王三牛，王 聰，劉 瑋，楊引娥

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000;2.貴州省地礦局102地質(zhì)大隊，貴州遵義 563003)

科學深鉆擴孔鉆頭及鉆進技術研究

王三牛1，王 聰2，劉 瑋1，楊引娥1

(1.中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北廊坊 065000;2.貴州省地礦局102地質(zhì)大隊，貴州遵義 563003)

闡述了科學深鉆擴孔鉆進的必要性，重點探討了科學深鉆的擴孔鉆進工藝技術及其所用擴孔鉆頭、鉆具的選型及結構設計，并提出了超萬米深孔科學鉆探擴孔鉆進的工藝及鉆頭、鉆具的設計。

科學鉆探;深鉆;擴孔鉆進;擴孔鉆頭;擴孔鉆具;超萬米深孔

0 引言

科學鉆探是以地學研究為目的而實施的鉆探，通過科學鉆探的方法對地殼巖石圈、生物圈、水圈(含地下流體)的組織結構、物質(zhì)成分、形成機理等進行各類研究。大陸科學鉆探通過提高對深部地質(zhì)的研究，進而可以解決人類面臨的資源(如油氣、固體礦產(chǎn)、地熱)、災害(如地震)以及環(huán)境等問題。我國從20世紀90年代末開始進行科學鉆探研究，位于江蘇東海的第一口科學鉆探井——中國大陸科學鉆探工程科鉆一井(CCSD－1)于2001年6月開始鉆探，2005年4月順利結束;位于四川汶川的汶川地震斷裂帶科學鉆探工程目前正在施工中;深度達13000 m的科學超深井前期研究工作也已全面展開。

在科學深井成孔工藝方面，我國鉆探界總結了一套完整的施工方案，即小鉆取心，大鉆擴孔成井工藝，這種工藝既能提高鉆進效率又能節(jié)省鉆井成本。為了應對復雜多變的地質(zhì)條件，科學深鉆施工均需要下入多層套管，以保證深部鉆孔的順利實施，因此就提出了對擴孔鉆進的需求。中國大陸科學鉆探工程CCSD－1井孔深5158 m，設計下套管4層(不含孔口管);德國KTB科學深鉆孔深9101 m，下套管6層;目前已展開前期研究工作的13000 m超深井，有關專家則提出需要下套管6～7層，據(jù)此可以看出超深孔鉆探擴孔鉆進工作的重要性。

1 中國大陸科學鉆探(CCSD)科鉆一井(CCSD－1)擴孔鉆進

在確定鉆孔施工方案中，根據(jù)地質(zhì)狀況及工程技術要求，對孔段101～2000及2000～4000 m分別進行157/311和157/244.5 mm擴孔鉆進。由于石油鉆井中很少采用擴孔鉆進方法，國內(nèi)外很少有深井用的擴孔鉆頭可供選擇。況且，CCSD－1大陸科學鉆探項目是在結晶巖地層(主要是榴輝巖和片麻巖)中鉆進，巖石可鉆性多數(shù)在8～9級，少數(shù)孔段達到10～11級，地層非常堅硬，擴孔鉆進的難度很大。

為了滿足中國大陸科學鉆探工程的急需，我們在總結過去多年各種類型的擴孔鉆頭的設計經(jīng)驗的基礎上，針對這么堅硬的巖石擴孔，結合石油轉(zhuǎn)盤鉆機特點，選用牙輪鉆頭作為碎巖刀具，專門設計了KZ型CCSD專用牙輪擴孔鉆頭(157/311和157/ 244.5 mm)，為該重大工程的擴孔鉆進工作的順利實施提供了技術支撐。

