论低碳发展在钻探设备选型中的应用

陈鑫发，牛建设

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，郑州450053）

0 引言

本文以云南腾冲科钻项目为例，阐述如何在设备、机具选型结合国家节能减排，如何进行施工操作。岩心钻探多采用小口径岩心（固体）钻探，因广泛利用绳索取心技术，效率较高，在小于1000m钻孔内施工具有明显的优势。但钻孔较深或口径有特别要求取心时（如科学钻探、盐矿钻探、页岩气钻探等），小口径钻探设备及工艺则很难快速完成设计要求；而石油、地热、页岩气、岩盐（碱）、煤和水文水井等大型钻探设备具有动力大、回转提升和钻探深度能力高、适应性强等特点。作者结合两种类型设备的优点，采用石油钻井和取心钻探新技术，在沉积地层中采用水井用φ89mm钻杆＋其他附助钻井及取心机具成功快速完成了大口径深部钻探和取心，取得了较好的效果，大大减少不必要的水电消耗，缩短施工周期，为以后从事超深部取心设备机具的选配提供了参考依据。

1 工程概况

云南省腾冲国家火山地质公园位于云南省腾冲县北部，项目编号GTZY2011－002，ZK3钻孔设计孔深2000m，实际孔深1360m（已经达到科研的目的），全孔取心。该孔是我院2012年完成的一口采用大口径水井钻井新技术方法，在沉积凹陷盆地层中成功完成了大口径深部钻探和取心，探索出一种高效、低耗的深部快速钻探技术方法，取得了较好成效，为沉积地层大口径深部钻探工程提供了示范。按设计要求，为了节约上部实际钻进的工作时间，快速完成上部的任务，且不能影响取心，根据传统的岩心钻探通常采用小环空间隙（2～3mm）金刚石绳索取心钻进的优点，同时结合水文地质、地热、石油等钻探实现快速钻井的理念，采用大泵量、高泵压、适当的环空间隙。针对这种状况，我们选配了较为合理的钻机、取心钻杆、取心钻具、取心钻头等施工设备。

2 钻进及钻具组合

2.1 全面钻进的方法及完井结构

一开、二开、三开和四开为正循环取心钻进。

其钻具组合为：

一开（0.00～20m）钻具组合方案为：

（1）φ152mm金刚石取心钻头＋短川6－3取心筒＋φ121mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

（2）然后用扩孔钻具组合：φ300mm扩孔锤头＋FWC250潜孔锤（外径220mm）＋φ273mm取粉管＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

二开（20～600m）钻具组合方案为：

（1）φ152mm金刚石取心钻头＋加长川6－3取心筒＋φ121mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

（2）φ250mm 扩孔锤头＋C200潜孔锤（外径185mm）＋φ219.1mm取粉管＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。在岩心质量保证前提下优先采用。

（3）φ216mmPDC取心钻头＋＋短川8－3取心筒（外径180mm、取心直径105φmm）＋C200潜孔锤（外径185mm）＋φ178mm取粉管＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

（4）最后用扩孔钻具组合：φ250mm扩孔锤头＋C200潜孔锤（外径185mm）＋φ219.1mm取粉管＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆

三开（600～1210m）钻具组合采用两套方案：

（1）φ200mmPDC钻头或金刚石取心钻头＋短川8－3取心筒＋YZX165液动潜孔锤＋5LZ156X7Y螺杆＋φ159mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

（2）φ200mmPDC钻头或金刚石取心钻头＋长川8－3取心筒＋YZX165液动潜孔锤＋5LZ156 X7Y螺杆＋φ159mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

四开钻具组合（1210～2000m）采用两套方案：

（1）φ152mm金刚石取心钻头＋短川6－3取心筒＋YZX127液动潜孔锤＋5LZ120X螺杆＋φ121mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

（2）φ200mmPDC钻头或金刚石取心钻头＋长川6－3取心筒＋5LZ120螺杆＋φ121mm钻铤＋φ89mm钻杆＋133×133mm主动钻杆。

2.2 井身结构与套管下入程序

由于该井属于科研勘探和钻探开发“探采结合井”。所以，根据区域地质、工程和取心特点，将该孔设计为四开井身结构（表1）。其中，一开、二开、三开、四开（0～2000m）均为取心钻进段。

表1 井身结构及套管程序

3 施工设备及机具选择

3.1 施工设备选择

根据工程项目的要求、工作的思路并针对设备参数性能特点，选取的主要钻探设备包括钻机、钻塔、泥浆泵和固相控制设备。

3.1.1 GZ－3000型钻机

选择石家庄煤矿机械有限公司生产的钻机，其技术参数见表2。

表2 GZ－3000型钻机性能参数

3.1.2 钻塔

选择宝鸡通用石油机械有限公司人字A型钢架结构钻塔，其技术参数见表3。

表3 钻塔主要技术参数

3.1.3 泥浆泵

泥浆泵配备2台，分别为张家口中地装备探矿工程机械有限公司生产的BW－1200型泥浆泵（图1）和青州石油机械厂有限公司生产的QZ3NB－500型泥浆泵（图2），其技术参数见表4。

