深孔钻进设备选择的技术分析

沈建 张定国 张礼

摘 要：随着钻孔深度的增加，从设备到钻探工艺都产生了一系列新问题，拟就深孔钻探经常遇到的關键问题，如钻探设备选择、液动锤钻进特点、定向钻进技术的发展等，提出一些应当引起注意的技术措施。

关键词：引言;深孔钻探设备选择;液动锤钻进特点;定向钻进技术的发展

【中图分类号】TG53  【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）18-0180-01

1 引言

随着孔深的增加，从设备到钻探工艺都产生了一系列新问题。在解决这些问题的过程中，各地创造了很多好的经验，但是也有一些单位由于技术措施单一，经济效益比较差，甚至对技术难题准备不足而走了弯路。本文拟就深孔钻探经常遇到的关键技术问题，提出一些建议与同行共同分析讨论。

2 深孔钻探设备选择

深孔钻进施工最终的目标是：高效、经济、优质、安全。此目标的实现，与采用的钻进装备和工艺密切相关。因此，欲获得最佳的钻进效果，必须深入研究钻进装备和钻进工艺及其对钻进施工效果的影响。

2.1 深孔钻机选择原则。

（1）钻机具有多功能。必须考虑钻机的载荷能力和回转特性，既满足硬岩取心钻进的高转速要求，又满足大直径全面钻进的低转速和大扭矩要求。

（2）施工效率高。

（3）处理孔内复杂情况能力强。

（4）操作控制性能和安全性能好。

（5）购置成本低。

（6）节能性好，运行和维护成本低。

2.2 深孔钻机评价指标。

我国1500m—3000m左右的地质岩心钻探多采用XY-5、XY-6或XY-8型立轴式钻机，近年来有一批国产的深孔钻机出现在市场，如XDL-3000 型全液压动力头式岩心钻机、YD-2200型带塔液压动力头钻机、KZ3000型全液压顶驱钻机、KZ30DB型和XD35DB交流变频顶驱钻机、XY-8DB型交流变频立轴钻机。

现有的深孔钻机，既有优点、又有缺点。简单地对不同的钻机进行对比介绍，很难全面和准确地描述其特点。因此有必要建立一套深孔钻机的评价办法，用于对深孔钻机进行全面和综合性的评价，深孔钻机评价指标体系包括：

（1）深孔钻机的钻进特性。

A.工艺适应性：转速范围宽、调节方便，适合于多种工艺方法和钻孔条件。

B.给进行程：给进行程长，有利于提高回次钻速、回次长度和岩心采取率。

C.浅孔加压能力：可实现浅孔加压，以保证浅孔段机械钻速。

D.钻进平稳性：钻进平稳，有利于提高岩心采取率和钻头寿命。

（2）深孔钻机的起下钻特性。

A.立根长度：立根长，减少接卸钻杆次数和辅助时间。

B.钻具升降速度：升降钻具速度快。

C.加接单根：加接单根程序简单，用时少。

（3）深孔钻机的安全施工特性。

A.起钻防碰：具有起钻防碰措施，降低游动滑车碰撞天车的风险。

B.下钻防砸：具有下钻防砸措施，降低提引装置砸孔口的风险。

C.下钻制动：下钻制动措施可靠性高、效果好。

D.极限扭矩限制：具有限扭保护措施，防止钻具被扭断。

（4）深孔钻机处理事故。

A.过载能力：钻机过载能力强，能在短时间内输出较高的提升力和扭矩。

B.输出特性：能在转速很低的情况下输出大扭矩，满足处理孔内事故要求。

C.加接钻杆位置：能在任意位置接钻杆，有利于处理复杂情况。

D.扫孔行程：扫孔行程长，有利于复杂地层钻进。

（5）深孔钻机的使用特性。

A.可靠性：钻机零部件使用寿命长，钻机故障少。

B.操控性：钻机操作控制以及钻进参数的调节容易。

C.钻进参数：采集、显示和保存测量和显示的钻进参数齐全、准确，易读，可保存或远传。

D.文明施工条件：钻机操作人员在较好的条件下施工。

E.环境友好性：对环境污染小。

综合以上特性交流变频电驱动顶驱钻机能够深孔钻进，施工高效、经济、优质、安全。

2.3 顶驱钻机的主要特点。

（1）顶驱装置自带背钳，可以在任意位置加接钻杆。

（2）顶驱钻机带着顶驱和水龙头起下钻，遇到复杂情况时能快速地建立起回转和循环。

（3）顶驱钻机可接立根钻进，给进行程长。

2.4 交流变频顶驱钻机的主要特点。

（1）钻机的绞车、转盘可实现无级变速，调速范围宽;能以极低的速度恒扭矩输出，对处理井内事故、侧钻等作业十分有利。

（2）电动机的短时增矩倍数达1.15-2，大大提高了钻机的提升能力和处理事故的能力。

（3）由于具有恒功率宽调速特性，故可大大简化钻机的机械结构。

（4）具有转盘扭矩限制功能，可防止钻具或机件扭断。

（5）负载功率因素高，接近于1，具有软起动性能，可降低供电电源的容量。

（6）可在带载情况下平稳启动、制动和调速;在下钻时，可实现对电网能量反馈，节约能源。

液动锤的优点是能提高机械钻速，提高岩心采取率，提高钻头寿命，减轻孔斜。液动锤绳索取心钻进是一种高效、 优质和低成本的钻进方法，应该得到大力推广应用。缺点是泥浆中的岩粉容易导致液动锤钻具发生阻卡而工作异常，或者过早磨耗导致寿命降低，建议采用离心机控制固相含量。

4 定向钻进技术的发展

定向钻进的主要作用如下：

4.1 纠斜作用。

钻孔深度加大后，孔斜超标的几率加大，对于详查阶段的钻探施工更是如此，纠斜在深孔取心钻进施工已经成为常见的问题。

4.2 绕障作用。

采用侧钻绕障避开孔内事故钻具，可大大缩短事故处理时间，使钻孔免于报废。

4.3 分支作用。

钻多分支孔改善施工经济性。在一个钻孔中施工多分支孔，可减少钻机搬迁和勘探钻进的进尺，降低勘探成本。

定向钻进技术是石油钻井技术中发展得最快的技术，由螺杆马达+弯外管定向钻进（有缆随钻测量）发展到导向钻进（无缆随钻测量+螺杆马达+弯外管定向钻进+复合钻进），再进一步发展到自动控制定向钻进（孔底闭环钻进）。

由于地质钻探的钻孔直径小，研制定向钻进器具的难度大，因此地质钻探的定向钻进技术比石油钻井的要落后，现在主要采用螺杆马达+弯外管+有缆随钻测量定向钻进方法和连续造斜器定向钻进方 法。地质钻探的定向钻进技术要想得到进一步发展，首先需要解决小直径无电缆随钻测量（MWD）的问题，无电缆随钻测量问题解决后，才可能实现导向钻进技术。

5 结语

深孔钻探是高难度和高成本的施工。深孔钻探设备的选择、液动锤钻进技术和定向钻进等。必须针对这些关键技术问题开展技术研发，使影响深孔取心钻进的所有因素得到优化，才能获得最佳的深孔取心钻探施工效果。

参考文献

[1]何宜章，国内外地质岩心钻机概况，岩土钻凿设备产品指南，2000年.

[2]万长伟、李继峰，冲击回转钻进（第五章），地质勘探与钻探找矿新技术标准手册，2012年.