大口径硬岩钻探技术在中国大陆科学钻探工程中的应用_图文

2003 年第 1 期             探 矿 工 程

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大口径硬岩钻探技术在中国大陆科学钻探工程中的应用

张晓西, 杨甘生, 朱永宜(主笔), 谢文卫
(中国地质科学院勘探技术研究所,河北 廊坊 065000)
摘 要:阐述了勘探技术研究所大口径牙轮钻头全面钻进技术和金刚石提钻取心、液动锤钻进技术在中国大陆科 学钻探工程科钻一井先导孔中的应用。 关键词:中国大陆科学钻探工程;科钻一井;勘探所;大口径硬岩钻探 中图分类号:P634  文献标识码:B  文章编号:1000 -3746(2003)01 -0023 -05

  我所是国内全行业建所最早、规模最大的勘探 技术研究所,经过 45 年的勤奋科研和技术接力,在 不断推出高质量钻探科研成果的同时,也培养了一 批既可从事技术研究,又具现场施工经验的工程技 术人员。 面对全球地学界为之瞩目的中国大陆科学 钻探工程( CCSD),我所理所当然地应积极投身于 其中,发挥自己的作用、做出自己的贡献。 这不仅是 现任所领导和技术人员的愿望,也是 CCSD 决策者 和高层次钻探专家们的期待。 实践证明,在 CCSD 制定的“ 金刚石岩心钻探技术与石油钻井技术相结 合”的技术路线下,我所没有辜负众望,45 年来练就 的钻探设计与实践能力在 CCSD 科钻一井这个大舞 台上得到了充分的发挥和体现。
大陆科学钻探工程,既不同于地勘行业驾轻就 熟的小口径金刚石岩心钻探,也不同于石油行业发 展迅速的油 田 钻 井, 而 是 这 两 门 学 科 的 优 化 结 合。 在学科交叉渗透的汇聚点上,任何一项专门技术都 有一个探索、适应、完善和发展的过程。 无庸讳言, 我所曾引为骄傲的大口径牙轮钻头全面钻进技术和 小口径金刚石岩心钻探技术,在 CCSD 科钻一井先 导孔“ 硬岩层、大口径” 这一迥异于以往的应用环境 中,同样是在 逐 渐 深 化 认 识、 经 历 脱 胎 换 骨 的 阵 痛 后,才提高了对新环境的适应性,从而使应用水平上 升到新的高度。
1 大口径牙轮钻头全面钻进技术 1.1 一开作业的技术难点

一开钻进是整个 CCSD 5000 m 钻孔后续钻进 能否正常、顺利施工的前提和基础,其技术难点是:
(1) 开孔即为超高压结晶变质岩,岩石可钻性 级别 7 ~9 级;
(2)孔眼直径大,棔445 mm 钻头需全面钻进至 100 m 完钻;
(3) 浅孔钻进加不上合适重量的钻铤,而石油 钻机无加压装置,必要的碎岩压力无法保证;
(4) 标准石油钻具在浅孔段难以实现有利于防 止孔斜的钻具组合,而施工区域的钻孔自然弯曲趋 势非常强烈,CCSD 2 号预先导孔孔深 80 m 时孔斜 即达 4畅4°。 1.2 一开钻进的技术配套 1.2.1 加重短钻铤的研制与应用
针对一开钻进的技术难点, CCSD 现场指挥部根据实际情 况与施工条件, 及时修改工程 设计,制定相应技术措施,大胆 创新, 提 出 用 灌 铅 加 重 的 方 法 研制大直径加重短钻铤, 这样 既可解决浅孔段加压问题, 又 可解决钻具扶正导向、 控制孔 斜的问 题。 根据这一思 路, 我 所研制加工了如图 1 所示结构 的钻铤。 钻铤外径 420 mm、长 图 1 加重钻铤示意图 4畅5 m, 单位重 力 约 13 kN /m。 即使开孔钻进,9 m 高的钻台加 2 根钻铤,钻具重力

 收稿日期:2002 -12 -17  作者简介:张晓西(1956 -) ,河南人,中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师,中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部副总工程 师,探矿工程专业,从事中国大陆科学钻探工程工作,河北省廊坊市金光道 77 号;杨甘生(1963 -) ,湖南人,中国地质科学院勘探技术研究所教 授级高级工程师,中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部钻探技术室主任,探矿工程专业,从事中国 大陆科学钻探工程工作;朱永宜 (1954 -) ,安徽人,中国地质科学院勘探技术研究所高级工程师,中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部钻探技术室副主任,探矿工程专业,从事中 国大陆科学钻探工程工作。

