不提钻换钻头钻进技术研究与应用.pdf

钻探工程Drilling Engineering第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023：380-384不提钻换钻头钻进技术研究与应用钱锋，胡立，邓梦春，罗显粱*，张统得（中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734）摘要：地质钻探施工时起下钻更换钻头，需要占用大量时间，且存在一定的安全隐患，大大影响钻探效率，采用不提钻换钻头钻进技术可以很好地解决这个问题。以 S95绳索取心钻杆为使用平台，沿用 BH-75钻具基本结构，并针对其存在问题，研制 BH-95规格的不提钻换钻头钻具，同时根据 BH-95规格钻具的具体结构完善 BH-75钻具，提高了 BH 系列钻具的承压能力和钻具收敛（投送）稳定性，增设了自动除沙机构等。将该技术在江西省宜春市桃地 1井（地热井）进行了现场应用，在孔深 680.65704.25 m 进行了不提钻换钻头，钻具到位张开成功率 100%，岩心采取率达到 99.4%，岩心质量好，最大限度减少了起下钻次数，有效预防了起下钻引发的孔内事故。不提钻换钻头钻进技术为深孔地质勘探中钻进强研磨性、“打滑”、软硬频繁交替等地层，提供了及时优化钻头使用方案，降低能源消耗，有效地保护孔壁安全和减轻劳动强度。关键词：地质钻探；不提钻换钻头；BH系列钻具；绳索取心钻杆中图分类号：P634文献标识码：A 文章编号：2096-9686（2023）S1-0380-05Research and application of drilling technology of replacing drill bit without lifting the rodQIAN Feng，HU Li，DENG Mengchun，LUO Xianliang*，ZHANG Tongde(Institute of Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sichuan 611734,China)Abstract：It takes a lot of time to go out to change the bit in geological drilling construction，and there are certain safety risks，which greatly affects the drilling efficiency.Using the drilling technology of replacing the bit without lifting the rod can solve this problem well.Using the 95 specification wireline coring drill pipe as the platform，the basic structure of BH-75 drill pipe was used，and in view of the existing problems，the BH-95 specification drill pipe without lifting drill bit change was developed.At the same time，the BH-75 drill pipe was improved according to the specific structure of the 95 specification drill pipe，so as to improve the bearing capacity and convergence（delivery）stability of the drill pipe，and automatic sand removal mechanism was added.The technology was applied in the Taodi 1 well（geothermal well）in Yichun City，Jiangxi Province.The drill bit was changed without lifting drill at the hole depth of 680.65704.25 meters.The success rate of drilling tool in place was 100%，the core recovery rate reached 99.4%，the core quality was good，and the tripping times