旋沖螺桿鉆具在硬巖地?zé)徙@探中的應(yīng)用研究

王勇軍，劉 剛*，佟 錚，趙長亮，鄭宇軒，馮守濤

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東 德州 253072；2.山東省地?zé)崆鍧嵞茉刺綔y開發(fā)與回灌工程技術(shù)研究中心，山東 德州 253072）

0 引言

隨著地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，地?zé)峥碧介_發(fā)逐漸向深部高溫硬巖地層發(fā)展，鉆遇巖體多為花崗巖、片麻巖等硬質(zhì)火成巖或變質(zhì)巖。在深部硬巖地?zé)徙@探中，普遍存在機(jī)械鉆速低、施工周期長、鉆探成本高等問題，影響了深部地?zé)豳Y源的勘探與開發(fā)利用。

目前在硬巖地層鉆井中，常采用螺桿或渦輪鉆具提供高轉(zhuǎn)速、大扭矩，以此增強(qiáng)鉆頭切削碎巖效果，從而提高硬巖地層機(jī)械鉆速［1-2］。但在以花崗巖、片麻巖等硬質(zhì)火成巖或變質(zhì)巖為主的深部硬巖地層中，巖石抗壓強(qiáng)度高，依靠“靜壓”荷載難以使鉆頭牙齒壓碎并吃入地層來破碎巖石，鉆頭牙齒實際以“磨削”的方式碎巖。螺桿或渦輪鉆具提供的高轉(zhuǎn)速也僅僅使鉆頭牙齒“磨削”巖石的速度增加，從而使機(jī)械鉆速得到了一定的提高，但高轉(zhuǎn)速也會帶來鉆頭使用壽命短、磨損嚴(yán)重、甚至是鉆頭事故等問題［2-3］。

旋沖螺桿鉆具是一種新研制的井底動力鉆具，近年來在石油鉆井硬巖地層中有一定的研究應(yīng)用，相關(guān)研究表明，相比使用普通螺桿鉆具，使用旋沖螺桿鉆具的平均機(jī)械鉆速提高超過30%［4-8］，取得了較好的效果；但在地?zé)徙@探領(lǐng)域，旋沖螺桿鉆具研究應(yīng)用較少。借鑒石油鉆井硬巖地層中旋沖螺桿鉆具應(yīng)用經(jīng)驗，在花崗巖、片麻巖等硬巖地?zé)徙@探中進(jìn)行旋沖螺桿鉆具應(yīng)用研究，有利于提高深部硬巖地?zé)徙@探施工效率、降低施工成本，豐富深部硬巖地?zé)徙@探工藝技術(shù)，推動深部高溫地?zé)豳Y源勘探和開發(fā)利用。

1 旋沖螺桿結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)旋沖螺桿鉆具沖擊發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)特征，目前國內(nèi)研究應(yīng)用的旋沖螺桿鉆具大致可分為機(jī)械式和液動式2 類。其中機(jī)械式旋沖螺桿鉆具又大致可分為2 種：一種是依靠彈簧蓄能、彈性勢能和重力勢能釋放產(chǎn)生沖擊力，其特點是產(chǎn)生的沖擊力較為穩(wěn)定，螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩消耗較小，但其產(chǎn)生的沖擊力較小，且受彈簧性能和壽命的影響較大［8-9］；另一種是依靠鉆柱的重力勢能瞬間釋放產(chǎn)生沖擊力，沖擊力的大小與施加到?jīng)_錘上的鉆壓大小直接相關(guān)，其特點是能產(chǎn)生較大的沖擊力，但在產(chǎn)生較大沖擊力的同時，螺桿鉆具的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩消耗亦較大［10-11］。

本次研究應(yīng)用了DUPTXC 系列機(jī)械式旋沖螺桿鉆具，其依靠彈簧蓄能、彈性勢能和重力勢能釋放產(chǎn)生沖擊力。整個鉆具結(jié)構(gòu)簡單，主要分為3 部分：短螺桿、動力傳動總成和沖擊發(fā)生裝置（見圖1）。短螺桿與普通螺桿鉆具類似，動力傳動總成由萬向軸、單動軸承串及主軸等組成，沖擊發(fā)生裝置由彈簧、沖錘（上滾輪）和砧體（下凸輪）等組成。

圖1 旋沖螺桿結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of rotary-percussive screw drilling tool

1.2 旋沖螺桿工作原理

旋沖螺桿鉆具是通過在普通螺桿鉆具的輸出端增設(shè)一個軸向沖擊發(fā)生裝置，將螺桿鉆具輸出的部分扭矩轉(zhuǎn)化為沖擊力，使鉆頭在旋轉(zhuǎn)切削碎巖的同時對巖石施加一定頻率的沖擊載荷，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切削+沖擊復(fù)合碎巖，充分利用硬巖地層巖石脆性大、強(qiáng)度高、抗沖擊性能差的特點來提高碎巖效率［12-14］。

研究應(yīng)用的DUPTXC 旋沖螺桿鉆具通過短螺桿為下部鉆具提供旋轉(zhuǎn)動力，通過萬向軸驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動砧體（下凸輪）旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中沖錘（上滾輪）和砧體（下凸輪）交錯嚙合而產(chǎn)生相對滑動，迫使沖錘向上移動、壓縮彈簧蓄能，當(dāng)上下輪相對滑動至嚙合點時，沖錘在彈性勢能和重力勢能的作用下，快速下落，對砧體實施一次錘擊，產(chǎn)生沖擊荷載。砧體在主軸帶動下連續(xù)旋轉(zhuǎn)，滾輪沖錘與砧體不斷交錯嚙合，彈簧不斷蓄能、釋放，就不斷產(chǎn)生沖擊載荷（見圖2）。砧體將錘擊所產(chǎn)生的沖擊載荷通過主軸傳導(dǎo)至鉆頭、作用在井底巖石上，實現(xiàn)沖擊碎巖；同時沖擊載荷與靜鉆壓疊加，提高鉆頭牙齒吃入巖石的深度、增加單次破碎巖石體積，以此提高碎巖效率，進(jìn)而達(dá)到提高機(jī)械鉆速、減輕鉆頭磨損的目的［14-16］。