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即超过 100 kN,且当钻孔逐步加深岩石风化程度减 弱时,短钻程内就可续加钻铤以增加钻具自重。 该 钻铤满足了浅孔段钻进的钻压要求,为一开完钻打 下了良好的基础。 1.2.2 牙轮钻头的选择
选择类型合适的牙轮钻头是确保施工效率的另 一关键所在,根据先导孔上部预测地层的岩石物性 特点,准备了 3 种不同类型的牙轮钻头,以便在施工 过程中根据地层变化变换钻头类型。 3 个钻头在硬 度高、研磨性 强、 造 斜 趋 势 大 的 结 晶 岩 层 中 共 工 作 239畅43 h,进尺 93畅49 m,取得了平均钻头寿命 80 h / 个、平均机械钻速 0畅39 m /h、最大孔斜 1畅2°、一开完 钻孔斜 0畅75°的较好指标。 1.3 一开技术指标分析
一开钻进的技术指标如图 2 所示。 除第 1 天开 孔钻进时效超过 2畅5 m 外,其他基本低于 0畅5 m。 这主要是因为:
图 2 一开钻进技术指标
(1) 开孔段岩石的风化程度较深,可钻性好,随 着钻孔的加深,岩石硬度增加。
(2)按钻头直径计算,钻压至少要加到 120 kN 才能较好地发挥牙轮钻头的快速钻进特点,但因为 在硬岩中钻进,大压力给进时钻具震动非常强烈,因 此实际钻压只加到了 50 ~60 kN。 压力不够,不但 钻速低,也影响到钻头的进尺寿命。
(3) 现场技 术 人 员 均 为 搞 岩 心 钻 探 出 身, 工 程 初始时对石油钻井的配套钻具尚不甚熟悉,因而未 能及时配备减震器。 先导孔完孔后三开扩眼的经验 表明,带减震 器 在 硬 岩 中 钻 进, 可 以 有 效 地 降 低 震 动、提高钻压。

出色,扩孔中必须保持既成的钻孔轨迹,同时还为延 长钻头在孔内的连续工作时间减少提下钻次数,现 场指挥部要求必须使用导向扩孔牙轮钻头钻进,并 委托我所与另一家牙轮钻头专业生产厂分头研制该 种钻头。 2.1 研制的技术背景、现状与难点
(1) 全孔段 1900 余米均为 7 ~9 级的结晶变质 岩;
(2) 国内、外均无现成的类似钻头可供选择,也 无成熟的技术资料可供查阅;
(3) 为避免钻进时产生跳、憋钻现象,牙轮拼装 时必须保证严格的同心度和平面度;
(4) 扩孔钻头工况劣于完整的三牙轮钻头,必 须有高超的焊接技术保证拼装质量;
(5) 为保护牙轮密封、延长钻头寿命,拼装焊接 时必须严格控制密封部位的温度;
(6) 钻头长时间在硬岩中扩孔钻进,必须有可 靠的保径措施以利后续钻头入孔。 2.2 钻头制造工艺 2.2.1 切削具选用
以棔216 mm 优质镶齿牙轮为切削具。 选用的 牙轮掌有如下特点:
(1) 轴承带有压力平衡润滑系统,适用于深井 钻进;
(2) 轴承密封采用金属浮动密封结构,性能优 异,适用于线速度较高的钻进;
(3) 配件型号均为 ICDC537 和 547,适于在高硬 度、强研磨性的结晶变质岩中钻进。 2.2.2 钻头体设计
钻头刚体采用了融大径扶正和超前导向为一体 的整体结构设计( 见图 3),材质选用中、低碳合金 钢,整体锻造后再进行调质处理,强度高、可焊性好。 导向体沿轴向镶嵌硬质合金,增强其耐磨性。 在大 径扶正部分,均匀分布高强度的大颗硬质合金,可在 牙轮掌外径磨损后保持扩出的孔径不会急剧收缩。

2 三开导向扩孔牙轮钻头的研制与应用 先导孔以 157 mm 口径自孔深 101 m 钻至 2046
m 完孔。 根据工程总体设计,须以 311 mm 口径自 孔深 101 ~2028 m 完成扩孔作业,以满足下入棔297 mm 技术套管的需要。 先导孔的孔斜指标完成的很

