中国大陆科学钻探工程的技术路线与实践

中国大陆科学钻探工程的技术路线与实践

作为中国最大的探测技术研究所，经过45年的勤奋科研和技术合作，通过45年的持续科学实践，在不断推广高质量科学发现的同时，我们也培养了一些能够承担技术研究和现场建设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大口径牙轮钻的广泛开挖技术1.1岩石可钻性分析一开钻进是整个CCSD5000m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,>445mm钻头需全面钻进至100m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,CCSD2号预先导孔孔深80m时孔斜即达4.4°。1.21.启动成本1.2.1大直径长丝钻种钻具研制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420mm、长4.5m,单位重力约13kN/m。即使开孔钻进,9m高的钻台加2根钻铤,钻具重力即超过100kN,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种不同类型的牙轮钻头的准备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239.43h,进尺93.49m,取得了平均钻头寿命80h/个、平均机械钻速0.39m/h、最大孔斜1.2°、一开完钻孔斜0.75°的较好指标。1.3建筑材料的不足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2.5m外,其他基本低于0.5m。这主要是因为:(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120kN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50～60kN。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。2扩孔作业要求先导孔以157mm口径自孔深101m钻至2046m完孔。根据工程总体设计,须以311mm口径自孔深101～2028m完成扩孔作业,以满足下入>297mm技术套管的需要。先导孔的孔斜指标完成的很出色,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保证钻头焊接质量(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研磨工艺2.2.1轴承密封以>216mm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通过再进行调质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。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严格焊接工艺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钻头寿命分析在三开导向扩孔钻进1771m的工作量中,我所27个导向扩孔钻头在孔内工作共1475h,进尺1534m,钻头平均时间寿命55h/个、平均进尺寿命57m/个、平均钻速1.04m/h,其他有关指标见表1。3岩心采取率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101m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高频径向震动(1)工作转速280r/min以上,并能承受50～60kN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100kN以上;(6)循环介质为泥浆,密度1.03～1.05g/cm3,含砂量≤0.1%,泵排量10L/s左右。3.1.2现场应用效果(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10L/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液流分配及校核我所研制的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。(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4mm、丝高0.75mm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8mm、丝高2mm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该钻具的技术标准钻孔公称直径157mm、岩心公称直径96mm、容纳岩心最大长度8.5m、轴承连续工作寿命≮60h。3.2现场应用效果KZ-1型钻具在先导孔1945.54m取心孔段中共入孔509回次,进尺1582.77m,取得平均钻速0.955m/h、最高钻速3.76m/h、平均岩心采取率90.19%、平均回次进尺3.11m、最高回次进尺8.72m、最高轴承寿命151h的效果。钻具的取心效果如图5所示。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钻具国产化利用成本较高,但按年龄使用20.现场指挥部曾与美国BAKERHUGHES公司代表在工程现场正式洽谈,该公司外管外径140mm、内管内径89mm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6.15万美元/套,推荐配可入孔工作12次的备用件2套,1.52万美元/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单位的优惠开放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液动锤钻对于探索科学孔4.1.1钻头结构参数的限制(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30.5mm;(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回次进尺长度对钻进效率的影响因上述条件的限制,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。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。4.2ksc127型射流式液动锤的研究该液动锤自孔深218m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锤炼焦的指标仿真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22.88m,平均时效0.88m、回次长度1.63m。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。4.2.2-4-现有锤具电驱动的研制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13.40m,平均时效0.64m、回次长度2.23m。4.2.3锤具的改进,一般总结经过两轮试验,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17.66h、进尺26.30m、平均回次长度5.28m(岩心管装满)、平均时效1.49m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1800m指挥部对泥