?215.9 mm 四牙輪取心鉆頭設(shè)計與應(yīng)用

趙 明，邵玉濤，宋 剛，崔淑英，牛慶磊，王嘉瑞

（中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000）

0 引言

海洋是地球生物的發(fā)源地，也是地球重要的資源供應(yīng)地和能源基地，開發(fā)海洋清潔能源能夠長久滿足人類的需要［1］。自1968 年國外就開始進行了漫長的海洋科學(xué)鉆探之旅，至今為止，共在海洋中完成4000 多口井的鉆進，成功獲得了超過40 萬m巖心，對于了解地球氣候演變、板塊構(gòu)造發(fā)展以及海洋資源掌握等發(fā)面做出了突出的貢獻［2-3］。

21 世紀是海洋的世界。我國海洋面積廣闊，擁有豐富的資源，但是由于海洋能源的開采勘探與開發(fā)起步較晚，導(dǎo)致我國海洋能源技術(shù)裝備嚴重不足，且國外對于海洋裝備設(shè)計圖紙和制造工藝嚴密封鎖，各種鉆具均拒絕出售。我國要進行海洋能源的開采，首先需要對海洋能源總量以及分布狀況進行掌握，目前對于海洋能源的掌握主要是通過物化探的方法進行資源總量的估算，而要實現(xiàn)精確掌握是擺在我們面前的一道難題，最直觀的辦法就是通過鉆探取樣獲取樣品，因為樣品是最直觀、最可靠地反映巖層地質(zhì)特征的第一手資料［4］。而我國缺少自己的大洋鉆探船和與之配套的鉆井取心器具，這嚴重制約了我國進行海洋科學(xué)鉆探，尋找海洋能源。因此我國在“十四五”海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃中提出要加快構(gòu)建現(xiàn)代化海洋產(chǎn)業(yè)體系，著力提升海洋科技自主創(chuàng)新能力，不僅要建設(shè)制造自己的萬米鉆探船，還要開發(fā)與鉆探船配套的相關(guān)鉆井取心器具。隨著海洋能源的需求不斷增大，海洋鉆探取心器具也在飛速發(fā)展，但在深海鉆探過程中，硬巖以及復(fù)雜地層高效鉆進取心還沒有成熟的工藝與器具，在鉆進取心過程中，最重要的是選擇高效破巖的取心鉆頭。為了服務(wù)于萬米鉆探船的鉆探系統(tǒng)，研究并設(shè)計生產(chǎn)能夠在硬巖以及復(fù)雜地層高效鉆進的取心鉆頭成為迫切需要解決的問題［5］。

牙輪鉆頭具有地層適應(yīng)性廣、鉆進效率高的特點，是硬巖以及復(fù)雜地層的首選鉆頭。但是一般的牙輪鉆頭并不具備取心功能，主要是進行全斷面鉆進，將牙輪鉆頭與取心結(jié)合起來既能夠進行高效鉆進，又能夠完成取心工作。

牙輪取心鉆頭曾經(jīng)在大陸科學(xué)鉆探硬巖鉆進取心中使用。1970 年，蘇聯(lián)在科拉半島進行大陸超深鉆探，全井在高研磨性、高硬度結(jié)晶巖中鉆進，除使用一種鑲有超硬材料“斯拉烏季契”的鉆頭外，均應(yīng)用牙輪取心鉆頭，主要分為鑲齒四牙輪與六牙輪取心鉆頭2 種，取心直徑為60～80 mm，總?cè)⌒墓ぷ髁繛?235.2 m，取得巖心長度為3700.1 m，平均取心率為40.1%，其中巖心采取率最高為59.7%，是采用B-K214/60TKZ 鑲齒四牙輪取心鉆頭獲得的［6］。

1987 年德國大陸科學(xué)鉆探（KTB）進行先導(dǎo)孔的鉆進，取心鉆進3594 m，牙輪取心鉆頭鉆進為451 m，共使用2 種規(guī)格的牙輪取心鉆頭，分別為in（1 in=25.4 mm，下同）與 6 in，其中in 取心鉆頭結(jié)構(gòu)有四牙輪與六牙輪2 種，配常規(guī)雙層巖心管取心，巖心直徑為4 in，共鉆進448.1 m，取心長度192.04 m，平均巖心采取率為42.9%，這其中包括一次金剛石鉆進取心，但是該金剛石取心鉆頭被磨掉1/2 m，結(jié)果表明結(jié)晶巖中不能使用大唇面的金剛石鉆頭鉆進［7］。