were reduced to a minimum，effectively preventing the hole accidents caused by tripping.The drilling technology without lifting drill Bit Change provides timely optimization of drill bit usage plans，reducing energy consumption，effectively protecting hole wall safety，and reducing labor intensity for drilling in formations with strong abrasiveness，slipping，and frequent alternation of soft and hard in deep hole geological exploration.Key words：geological drilling;replacing drill bit without lifting the rod;BH series drilling tools;wireline coring drill pipe收稿日期：2023-05-26DOI：10.12143/j.ztgc.2023.S1.060基金项目：中国地质调查局地质调查项目“西部地区战略性矿产快速查证与技术支撑”（编号：DD20230320）；国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”（编号：2018YFC0603404）第一作者：钱锋，男，汉族，1983年生，工程师，探矿工程专业，长期从事探矿工程技术研究工作，四川省成都市郫都区现代工业港（北区）港华路139号，。通信作者：罗显粱，男，汉族，1994年生，助理工程师，油气井工程专业，主要从事深孔复杂地层钻探技术及油气井研究工作，四川省成都市郫县成都现代工业港（北区）港华路 139号，。引用格式：钱锋，胡立，邓梦春，等.不提钻换钻头钻进技术研究与应用 J.钻探工程，2023，50（S1）：380-384.QIAN Feng，HU Li，DENG Mengchun，et al.Research and application of drilling technology of replacing drill bit without lifting the rod J.Drilling Engineering，2023，50（S1）：380-384.第 50卷增刊钱锋等：不提钻换钻头钻进技术研究与应用0引言随着我国川藏铁路、滇藏铁路、新藏铁路等一系列重大工程的逐步实施，以及新一轮战略找矿突破行动的开启，需要实施大量的地质钻探工作1-3。地质钻探中为了更换钻头的起下钻辅助工序，不仅占用较多施工时间，而且影响钻孔稳定性，普遍存在安全事故隐患，是影响钻探效率的主要因素，其影响程度随钻孔加深而显著增大，尤其在深孔和复杂地层影响尤为严重4-6。早在一个世纪前，人们就提出不提钻换钻头钻进的设想，期望在不提钻前提下，实现对孔底钻头的检查或更换，并为之进行长期的探索，先后出现近百种尚不具备实用性的不提钻换钻头钻具结构方案7-11。根据钻头特征，可将这些钻具归纳为表 1所列的主要类型。现代不提钻换钻头技术是在绳索取心钻进基础上发展的一种钻进新方法，除具备绳索取心钻进功能外，可在不起下钻杆柱情况下实现对孔底钻头的更换12。其实质是，采用绳索打捞方式，借助专用钻具或采用换钻头工具，将孔底服役钻头从钻杆柱底端卸开并打捞到地表，然后将新钻头送到孔底并安装在钻杆柱端13。20世纪 80年代中期，我国探矿工艺研究所成功研制了 BH-75不提钻换钻头钻具，在我国钻探中首次实现不提钻换钻头钻进，先后在甘肃水文三队、赣东北地质大队等数十个地勘单位进行试验和推广应用14。尽管 BH-75 钻具完成了大量钻探工作量，但存在组合副钻头（扩孔翼）承压较小（有变形的可能）和副钻头处沉砂管效应（影响钻具打捞）等问题，影响其使用效果。以 S95 绳索取心钻杆为使用平台，沿用 BH-75钻具基本结构，并针对其存在问题，研制 BH-95 规格不提钻换钻头钻具。同时，根据 BH-95规格钻具的具体结构完善 BH-75 钻具，提高了 BH 系列钻具的承压能力和钻具收敛（投送）稳定性，增设了自动除沙机构等，为深孔钻探实现不提钻换钻头钻进奠定了良好基础。1BH-95不提钻换钻头钻具1.1钻具结构原理钻具为楔顶扩孔翼张敛式结构类型，采用两级碎岩原理，设置先导取心钻头和组合张敛式扩孔翼，前者执行先导取心钻进，后者承担扩孔成孔任务；利用扩孔翼的张敛性能实现钻具钻进（张开）状态与收敛（打捞）状态的转换，从而具备不提钻换钻头钻进的基本工艺要求。