收稿日期:2002-12-17 作者简介：张晓西(1956-)，河南人，中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师，中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部副总工程师，探矿工程专业，从事中国大陆科学钻探工程工作，河北省廊坊市金光道77号；杨甘生(1963-)，湖南人，中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师，中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部钻探技术室主任，探矿工程专业，从事中国大陆科学钻探工程工作；朱永宜(1954-)，安徽人，中国地质科学院勘探技术研究所高级工程师，中国大陆科学钻探工程中心现场指挥部钻探技术室副主任，探矿工程专业，从事中国大陆科学钻探工程工作。 大口径硬岩钻探技术在中国大陆科学钻探工程中的应用
张晓西，杨甘生，朱永宜(主笔)，谢文卫
(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000)
摘 要：阐述了勘探技术研究所大口径牙轮钻头全面钻进技术和金刚石提钻取心、液动锤钻进技术在中国大陆科学钻探工程科钻一井先导孔中的应用。 关键词：中国大陆科学钻探工程；科钻一井；勘探所；大口径硬岩钻探中图分类号:P634 文献标识码:B 文章编号:1000-3746(2003)01-0023-05
我所是国内全行业建所最早、规模最大的勘探技术研究所，经过45年的勤奋科研和技术接力，在不断
推出高质量钻探科研成果的同时，也培养了一批既可从事技术研究，又具现场施工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 大口径牙轮钻头全面钻进技术1.1 一开作业的技术难点
一开钻进是整个CCSD 5000m 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;uv喷涂工艺
(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,CCSD 2号预先导孔孔深80m 时孔斜即达414°。1.2 一开钻进的技术配套 1.2.1 加重短钻铤的研制与应用
图1 加重钻铤示意图
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
415m ，单位重力约13kN Πm 。
刮板钢即使开孔钻进,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 牙轮钻头的选择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239143h ，进尺93149m ，取得了平均钻头寿命80h Π
个、平均机械钻速0139m Πh 、最大孔斜112°、一开完钻孔斜0175°的较好指标。1.3 一开技术指标分析
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215m 外，其他基本低于015m 。这主要是因为
:
图2 一开钻进技术指标
(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 三开导向扩孔牙轮钻头的研制与应用
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，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 研制的技术背景、现状与难点
(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 钻头制造工艺2.2.1 切削具选用以 216mm 优质镶齿牙轮为切削具。选用的牙轮掌有如下特点:
一种关注(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 钻头体设计
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
。
图3 311mm 导向扩孔牙轮钻头结构示意图
导向体前部设计为2种形式：一种是在前端焊接一只直径为152mm 的小牙轮钻头，用于扩孔近底时清理小孔内的积淀物；一种如图3所示，在前端镶数颗楔齿硬质合金，既防止小孔内有掉块挡道，又降低了钻头成本。
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 加工工艺控制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 应用成果bopp-yt
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 Π个、平均进尺寿命57m Π
个、平均钻速1104m Πh ，其他有关指标见表1。
表1 钻头时间寿命及进尺寿命统计
时间寿命Πh 10～2020～3030～4040～6060～7070～90>90
钻头数Π个4145652进尺寿命Πm <1010～2020～3030～4050～7070～9090～100>100钻头数Π个14256342
3 普通单动双管钻具的研制与应用
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M ICON 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 钻具的工作环境
(1)工作转速280r Πmin 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1103～1105g Πcm 3
，含砂量≤011%，泵排量10L Πs 左右。3.1.2 对钻具的技术要求
(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 Πs 排量的泥浆通过时不产生过高的水力压降;心电电极
(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 钻具的结构特点
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
。
图4 KZ -1型钻具结构示意图
(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0175mm 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。
微波功率放大器(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 钻具的技术指标
钻孔公称直径157mm 、岩心公称直径96mm 、容纳岩心最大长度815m 、轴承连续工作寿命≮60h 。3.2 钻具的应用效果及其标范作用
KZ -1型钻具在先导孔1945154m 取心孔段
中共入孔509回次，进尺1582177m ，取得平均钻速
01955m Πh 、最高钻速3176m Πh 、平均岩心采取率90119%、平均回次进尺3111m 、最高回次进尺8172m 、最高轴承寿命151h 的效果。钻具的取心效果如图5所示
。
碎裂岩心 完整的长岩心
图5 KZ -1型钻具取上的岩心
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 钻具国产化的经济效益
现场指挥部曾与美国BA KER HU GHES 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Π(人・日)，工具使用费200美元Πh ；若全套钻具销售，则整机6115万美元Π套，推荐配可入孔工作12次的备用件2套,1152万美元Π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 YZX127型液动锤的应用成果
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的液动锤带来了机遇。4.1 液动锤钻进对科钻一井的意义4.1.1 科钻一井的钻进条件
(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3015mm ;
(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 液动锤钻进的意义
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。
4.2 YZX127型液动锤适应泥浆作业的过程
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 初步试验阶段(218144～415113m)
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22188 m，平均时效0188m、回次长度1163m。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 继续探索阶段(789160～809164m)
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，锤具入孔6回次，进尺13140 m，平均时效0164m、回次长度2123m。
4.2.3 深化提高阶段(1209161～2025117m)
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17166h、进尺26130m、平均回次长度5128m(岩心管装满)、平均时效1149m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指挥部对泥浆润滑性能进行了改善后，使液动锤的高效钻
进特性得到了更加充分的发挥，时效超过113m、进尺超过6m的回次不断产生，竟使1900m深度后的平均日进尺效率高于500m前的浅孔段。
4.3 YZX127型液动锤的应用成果(见图6、7、8
)
图6
在先导孔中的总体应用情况
图7 各应用阶段指标对比 图8 在1209～2025m
孔段钻进中回次占有率
5 结语
与任何一门渐趋成熟的技术一样，我所在科钻一井所取得的技术成果也凝聚着众多的集体智慧。CCSD现场指挥部的全体钻探技术人员，以中国的大陆科学钻探事业为己任，对我所投入工程中的各个项目均给予了无私的支持和指导，我们在这里向他们表示崇高的敬意。
CCSD工程中心主任兼现场指挥部总指挥王达教授的一句话，精辟地指出了钻探工程在中国大陆科学钻探事业中的地位:“科学钻探成果在地质，成败在钻探”。这就是警醒我们不仅要继续巩固取得的成果，还要密切跟踪正在纵深发展的中国大陆科学钻探工程，不断地研究新问题、推出新技术，与全国钻探科研工作者一起，协助CCSD工程中心及其现场指挥部的钻探同行们，共同把我国的大陆科学钻探事业推向前进。
随着科钻一井主孔钻探工程的展开，我所一批以绳索取心钻进方法为主体，以提高钻进效率和回次进尺、降低钻孔弯曲和管材磨耗为目的的孔底动力合成钻具正在或即将投入现场试验。部分钻具的初步试验结果已显示出其主体设计的技术可行性，这就像一缕透过云层的霞光，引导我们憧憬着绚丽灿烂的艳阳天。
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