎo)孔，12?、8? in 鉆頭均先使用較低的轉(zhuǎn)速、鉆壓鉆進(jìn)一段距離，形成一定深度的導(dǎo)孔后再開始試驗(yàn)鉆進(jìn)。

圖5 試驗(yàn)形成的鉆孔及未折斷的巖心Fig.5 Test drilled hole with the residual core

3.1.5試驗(yàn)分析

氣舉反循環(huán)連續(xù)取心鉆頭的模擬試驗(yàn)，初步驗(yàn)證研制的鉆頭可在花崗巖硬地層鉆進(jìn)。正循環(huán)鉆井泥漿將斷掉的巖心沖至牙輪掌中間再次破碎，僅8? in 鉆頭鉆獲一段巖心，巖心尺寸與設(shè)計(jì)尺寸一致。模擬試驗(yàn)的加壓條件、巖石性質(zhì)、鉆具配置與實(shí)際應(yīng)用有很大差別，硬巖連續(xù)取心鉆頭的性能還需進(jìn)行野外應(yīng)用試驗(yàn)。

3.2 野外應(yīng)用試驗(yàn)

氣舉反循環(huán)連續(xù)取心技術(shù)將巖心巖屑抽吸至地表，同時(shí)對(duì)孔壁也會(huì)有抽吸作用，因此野外應(yīng)用試驗(yàn)選擇在地?zé)峋矌r地層進(jìn)行。試驗(yàn)配備設(shè)備需滿足大通徑鉆具提升、回轉(zhuǎn)的要求。邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司在江蘇宜興施工的一口地?zé)峋O(shè)計(jì)孔深為2000 m，終孔直徑in。二開（in，設(shè)計(jì)深度300～1000 m）地層以灰?guī)r、砂巖為主，三開（in、設(shè)計(jì)深度1000～2000 m）地層以灰?guī)r、砂巖為主。配備的設(shè)備有ZJ20 型鉆機(jī)、3NB-800 型泥漿泵、LG.WF-12.5/150 型空壓機(jī)等。綜合分析該口地?zé)峋牡貙忧闆r、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備配置，均能滿足連續(xù)取心的試驗(yàn)需求。在邯鄲市偉業(yè)地?zé)衢_發(fā)有限公司的大力支持下，在二開、三開井段開展了連續(xù)取心試驗(yàn)（見圖6，表3、4）。

圖6 12? in 連續(xù)取心鉆頭下井試驗(yàn)Fig.6 RIH of 12?in continuous coring bit for test

表3 in 連續(xù)取心鉆頭地?zé)峋囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data of 12?in continuous coring bit drilling in the geothermal well

表3 in 連續(xù)取心鉆頭地?zé)峋囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Test data of 12?in continuous coring bit drilling in the geothermal well

表4 in 連續(xù)取心鉆頭地?zé)峋囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of in continuous coring bit drilling in the geothermal well

表4 in 連續(xù)取心鉆頭地?zé)峋囼?yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Test data of in continuous coring bit drilling in the geothermal well

（1）研制的連續(xù)取心鉆頭可在軟地層、硬地層、弱膠結(jié)地層鉆取巖心，鉆取的巖心尺寸滿足反循環(huán)上返的要求。

圖7 水泥巖心Fig.7 Cement core

圖8 灰?guī)r地層巖心Fig.8 Limestone core

圖9 砂巖地層巖心Fig.9 Sandstone core

（3）在486～496 m 井段共獲取8.32 m 巖心，取心率為83.20%；在1286.74～1289.12 m 井段獲取巖心2.06 m，取心率為86.55%。據(jù)統(tǒng)計(jì)大洋科學(xué)鉆探平均取心率為62.2%，硬巖鉆進(jìn)的取心率更低，平均取心率僅為40.8%［1-3］。氣舉反循環(huán)連續(xù)取心野外試驗(yàn)硬巖取心率高于大洋科學(xué)鉆探。

4 結(jié)論與建議

（1）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的深海硬巖連續(xù)取心鉆頭，能夠在軟硬巖地層中鉆取、卡斷巖心，獲取的巖心可隨循環(huán)介質(zhì)連續(xù)上返，滿足工藝技術(shù)的需求。

（2）在鉆具合理配置的情況下，深海硬巖連續(xù)取心鉆頭鉆井效率與正循環(huán)三牙輪鉆頭相當(dāng)；鉆井取心過程輔助時(shí)間短；形成的鉆孔質(zhì)量好，為套管的下放創(chuàng)造了良好的孔壁條件。

（3）在試驗(yàn)的灰?guī)r地層、砂巖地層取心率均可達(dá)到80%以上，高于大洋科學(xué)鉆探統(tǒng)計(jì)硬巖取心率。陸地試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)尺少，且陸地試驗(yàn)地層、設(shè)備配置等與實(shí)際海洋鉆井有一定的差距，還需在海洋鉆井中進(jìn)一步驗(yàn)證。

（4）深海硬巖連續(xù)取心鉆頭對(duì)巖層適應(yīng)性好，可應(yīng)對(duì)軟硬地層的轉(zhuǎn)換，減少因地層變換而提鉆更換鉆頭的次數(shù)，提高鉆井效率，可為海洋取心鉆井提供技術(shù)支撐。