图 3 棔311 mm 导向扩孔牙轮钻头结构示意图

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导向体前部设计为 2 种形式:一种是在前端焊 接一只直径为 152 mm 的小牙轮钻头,用于扩孔近 底时清理小孔内的积淀物;一种如图 3 所示,在前端 镶数颗楔齿硬质合金,既防止小孔内有掉块挡道,又 降低了钻头成本。
液流分配采用四孔道设计。 每个牙轮均匀分配 一股液流,冷却轴承、清洗牙齿后直接上返;另一股 通过导向体后上返,可以润滑导向体,还防止岩渣沉 入小孔孔底。 2.2.3 加工工艺控制
轴承密封可靠性控制:牙轮寿命系于其轴承密 封,而密封 性 能 关 键 在 于 加 工 过 程 中 的 温 度 控 制。 在牙轮配件解体过程中采用特殊工艺,焊接过程实 行严格的温度控制,保持轴承部位的温度始终不超 过 100 ℃。
加工精度的控制:所有配件组装前均经机加工 而成;拼装钻头时使用专制工装,以保证同轴度、同 心度和直径尺寸的规范。
工件可焊性保证:焊接质量直接影响钻头在孔 内的工作安全性。 早期钻头刚体选用中碳合金钢, 使用中总出现焊缝开裂现象。 后改用低碳合金钢, 再未发生此类问题。 2.3 应用成果
在三开导向扩孔钻进 1771 m 的工作量中,我所 27 个导向扩孔钻头在孔内工作共 1475 h,进尺 1534 m,钻头平均时间寿命 55 h /个、平均进尺寿命 57 m / 个、平均钻速 1畅04 m /h,其他有关指标见表 1。

表 1 钻头时间寿命及进尺寿命统计

时间寿命 /h 10 ~20 20 ~30 30 ~40 40 ~60 60 ~70 70 ~90 >90

钻头数 /个















进尺寿命 /m <10 10 ~20 20 ~30 30 ~40 50 ~70 70 ~90 90 ~100 >100

钻头数 /个 1 4









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3 普通单动双管钻具的研制与应用 获取所钻地层的岩心实物,是 CCSD 的主要工
程目的之一。 工程总体设计规定:自井深 101 m 起 至完井,平均岩心采取率≮80%。 先导孔的取心作

业,是在国际大陆科学钻探计划( ICDP) 提供的高速 顶驱和所订德国 MICON 公司绳索取心钻具不能如 期到位的情况下,主要由我所研制的钻具在螺杆马 达孔底驱动下用提钻方式完成的。 3.1 钻具结构设计 3.1.1 钻具的工作环境
(1) 工作转速 280 r /min 以上,并能承受 50 ~60 kN 的钻进压力;
(2) 上接螺杆马达井底驱动,承受较高频率的 径向震动;
(3) 与液动锤配合工作,承受高频轴向冲击载荷; (4) 发生岩心堵塞时,轴承与内心管承受压力 和螺杆钻、液动锤的震动载荷; (5) 拔断岩心时,钻具承受向下的拉力,拉力峰 值可达 100 kN 以上; (6) 循环介质为泥浆,密度 1畅03 ~1畅05 g /cm3 , 含砂量≤0畅1%,泵排量 10 L /s 左右。 3.1.2 对钻具的技术要求 (1) 单动可靠,这是对任何双管取心工具最基 本的要求; (2) 水路通畅,在至少 10 L /s 排量的泥浆通过 时不产生过高的水力压降; (3) 润滑良好,保证钻具在恶劣的工况下维持 可靠的单动性能和较长的轴承寿命; (4) 结构简单,降低加工和维修成本,减轻现场 劳动强度; (5) 岩心 卡 取 牢 固, 地 层 坚 硬、 岩 心 较 粗, 岩 心 拔断力大; (6) 丝扣强度足够、拧卸方便。 3.1.3 钻具的结构特点 我所研制的 KZ -1 型钻具如图 4 所示,该钻具 结构有如下特点: (1) 单动轴承安放在外总成上,为加大轴承和 心轴的规格提供了空间,使钻具在高转速环境下承 压和抗冲击能力的提高以及钻具总体寿命的延长具 备了物质基础。

