小直径特深孔绳索取心口径系列及钻柱方案

孙建华，陈师逊，刘秀美，梁 健

(1.中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊065000;2.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台264004)

0 引言

近年来，为实施矿产资源勘查“攻深找盲”和“探寻第二找矿空间”战略，国土资源行业和多个工业部门先后设计和施工了一批深度3000 m左右，甚至是超过4000 m的地质岩心钻孔;同时，为了开展深部地球科学研究，相继启动了各类科学钻探计划，如地球深部探测计划、汶川地震断裂带科学钻探工程等。山东莱州“中国岩金第一钻”于2013年6月顺利完工，孔深达4006.17 m，创我国小口径岩心钻探深度纪录。

根据地质岩心钻探现实要求和未来发展需要，拟通过优化环空水力通道、确定钻柱合理口径系列、攻克合金钢管材服役极限、提高钻柱强度和密封性能等关键技术的研究，开发适于特深孔应用的小直径、新规格、新系列绳索取心钻杆。小直径特深孔(3000～5000 m)绳索取心口径系列和钻柱方案的调研及论证工作是一项重要的前期工作。从2012年下半年开始，笔者分赴国内主要深孔岩心钻探工地进行调研，并在2012年10月15日、2013年6月23日2次邀请科研机构、高等院校、钻具制造、无缝钢管制造企业和地勘单位的技术专家在京进行专题论证。与会专家普遍认为，目前开展小直径特深孔绳索取心口径系列和钻柱方案的研究具有一定的现实意义;分析特深孔钻探工程技术特性及钻探装备特殊要求，制定科学的技术路线，确定关键问题的解决途径是首先应进行的关键技术工作。应通过顶层设计和实践验证，逐步创立适合我国技术特点的、具有自主知识产权的小直径特深孔绳索取心钻进合理口径系列和钻柱方案。

1 小直径特深孔绳索取心钻进工艺特点

小直径特深孔绳索取心钻进工艺有其自身特点，与石油深井、深部科学钻探相比，主要区别如下:

(1)石油天然气深井、深部科学钻井采用大井眼和提钻取心工艺，深井常采取顶驱加孔底动力的复合钻进;特深孔地质岩心钻进以火山岩和变质岩居多，地层坚硬，以金刚石绳索取心钻进为主，工艺特点为小直径钻孔、小口径钻柱。

(2)绳索取心为“满眼”钻进，钻柱回转速度相对较高，且与孔壁岩石直接接触，磨损较为严重。另外，绳索取心钻柱通常由动力头或顶驱装置驱动，孔底动力(液动锤为主)仅起辅助碎岩作用。因此特深孔绳索取心钻柱的工况更加复杂，失效(破坏)形式多样。与石油钻杆相比，绳索取心钻杆孔内的失效机理亦有较大不同，在优化路线、设计思想、计算方法等方面差异明显，特深孔绳索取心钻柱在研发和应用中面临更大的技术挑战。

(3)特深孔绳索取心钻进对钻具的可靠性要求更加严格，尤其是对投放和打捞的要求。另外，液动锤绳索取心钻具、螺杆钻绳索取心钻具是具有中国特色的地质岩心钻探新技术，需要探索高地温、大应力环境下的可靠应用技术问题。

(4)为适应特深孔地质岩心钻探工艺特点和特殊钻孔结构要求，保护相对脆弱的薄壁绳索取心钻杆，要求特深孔岩心钻机应具有调速范围宽、转速相对较高、送钻控制(钻压和扭矩)精度要求严格等特点。在电液单元模块工况特性需求、钻探检测指标项目和精度要求、防斜设备控制模式、钻柱提升和拧卸方式、迁移安装等方面与石油天然气钻井、科学钻探设备亦有所不同。

因此，从技术和经济等多方面论证，小直径特深孔岩心钻探不宜使用现有的石油天然气钻井、科学钻探装备。同时，与大直径厚壁钻柱体系不同，小直径特深孔绳索取心钻柱的服役工况更加复杂。现阶段有必要研发深度3000～5000 m的地质岩心钻探技术装备，包括特深孔应用的绳索取心钻具系统。

2 绳索取心钻杆的使用情况调研和失效形式

现行岩心钻探口径系列主要适用于3000 m以浅钻孔。在孔深＞3000 m的特深孔施工中，加强型绳索取心钻柱不同程度地存在着螺纹副接头疲劳强度低、使用寿命短，口径系列不匹配，冲洗液环空阻力损失偏大，易发生钻孔漏失和孔壁不稳定等技术问题。

