渦輪取芯鉆進(jìn)工藝在干熱巖鉆井中的應(yīng)用

譚現(xiàn)鋒，王景廣，趙長(zhǎng)亮，王穩(wěn)石，翁 煒，段隆臣

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074；3.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東德州 253000；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所，北京 100083）

干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體，干熱巖儲(chǔ)層巖石可分為侵入巖、變質(zhì)巖和沉積巖三大類。未來(lái)干熱巖的開(kāi)發(fā)利用主要取決于鉆井和人工儲(chǔ)層建造的費(fèi)用，較低的鉆井成本和較高的儲(chǔ)層熱交換速率將大大降低增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。干熱巖鉆探在我國(guó)起步較晚，耐高溫鉆具和鉆井技術(shù)、高溫鉆井液技術(shù)還不夠成熟，主要是對(duì)地礦和石油行業(yè)現(xiàn)有鉆探技術(shù)進(jìn)行改良利用，尚未形成一套成熟的干熱巖高溫鉆井技術(shù)體系和指導(dǎo)施工的干熱巖鉆探技術(shù)規(guī)程，嚴(yán)重制約了干熱巖鉆探的施工效率和發(fā)展[1-2]。解決大口徑干熱巖鉆探的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，特別是大口徑快速、高效取芯問(wèn)題，為科研技術(shù)人員提供高質(zhì)量的干熱巖巖心以加強(qiáng)對(duì)干熱巖熱物性、天然裂隙和可壓裂性等方面的研究，快速準(zhǔn)確探明我國(guó)干熱巖分布與儲(chǔ)量，對(duì)干熱巖資源的開(kāi)發(fā)與利用意義重大[3-10]。

我國(guó)初期的干熱巖勘探取芯主要采用常規(guī)轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，在鉆進(jìn)過(guò)程中由于干熱巖具有高研磨性、高溫和高硬度等特征，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速低、扭矩小，鉆進(jìn)取芯效率低。近年來(lái)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、西南石油大學(xué)、長(zhǎng)江大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所、北京探礦工程研究所等機(jī)構(gòu)對(duì)渦輪鉆具均進(jìn)行了一定的研究，主要集中在提高本體性能、壽命和優(yōu)化工藝。目前，我國(guó)雖已擁有外徑為240，195，175，165，127 mm 等規(guī)格型號(hào)的渦輪鉆具，但國(guó)內(nèi)實(shí)際鉆井工作中使用的渦輪鉆具仍基本依靠從俄羅斯進(jìn)口或者采用美國(guó)Smith 公司的服務(wù)。盡管我國(guó)已經(jīng)研發(fā)出一系列的渦輪鉆具，但國(guó)內(nèi)在深孔復(fù)雜地質(zhì)渦輪鉆具及工藝方面的研究進(jìn)展很緩慢，主要原因是：渦輪鉆類型單一，品種系列不配套，工藝研究不夠深入，技術(shù)水平、使用范圍及效果與國(guó)外差距較大，特別是在深井高溫硬巖工況下，渦輪鉆具全面鉆進(jìn)工藝在我國(guó)的研究和應(yīng)用都較少，嚴(yán)重制約了孔底渦輪動(dòng)力鉆具的發(fā)展，特別是在干熱巖取芯鉆進(jìn)方面的應(yīng)用研究尚處于空白階段。

為此，課題組將新研制的Ф127 mm 渦輪鉆具，在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井分別進(jìn)行了干熱巖鉆井取芯工藝研究，干熱巖“轉(zhuǎn)盤(pán)+渦輪鉆具+KT-140 取芯鉆具”復(fù)合取芯鉆進(jìn)工法和器具經(jīng)受住了孔底236℃高溫考驗(yàn)，鉆獲了高質(zhì)量巖心，從而為進(jìn)一步完善干熱巖渦輪鉆具復(fù)合取芯鉆井技術(shù)提供了數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 渦輪鉆具工作原理及設(shè)計(jì)