1.1 CCSD－1井擴孔施工的井身結構(見圖1)

圖1 科鉆一井的擴孔井身結構

鉆頭外徑311、244.5 mm，鉆頭導向直徑150 mm，鉆頭導向長度250 mm。

在正常鉆進情況下，鉆頭平均壽命60 h;根據(jù)鉆進地層不同，鉆進時效達到0.5～1.5 m。

1.2.2 KZ型CCSD擴孔鉆頭結構設計和技術特點

圖2 KZ157/311型擴孔鉆頭(帶前導鉆頭)

圖3 KZ157/244.5型擴孔鉆頭

(1)鑲齒牙輪作為碎巖刀具為取得好的擴孔鉆進效果，擴孔鉆頭必須有優(yōu)異的嵌巖切削具。與其它類型的切削具相比，牙輪鉆頭在技術上比較成熟，牙輪軸承帶有壓力平衡潤滑系統(tǒng)，適用于深井硬巖鉆進;牙輪硬質(zhì)合金齒以滾動沖擊、壓入、剪切方式破碎巖石，與其它類型切削具相比壽命長，時效高;牙輪軸承密封采用金屬浮動密封結構，性能優(yōu)異，適用于線速度較高的鉆進;KZ型CCSD專用擴孔鉆頭以216優(yōu)質(zhì)鑲齒牙輪為切削具，鉆頭型號為IADC537、617、637，適用于在結晶變質(zhì)巖中鉆進。

(2)鉆頭采用整體結構設計(見圖4)，鉆頭體、保徑扶正、超前導向融為一體;鉆頭主體材料選用特種鋼20CrNiMo整體鍛造，經(jīng)熱處理而成，強度高，可焊性好，保證鉆頭安全可靠。

圖4 KZ型CCSD擴孔鉆頭結構

(3)導向長度250 mm，導向部分鑲硬質(zhì)合金，導正和耐磨性好。

(4)兩種擴孔鉆頭的大徑扶正處直徑分別為310和244 mm，扶正體表面鑲保徑硬質(zhì)合金，具有很高的耐磨性，可有效防止因鉆頭牙輪外徑磨損而導致縮孔。

(5)鉆頭液流通道采用四水眼設計，每個牙輪均勻分配沖洗液，保證牙輪冷卻及孔底清潔需要;同時前導向體水口排出的液流形成一定的上返流速，防止鉆頭擴孔鉆進破碎的巖渣沉入導孔，造成擴孔后期清孔的困難。

1.2.3 鉆進規(guī)程參數(shù)

1.2.3.1 鉆壓

擴孔牙輪鉆頭在鉆進中鉆壓要小于同規(guī)格三牙輪鉆頭。擴孔鉆頭受力狀況劣于整體三牙輪鉆頭，而且擴孔鉆頭因為導向體的存在形成雙約束體，較三牙輪鉆頭鉆進時震動大，易產(chǎn)生跳鉆、憋鉆現(xiàn)象，對鉆頭的強度產(chǎn)生負面影響;另外，擴孔鉆頭牙輪相對較小，類似于小馬拉大車，過高的鉆壓會使牙輪軸承過早損壞。推薦擴孔鉆進鉆壓范圍0.25～0.65 kN/mm(擴孔部分直徑)。

KZ157/311型擴孔鉆頭鉆壓范圍38.5～100 kN，KZ157/244.5型擴孔鉆頭鉆壓范圍25～60 kN，實際鉆壓根據(jù)鉆進時地層具體情況進行調(diào)整。

1.2.3.2 轉(zhuǎn)速

擴孔鉆頭的轉(zhuǎn)速小于同規(guī)格三牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)速。鉆頭轉(zhuǎn)速主要取決于牙齒破碎巖石所需的時間、鉆進地層巖石的抗壓強度以及牙輪軸承的承受能力。根據(jù)前蘇聯(lián)學者比留科夫?qū)τ操|(zhì)合金齒破碎巖石的研究，齒與巖石接觸時間不小于0.02～0.03 s。如果小于該時間，齒對巖石的壓力作用效果就會急劇下降。根據(jù)這一理論，可以得出擴孔牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍。