图 4 KZ -1 型钻具结构示意图

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  (2) 轴承实现开式润滑,使钻具结构得到简化, 方便了拆装过程,提高了单动可靠性。 在液流分配 上,介质的大部分流过轴承腔水道实现对轴承的强 制润滑,小部分横向流过心轴与轴承腔连通的水眼 清除轴承体内的积污、润滑弹子( 因为只要心轴水 眼与轴承腔水道间存在压差,就有液流横向通过) 。
(3 ) 在心轴和内管接头上沿轴向各开了一道半 合槽,在槽内插入勾头键,即可有效地约束内管的周 向运动。 背帽的作用是对内管施加一个预紧力,防 止内管旷动损坏螺纹,同时也防止键从槽中窜出落 入环隙。
(4) 内总成各联接取螺距 4 mm、丝高 0畅75 mm 的 5°梯形扣,经校核具足够大的抗拉强度,故略去 了拔心缓冲机构,采心时内管螺纹直接承受拔断力。 因此不仅钻具结构更为简单,还节约了内总成空间, 使同样长度的钻具可获得更高的回次进尺。
(5)外总成各联接取螺距 8 mm、丝高 2 mm 的 5°梯形扣。 该扣型加工简单,占用管壁厚度少,抗 拉、抗扭强度高。 缺点是密封补偿性较差,高泵压工 作时易刺漏粘扣,为防这一现象出现,在经常拧卸的 部位装了一个铜垫圈以保证密封的可靠性。 3.1.4 钻具的技术指标
钻孔公称直径 157 mm、岩心公称直径 96 mm、容 纳岩心最大长度 8畅5 m、轴承连续工作寿命≮60 h。 3.2 钻具的应用效果及其标范作用
KZ -1 型钻具在先导孔 1945畅54 m 取心孔段中 共入孔 509 回次,进尺 1582畅77 m,取得平均钻速 0畅955 m /h、 最高钻速 3畅76 m /h、平均岩心采取率 90畅19%、平均回次进尺 3畅11 m、最高回次进尺 8畅72 m、最高轴承寿命 151 h 的效果。 钻具的取心效果如 图 5 所示。
 碎裂岩心        完整的长岩心 图 5 KZ -1 型钻具取上的岩心
先导孔钻进过程中,CCSD 现场指挥部曾邀请 数家单位设计单动双管钻具方案到现场参加评标, 所有方案的单动轴均是悬挂在内总成上。 经专家评 审中标的两家单位在参观了 KZ -1 型结构后,实际

完成的钻具单动系统、内管防松功能和轴承润滑形 式均与 KZ -1 型大同小异。 KZ -1 型钻具所确定 的金刚石钻头、扩孔器规格及内外总成丝扣联接形 式也被指挥部确定为先导孔中所有取心钻具设计所 必须遵循的准则。 3.3 钻具国产化的经济效益
现场指挥部曾与美国 BAKER HUGHES 公司代 表在工程现场正式洽谈,该公司外管外径 140 mm、 内管内径 89 mm 的硬岩取心工具对中国的收费标 准为:若现场技术服务,则人头费 1000 美元 /( 人· 日),工具使用费 200 美元 /h;若全套钻具销售,则 整机 6畅15 万美元 /套,推荐配可入孔工作 12 次的备 用件 2 套,1畅52 万美元 /套。 不可否认,国外公司追 求更高的纯钻进时间,因此其对配件工作寿命的估 计更偏于保守。 但即便将其安全系数再放松 1 倍, 钻具国产化的成本也要较其降低 90%以上。 且使 用进口产品将带来一系列加工、供应、运输等配套问 题,极可能增加现场的辅助与停待时间。 由此可见, 根据国情尽可能走中国人自己的道路,是 CCSD 工 程中心的正确决策。
4 YZX127 型液动锤的应用成果 应用液动锤进行金刚石取心钻进,是 CCSD 工
程中心的既定方针,对有该方面成果的单位实行优 惠开放。 我所研究液动锤的历史悠久,数年前已完 成了双作用阀式锤的系列化工作,CCSD 所提供的 机会,无疑是对我所液动锤技术的一次大检验,同时 也为发展完善我所特色的液动锤带来了机遇。 4.1 液动锤钻进对科钻一井的意义 4.1.1 科钻一井的钻进条件
(1) 科钻一井先导孔的钻遇地层,岩性坚硬、节 理发育;
(2) 因管材规格的限制,所设计的金刚石钻头 壁厚达 30畅5 mm;
(3) 回转动力的输出扭矩有限(螺杆马达孔底驱 动),同时也为防止孔斜超差,希望用小压力给进;
(4) 使用石油钻井作业方式提下钻具,辅助时间长。 4.1.2 液动锤钻进的意义
因上述条件的限制,普通方法钻进存在机械钻 速低、因岩心堵塞严重而回次进尺少的效率低下问 题。 钻探是 CCSD 现场各项工作开展的前提,牵制 着各子工程部门的工作进度,而科钻一井是一项支 出庞大的工程,仅现场维持费用每日即达数万元,因 此钻探效率对 CCSD 的经费开支至关重要。