1990 年德國大陸科學(xué)鉆探（KTB）進行主孔的鉆進，從 4149 m 開始，使用in 取心牙輪鉆頭和標(biāo)準的雙層巖心管進行點取心鉆進，巖心直徑為4 in，總?cè)⌒拈L度為140.7 m，巖心總長度為54.79 m，平均巖心采取率為38.94%，平均鉆速為0.87 m/h，平均鉆頭壽命20.1 m，由于巖心管采取率低，嘗試了一些新的技術(shù)方法，最終都未取得成功。在三開鉆進階段，分別使用了12?4 in 牙輪取心鉆頭與專用大口徑金剛石取心鉆頭（LDCS）。其中12?4 in 牙輪取心鉆頭配標(biāo)準的雙層巖心管進行點取心鉆進，巖心直徑為4 in，總?cè)⌒拈L度為25.0 m，巖心總長度為12.8 m，平均巖心采取率為51.2%，平均鉆速為0.82 m/h，平均鉆頭壽命6.25 m；專用大口徑金剛石取心鉆頭總?cè)⌒你@進長度為21.5 m，巖心總長度為15.38 m，平均巖心采取率為73.6%，平均鉆速為0.42 m/h，平均鉆頭壽命5.38 m。通過兩者對比可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的專用大口徑金剛石取心鉆頭在巖心采取率提升超過20%，但是平均鉆速下降48%［8］。

而國內(nèi)在硬地層中牙輪取心鉆頭應(yīng)用較少，1982 年遼河油田鉆井指揮部在曙古32-16 井使用了2 只型號為216XQ6 的?216 mm 牙輪取心鉆頭。第一只鉆頭取心井段1530.15～1534.89 m，地層為硅質(zhì)白云巖，取心長度4.74 m，巖心長0.37 m，巖心采取率7.8%，鉆壓10～80 kN，轉(zhuǎn)速68 r/min，排量20 L/s，起出鉆具發(fā)現(xiàn)3 個外牙輪的外齒圈和保徑齒磨損嚴重，外齒圈幾乎磨平，整個鉆頭外徑磨少3.5 mm；第二只鉆頭取心井段2323.03～2325.40 m，地層為破碎石英巖，取心長度2.47 m，巖心長1.0 m，巖心采取率40.5%，鉆壓10～100 kN，轉(zhuǎn)速63～68 r/min，排量25 L/s，起出鉆具發(fā)現(xiàn)鉆頭牙掌磨損嚴重，6 個牙輪均松動，軸承磨損嚴重，1 個內(nèi)牙輪軸斷，3個內(nèi)牙輪均向內(nèi)擠，鉆頭體內(nèi)徑磨損，3 個外牙輪的外齒圈和保徑齒磨損嚴重，外牙輪保徑面磨平，整個鉆頭外徑磨少2.5 mm。在使用六牙輪取心鉆頭之前，使用過1 只?190 mm 硬質(zhì)合金取心鉆頭，取心井段2315.15～2315..47 m，進尺0.32 m 后無進尺被迫起鉆，巖心采取率為0，鉆壓100～130 kN，轉(zhuǎn)速、排量與六牙輪取心鉆頭試驗相同。對比兩者發(fā)現(xiàn)牙輪取心鉆頭用于中硬以上地層相對較理想，特別是在破碎性硬地層中，比金剛石取心鉆頭效果要好［9］。

而在國外的海洋科學(xué)鉆探（ODP）中，最常用的取心鉆頭為牙輪取心鉆頭，可用于中硬度以上地層，對于研磨性高、堅硬的沉積巖或火成巖還設(shè)計了一種專用的旋轉(zhuǎn)取心工具（RCB），其使用的主鉆頭也為一種四牙輪取心鉆頭，取心直徑為58.7 mm，雙層取心筒為外筒隨鉆柱轉(zhuǎn)動而內(nèi)筒固定不動，平均巖心采取率在20%～55%之間［10-12］。