钻具结构见图 1。钻具主要由主钻具和副钻具组成。主钻具（图1a 和图 1b）主要由打捞机构、报信阀、悬挂接头、钻头架、张敛轴、副钻头（扩孔翼）、限位机构、接头及其以下包括主钻头（先导钻头）的取心钻具组成，属可投捞部分，可从孔内将其打捞到地面，又可通过钻杆表 1不提钻换钻头钻具一览钻具类型扩孔翼张敛式整体式拆卸式（拼装式）结构形式楔顶扩孔翼张敛式铰链扩孔翼张敛式整体钻头倒转式完全拆卸式局部拆卸式结构特征装有执行先导钻进的取心钻头、承担扩孔任务的张敛式扩孔翼，采用楔顶机构控制扩孔翼张敛，完成钻具安装或投捞。钻具既是换钻头的工具，又执行取心钻进扩孔翼采用铰链连接，采用齿轮齿条机构控制其张敛，其余与楔顶式相同采用整体取心钻头，其圆周上对称切有 2个平面。采用专用换钻头工具控制钻头卸开和倒转，倒转后钻头径向尺寸小于钻柱内径，可打捞至地面，或送到孔底安装在钻柱底端由上、下两组（每组 24块）钻头块沿圆周拼装构成环形取心钻头；采用专用工具控制两组背离移动，钻头收缩；相对运动使钻头张开钻头由可拆卸的钻头块和连接在钻柱下端的钻头架组合而成；有的还带中心钻头，采用专用工具送钻头块并安装在钻头架上，或拆卸钻头块提出钻孔典型钻具，产地Mindrill钻具，澳大利亚；BH钻具，中国Texco钻具，加拿大Retractable bit system，美国油气钻井行业早期技术方案试验和使用概况Mindrill生产试验；BH-75钻具成功用于钻探生产直径大于 4 in 油气井套管钻井20 世 纪 70 年 代 在明尼苏达等地页岩中进行生产试验，未见应用3812023年 9月钻探工程投送到孔底。副钻具（图 1c）通过副扩孔器与绳索钻杆连接，属于非提升部分。主钻头采用比钻具规格小一级的普通取心钻头。副钻头为 4快组合张敛式，由钻头架的 4个窗口支撑。采用箭形花键副，使主钻具投送后自动瞄向（寻找方位）到位，到达规定与副钻具配合的空间位置；采用端面悬挂副悬挂主钻具；采用楔形张敛机构使副钻头张开或收敛；采用水力驱动张敛轴相对钻头架下移使副钻头张开，打捞使张敛轴相对钻头架上移使副钻头收敛；采用限位机构的径向弹簧维持钻具张敛稳定性；利用张开过程的泵压变化规律显示钻具工作状态；借助张开的副钻头传递扭矩和钻压。钻具除保留和完善了以上机构外，副钻头结合钻具总体设计，采用 T 形断面加强筋的设计方案，增大抗压有效截面，改善了受力方式，承压能力提高30 kN；采用刚性和柔性调节圈调节径向弹力，既增大调节范围，又保证能够顺利插入（张开）；在钻头架沉砂处增设出砂孔，利用钻具旋转的离心力，避免钻屑滞留在钻头架内，消除钻具收敛故障，以提高钻具可靠性和适用范围。钻具具体张敛原理是，在主钻具到位但未张开情况下，主、副钻具的配合间隙视为密封，此时报信阀处于关闭位置，泥浆遇阻，泵压升高，当升高至规定的峰值泵压，便推动张敛轴相对钻头架下行，张敛轴的 4 组斜面使副钻头张开；同时，报信阀开启，泥浆流通，泵压快速回落至正常值；利用打捞瞬间的提升力，使张敛轴相对钻头架上行，副钻头收敛，并采用限位机构维持主钻具收敛稳定性。在张开状态下，张开的副钻头将主、副钻具连接，钻具呈钻进工作状态，可执行取心钻进，具体由主钻头执行先导取心钻进，副钻头承担扩孔任务。钻进回次结束，采用绳索打捞器打捞主钻具，在开始提升瞬间，副钻头收敛，从而解除主、副钻具的连接，钻具转变为收敛状态，主钻具可随打捞器被捞到地面，在地面采取岩心的同时，可检查或更换孔底钻头。然后，再次将主钻具投送到孔底，从而实现不提钻换钻头取心钻进。钻具实物如图 2所示。投送主钻具和开泵后，地面泵压与孔内钻具工作状态的对应关系如图 3 所示，当出现规定泵压峰值 Pm，随后泵压快速下降至稳定泵压，表明孔内钻具到位张开。泵压峰值 Pm称为钻具到位张开报信压力，用作判断钻具到位张开的依据。1.2钻具技术参数共研制了 3 种不同规格的 BH 系列不提钻换钻LJE JL11 25 JJDJGEJJFJGJF(,JG图 1BH-95不提钻换钻头钻具结构图 2不提钻换钻头钻具实物JPP!)#P#03DLPLQ图 3钻具到位张开泵压曲线382第 50卷增刊钱锋等：不提钻换钻头钻进技术研究与应用头钻具，分别对应 75.8、75以及 95 mm 的钻孔，BH系列钻具技术参数见表 2。2钻进工艺2.1设备及器具（见表 3）2.2主要钻进工序钻进工序与绳索取心工艺基本相同，主要环节有：下钻投送主钻具钻具到位张开判断钻进打捞取心，同时检查更换钻头。钻进工艺的关键环节是钻具到位张开判断。