1.1 渦輪鉆具工作原理

渦輪鉆具是一種依靠鉆井液驅(qū)動(dòng)的孔底動(dòng)力鉆具，其物理基礎(chǔ)是液力驅(qū)動(dòng)的歐拉方程。渦輪鉆具一般包括渦輪節(jié)和軸承節(jié)。渦輪節(jié)是渦輪鉆具的動(dòng)力部件，在渦輪節(jié)內(nèi)安裝有多級(jí)渦輪。常規(guī)渦輪葉片設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子和定子葉片形狀相同但彎曲方向相反。工作時(shí)，鉆井介質(zhì)在泥漿泵作用下進(jìn)入渦輪馬達(dá)內(nèi)，經(jīng)定子導(dǎo)流后以一定的方向和速度進(jìn)入轉(zhuǎn)子，可將鉆井介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子并帶動(dòng)渦輪軸回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)下方連接的取芯和碎巖工具（圖1）。

圖1 單一渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a single turbine structure

根據(jù)干熱巖鉆井高溫、高硬度、高研磨工況的應(yīng)用需要，首先確定了渦輪鉆具的主體結(jié)構(gòu)方案和初始設(shè)計(jì)目標(biāo)，之后分別對(duì)渦輪節(jié)和支承節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在渦輪節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中包括渦輪葉片葉形設(shè)計(jì)、渦輪葉片級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)、渦輪節(jié)節(jié)數(shù)設(shè)計(jì)、渦輪主軸、外殼設(shè)計(jì)等，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬、臺(tái)架試驗(yàn)后，對(duì)渦輪葉片水力性能進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。在支承節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要包括推力軸承及扶正軸承設(shè)計(jì)、主軸設(shè)計(jì)、外殼設(shè)計(jì)等，還包含聯(lián)軸器設(shè)計(jì)等，主要通過(guò)對(duì)軸承型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高承載力和工作壽命，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)渦輪鉆具的葉片、主軸關(guān)鍵部件進(jìn)行材料優(yōu)選和強(qiáng)度校核，確保井下工作的安全性。在空間尺寸確定的情況下，渦輪鉆具設(shè)計(jì)的核心是葉片設(shè)計(jì)。

按軸承工作原理并結(jié)合干熱巖鉆井的需求，對(duì)渦輪鉆具的止推軸承進(jìn)行了優(yōu)選。因聚晶金剛石復(fù)合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡(jiǎn)稱PDC），止推軸承因不含橡膠件為全金屬件而被引入了渦輪鉆具，以解決在鉆井中遇到的傳統(tǒng)止推軸承不適用于高溫和高磨蝕環(huán)境的問(wèn)題，該類軸承已經(jīng)普遍應(yīng)用到高速高溫渦輪鉆具。

1.2 渦輪鉆具配套鉆頭設(shè)計(jì)原則

在硬地層鉆進(jìn)過(guò)程中，渦輪鉆具的性能既與鉆進(jìn)參數(shù)相關(guān)，同時(shí)也與鉆頭、鉆具、輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型相關(guān)，為此根據(jù)其工作需要對(duì)鉆頭、鉆具進(jìn)行有針對(duì)性的研究和選型。

在深孔鉆探中常用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭和金剛石鉆頭。不同型式鉆頭的破巖原理和破巖方式不同。在破巖過(guò)程中，牙輪齒壓入地層破碎；PDC 鉆頭主要利用了巖石剪切強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，PDC 復(fù)合片刃口切入地層，在扭矩作用下回轉(zhuǎn)并實(shí)施破巖，但是該種破巖方式要求上部鉆具組合可向PDC 鉆頭傳遞足夠扭矩，才能夠滿足剪切破巖的需求（圖2）。

圖2 三種不同的破巖方式Fig.2 Three different ways of breaking rock

根據(jù)PDC 鉆頭和金剛石鉆頭的工作原理，一般情況下，較軟的地層可以采用PDC 鉆頭，針對(duì)硬巖地層設(shè)計(jì)的渦輪鉆具其工作轉(zhuǎn)速較高，可選擇孕鑲金剛石鉆頭作為渦輪鉆具配套鉆頭。

