深部成鹽盆地大口徑繩索取心設(shè)備機(jī)具的選配

陳鑫發(fā)，陳 瑩，程存平

(河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

0 引言

小口徑巖心(固體)鉆探廣泛利用繩索取心技術(shù)，效率較高。但當(dāng)鉆孔較深或口徑有特別要求并取心時(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)備則有動(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)。我院在河南省葉舞凹陷鹽礦普查項(xiàng)目中，結(jié)合兩種類型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，采用石油鉆井和繩索取心“二合一”鉆探新技術(shù)，在沉積地層中，采用CHH(T)89 mm繩索取心鉆桿成功完成了一口大口徑深部鉆探和取心鉆孔，取得了較好的效果。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

河南省葉舞凹陷鹽礦普查位于河南省葉縣李莊村西北，項(xiàng)目編號(hào)GTZY2011－002，ZK3鉆孔設(shè)計(jì)孔深2630 m，實(shí)際孔深2386 m，2000 m以深取心。該孔是我院2011年完成的一口采用大口徑石油鉆井和小口徑繩索取心“二合一”鉆探新技術(shù)方法，在沉積凹陷盆地地層中采用CHH(T)89 mm繩索取心鉆桿成功試驗(yàn)完成的大口徑深部鉆探和取心鉆進(jìn)鉆孔，探索出了一種高效、低耗的深部快速鉆探技術(shù)方法，取得了較好的成效，為沉積地層大口徑深部鉆探工程提供了示范。

按設(shè)計(jì)上的要求，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)，且不影響下部取心，根據(jù)傳統(tǒng)的巖心鉆探通常采用小環(huán)空間隙(2～3 mm)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、高泵壓力、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)施工設(shè)備、繩索取心鉆桿、取心鉆具、全面鉆進(jìn)鉆頭及取心鉆頭。

2 鉆進(jìn)及鉆具組合

2.1 井身結(jié)構(gòu)與套管下入程序

由于該井屬于鹽礦勘探和地?zé)豳Y源開發(fā)“探采結(jié)合井”。所以，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、地?zé)峋こ毯屠K索取心特點(diǎn)，將該孔設(shè)計(jì)為四開井身結(jié)構(gòu)，見圖1、表1。其中，一開、二開、三開井段采用全面破碎鉆進(jìn)，四開(1996～2630 m)為繩索取心鉆進(jìn)段。

圖1 井身結(jié)構(gòu)

表1 井身結(jié)構(gòu)及套管程序

2.2 全面鉆進(jìn)的方法及完井結(jié)構(gòu)

一開、二開和三開為正循環(huán)泥漿全面鉆進(jìn)。

其中0～1652 m采用三牙輪全面鉆進(jìn)，泥漿泵分別使用QZ3NB－800和TBW1200/7型。按照表1套管程序下入和固井后，1652～1996 m采用PDC鉆頭全面鉆進(jìn)。

其鉆具組合為:

2.3 取心鉆進(jìn)方法及鉆具組合結(jié)構(gòu)

1996 m以深為四開繩索取心孔段。

圖2 四開繩索取心孔段鉆具組合

因扶正器導(dǎo)致套管磨損及“砂橋”作用，提升鉆具阻力過大，并出現(xiàn)埋鉆事故。所以，在后期試驗(yàn)過程中將繩索取心鉆桿上所有扶正器去掉。

采用傳統(tǒng)的固體礦產(chǎn)巖心鉆探設(shè)備和工藝，將出現(xiàn)設(shè)備能力不足和鉆探難度大等問題。如果采用水文水井或石油鉆井工藝，設(shè)備能力雖然較強(qiáng)，但是，采用硬質(zhì)巖心管提鉆取心將會(huì)增加大量的起下鉆時(shí)間。采用了石油鉆井和89 mm繩索取心“二合一”深部快速鉆探思路，即:上部利用石油鉆井碎巖機(jī)理，選擇“中轉(zhuǎn)速、高泵量、中鉆壓”規(guī)程，采用硬質(zhì)合金或PDC鉆頭全面鉆進(jìn)，使巖石產(chǎn)生體積破碎及時(shí)返出孔內(nèi);下部取心段則將鉆具全部更換為89 mm繩索取心鉆桿(加扶正器)和取心鉆具，采用大環(huán)空、高泵量、低轉(zhuǎn)速、小鉆壓實(shí)現(xiàn)連續(xù)取心，避免孔底重復(fù)破碎，從而實(shí)現(xiàn)快速鉆探的目的。巖心采取率高達(dá)92.4%，且鉆孔孔斜、終孔口徑等均滿足規(guī)范和地質(zhì)要求。