設牙輪錐體大端直徑為d，大端齒數(shù)為z，鉆頭直徑為D，則鉆頭轉(zhuǎn)速n由下列公式確定:

式中:k——速度損失系數(shù)，k=0.95;t——硬質(zhì)合金齒與巖石接觸時間，t=0.02～0.03 s。

k值是考慮到牙輪擴孔鉆頭的牙輪實際處于一種變相超頂—退頂運動狀態(tài)，鉆進過程中產(chǎn)生徑向滑移，在孔底轉(zhuǎn)動時不完全是純滾動，導致牙輪自轉(zhuǎn)速度有所下降，故k為速度損失系數(shù)。

對于KZ157/311型鉆頭，將k=0.95，t=0.02～0.03 s，z=19，d=130 mm，D=311 mm代入(1)式，得出n=46.3～69.5 r/min。

KZ157/311型擴孔鉆頭鉆進轉(zhuǎn)速在50～70 r/ min范圍內(nèi)是合理的。同樣可以得出KZ157/244.5型擴孔鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍在60～80 r/min。

鉆頭使用過程中，鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍不能同時使用上限，否則，鉆進過程會產(chǎn)生嚴重的憋跳，容易造成孔內(nèi)事故。

1.2.3.3 泵量

泥漿流速與泵量成正比，泵量越大，泥漿攜帶巖粉的能力越強，孔底清渣效果越好。泥漿攜帶巖屑的條件是泥漿上返速度要大于巖屑的沉降速度，下面是巖屑顆粒沉降速度V確定公式:

式中:K——顆粒形狀系數(shù)，2.5～4;dk——巖屑粒徑，dk=0.004 m;ρk——巖屑密度，ρk=2700 kg/m3; ρ——泥漿密度，ρ=1100 kg/m3。

將以上數(shù)值帶入后求出巖屑在泥漿中的沉降速度為0.2～0.35 m/s。

所需的泵量由下面公式確定:

式中:V——泥漿上返流速，m/s;D——鉆孔直徑，m;d——鉆桿直徑，m。

計算得KZ157/311型擴孔鉆頭擴孔鉆進泵量范圍為30～35 L/s，KZ157/244.5型擴孔鉆頭擴孔鉆進泵量范圍為25～30 L/s。

1.2.4 擴孔鉆具組合

該擴孔鉆具組合增加了震擊器是為了防止鉆進過程中鉆具遇卡后解卡。因該孔段孔內(nèi)復雜，有漏失、坍塌、掉塊，鉆具上安裝隨鉆震擊器很有必要。

1.2.5 擴孔鉆進施工效果

101～2028 m擴孔段，共使用KZ157/311型擴孔鉆頭27只，在可鉆性7～11級地層條件下取得了非常滿意的效果。累計擴孔1534.67 m，平均時效1.04 m，最高時效 1.70 m。單只鉆頭最高壽命105.94 h，最高進尺136.53 m。

2028～3620 m擴孔段，共使用KZ157/244.5型擴孔鉆頭21只，完成擴孔工作量1059.34 m，平均機械鉆速1.09 m/h，最高機械鉆速1.53 m/h，單只鉆頭最高進尺107.06 m，最高壽命91.85 h。

中國大陸科學鉆探工程中心對KZ型擴孔鉆頭使用的評價:“CCSD－1井全井導向擴孔共使用兩種規(guī)格擴孔鉆頭，即 KZ157/311和 KZ157/244.5型，該系列鉆頭性能穩(wěn)定、保徑和安全設計好，為擴孔施工的勝利完成起到了重要作用。”

1.2.6 兩次擴孔出現(xiàn)的問題

(1)初期加工的擴孔鉆頭，由于時間緊，鉆頭體材料選用市場容易購到的35CrMo中碳合金鋼，雖然材料本身強度高，也節(jié)約了一定成本，但可焊性較差，在外觀檢驗中雖然不能發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋，但鉆頭在使用過程中由于鉆具憋跳產(chǎn)生的劇烈震動以及牙輪沖擊鉆進產(chǎn)生的正常震動導致鉆頭焊縫出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)KZ－05號鉆頭牙掌因焊接問題掉入孔底，發(fā)生孔內(nèi)事故。