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对大口径深孔作业而言,在维持一定机械钻速 的情况下,回次进尺长度是影响钻探日进尺量的更 重要的因素。 液动锤高频震动对岩心堵塞的解卡作 用能有效地提高回次进尺。 4.2 YZX127 型液动锤适应泥浆作业的过程
该液动锤自孔深 218 m 起投入现场直到先导孔 完孔,经历了锤具在泥浆作业环境下的工作原理改 进、结构参数调整、加工工艺选择的探索过程,做了 大量细致艰苦的室内测试和现场试验,逐步提高、渐 次完善,最终与吉林大学 KSC127 型射流式液动锤 同时创造了国内不同原理的锤具在泥浆环境中取心 钻进的最深工作记录。 4.2.1 初步试验阶段(218畅44 ~415畅13 m)
该阶段的锤具基本为仅经试验室测试和浅孔段 少量工作的样机原形。 入孔 14 回次共进尺 22畅88 m,平均时效 0畅88 m、回次长度 1畅63 m。 指标低下 的原因并非锤具输出参数有问题,而是因为对泥浆 环境的不适应造成锤具工况的非正常。 观察与分析 表明,凡锤具能坚持工作到底的回次,各项指标仍不 失为优秀。 影响锤具工作的关键原因是泥浆中的固 相颗粒卡夹运动部件、堵塞液流通道,由此还造成对 零件表面的定位冲蚀,致使零件过早报废。 该阶段 虽成果不佳,但液动锤可提高钻进效率和回次进尺 的特点已在其完整工作的回次中初现端倪。 4.2.2 继续探索阶段(789畅60 ~809畅64 m)
通过对岩粉堵塞部件的机理分析,提出增加启 动阀组件、改进上阀 -活塞结构的思路,以提高锤具 的启动性能、改变部件运动特性和防堵功能。 但本 阶段的工作仍无起色,锤具入孔 6 回次,进尺 13畅40 m,平均时效 0畅64 m、回次长度 2畅23 m。 4.2.3 深化提高阶段(1209畅61 ~2025畅17 m)
经过两轮试验,深化了对锤具卡堵机理的认识, 从而下决心改变设计观念,跨越过去的设计理论,从 强制解决到疏导解决,在锤具的工作原理和结构参 数上寻找突破口。 与此同时,借鉴国内其他类型锤 具的成功设计经验,大胆改进、大胆吸收。 改进后的 锤具终于显示了其对泥浆介质的亲和性:累计入孔 107 回次,工作成功率 95%以上,其中 1 套创造了连 续 5 回次计 17畅66 h、进尺 26畅30 m、平均回次长度 5畅28 m(岩心管装满)、平均时效 1畅49 m 的好成绩。 为确保施工的稳妥,5 回次后对该锤进行保养,拆开 后发现尚可继续使用。 尤其是在孔深 1800 m 指挥 部对泥浆润滑性能进行了改善后,使液动锤的高效 钻进特性得到了更加充分的发挥,时效超过 1畅3 m、

进尺超过 6 m 的回次不断产生,竟使 1900 m 深度后 的平均日进尺效率高于 500 m 前的浅孔段。 4.3 YZX127 型液动锤的应用成果(见图 6、7、8)
图 6 在先导孔中的总体应用情况
  图 7 各应用阶段指标对比    图 8 在 1209 ~2025 m 孔段钻进中回次占有率
5 结语 与任何一门渐趋成熟的技术一样,我所在科钻
一井所取得的技术成果也凝聚着众多的集体智慧。 CCSD 现场指挥部的全体钻探技术人员,以中国的 大陆科学钻探事业为己任,对我所投入工程中的各 个项目均给予了无私的支持和指导,我们在这里向 他们表示崇高的敬意。
CCSD 工程中心主任兼现场指挥部总指挥王达 教授的一句话,精辟地指出了钻探工程在中国大陆 科学钻探事业中的地位:“ 科学钻探成果在地质,成 败在钻探”。 这就是警醒我们不仅要继续巩固取得 的成果,还要密切跟踪正在纵深发展的中国大陆科 学钻探工程,不断地研究新问题、推出新技术,与全 国钻探科研工作者一起,协助 CCSD 工程中心及其 现场指挥部的钻探同行们,共同把我国的大陆科学 钻探事业推向前进。
随着科钻一井主孔钻探工程的展开,我所一批 以绳索取心钻进方法为主体,以提高钻进效率和回 次进尺、降低钻孔弯曲和管材磨耗为目的的孔底动 力合成钻具正在或即将投入现场试验。 部分钻具的 初步试验结果已显示出其主体设计的技术可行性, 这就像一缕透过云层的霞光,引导我们憧憬着绚丽 灿烂的艳阳天。


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