基于以上研究，金剛石取心鉆頭不適于應(yīng)用于中硬以上地層及破碎性硬地層，牙輪取心鉆頭滾動破巖效果良好，球齒具有高耐磨性和高強度，能夠滿足高研磨性硬地層以及破損性硬地層需要，但是其取心率最高不超過60%。為了解決海洋鉆探硬巖以及復(fù)雜地層高效鉆進取心問題，開展長壽命高效牙輪取心鉆頭研發(fā)與應(yīng)用是極其必要的。

1 牙輪取心鉆頭設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

牙輪取心鉆頭在深海鉆探應(yīng)用主要面臨鉆頭使用壽命短、鉆進效率低、巖心采取率低等一系列問題［13-15］?；诖耍ㄟ^合理布置牙輪角度與分布、優(yōu)化取心結(jié)構(gòu)，設(shè)計研發(fā)了一種新型的?215.9 mm 四牙輪取心鉆頭（見圖1），該鉆頭能夠有效提高巖心采取率，并保持較高的鉆進速度以及較長的使用壽命，便于較好地應(yīng)對海上作業(yè)時間窗口窄、硬巖巖心采取率低等問題。該鉆頭主要由胎體、牙掌、牙輪以及修正硬質(zhì)合金條等部分組成（見圖2）。牙掌采用四牙掌嚙合設(shè)計（見圖3），牙掌切削齒、外排齒及背錐齒加密布置，切削方向設(shè)計4 個噴嘴，有效提高牙掌使用壽命。牙掌的布置方式為2 個牙掌保外徑，2個牙掌保內(nèi)徑。

圖1 ?215.9 mm 牙輪取心鉆頭實物Fig.1 ?215.9 mm cone coring bit

圖2 ?215.9 mm 牙輪取心鉆頭三維圖Fig.2 Three dimensional drawing of ?215.9mm cone coring bit

圖3 牙輪取心鉆頭牙掌布置Fig.3 Layout of the cones

牙掌是牙輪取心鉆頭中最重要的部件，它決定了牙輪取心鉆頭是否能夠高效長壽命地工作。牙掌的選型主要從以下方面進行：鑲齒齒形、軸承形式、密封形式、牙掌背部及背錐。

根據(jù)地層情況合理選擇齒形形狀、大小、數(shù)量及長短［16］。圖4 示出了各種鑲齒齒形。球形與尖卵形適合高研磨堅硬地層，如石英巖、玄武巖、花崗巖等，圓錐形與楔形適合灰?guī)r、白云巖、砂巖、石英巖等研磨性高的硬巖層，錐勺形與邊楔形適合破碎高塑性的軟及中硬度地層，勺形適合破碎及軟至中軟巖層［17］。本項目為硬巖層鉆進，選擇的齒形為尖卵形齒。

圖4 牙掌齒形形式Fig.4 Forms of the cone teeth

雖然滾動軸承比滑動軸承摩擦阻力小、啟動快、效率高，但是由于其內(nèi)部為滾珠結(jié)構(gòu)，與滑動軸承相比，滾動軸承承載力較低，減震能力與抗沖擊性能差［18-19］，因此牙掌采用滑動軸承形式，工作狀態(tài)下承載力大、切削穩(wěn)定，密封形式采用復(fù)合密封，有效保證鉆頭使用壽命與平穩(wěn)度，潤滑形式采用儲油補償系統(tǒng)，工作過程根據(jù)井底壓力自動補償潤滑，保證鉆頭使用壽命［20］。圖5 為牙掌密封形式對比圖。

圖5 牙掌密封形式Fig.5 Sealing forms of the cone

牙掌背錐分為單排背錐布齒和雙排背錐布齒，如圖6 所示，雙排背錐布齒由于其受力均勻，有助于使用壽命的提高，還能夠有效提升破巖效率，防止鉆頭縮徑，因此選擇高密度雙排背錐布齒［21-22］。牙掌背部布齒的稀密程度直徑影響鉆頭使用壽命，背部齒能有效保護油囊、提高鉆頭穩(wěn)定性、保證鉆孔口徑。因此，對牙掌背部布齒進行優(yōu)化，盡可能地增加背部齒數(shù)［23］。