3 施工設(shè)備及機(jī)具、鉆具選擇

3.1 施工設(shè)備選擇及參數(shù)

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

3.1.1 TSJ3000 型鉆機(jī)

選擇石家莊煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的TSJ3000型鉆機(jī)，其技術(shù)參如下:

轉(zhuǎn)速/(r·min－1) 43、63、93、152

給進(jìn)裝置提升能力/kN 600

額定輸出扭矩/(kN·m) 16

孔徑范圍/mm 100～550

給進(jìn)裝置加壓能力/kN 380

3.1.2 鉆塔

選擇四角鋼架結(jié)構(gòu)鉆塔，塔高32 m，承載130 t。

3.1.3 泥漿泵

為了進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，該試驗(yàn)孔同時(shí)選擇了QZ3NB－800型石油鉆井泥漿泵、TBW－1200/7B型水文水井泥漿泵和BW320型巖心鉆探泥漿泵。其中，QZ3NB－800型石油鉆井泥漿泵主要用于全面鉆進(jìn)階段，在取心階段采用3種不同型號(hào)泥漿泵進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，主要了解取心鉆探效率、取心質(zhì)量等情況。

3種泥漿泵性能參數(shù)見表2、表3。

3.1.4 固相控制設(shè)備

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

表2 QZ3NB－800型泥漿泵泵量及泵壓

表3 TBW－1200/7B、BW320型泥漿泵性能參數(shù)

3.2 機(jī)具選擇

3.2.1 鉆桿選擇

表4 繩索取心鉆桿及接頭規(guī)格特點(diǎn)

值得注意的是，深孔鉆探中多數(shù)的鉆桿斷裂和脫扣幾乎都是因?yàn)榻宇^強(qiáng)度和絲扣形式有關(guān)，其中，傳統(tǒng)的鉆桿接頭報(bào)廢率高達(dá)30.5%，即便是采用淬火、低溫回火強(qiáng)化處理后的報(bào)廢率也達(dá)9.7%。為此，近年來出現(xiàn)了錐度特殊的梯形螺紋的接頭，但是，該型接頭在深孔鉆探時(shí)也常出現(xiàn)接頭脫扣和斷裂問題。所以，本孔選擇“不對(duì)稱倒鉤梯形扣螺紋牙型”的接頭進(jìn)行試驗(yàn)(見圖3)。該螺紋負(fù)角度倒鉤防脫扣牙型面，能夠承載更大的抗拉能力，不對(duì)稱梯形螺紋可有效地優(yōu)化螺紋承載面與非承載面的受力形式。

圖3 不對(duì)稱倒鉤梯形扣螺紋牙型

3.2.2 繩索取心鉆具選擇及改進(jìn)

由于該鉆孔采用較大泵量的泥漿泵，為減少繩索取心鉆具內(nèi)流體阻力，在S95－SF雙彈卡繩索取心鉆具基礎(chǔ)上增加了外管直徑，使內(nèi)外管環(huán)空間隙增加(原間隙3 mm，改非標(biāo)后間隙11 mm)。其參數(shù)為:外管直徑為108 mm，內(nèi)管外徑為73 mm，取心實(shí)際直徑63 mm(見表5)。圖4為S95－SF取心鉆具雙管總成結(jié)構(gòu)圖。

表5 繩索取心鉆具雙管總成改造前后技術(shù)參數(shù) /mm

圖4 S95－SF取心鉆具雙管總成結(jié)構(gòu)圖

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)的合理匹配是鉆頭選擇的基本出發(fā)點(diǎn)。