問題出現(xiàn)后，我們及時把鉆頭母體材料更換為20CrNiMo，采用整體鍛造熱處理工藝，大大改善了材料的可焊性。雖然生產(chǎn)成本大幅度提高，但鉆頭從未再出現(xiàn)質(zhì)量事故。

(2)在設計KZ157/244.5型擴孔鉆頭時，前6個鉆頭使用165 mm牙輪作為切削刀具，由于牙輪規(guī)格小，使用壽命不理想，后來改用216 mm牙輪作為切削刀具，并對鉆頭體結構進行優(yōu)化設計，鉆頭壽命和時效得到了很大的提高。

1.2.7 鉆頭使用體會

(1)加裝減震器的鉆頭使用效果明顯優(yōu)于不加減震器的鉆頭。鉆頭使用初期，鉆頭上未加減震器，鉆壓和轉(zhuǎn)速一直加不上去，一加壓鉆具就憋跳嚴重，加減震器后，鉆壓可以加到70～90 kN，轉(zhuǎn)速加到50～60 r/min，鉆進正常。

(2)在結構允許的情況下盡量選用大牙輪作為切削具，提高鉆頭牙輪的強度和壽命。

(3)對于深孔硬巖地層鉆進用擴孔鉆頭，鉆頭保徑一定要做好，否則鉆出的孔縮徑嚴重，給后續(xù)新鉆頭下井帶來很多麻煩。

(4)鉆頭的結構強度是保證正常鉆進的前提，為了最大限度地保留鉆頭體連接實體截面尺寸，在不影響鉆頭使用的前提下，將牙輪前尖不參與碎巖的硬質(zhì)合金齒去掉，或條件允許的情況下定做專用擴孔牙輪，減小牙輪前部尺寸，增大鉆頭體強度。

1.2.8 鉆頭生產(chǎn)工藝

(1)控制牙輪鉆頭加工過程中的溫度。

影響牙輪鉆頭壽命的決定性因素是牙輪軸承密封，所以在KZ型鉆頭生產(chǎn)過程中除選用國內(nèi)外最好的三牙輪鉆頭外，還要嚴格控制加工過程中的溫度。在整體三牙輪鉆頭解體過程中采用冷解剖特殊工藝或采用未組裝的單片牙輪掌，焊接過程實行嚴格的水循環(huán)溫度控制，保證牙輪密封件溫度不超過100℃，避免高溫對牙輪軸承密封和儲油囊破壞。

(2)鉆頭加工精度控制。

鉆頭加工精度也是影響鉆頭使用的極為重要的因素。為了防止鉆頭在焊接過程中的變形，我們設計了專用鉆頭組焊工裝(見圖5)，保證了鉆頭螺紋、鉆頭直徑和導向體的同軸度，同時保證鉆頭直徑公差在允許范圍內(nèi);在鉆頭焊接過程中實行嚴格的變形控制，防止焊接時牙輪徑向變形。

圖5 鉆頭加工工裝

2 汶川地震斷裂帶科學鉆探擴孔鉆進

汶川地震斷裂帶科學鉆探3號孔設計孔深1200 m，取心鉆進口徑150 mm。擴孔施工分2級，分別為150/252和150/202 mm。第一級擴孔深度為407.2 m，第二級擴孔深度為1185.37 m。為此設計了2種類型的擴孔鉆頭，即第一級擴孔用牙輪擴孔鉆頭，第二級擴孔用聚晶金剛石復合片擴孔鉆頭，兩種鉆頭擴孔鉆進都取得了令人滿意的效果。