图1 BW－1200型泥浆泵

图2 QZ3NB－500型泥浆泵

表4 泥浆泵技术参数

3.1.4 空气压缩机

空压机选用英格索兰电驱动高压空气压缩机，技术参数见表5。

表5 RHP825E空压机性能参数

3.1.5 固相控制设备

固相控制采用三级固相控制：多极分离的振动筛、旋流除砂器以及离心机。

3.2 钻杆和钻具选择

3.2.1 钻杆选择

使用石油φ89mm石油厚壁无细扣钻杆；取心阶段（0～1360m）使用河北石探机械制造有限责任公司生产的加强型φ89mm无细扣钻杆，φ73mm石油厚壁无细扣钻杆为备用，其参数见表6。

表6 取心钻杆规格特点

3.2.2 取心钻具选择

全孔中选用了取心筒、液压马达、气动潜孔锤、液动潜孔锤、PDC合金钻头

由于该钻孔采用较大泵量的泥浆泵，为减少取心钻具内流体阻力，钻头类型的选择对钻井速度影响很大，往往由于钻头选型不当，使得钻井速度慢、成本高。正确的选择钻头，一方面应对现有钻头的结构、工作原理了解清楚；另一方面还应对所钻地层岩石物理机械性能有充分认识。钻头特性与地层性质的合理匹配时钻头选择的基本出发点。

3.3 取心钻进钻头选型

3.3.1 具体选择钻头时应考虑的因素

浅井段，由于岩石胶结疏松，宜选择能取得高钻速的钻头；深井段，由于起下钻时间长，据有关资料统计3000m钻深的井，起下钻时间占钻井总时间的8%，而5000m深的井，起下钻时间占钻井总时间的16.5%。因此选用能获得较高进尺指标的钻头；在软及非研磨性地层，如塑性的沉积岩地层、页岩、石灰岩和软砂岩宜选用PDC钻头；若出井钻头外排齿磨损严重，应选用保径齿钻头；对易产生井斜的地层，选用滑动量小，无保径齿及齿多且齿短的钻头；地层岩性主要为页岩时，选用楔形齿镶硬质合金钻头；地层岩性为灰岩时，选用抛物体形或双锥形齿钻头；地层岩性为硬的研磨性灰岩、白云岩、燧石、石英时，选用无移轴或双锥齿（或球齿形）钻头。

3.3.2 钻头选型

国内应用较为成熟的金刚石取心钻探工艺需要较高的转速。而对于水文水井或石油钻机，其转盘转速较低，采用金刚石回转钻进时不能满足钻头所需的较高线速度。所以，在以泥页岩为主的沉积地层，设计钻头时宜用底喷式、PDC复合片钻头。

PDC钻头（Polycry Stalline Diamond Compact Bit）是将聚晶金刚石复合片与硬质合金齿柱结合成切削元件镶装在钢体或胎体上，其特点是不需要较高的转速，且成本低、效率高。

而取心钻进全部采用取心主要使用φ152mm、φ200mm、φ216mm PDC 底喷式取心钻头（内径φ75mm），生产厂家分别选用了无锡钻探工具厂和武汉万邦钻头。钻头设计制造时注意复合片全出露（见图3、4、5）。以便增大过水面积，及时排渣，达到提高钻进效率、防止烧钻事故和非正常损坏、提高钻头使用寿命之目的。

图3

图4

图5

根据不同地层特地点，有针对性选择合适的、钻进过程中稳定性钻头，会大大提高钻效，提高进尺效果，同时提高钻头使用寿命，提高钻头的碎岩能力，满足快速钻进及取心的要求。

4 结语

通过在深部沉积地层大口径取心技术的试用，取得了以下成果：

（1）在岩心钻探领域引进石油钻井理念，对今后深部岩心钻探工程，针对不同地层和要求，采用多工艺、复合钻探方法，在大口径超深孔钻探时，合理选配施工设备和钻井机具，采用石油钻井和取心工艺将会达到“优势互补、取长补短”、高效钻探之目的。实践证明具有安全可靠、劳动强度低、效率高等优点。

（2）通过大口径钻探取心钻具和水源钻机的组合，在沉积水溶性地层2000m以深实现了大口径连续取心，岩心采取率平均高达93%，且岩心和钻孔质量均满足地质要求。通过增加钻具和孔壁的环空间隙，采用小钻压、大泵量、低转速规程，可以提高钻井液的上返速度，从而避免了岩屑的重复破碎，提高钻探效率。

（4）针对不同地层和现场试验，在复杂的沉积地层中钻井取得了较好成效，提升钻具阻力和埋钻事故及孔内扶正器、停泵时间、泥浆性能等有关。

（5）为在孔内形成岩屑的体积破碎和提高上返速度，采用“大排量、低转速、小钻压”规程和增加绳索取心内外管间隙等技术措施，实现了快速钻探预期目标。复杂钻孔结构的情况下，能够实现正常钻进和取心，为今后页岩气钻探、科学钻探和深部钻探工程提供了示范。

（6）更重要的是经过多个钻探施工项目，在设备机具选型中充分考虑低碳发展的重要性，通过对施工方式、钻探技术工艺创新与合理的应用，完全符合当前国家发展战略的要求，与国际社会推动经济社会绿色发展、循环发展、低碳发展相吻合，鼓励我们在设备施工使用上不断改变观念，在设备应用上多思考节能减排技术的创新、使新技术、新工艺不断更新并不断推广与应用，为“美丽中国、低碳发展”增加一点绿色。

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