1.3 渦輪取芯鉆具設(shè)計(jì)原則

硬巖取芯鉆具的設(shè)計(jì)要符合以下原則：首先要滿足水力通道要求，其次要避免鉆具在取芯工作過(guò)程中受到振動(dòng)沖擊影響取芯效果，同時(shí)采用降低摩阻及保護(hù)巖心的措施提高采取效率。根據(jù)取樣鉆具的實(shí)際需求，采用單動(dòng)雙管（三層管）結(jié)構(gòu)，在鉆具外管受渦輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)的過(guò)程中內(nèi)管本身不轉(zhuǎn)動(dòng)，避免外部鉆具振動(dòng)影響巖心采取。鉆具內(nèi)部設(shè)計(jì)水力流道，既要保證為鉆頭提供充分的水力，同時(shí)在鉆進(jìn)的過(guò)程中避免沖蝕巖心。為此，在鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)渦輪鉆具的流道面積，設(shè)計(jì)鉆具的流道。

1.4 渦輪鉆具工作條件

渦輪鉆具的使用效果和使用時(shí)間，與現(xiàn)場(chǎng)工況以及配套技術(shù)密切相關(guān)。針對(duì)渦輪鉆具深孔鉆探取樣，其工作條件如下：

（1）鉆井液

渦輪鉆具對(duì)泥漿密度無(wú)特別要求，對(duì)泥漿密度沒(méi)有限制。但是，壓降與泥漿密度息息相關(guān)，隨著泥漿密度增加，流量應(yīng)適當(dāng)減小，以避免損傷鉆具及其他泥漿設(shè)備。一般要求泥漿密度不大于1.3 g/cm3。

為減小渦輪鉆具磨損，鉆井液固相含量必須控制。按照行業(yè)慣例標(biāo)準(zhǔn)，含砂量應(yīng)小于0.3%。加重劑禁用鐵礦粉，堵漏材料顆粒直徑要求低于2 mm。井隊(duì)?wèi)?yīng)配備離心機(jī)、泥漿清潔器等固控設(shè)備。

（2）井底溫度

本次設(shè)計(jì)的渦輪鉆具為全金屬材質(zhì)，抗溫性能好，產(chǎn)品的最高工作溫度為250℃。

（3）馬達(dá)流量

渦輪鉆具工作時(shí)，鉆頭的轉(zhuǎn)速、扭矩與通過(guò)馬達(dá)的輸入流量相關(guān)。流量較小時(shí)，轉(zhuǎn)速隨之下降，輸出功率不夠，渦輪鉆具就無(wú)法正常工作；對(duì)于鉆具應(yīng)在推薦流量范圍內(nèi)可發(fā)揮其最優(yōu)性能。如果流量偏低，將導(dǎo)致馬達(dá)輸出扭矩嚴(yán)重下降。流量升高，轉(zhuǎn)速、扭矩、壓降隨之增大。為保證轉(zhuǎn)速，應(yīng)適當(dāng)加壓，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要的流量以及鉆井作業(yè)的要求，調(diào)整鉆井泵的參數(shù)（缸徑、沖數(shù)等）。

（4）馬達(dá)壓降

渦輪鉆具相比螺桿鉆具其壓降大，馬達(dá)在工作中，大致是穩(wěn)定的，但壓降很高，僅鉆具本身壓降可高達(dá)10 MPa。因此選擇鉆井泵和鉆桿柱等循環(huán)通道時(shí)，一定要確保馬達(dá)處于最優(yōu)工作區(qū)域內(nèi)，避免循環(huán)壓力過(guò)大。

（5）扭矩

渦輪鉆具轉(zhuǎn)速與扭矩成線性關(guān)系，可通過(guò)控制鉆壓（WOB），達(dá)到控制渦輪鉆具輸出扭矩的目的，鉆壓增大，扭矩增加。

（6）鉆壓

渦輪鉆具在井下工作，應(yīng)施加足夠的鉆壓，為鉆頭破巖提供足夠的扭矩和適宜的轉(zhuǎn)速。施加鉆壓的大小，可以通過(guò)觀察指重表上懸重的變化確定，應(yīng)當(dāng)通過(guò)逐漸增加鉆壓使扭矩和轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定的數(shù)值，使馬達(dá)最大限度地提供破巖性能。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)控制鉆壓不能超過(guò)規(guī)定的鉆壓，以避免導(dǎo)致渦輪鉆具制動(dòng)。