圖6 牙掌背及背錐形式Fig.6 Shape of the cone back

該牙輪鉆頭具有以下優(yōu)勢：

（1）偏射四噴嘴設(shè)計使泥漿在井底能夠形成渦流，加快巖屑的上返速度。

（2）四牙輪嚙合加密合金齒設(shè)計，能夠提高合金切割效率，進尺快且鉆進平穩(wěn)。

（3）牙輪取心鉆頭中間設(shè)計巖心導(dǎo)正器，通過超前導(dǎo)正保護減少鉆進過程對巖心的沖擊破壞，有效提高巖心采取率，并且?guī)r心導(dǎo)正器內(nèi)部設(shè)計4 條修心硬質(zhì)合金，保證巖心尺寸，提高巖心質(zhì)量。

（4）牙輪鉆頭內(nèi)部設(shè)計有傳扭鍵槽，通過更換全斷面鉆頭鉆具，實現(xiàn)全斷面鉆進，能夠不提鉆完成取心和全面鉆進的切換。

1.2 技術(shù)參數(shù)

該牙輪取心鉆頭主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 牙輪取心鉆頭主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the cone coring bit

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 鉆探工程概況

為了進一步開展硬巖牙輪取心鉆頭的試驗，完善鉆頭設(shè)計，在陸地開展試驗是更為經(jīng)濟的一種方式?！扒逅拥貐^(qū)地?zé)豳Y源可行性預(yù)查”為呼和浩特市國土局組織地勘單位申報的地?zé)峥辈旎痦椖?，主要是通過此次地?zé)峥辈炀私馇逅拥貐^(qū)地?zé)豳Y源，助力呼和浩特市地?zé)嵯嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展［24］。項目于 2020 年 10 月初實施，該井為垂直井施工，本次施工應(yīng)保證其垂直鉆進，300 m 內(nèi)應(yīng)保證孔斜≯1°，1000 m 應(yīng)保證孔斜≯3°，終孔應(yīng)保證孔斜≯7°。該地區(qū)地層主要為花崗巖，普氏硬度系數(shù)f=15，可鉆性較差，機械鉆速低且取心難度較大［25］，具備開展硬巖牙輪取心鉆探技術(shù)驗證的理想條件。

2.2 井身結(jié)構(gòu)

該井設(shè)計井深為2200 m，一開使用?445 mm牙輪鉆頭開孔，鉆至500 m，下?339.7 mm 套管進行固井，二開使用?215.9 mm PDC 鉆頭鉆至設(shè)計井深，裸眼。

2.3 鉆探設(shè)備及鉆具組合

該井使用GZ-2600 型工程鉆機施工（圖7），轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速共有 4 擋，分別為 43、63、93、156 r/min，最大鉆進深度（?89 mm 鉆桿）為2600 m。一開鉆具組合為：?127 mm 鉆桿+?89 mm 鉆桿+?203 mm 鉆鋌+?444.5 mm 牙輪鉆頭。二開鉆具組合為：?127 mm 鉆桿+?89 mm 鉆桿+?178 mm 鉆鋌+?215.9 mm PDC 鉆頭。取心井段鉆具組合為：?127 mm 鉆桿+?89 mm 鉆桿+?178 mm 鉆鋌+常規(guī)取心管+?215.9 mm 牙輪取心鉆頭。

圖7 GZ-2600 型工程鉆機Fig.7 GZ-2600 drilling rig

2.4 取心過程

該井0～500 m 不進行取心，500～2200 m，每隔100 m 取心1 次，單次取心長度≮1 m，由于該地層為高研磨性、高硬度花崗巖，在500～800 m 段曾采用薄壁金剛石取心鉆頭取心1 次，鉆頭磨損較嚴重，另還使用PDC 取心方式進行取心，取心效果不理想，取心不夠完整，未形成柱狀巖心。800 m 以后使用本項目研發(fā)的牙輪取心鉆頭進行硬巖取心，試驗工藝流程如表2 所示。

表2 試驗工藝流程Table 2 Test process

2.4.1 第一回次取心

2021 年4 月11～12 日完成了第一回次取心。鉆進至891.06 m 后提鉆，更換?215.9 mm 牙輪取心鉆頭及取心鉆具，如圖8 所示。

圖8 第一回次取心鉆進牙輪取心鉆頭鉆具組合Fig.8 Coring drilling BHA from the first coring-run

按照設(shè)計要求連接鉆桿鉆具，外管鉆具為?215.9 mm 牙輪取心鉆頭+?178 mm 雙管單動取心管+?127 mm 鉆鋌 10 根+?89 mm 鉆桿 36 根+?127 mm 鉆桿46 根，內(nèi)管總成為取心管+打撈裝置，如圖9 所示。