3.3 鉆頭選型

3.3.1 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)，鉆3000 m深的井，起下鉆時(shí)間占鉆井總時(shí)間的8%，而5000 m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;選用鑲硬質(zhì)合金齒鉆頭時(shí)，地層巖性主要為頁巖時(shí)選用楔形齒鉆頭，地層巖性為灰?guī)r時(shí)選用拋物體形或雙錐形齒，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 鉆頭選型方法

鉆頭選型有成本法，比能法，三步法，優(yōu)化鉆頭組合線法等，這些方法的目標(biāo)都是以成本作為導(dǎo)向的，本項(xiàng)目采用三步法進(jìn)行鉆頭選型。

第一步:根據(jù)區(qū)域地層巖性特征(硬度、塑性、研磨性、可鉆性)初選與地層巖性相適應(yīng)的鉆頭。

第二步:由初選的鉆頭類型(可能是一種，也可能是多種型號(hào)的鉆頭)，根據(jù)鉆井工藝技術(shù)條件，并參考已鉆井的鉆頭資料，評(píng)選鉆進(jìn)進(jìn)尺高，機(jī)械鉆速高，純鉆時(shí)間長(zhǎng)的鉆頭類型。

第三步:用直接成本方程計(jì)算第二步評(píng)選出的鉆頭成本，則最終選用成本最低的鉆頭。成本方程表述式為:

式中:C——每米成本，元/m;Be——鉆頭成本，元;Re——鉆機(jī)運(yùn)行費(fèi)，元/h;Tb——純鉆進(jìn)時(shí)間，h;Tr——輔助工作時(shí)間，h;F——進(jìn)尺，m。

綜合鉆進(jìn)情況，將數(shù)據(jù)代入公式(1)得到C=130元/m。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟的金剛石取心鉆探工藝，它需要較高的轉(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)不能滿足鉆頭較高的線速度。所以，在以泥頁巖為主的沉積地層，設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)易用底噴式、PDC復(fù)合片鉆頭。

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

為此，針對(duì)該地區(qū)地層構(gòu)造特點(diǎn)、項(xiàng)目取心工藝要求及綜合成本等因素，全面破碎鉆進(jìn)2000 m以內(nèi)，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)不同選用江漢出廠的原代號(hào)為ZR淡藍(lán)型相應(yīng)規(guī)格的三牙輪鉆頭(見圖5)。而取心鉆進(jìn)全部采用120 mm PDC鉆頭(內(nèi)徑65 mm)，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6)，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。根據(jù)不同地層特點(diǎn)，有針對(duì)性地選擇合適的、鉆進(jìn)過程中穩(wěn)定性的鉆頭，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。

圖5 全面鉆進(jìn)三牙輪鉆頭外形圖

圖6 120 mm PDC取心鉆頭外形圖

4 結(jié)語

通過在深部沉積地層大口徑繩索取心技術(shù)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)具采用石油鉆井和繩索取心“二合一”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，本文所闡述的方法具有安全可靠、勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

(2)通過巖心鉆探繩索取心鉆具和水源鉆機(jī)的組合，在沉積水溶性地層2000 m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，提高了鉆探效率。

(3)通過理論計(jì)算、井徑變化和3種泥漿泵的鉆進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)，分析研究了鉆探效率問題和影響鉆速的主要原因。鉆效與泥漿泵的排量(鉆井液上返速度)和鉆孔直徑密切相關(guān)，采用大排量泥漿泵可以大大提高鉆探效率。

(4)針對(duì)不同地層和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)沉積復(fù)雜地層鉆井取得了較好成效。提升鉆具阻力大和埋鉆事故與孔內(nèi)扶正器、停泵時(shí)間長(zhǎng)、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)。

(6)對(duì)繩索取心鉆桿強(qiáng)度、鉆具穩(wěn)定性和扶正器使用提出了新的看法和意見。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在沉積地層中使用扶正器易造成鉆具阻力過大和“砂橋”埋鉆事故;在回轉(zhuǎn)速度43～93 r/min較低轉(zhuǎn)速下，去掉鉆桿扶正器后，繩索取心鉆桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性能夠滿足2400 m以內(nèi)鉆探的安全性。高強(qiáng)度CHH(T)89 mm繩索取心鉆桿和接頭連接方式，在環(huán)空間隙高達(dá)28.65～150.9 mm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，并且在鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)鉆桿和接頭斷裂事故，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。

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