2 應(yīng)用實(shí)例

在福建漳州HDR-1和青海共和GR1 鉆井中為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量快速取芯鉆進(jìn)，研究應(yīng)用了“轉(zhuǎn)盤(pán)+渦輪鉆具”復(fù)合取芯鉆進(jìn)工藝。主要研究驗(yàn)證了渦輪鉆具與KT-140 取芯鉆具的適配性和渦輪鉆具與金剛石取芯鉆頭的匹配性；驗(yàn)證了高溫、硬巖井況下的渦輪鉆具工作特性；初步確定了渦輪鉆具的取芯鉆進(jìn)參數(shù)，是干熱巖高溫深孔井下動(dòng)力回轉(zhuǎn)鉆具驅(qū)動(dòng)取芯鉆頭進(jìn)行取芯鉆進(jìn)的首次成功嘗試。

2.1 工藝參數(shù)

渦輪鉆具干熱巖復(fù)合取芯鉆井工藝參數(shù)如下：

（1）設(shè)備選型、鉆遇地層與鉆井結(jié)構(gòu)

HDR-1、GR1 鉆孔的基本情況、使用鉆機(jī)型號(hào)與目的層地層（表1）基本情況。

表1 鉆孔基本情況Table1 Basic conditions of drilling

為了滿足復(fù)合鉆進(jìn)需要，現(xiàn)場(chǎng)配備了3 NB-1 300 D泥漿泵和固控設(shè)備等主要附屬設(shè)備，其工作參數(shù)見(jiàn)表2?，F(xiàn)場(chǎng)配備500 kW 變頻器一臺(tái)，用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)，以便渦輪復(fù)合鉆進(jìn)取芯時(shí)降低轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤(pán)原始最低轉(zhuǎn)速58 rpm，使用變頻器后最低轉(zhuǎn)速降至約20 rpm，相對(duì)更適合復(fù)合鉆進(jìn)。

表2 主要附屬設(shè)備Table2 Main ancillary equipment

HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Ф127 mm 渦輪鉆具要求正常工作排量為12～15 L/S，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)3 NB-1 300 D泥漿泵，使泵的理論排量達(dá)到約13 L/S，以匹配渦輪鉆具正常工作排量。

HDR-1 井與GR1 井取芯段鉆井結(jié)構(gòu)基本信息見(jiàn)表3。

（2）鉆柱與取芯鉆具組合

干熱巖HDR-1 井鉆柱組合：Ф150/95 mmKT140 取芯管×1根+Ф127 渦輪鉆具×1根+Ф178 mm 鉆鋌×1根+Ф215 mm 扶正器×1根+Ф165 mm 鉆鋌×1根+Ф159 mm鉆鋌×4根+Ф89 mm 鉆桿+Ф127 mm 鉆桿×n柱[11]。

干熱巖鉆井渦輪取芯鉆具組合：Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井實(shí)驗(yàn)。

（3）取芯鉆進(jìn)參數(shù)

渦輪鉆具恒排量、恒壓取芯試驗(yàn)：在泥漿泵排量12 L/s（15 L/s）的情況下，鉆壓以3 kN為梯度，從50 kN逐步提高至渦輪鉆制動(dòng)，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機(jī)械鉆速等工程參數(shù)；在恒排量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以最優(yōu)機(jī)械鉆速為標(biāo)準(zhǔn)，選定恒鉆壓試驗(yàn)基本鉆壓值。在保持該鉆壓不變的情況下，以0.5 L/s的梯度增加泥漿泵排量，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機(jī)械鉆速等工程參數(shù)[12-20]。