使用中的绳索取心钻杆的主要失效形式如图1所示。

图1 绳索取心钻杆的主要失效形式

在加强型高钢级绳索取心钻杆制造环节，由于合金管材镦粗时其表面温度较高，在模具老化、磨损严重、加工中心偏离较大、管材壁厚受力不均匀等因素的作用下，极易产生钢管缺陷。这种隐患，尤其是微小的横向裂缝，可对特深孔钻探安全造成极大危害。钢管裂口现象见图2。

图2 钻杆制造环节的钻杆杆体损伤(裂缝)

经过广泛调研和咨询意见，认为应以支撑深部固体矿产勘查和地质科学研究为目的，主要以特深孔钻探安全、高效为目标，针对绳索取心口径系列不匹配、冲洗液环空阻力损失大、钻杆接头螺纹疲劳强度低等技术问题，重新优化特深孔绳索取心口径系列与钻柱方案。

3 特深孔绳索取心钻进口径系列的确定

根据国内主要深孔岩心钻探工地调研和2次专题咨询论证会专家意见，整理并提出了3000～5000 m特深孔绳索取心钻进口径系列配套建议，见表1。

在3000～5000 m特深孔绳索取心钻进口径系列配套方案研究中，考虑了绳索取心钻进工艺、特深孔施工管理及生产制造等多方面因素，并基本形成以下认识。

表1 3000～5000 m特深孔绳索取心钻进口径系列配套(论证用)

(1)新的特深孔绳索取心钻进口径系列主要应解决目前环空水力通道狭小、钻柱强度不足等技术问题，并适当考虑套管固结。但绳索取心钻进工艺特点为满眼钻进，也不宜采用石油钻井或科学钻探施工方面的经验，即大幅增加钻柱间隙。如此会产生新的技术问题:钻头壁厚增加过多，钻压增大，效率降低;绳索取心钻杆为薄壁结构，实践证明孔内疲劳、折断概率明显上升;为保证在同级裸眼、换径裸眼和换径套管内必要的上返流速，冲洗液排量大幅提升，现有泥浆泵无法满足要求，需要配置大排量、大范围、高压力泥浆泵;另外，还存在部分环隙设置不合理，钻具要重新设计且管材不好匹配等问题。

(2)从技术、经济角度论证，使用小口径薄壁型绳索取心钻杆实际钻进深度可能不超过5000 m。从口径系列或套管程序看，石油深井和深部科学钻探一般是5～7开，无论绳索取心钻孔多深，仍主要为3开(不计开孔)。因为绳索取心钻探不能像石油钻井，根据钻探深度实行不同规格(不同直径、不同壁厚等)的组合钻柱，而是一级口径使用一种规格的钻杆。考虑钻探施工经济性、运输成本等，钻孔即使再深，一般也不会准备3套以上规格的绳索取心钻杆和钻具。现实中，3000～4000 m的特深孔多与1000～3000 m的深孔一样，仍按照3级绳索取心口径进行钻探工程设计。山东莱州4000 m黄金钻孔、江西于都3000 m科钻孔均是如此，并因此成功控制了成本，基本保证了钻探施工安全，实现了设计目标。据此，绳索取心钻进口径系列方案按照储备一级，即4级口径考虑。

(3)由于钻探施工中，只有3～4套绳索取心口径钻柱和套管配置，且特深孔下部地层情况普遍不清楚，缺乏地层稳定性、地层压力等数据，特深孔普遍是采取换径后不下技术套管、继续裸眼钻进的施工模式(我们称为“莱州－于都”模式)，这样将有较多的扩孔工作量，钻杆服役条件更为苛刻，钻杆接头螺纹副有必要强化设计。同时，从另一个角度来说，绳索取心钻进环隙不必、不宜放大过多。

(4)CTS－152为首级大直径绳索取心口径，考虑施工应用深度不大，使用频率不高，为减少钻柱体积和重力，杆体直径减为127 mm。虽然绳索取心钻头壁厚增加较大，但综合考虑，经济上还是合理的。

(5)新方案尽量保证钻杆规格与浅孔系列接近或一致，目的之一是同规格的特深孔与加强型绳索取心钻杆可以混用，同时可使绳索取心钻具(内管总成)用管材尽量不变化(但结构可变化)。绳索取心钻头的外径要相应调整，钻头、扩孔器需要重新设计。

(6)从多种因素考虑，宜适当加长特深孔绳索取心钻杆单根定尺长度。但是目前生产条件下，长定尺绳索取心钻杆(6000 mm)制造工艺有困难。故定尺长度推荐为4500和6000 mm两种。

(7)目前，ZT850钢级及以上的整体调质钢管国内只有少量企业生产。宝钢等大企业不接非常规规格且数量少(＜100 t)的订单，而其他企业受到设备限制只能生产外径≯100 mm的钢管。据此，超过3000 m深度应用的绳索取心钻杆外径宜≯100 mm。第一级的绳索取心钻杆柱直径大，使用深度较小，可选择常用规格的热轧管材，如45 MnMoB材质等(注:这一问题未来可能会改变，不是这里主要考虑的问题)。