圖6 150/252 mm牙輪擴孔鉆頭結構

擴孔段為23.5～407.2 m，共用4個鉆頭，完成擴孔工作量383.7 m，鉆頭平均進尺92.92 m，平均壽命51.2 h，平均機械鉆速1.81 m/h。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 汶川地震斷裂帶科學鉆探3號孔擴孔成果

由于擴徑量較小，鉆進的地層為中軟地層，當時設計鉆頭時考慮到鉆頭結構尺寸的限制，如果選用牙輪作為切削刀具，只能使用很小的牙輪規(guī)格，從鉆頭整體的強度和軸承承載力等因素考慮都不合理，所以我們做了新的嘗試，選用PDC金剛石復合片作為切削刀具，并且將鉆頭的擴孔刀翼設計為可更換，既保證鉆頭的整體強度又滿足鉆頭的使用壽命。

圖7 150/202 mm聚晶金剛石復合片(PDC)擴孔鉆頭

2.2.1 PDC擴孔鉆頭特點

(1)選用金剛石復合片作為切削刀具，鉆頭上沒有影響鉆頭壽命的軸承結構和密封件;

(2)鉆頭設計為4擴孔刀翼，靠鎖緊銷牢固的固定在鉆頭體上，如果某刀翼上的PDC復合片出現(xiàn)損害或失效，鉆井操作人員在井場就可以方便更換，鉆頭可以重復使用;

(3)鉆頭噴嘴設計合理，循環(huán)液直接冷卻到復合片切削刃上，并形成一定的水馬力，有利于提高鉆進效率;

(4)鉆頭整體軸向長度長，穩(wěn)定性好，在直徑扶正帶上鑲有一定長度的保徑硬質(zhì)合金，保徑效果好。2.2.2150/202 mm聚晶金剛石復合片(PDC)擴孔鉆頭的使用效果

該鉆頭擴孔孔段為689.82～1143.10 m，共計進尺453.28 m，純鉆進時間105 h 50 min，平均時效4.28 m，具體鉆進參數(shù)及鉆進效果見上表，擴孔任務完成后鉆頭還可繼續(xù)使用，取得了非常滿意的效果。

3 13000 m超深井科學鉆探擴孔技術探討

開展超深井擴孔鉆進技術研究是超深井成井工藝方案的一個重要環(huán)節(jié)，已開展前期預研究的13000 m超深科學深井，開孔直徑812.8～863.6 mm(32～34 in)，終孔直徑152～165 mm(6～6 1/2in)，預計下套管層數(shù)6～7層。沿用國內(nèi)科學深鉆施工方案，采用小鉆取心大鉆擴孔方案較為成熟，并且這種施工工藝具有鉆進效率高施工成本低等特點。在超深孔中擴孔鉆進較之于已經(jīng)完工的東?？沏@一井(CCSD－1)及正在完成的汶川地震科學鉆探井而言，不僅擴孔鉆頭直徑成倍提高，擴孔深度也成倍增加，鉆頭設計難度及施工難度都會大幅度增加。筆者建議13000 m超深井擴孔技術應從以下幾個方面進行考慮。

(1)由于擴孔直徑加大，增大了擴孔鉆進的扭矩，為了正常鉆進，所設計的鉆頭體應采取箱體特殊結構，以保證有足夠的強度。

(2)擴孔直徑大鉆頭線速度高，大直徑擴孔鉆頭的切削具采取特型鑲齒滾刀作為破巖工具效果會更好。

(3)由于鉆孔直徑大、擴孔深度深，返渣問題比較突出，對于大直徑擴孔而言采用氣舉反循環(huán)鉆進不失為一種有效方法。

(4)擴孔直徑大，鉆頭鉆進時的回轉(zhuǎn)阻力也大，鉆頭鉆進時會相對處于一種極不穩(wěn)定狀態(tài)，整個鉆柱會跳動很嚴重，為了平穩(wěn)鉆進，必須采取特殊的扶正減震措施。鉆頭的設計上也要考慮優(yōu)化設計，提高鉆頭導正扶正、保徑防磨效果，所有與孔壁接觸的鉆頭體都要鑲嵌硬質(zhì)合金或金剛石聚晶。