表3 目的層鉆孔結(jié)構(gòu)Table3 Borehole structure in the target layer

2.2 干熱巖復(fù)合鉆進(jìn)取芯（以HDR-1 井為例）

2.2.1 渦輪取芯鉆具準(zhǔn)備

渦輪鉆具長(zhǎng)度為8.02 m。檢查渦輪鉆具，渦輪鉆具外管良好，無(wú)損壞情況，上下端絲扣完好，外殼螺紋無(wú)松動(dòng)跡象。放平渦輪鉆具，用手轉(zhuǎn)動(dòng)輸出軸，可輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承間隙正常。渦輪鉆具與165 mm 鉆鋌間使用轉(zhuǎn)換接頭（NC50-NC38）連接。

用自由鉗人工擰緊內(nèi)總成連接螺紋，并調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間隙至約10 mm?？紤]到渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性，建議取芯鉆具外總成絲扣上扣扭矩為4 000 （N·m）。取芯鉆具長(zhǎng)度為4.70 m。

2.2.2 渦輪鉆具井口測(cè)試與入井

渦輪鉆具接入鉆柱入井前應(yīng)在井口開(kāi)泵試驗(yàn)其工作情況。由于泥漿泵并未配置變頻器，以固定排量井口試壓，渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，泵壓10 MPa，孔口工作正常后方可入井工作。

2.2.3 渦輪鉆具入井取芯

（1）循環(huán)探底

下鉆離孔底1 m 左右開(kāi)泵循環(huán)，泵壓16 MPa，取芯前進(jìn)行探底并校正指重表，大鉆壓開(kāi)始鉆進(jìn)。

（2）大鉆壓鉆進(jìn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)螺桿鉆具取芯經(jīng)驗(yàn)，以較大鉆壓鉆進(jìn)（40 kN），開(kāi)始以30～35 kN的鉆壓鉆進(jìn)，歷時(shí)1.33 h，鉆進(jìn)井段2 812.05～2 812.23 m，進(jìn)尺僅0.18 m。具體參數(shù)：鉆壓25～35 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓開(kāi)始為14 MPa，循環(huán)開(kāi)后穩(wěn)定為13.5 MPa。

（3）大鉆壓→小鉆壓過(guò)度

因大鉆壓進(jìn)尺緩慢，判斷為渦輪輸出轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，后剎住主絞車，釋放鉆壓，鉆壓逐漸降至0～5 kN，泵壓逐漸上升至15.5 MPa，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)情況，判斷此工況為渦輪鉆具高效率工作工況，轉(zhuǎn)速約800 rpm。該過(guò)程歷時(shí)10 min，井段2 812.23～2 812.27 m，進(jìn)尺0.04 m。具體參數(shù)：鉆壓0～25 KN，逐漸降鉆壓，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓13.5～15.5 MPa，且表現(xiàn)為逐漸上升。

（4）小鉆壓鉆進(jìn)

鉆壓維持在0～5 kN，泵壓15～15.5 MPa，機(jī)械鉆速明顯提高，井深進(jìn)尺 2 812.27～2 812.96 m，進(jìn)尺0.69 m，機(jī)械鉆速1.03 m/h，其中約20 min 進(jìn)尺0.44 m，機(jī)械鉆速達(dá)1.32 m/h。該過(guò)程歷時(shí)40 min，井段2 812.27～2 812.96 m，進(jìn)尺0.69 m。具體參數(shù)：鉆壓0～5 kN，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓15～15.5 MPa。

（5）割心提鉆

該過(guò)程進(jìn)尺0.2 m，歷時(shí)20 min，鉆速0.6 m/h。

（6）出芯和鉆具檢查

提鉆過(guò)程中，檢查鉆具，取芯鉆具提出井口，鉆頭外管正常、鉆具所有螺紋連接正常；出芯，進(jìn)尺1.5 m，巖心長(zhǎng)1.35 m，取芯率90%。巖心頂端有研磨跡象，巖心較完整、平整。渦輪鉆具吊放至地面，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸出軸，不能擰動(dòng)，用自由鉗輕松擰動(dòng)并且旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)異常聲響，渦輪鉆具正常。取芯鉆具卡簧磨損正常，內(nèi)管下段有清晰的摩擦痕，保徑上接頭下端保徑部分磨損量較大，最下端硬質(zhì)合金磨損超2 mm，鉆頭底面和內(nèi)外保徑磨損正常，無(wú)異常損壞[21-22]。

