王全義 李龍江 吳峰 徐邦慶

東方物探公司大慶物探一公司 黑龍江 大慶 163000

1 背景分析

大楊樹(shù)盆地是近年來(lái)勘探新區(qū)，盆地處于高緯度地區(qū)，冬季極寒，最冷在-40℃以下，地表75%為火山巖覆蓋區(qū)，多期次火山噴發(fā)影響及風(fēng)化、剝蝕、流水侵蝕等作用，起伏變化大，存在沖溝和河谷，表層巖性多樣化，以不同類型火山熔巖、流沙、含沙礫石、較大礫石、膠泥為主。大楊樹(shù)盆地表層巖性結(jié)構(gòu)縱、橫向變化及其復(fù)雜，一口井內(nèi)存在多種巖性交互層，一種鉆機(jī)或鉆具無(wú)法單獨(dú)完成鉆進(jìn)工作，無(wú)法適應(yīng)多種復(fù)雜地層鉆進(jìn)。接續(xù)鉆進(jìn)的鉆機(jī)需要立起鉆機(jī)井架“對(duì)井口”，確保接續(xù)鉆機(jī)鉆桿與井孔在垂直方向保持一致，這種接續(xù)鉆機(jī)“對(duì)井口”的過(guò)程，給地震鉆井生產(chǎn)任務(wù)優(yōu)質(zhì)、高效完成帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。同時(shí)，在流沙區(qū)、礫石區(qū)鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)井深，提桿后井壁坍塌，無(wú)法成井。造成鉆井進(jìn)尺難、成孔難、下藥難的“三難”局面。

2 難題攻關(guān)

解決高寒區(qū)復(fù)雜巖性鉆井成孔難題是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是集地質(zhì)學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、地震勘探技術(shù)、人體工程學(xué)、生產(chǎn)管理技術(shù)等融為一體的產(chǎn)物——正反循環(huán)一體鉆機(jī)（新型鉆機(jī)）。通過(guò)借鑒單一功能的正循環(huán)和反循環(huán)鉆機(jī)技術(shù)并結(jié)合多年鉆井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)創(chuàng)新方法的應(yīng)用，對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行整合，通過(guò)技術(shù)性、科學(xué)性、操作性、安全性等的論證設(shè)計(jì)形成正反循環(huán)一體鉆機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn) “四位一體、一機(jī)一孔位”的不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)鉆井成孔的技術(shù)功能。

總體技術(shù)方案是：將不同介質(zhì)循環(huán)功能的鉆機(jī)、配套鉆具和鉆桿接卸裝置，整合成一體式鉆機(jī)，使其具備多種介質(zhì)循環(huán)鉆井功能的鉆機(jī)和配套鉆具，避免“對(duì)井口”作業(yè)。正反循環(huán)一體鉆機(jī)能針對(duì)不同的地層結(jié)構(gòu)利用自身各種特效功能，進(jìn)行合理切換，并配合相應(yīng)的鉆具完成所有條件下的地震鉆井作業(yè)。比如：粘度大的可塑粘土層、疏松的砂礫石層、硬度較大的巖石層及其它們相互交替的混合結(jié)構(gòu)，采用不同的循環(huán)介質(zhì)及循環(huán)方式和配套的鉆具、接卸工具及工藝，“對(duì)層”對(duì)癥鉆進(jìn)，逐一攻破，逐層鉆進(jìn)成孔，實(shí)現(xiàn)護(hù)壁、一次成孔，炸藥引導(dǎo)管一次投放，快速完井，轉(zhuǎn)場(chǎng)，提高了功效，降低了成本，保證了成孔質(zhì)量。其主要技術(shù)方法有：

2.1 正循環(huán)與反循環(huán)一體式多種介質(zhì)轉(zhuǎn)換裝置的研制

正循環(huán)與反循環(huán)一體式多種介質(zhì)轉(zhuǎn)換裝置（新型鉆桿動(dòng)力頭）是正反循環(huán)一體鉆機(jī)的核心技術(shù)和重要部件。是實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)循環(huán)的轉(zhuǎn)換裝置，也是改變鉆機(jī)多種鉆井方式和避免“對(duì)井口”作業(yè)的核心裝置，其與配套的接卸裝置和相應(yīng)配套鉆具一同構(gòu)成了正反循環(huán)一體鉆機(jī)。轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)、原理如圖1、圖2所示。裝置分別借鑒正、反循環(huán)動(dòng)力頭的工作原理，將正、反循環(huán)鉆進(jìn)工藝融合成一體式多介質(zhì)轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)更換上轉(zhuǎn)換接頭、下接頭和鉆具及鉆具接卸裝置等部件和不同的循環(huán)介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)正循環(huán)或反循環(huán)鉆進(jìn)，解決高寒區(qū)復(fù)雜巖性地震鉆井成孔難題。正循環(huán)：循環(huán)介質(zhì)（水或氣）從進(jìn)水彎頭進(jìn)入，經(jīng)過(guò)快速轉(zhuǎn)換組件、進(jìn)水頭組件、中心管內(nèi)腔、鉆桿內(nèi)腔到達(dá)鉆頭，將切削下來(lái)了的巖土沿著井壁和鉆桿之間空隙返回地面；反循環(huán)：循環(huán)介質(zhì)（氣）從進(jìn)氣口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣龍頭、變接頭內(nèi)環(huán)腔、鉆桿內(nèi)環(huán)腔到達(dá)鉆頭，將切削下來(lái)的巖土經(jīng)鉆桿內(nèi)腔、變接頭內(nèi)腔、進(jìn)水頭組件，從上噴管噴出。