(5)由于鉆進深度大幅度加大，鉆柱的負載加大，對鉆頭的安全系數(shù)提出了更高要求。擴孔鉆進中鉆頭必須安全可靠，這就要求鉆頭體和切削刀具都具有高的強度和壽命。因此鉆頭的材料選擇、熱處理及刀具焊接等加工方面應嚴格控制，減少影響鉆頭壽命的各種因素。鉆孔超深，孔內(nèi)溫度增高，要求鉆頭所采用的材料都必須是耐高溫材料，切削具的密封均為金屬密封。

(6)超深孔段的擴孔鉆頭，由于擴徑量小，盡可能采用金剛石聚晶復合片(PDC)擴孔鉆頭或天然金剛石擴孔鉆頭，它沒有軸承和密封件，相對孔內(nèi)事故要少;鉆孔深度大地層變化多，所設計的鉆頭應能適應不同的地層，鑲齒牙輪鉆頭及鑲齒滾刀擴孔鉆頭適合硬至堅硬地層鉆進，金剛石復合片鉆頭適合于軟到中硬地層，表鑲金剛石鉆頭適合于堅硬強研磨性地層。

(7)深孔段擴孔，雖然擴孔直徑小，但鉆柱長，擴孔鉆進效率低，這時可以考慮利用孔底動力進行擴孔鉆進。對于165 mm螺桿鉆具，輸出扭矩在3200 N·m左右，可以滿足200～250 mm擴孔鉆頭鉆進要求。

4 結語

超萬米的科學深井研究與鉆探對我國來說還是一個全新的課題，其所采用的鉆頭、鉆具及其施工工藝需要做極其認真細致扎實的研究工作，我們將總結以往研究擴孔鉆頭的經(jīng)驗及教訓，認真學習國內(nèi)外同行的所長，力爭研究出一系列性能優(yōu)良、結構設計合理并有所創(chuàng)新、能適應科學深井鉆探各種復雜地層施工環(huán)境的擴孔鉆頭，并提出一套合理的擴孔鉆進施工工藝。

［1］王達，張偉，張曉西，等.中國大陸科學鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］(蘇)普·阿·甘朱緬.巖心鉆探實用計算［M］.高森，譯.北京:地質(zhì)出版社，1980.

［3］甘行平，王三牛，劉瑋，等.PZ系列組合牙輪鉆頭及其嵌巖技術的研究［J］.探礦工程，1999，(2).

［4］王三牛，佟功喜.鑲齒滾刀及滾刀鉆頭嵌巖技術的研究［J］.探礦工程，2003，(4).

［5］羅肇豐，等.鉆井技術手冊 鉆頭［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1984.

Study on Reaming Bit for Scientific Drilling and the Drilling Technique

WANG San-niu1，WANG Cong2，LIU Wei1， YANG Yin-e1(1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.102 Geological Brigade，Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources，Zunyi Guizhou 563003，China)

The necessary of reaming drilling in scientific drilling was presented and the discussion was made on reaming drilling technology，the design of reaming bit，drilling tool selection and the structure design.The reaming drilling technology and the design of the bit and drilling tool for the deep hole scientific drilling of over ten thousand meters were put forward.

scientific drilling;deep drilling;reaming drilling;reaming bit;reaming drilling tool;deep hole over 10 thousand meters depth

P634

A

1672－7428(2012)03－0008－06

2011－11－29;

2012－02－16

王三牛(1957－)，男(漢族)，山西新絳人，中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所大口徑鉆頭與鉆具研制中心生產(chǎn)技術部部長、教授級高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事各種鉆頭、鉆具及鉆探工藝的研究工作，河北省廊坊市金光道77號，ktsztzx@vip.sina.com。