2.2.4 渦輪鉆具入井取芯試驗(yàn)工況分析

（1）大鉆壓工況下幾乎不進(jìn)尺

開(kāi)始試驗(yàn)階段，鉆壓較大，進(jìn)尺很慢。從試驗(yàn)中泵壓的變化，可以明確判斷出鉆壓超過(guò)25 kN時(shí)，渦輪鉆具即轉(zhuǎn)動(dòng)不連續(xù)，處于半制動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)尺極其緩慢。

（2）泵壓不變?cè)黾鱼@壓

鉆壓逐漸由5 kN 增加至25 kN，根據(jù)大鉆壓鉆進(jìn)情況，此時(shí)泵壓應(yīng)逐漸降低至13.5 MPa，但實(shí)際泵壓仍為15 MPa，并且進(jìn)尺很慢，另外及時(shí)剎住主絞車后，鉆壓回得很慢，泵壓變化也不明顯。此時(shí)的基本情況是馬達(dá)回轉(zhuǎn)正常，堵心等其他因素造成鉆頭未受鉆壓。提出鉆具后，根據(jù)出芯和鉆具情況，但取芯鉆具上接頭保徑合金下部磨損量大，造成了托壓、馬達(dá)空轉(zhuǎn)；從上提鉆具釋放鉆壓后進(jìn)尺加快及巖心的破碎形式和斷茬形狀來(lái)看，堵心的可能性較大。

（3）泵壓降低進(jìn)尺緩慢

取芯末段，泵壓持續(xù)降低，進(jìn)尺緩慢。提鉆后發(fā)現(xiàn)的鉆具刺漏是泵壓迅速下降的原因。刺漏后，渦輪鉆具的輸入排量逐漸降低，功率（扭矩和轉(zhuǎn)速）不斷降低，表現(xiàn)為機(jī)械鉆速降低。

（4）巖心蘑菇頭

出芯后，巖心頂端一塊明顯磨出蘑菇頭，巖心下端有約5 cm 長(zhǎng)的偏磨，偏磨不嚴(yán)重（圖3）。蘑菇頭應(yīng)為開(kāi)始取芯鉆進(jìn)時(shí)，進(jìn)尺慢，高轉(zhuǎn)速鉆具晃動(dòng)所致，偏磨判斷應(yīng)為上提鉆具釋放鉆壓、解堵有關(guān)，與進(jìn)尺工況情況吻合。

圖3 巖心偏磨和蘑菇頭Fig.3 Core bias grinding and mushroom head

2.2.5 干熱巖渦輪鉆具取芯試驗(yàn)差異性分析

在12.2 L/S的恒排量情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載、制動(dòng)到快速鉆進(jìn)，初步探索和掌握了Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井取芯的工作特性，初步掌握了適合現(xiàn)場(chǎng)井內(nèi)條件下的鉆進(jìn)參數(shù)，完成了國(guó)產(chǎn)Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭的首次入井試驗(yàn)，且井深超過(guò)2 800 m。鉆進(jìn)過(guò)程證明使用自主研制的小直徑渦輪鉆具及改進(jìn)的KT140 取芯鉆具取芯鉆進(jìn)是可行的，且可以獲得較為可觀的機(jī)械鉆速。在典型的干熱巖花崗巖地層中，渦輪鉆高轉(zhuǎn)速的輸出特性得到驗(yàn)證，小鉆壓即可獲得高鉆速。渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速的工況下，可獲得完成、外表平整的巖心；由于泥漿泵的排量12 L/S 與渦輪要求的額定排量15 L/s有一定的差距，未能達(dá)到揮渦輪鉆的最佳輸出特性；泥漿泵不能無(wú)級(jí)變頻，鉆機(jī)為原始的剎把式送鉆方式，泥漿黏度、含沙量等都較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)渦輪鉆取芯鉆進(jìn)的精細(xì)操作[23-24]。

3 干熱巖渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)取芯評(píng)價(jià)