圖1 正循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖2 反循環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2.2 正循環(huán)與反循環(huán)快速轉(zhuǎn)換裝置的研制

正循環(huán)與反循環(huán)雖然可以動(dòng)態(tài)切換了，但如果轉(zhuǎn)換的時(shí)間太長(zhǎng)，也會(huì)影響到生產(chǎn)效率。通過(guò)創(chuàng)新方法的應(yīng)用，研制了正循環(huán)與反循環(huán)快速轉(zhuǎn)換裝置，輔以改變四個(gè)獨(dú)立螺絲固定的方法為法蘭螺紋固定法，就能以很快的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3 跟管鉆具、螺旋鉆具集成技術(shù)

跟管鉆具和螺旋鉆具在特定的場(chǎng)景下具有很好的作用，比如說(shuō)螺旋鉆具在膠泥且含水性較差的條件就比較適合。通過(guò)集成這兩種鉆具可以使“一體式鉆機(jī)”可以適應(yīng)更多的生產(chǎn)場(chǎng)景。

2.4 鉆桿內(nèi)腔套裝防護(hù)管下藥技術(shù)

通過(guò)正反循環(huán)一體機(jī)的研制,原來(lái)使用藥柱直徑為60或70，下藥容易卡，現(xiàn)在使用直徑50藥柱，將藥柱變細(xì)?？梢灾苯油ㄟ^(guò)動(dòng)力頭和鉆具將護(hù)井管一次性下到規(guī)定的井深。護(hù)井管的使用采用底部封堵，密封處理，每段管線通過(guò)專用接頭進(jìn)行連接，長(zhǎng)度按管內(nèi)有效長(zhǎng)度計(jì)算，有效長(zhǎng)度必須超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)井深20cm以上。特別是防止護(hù)井管在鉆具上提過(guò)程中出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，解決方法：一是通過(guò)護(hù)井管內(nèi)部注水，二是對(duì)最底部的護(hù)井管進(jìn)行特殊防上浮裝置設(shè)計(jì)“防浮錨”。

2.5 鉆機(jī)動(dòng)力頭優(yōu)化

針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)動(dòng)力頭加裝角度調(diào)整構(gòu)件以此符合人機(jī)學(xué)，達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高安全性的效果，解決了接卸鉆桿時(shí)需專人輔助接卸，勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題。

3 預(yù)期應(yīng)用及效果

發(fā)明的新型鉆桿動(dòng)力頭，實(shí)現(xiàn)了正循環(huán)和反循環(huán)快速轉(zhuǎn)換，將正循環(huán)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)和螺旋鉆進(jìn)等鉆井工藝，通過(guò)更換接頭和鉆具，融合到新型動(dòng)力頭上，以WTJ5122TZJ型車載鉆機(jī)為工作平臺(tái)，改造成正反循環(huán)一體式多功能鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)“四位一體”（單部鉆機(jī)可以完成正循環(huán)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)和螺旋鉆進(jìn)四種鉆進(jìn)工藝）、“一機(jī)一孔位”（在復(fù)雜巖性區(qū)單部鉆機(jī)、單井位一次定位成井的鉆進(jìn)過(guò)程）作業(yè)。

正反循環(huán)一體式多功能鉆機(jī)在海拉爾盆地、大楊樹(shù)盆地、松遼盆地等多地區(qū)試驗(yàn)生產(chǎn)，能夠達(dá)到快速完成復(fù)雜巖性區(qū)域的鉆進(jìn)作業(yè)，效率和安全性高。其中：在大楊樹(shù)玉林屯三維項(xiàng)目試驗(yàn)中，鉆井組每天工作12小時(shí)，使用原有鉆機(jī)，完成一口井需要70分鐘左右，每天單機(jī)組能完成10口左右生產(chǎn)井。使用正反循環(huán)一體式多功能鉆機(jī)，完成一口需要30分鐘左右，節(jié)省成井時(shí)間40分鐘左右。以大楊樹(shù)玉林屯三維采集項(xiàng)目為例：物探隊(duì)有35臺(tái)鉆機(jī)，項(xiàng)目鉆井任務(wù)共：37000口井，采用原有鉆井設(shè)備，鉆井組施工期為106天。應(yīng)用改造后的鉆機(jī)，鉆井組施工期縮短到44天，極大地提高鉆井生產(chǎn)效率。

4 經(jīng)濟(jì)效益

正反循環(huán)一體式多功能鉆機(jī)改造費(fèi)用僅為1.2萬(wàn)元，以2020年大楊樹(shù)三維3.7萬(wàn)炮采集項(xiàng)目為例，使用正反循環(huán)一體式多功能鉆機(jī)，鉆井組可節(jié)約62天有效工期。該項(xiàng)目每天直接成本支出按5萬(wàn)元人民幣計(jì)算，總共節(jié)約支出:62天X5萬(wàn)元=310萬(wàn)元人民幣，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

社會(huì)效益方面，新型鉆機(jī)減少了使用者的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮減了操作時(shí)間，節(jié)省操作者的精力，顯著提高了生產(chǎn)效率，深受操作工人贊賞和歡迎。