2.3钻进参数不提钻换钻头钻具碎岩形成的岩粉比绳索取心钻具多 30%左右，另外钻具设置了 2 个液流通道，副通道允许 10%左右的冲洗液从钻具中途（副钻头处）漏失，为保证主钻头具有充分的冷却条件和冲洗效果，采用比常规绳索取心钻进更大的泵量，具体钻进参数还应根据岩石的可钻性和地层的完整性，并结合孔深、钻孔倾角和钻机能力确定。表 4 为推荐的钻进规程参数。3现场应用3.1基本情况2021 年 5 月，BH-95 钻具在江西省宜春市袁州区南庙乡桃地 1井（地热井）进行生产试验。试验地层主要为砂岩、板岩和炭质板岩的互层，软硬不均，可钻性 36级，有漏失现象，钻孔计孔深 800 m。3.2应用情况本项目之前的 BH-75 钻具，在比较完整地层，孔深1000 m，钻孔倾角30的钻孔，试验和推广应用钻探工作量近万米。本项目研究的 BH-95 钻具地桃地 1 井井深 680.65704.25 m 孔段进行了实钻试验。又分别在 45 m（孔口）、200 m、500 m 孔段表 3不提钻换钻头钻进设备、配套器具钻具规格钻机、泥浆泵、钻塔钻杆规格/mm绳索取心配套器具BH-N与相同规格的绳索取心钻探对设备的要求相同71/58.5S75BH-7571/61S75BH-9589/78S91备注以绳索取心钻探配套设备为平台包括夹持器、提引器、绞车、打捞器表 2钻具技术参数钻具规格钻孔直径/mm岩心直径/mm到位报信压力 Pm/MPa承压能力/kN主钻头主扩孔器直径/mm副钻头外管内管主钻具长度/mm副钻具长度/mm副扩孔器/mm打捞接口副钻具接口类型规格/mm类型张开直径 D/mm收敛直径 d/mm（外径/内径）/mm长度/mm（外径/内径）/mm长度/mmBH-N75.8360.82.0（可调）16金刚石钻头5454.54块组合张敛式75.85353/462170317042/38200030002620362025076S75打捞器75绳索取心扩孔器BH-7575390.82.0（可调）16金刚石钻头56564块组合张敛式755555/482192319245/41200030002642364225075.5S75打捞器75绳索取心扩孔器BH-9596510.82.0（可调）30金刚石钻头70704块组合张敛式966868/612240324057/53200030002765376530095S91打捞器91绳索取心扩孔器3832023年 9月钻探工程进行了钻具到位张开和打捞试验。试验采用 XY-5A 型立轴式岩心钻机；S95A 绳索取心钻杆；常规绳索取心绞车（钢丝绳 6 mm）；低 固 相 冲 洗 液，粘 度 30 s。钻 压 610 kN，转 速240350 r/min，泵量 145 L/min。在试验孔段进行了 16回次实钻试验，钻具均到位张开，成功率 100%，试验工作量 23.6 m，岩心采取率 99.4%（见图 4），平均时效 0.60 m。钻具在不同孔深投送钻具张开和打捞试验效果见表 5。4结论与展望通过不提钻换钻头钻进技术现状、不提钻换钻头钻具结构调研，结合深孔钻探研制了 BH-95系列不提钻换钻头钻具，并在江西省宜春市袁州区南庙乡桃地 1 井井深 680.65704.25 m 孔段进行了不提钻换钻头钻进，钻具到位张开成功率 100%，岩心采取率达到 99.4%，岩心质量好，最大限度地减少了起下钻次数，有效预防起下钻引发孔内事故。绳索取心钻进技术的迅速发展及长寿命金刚石钻头的出现，虽然在一定程度上削弱了对不提钻换钻头钻进的关注，但却为这种方法构建了良好的平台。地质勘探中存在大量强研磨性、打滑、硬脆碎、软硬频繁交替等地层，需要结合地层及时调整钻头使用方案，起下钻仍然频繁，此外，该技术有利于保护孔壁安全和降低工人劳动强度，对钻进超深孔、海洋钻探及高温地层钻进等具有特殊意义。因此，不提钻换钻头钻进技术仍然是钻探期盼的理想方法，除需要结合推广应用开展 BH 钻具在小倾角条件下的收敛可靠性研究外，还可结合其它成熟技术，向更高层次的发展，如与液动潜孔锤结合，形成不提钻换钻头冲击回转取心钻进，提高钻进时效和回次长度，以及开展孔底动力驱动的不提钻换钻头钻进研究。参考文献：1 吴金生，罗显粱，徐正宣，等.高原铁路水平定向试验孔施工概况和关键技术 J.钻探工程，2022，49（6）：1-7.2 罗显粱，徐正宣，吴金生，等.川藏铁路千米级水平孔绳索取心钻进技术与应用 J.地质与勘探，2022，58（3）：665-675.3 任辉.对新一轮找矿突破战略行动相关问题的进一步研究 J.中国煤炭地质，2022，34（11）：1-8，13.4 罗涛.深部矿产资源勘查及地质钻探找矿技术研究 J.世界有色金属，2022（15）：52-54.5 侯向科.地质钻探施工中孔塌事故的原因及预防方法 J.世界有色金属，2022（13）：217-219.6 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