3.1 復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速及取芯率

渦輪鉆具復(fù)合取芯鉆進(jìn)工藝在干熱巖HDR-1 井和GR1 井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，因使用轉(zhuǎn)盤(pán)+復(fù)合動(dòng)力鉆具的轉(zhuǎn)速+扭矩雙碎巖動(dòng)力疊加的復(fù)合鉆進(jìn)工藝，與常規(guī)取芯鉆進(jìn)工藝相比，平均機(jī)械鉆速提高53.5%，因國(guó)產(chǎn)渦輪鉆具為初次井下測(cè)試應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化；從鉆具磨損和配合來(lái)看，加工精度和材料選型仍須進(jìn)一步提高；HDR-1井為細(xì)粒高研磨性花崗巖且井底溫度相對(duì)較低，GR1井為粗粒中低研磨性花崗巖且孔底溫度較高，孔底巖石因循環(huán)液和孔底溫度溫差較大而產(chǎn)生溫度蠕變和裂隙加之研磨性較低，更易于碎巖，所以GR1 井平均機(jī)械鉆速均比HDR-1井高，其中常規(guī)鉆進(jìn)提高了12.6%、復(fù)合鉆進(jìn)提高了14.5%。具體取芯技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4[25-26]。

表4 渦輪復(fù)合取芯鉆進(jìn)與常規(guī)取芯鉆進(jìn)對(duì)比Table4 Comparison of turbine composite coring drilling and ordinary coring drilling

3.2 取芯鉆頭的適配性

渦輪取芯鉆具組合在干熱巖HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，取芯機(jī)械鉆速雖然大幅提高，但孕鑲金剛石取芯鉆頭與高轉(zhuǎn)速渦輪鉆具以及高溫高研磨性地層的適配性較差，使用壽命和平均進(jìn)尺明顯縮短，仍須進(jìn)一步加大孕鑲金剛石取芯鉆頭的優(yōu)選和改進(jìn)，尤其是在高溫硬巖工況下鉆頭胎體的耐研磨性和水口設(shè)置的科學(xué)性，具體指標(biāo)比對(duì)見(jiàn)表5[27-29]。

表5 鉆頭使用情況Table5 Usage of drill bits

4 結(jié)論

（1）“轉(zhuǎn)盤(pán)+渦輪鉆具”復(fù)合取芯鉆進(jìn)工藝與常規(guī)取芯鉆進(jìn)工藝相比，平均機(jī)械鉆速提高53.5%，國(guó)產(chǎn)渦輪和取芯鉆具及鉆頭均經(jīng)受住了孔底236℃的高溫考驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量快速取芯；由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，泥漿泵排量不能無(wú)級(jí)改變，原定恒鉆壓變排量試驗(yàn)未能實(shí)施。在恒排量的情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載到制動(dòng)，做了充分的取芯試驗(yàn)，圓滿完成了Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 新型孕鑲金剛石鉆頭入井試驗(yàn)的任務(wù)。

（2）無(wú)橡膠原件的渦輪鉆具采用了新材料和新結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場(chǎng)連接和高溫條件下作業(yè)，具有中高速大扭矩較低壓的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，葉片類型和數(shù)量適應(yīng)泥漿比重和壓力限制，更適應(yīng)深井、超深井，機(jī)械鉆速比轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速大幅度提高，降低了扭矩、減小了阻力，有助于大大降低鉆柱的卡鉆事故，可直接降低鉆井成本，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)高溫干熱巖鉆井提供了技術(shù)支撐。但因進(jìn)口渦輪鉆具及孕鑲金剛石鉆頭價(jià)格昂貴，應(yīng)加快對(duì)渦輪鉆具及其適配取芯鉆頭的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)并逐步降低使用成本。

（3）渦輪鉆具的轉(zhuǎn)子作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)引起離心慣性力和橫向振動(dòng)，可獲得高質(zhì)量的井眼軌跡，特別是在取芯鉆進(jìn)中易于吃心從而提高了取芯速度和取芯率。渦輪鉆具特性與螺桿鉆具不同，渦輪鉆具為全金屬結(jié)構(gòu)，具有良好的抗高溫性能和長(zhǎng)使用壽命，可在干熱巖鉆探中井底高溫工況下廣泛推廣應(yīng)用。