(8)对于特深孔绳索取心钻进，能不能像中浅孔、中深孔一样，遇到不稳定地层时将绳索取心钻杆当作套管使用?方案设计中能兼顾和实现这一目标，固然很好。但是，特深孔绳索取心钻杆以内加厚为主，若实现钻杆可逐级当套管应用，并考虑套管固结，会出现终孔口径以上系列钻杆直径逐级加大，环空间隙随之明显增加，钻杆失稳、疲劳和冲洗液循环量大幅上升，泥浆泵无法承受等问题。综合考虑后，本方案只能有所割舍。另外，考虑特深孔每一口径的绳索取心钻进段很长，要多次提钻换钻头、检修钻具、检查钻杆，加之地层情况不确定，不提绳索取心钻杆换径(钻杆当套管用)操作难度较大。因此，建议通过采用其他新技术等方式，解决复杂地层问题，如地层极其复杂，钻孔变径级数超过4级(不计开孔)，应首先采用提钻方法施工，条件具备后转换绳索取心钻进。

(9)随着钻孔直径增加，对应的CTS－81、CTS－104、CTS－128、CTS－152四级钻杆杆体壁厚亦逐渐增大，从钻探技术角度未必完全合理。主要是从冷拔管材制造工艺以及目前实际产品情况考虑。CTS－128、CTS－152二级钻杆强度的富余量较大，则主要是考虑复杂地层和复杂孔内情况。

(10)由于特深孔绳索取心级配只设计有3～4级，一旦下入活动的技术套管，深度往往较大，同时考虑地质钻探套管多数情况下不固结，钻柱满眼钻进等因素，目前的套管规格和强度不能满足安全施工要求。如此，套管设计为全新规格系列:98、122、146 mm套管未参考拟发布的最新钻具标准;168 mm套管按照新钻具标准规格确定，其应用深度和强度按孔口管需要设计。

(11)如地层稳定，钻孔较深，可采取大三级系列方案，即CTS－104、CTS－128、CTS－152三级，储备CTS－81口径;如地层稳定，钻孔相对较浅，可采取小三级系列，即CTS－81、CTS－104、CTS－128。

(12)应当说明，这一口径系列方案需要金刚石钻头、冲洗液和护壁等技术配套支撑，应适时开展膨胀套管、波纹弹性套管、热熔岩护壁等技术配套研究。同时，上述口径系列方案不可能适合所有地层条件，论证中也有不同见解。

(13)最后，从决策论证和顶层设计看，上天、下海与入地是有很大差别的。航天工程不差钱，做事要精心组织，确保成功，万无一失;下海、以至石油钻井工程安全储备系数也很高。而入地的地质岩心钻探工程以往是扁平化设计，以小搏大，赌上一把。今后，应将定量化的风险评估引入钻探工程设计研究。

4 特深孔冲洗液循环流量及压力计算

针对上述方案进行了钻孔水力学计算，同时采集了部分特深孔实际数据(表2～7)。受研究条件和认知能力的限制，水力学计算数据的准确性不高，仅作为论证时相似条件下的横向比对。

表2 CTS－81与CN口径所需冲洗液量

表3 CTS－104与CH口径所需冲洗液量裸眼孔段

表4 CTS－128与CP口径所需冲洗液量

表5 CTS81与CN口径冲洗液沿程损失估算

表7 CTS－128与CP口径冲洗液沿程损失估算

5 结语

小直径、新规格、新系列的高强度绳索取心钻杆的研制对完成特深孔地质岩心钻机及其配套设备研制，实施钻探示范工程、推广先进钻探装备，具有关键的作用。因此，有必要梳理总结和系统分析深部地质岩心钻探工程技术特性，理清研发思路，确定解决途径，优化完善深部小口径岩心钻探口径系列和绳索取心钻柱方案。

笔者和国内许多同行已经在小直径特深孔绳索取心钻进方面进行了多年探索。但是，特深孔施工期较长;钻杆的使用效果需要进行大量的数据收集、比对;需要审慎去除孔斜、孔径扩大、非正常钻进参数、非合理钻进工艺方法的影响。因此，获得高强度特深孔绳索取心钻杆的应用结论较晚，有时形成共识也难，尚未对本文提出的方案形成有力支撑。同时，因主题和篇幅限制，本文不涉及小直径特深孔绳索取心钻杆研究、试验和应用，仅述及绳索取心钻进口径系列及钻柱方案等相关内容，期望国内钻探专家、一线技术人员广泛参与，进一步论证。

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