圖9 取心管和打撈裝置Fig.9 Core barrel and overshot device

下至889 m 處，開泵循環(huán)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 擋（43 r/min），泥漿泵量控制8 L/s，鉆壓根據(jù)鉆進速度調(diào)整，889～889.5 m，鉆壓保持在20～30 kN，保證巖心能夠順利進入巖心管內(nèi)，隨后逐漸線性增大鉆壓，調(diào)整轉(zhuǎn)速為2 擋（63 r/min），但跳鉆太嚴重，懸重在30～49 t 之間來回跳動，跳動幅度過大，隨后將轉(zhuǎn)速調(diào)回1 擋，保持最大鉆壓為80 kN 鉆進，牙輪取心鉆頭鉆進1.8 m 后，停止鉆進，總用時為1.5 h，平均鉆進速度為1.2 m/h，提鉆查看巖心狀況，取出的巖心如圖10 所示，取心總長度約為1.6 m，巖心直徑為53 mm，巖心采取率為88.9%。

圖10 第一回次取心結(jié)果Fig.10 Cores from the first coring run

2.4.2 第二回次和第三回次取心

2021 年4 月28～30 日完成了第二回次和第三回次的取心。由于第一次取心效果較好，為了能夠增加一次取心長度，重新配做3 m 雙管單動取心管一根，其余保持不變，按照設(shè)計要求重新連接鉆桿鉆具（如圖11 所示）。重新下鉆，下至距離井底2 m處，開泵循環(huán)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 擋，泥漿泵量控制8 L/s，由于部分接頭存在疲勞斷裂的風(fēng)險，鉆壓控制在32 kN 以內(nèi)，平均鉆進速度為0.5 m/h，最終進尺3 m，起鉆，其巖心情況如圖12 所示，取心總長度約為2.2 m，巖心采取率為73.3%。第三回次與第二回次參數(shù)基本相同，只是增大鉆壓至48 kN 以內(nèi)，其巖心結(jié)果如圖13 所示。取心總長度約為2.6 m，巖心采取率為86.7%，與龍河基地陸地試驗效果吻合，當(dāng)鉆壓保持80 kN 以內(nèi)時，增大鉆壓和轉(zhuǎn)速既能提高鉆進速度，也有助于巖心采取率的提高。

圖11 第二、三回次取心鉆進牙輪取心鉆頭鉆具組合Fig.11 Coring drilling BHA from the Second and third coring run

圖12 第二回次取心結(jié)果Fig.12 Cores from the second coring run

圖13 第三回次取心結(jié)果Fig.13 Cores from the third coring run

2.5 效果分析

截至2021 年5 月底，此次試驗共進行了3 次取心，3 次取心效果均較好，巖心采取率能夠達到70%～90%，具體取心參數(shù)如表3 所示。

表3 3 次取心對比Table 3 Comparison between the three coring runs

通過此次實試驗，對于該四牙輪取心鉆頭在硬巖鉆進的工藝參數(shù)有了進一步的了解，證明了其能夠有效完成硬巖鉆進取心，且鉆進速率較高，當(dāng)適當(dāng)增大鉆壓后，取心效率與鉆進速率都能有所提高。

3 結(jié)論及建議

（1）通過此次清水河地區(qū)實際施工，不斷總結(jié)優(yōu)化了牙輪取心鉆頭鉆進工藝參數(shù)，在施工條件允許的情況下適當(dāng)提高了鉆壓，鉆進效率和巖心采取率均得到提高。

（2）由于多種原因，本次施工未能完全測試牙輪取心鉆頭在高轉(zhuǎn)速、長取心筒內(nèi)的取心能力及長時間工作的工作效率以及使用壽命，還需要多次實際施工來不斷測試。

（3）該牙輪取心鉆頭在實際使用中存在巖心斷裂問題，測量發(fā)現(xiàn)巖心長度與巖心導(dǎo)正條下端與牙掌最前端長度相同，因此還需要調(diào)整導(dǎo)正條結(jié)構(gòu)，保證巖心完整性。