圖2 旋沖螺桿工作原理示意Fig.2 Operating principle of rotary-percussive screw

2 旋沖螺桿鉆具試驗應(yīng)用

2.1 鉆具性能參數(shù)

試驗應(yīng)用研究采用了DUPTXC-172 與DUPTXC-203 兩種型號旋沖螺桿鉆具，為對比旋沖螺桿鉆具與普通螺桿鉆具的應(yīng)用效果，同時選用了兩種工作流量范圍、轉(zhuǎn)速、工作扭矩等參數(shù)都相近的普通螺桿鉆具，試驗應(yīng)用螺桿鉆具實物見圖3，螺桿鉆具性能參數(shù)見表1。

表1 螺桿鉆具參數(shù)Table 1 Parameters of the screw drill tool

圖3 螺桿鉆具實物照片F(xiàn)ig.3 Photo of the screw drill tool

2.2 試驗應(yīng)用項目概況

DUPTXC-172 型旋沖螺桿鉆具和6LZ172×7.0V 型普通螺桿鉆具在JHR-1 和HG-1 兩口井的? 215.9 mm 井段進(jìn)行對比試驗應(yīng)用，DUPTXC-203型旋沖螺桿鉆具和5LZ203×7.0-4.8 型普通螺桿鉆具在HG-1 井?311.2 mm 井段進(jìn)行了對比試驗應(yīng)用。

JHR-1 井位于山東省青島市即墨區(qū)，是一口同軸換熱地?zé)峋O(shè)計鉆井深度2500 m，鉆探作業(yè)采用TSJ-3200 型鉆機(jī)、配套3NB-500 型泥漿泵。井身結(jié)構(gòu)為二開：一開0～200 m 采用?311.2 mm 鉆頭和?244.5 mm 石油套管，二開200 m 至終孔采用? 215.9 mm 鉆頭和?177.8 mm 石油套管。地層巖性如下：150 m 以淺為覆蓋層；150 m 以深為中生代燕山期嶗山花崗巖，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，主要成分為石英、長石、云母等，巖石硬度為硬—堅硬。

HG-1 井是大同高溫地?zé)嵩敳橹械囊粋€勘探井，設(shè)計鉆井深度3000 m，鉆探作業(yè)采用ZJ-40 型鉆機(jī)、配套LGF-1300 型泥漿泵。井身結(jié)構(gòu)為三開：一開0～350 m 采用?444.5 mm 鉆頭和?339.7 mm 石油套管，二開350～1500 m 采用?311.2mm 鉆頭和? 244.5 mm 石油套管，三開1500 m 至終孔采用? 215.9 mm 鉆頭和?177.8 mm 石油套管。地層巖性如下：260 m 以淺為覆蓋層；260 m 以深為太古界集寧群黑云斜長片麻巖、角閃巖，內(nèi)部充填多期巖脈，混合巖化作用明顯，包含捕擄體、包體等多種雜巖體，巖石硬度為較硬—硬。

2.3 試驗應(yīng)用情況

JHR-1 井?215.9 mm 井段試驗應(yīng)用新購6LZ172×7.0V 型普通螺桿鉆具及DUPTXC-172 型旋沖螺桿鉆具各2 根；HG-1 井?215.9 mm 井段試驗應(yīng)用新購6LZ172×7.0V 型普通螺桿鉆具及DUPTXC-172 型旋沖螺桿鉆具各1 根，同時對JHR-1 井用過的螺桿鉆具進(jìn)行了回廠檢修后再次使用；HG-1 井?311.2 mm 井段試驗應(yīng)用新購5LZ203×7.0-4.8 型普通螺桿鉆具及DUPTXC-203型旋沖螺桿鉆具各1 根。試驗應(yīng)用現(xiàn)場螺桿鉆具入井前試運轉(zhuǎn)見圖4。入井鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 各井段鉆具組合和鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling assembly and perameters in each well section

圖4 螺桿鉆具試運轉(zhuǎn)照片F(xiàn)ig.4 Trial operation photo of screw drilling tool

JHR-1 井?215.9 mm 井段試驗應(yīng)用孔深為210～2036.4 m，普通螺桿鉆具及DUPTXC-172 型旋沖螺桿鉆具交替試驗應(yīng)用16 個回次，總進(jìn)尺1826.4 m，試驗應(yīng)用數(shù)據(jù)見表3。HG-1 井?215.9 mm 井段試驗應(yīng)用孔深為1506.7～3000.5 m，其中2347.3～2406 m 段因井內(nèi)存在復(fù)雜情況未使用螺桿鉆具，兩種螺桿鉆具交替試驗應(yīng)用14 個回次、總進(jìn)尺1431.5 m，試驗應(yīng)用數(shù)據(jù)見表4。HG-1 井?311.2 mm 井段試驗應(yīng)用孔深為369.6～1445.1 m，因孔內(nèi)復(fù)雜情況終止，普通螺桿鉆具及DUPTXC-203 型旋沖螺桿鉆具交替試驗應(yīng)用10 個回次、總進(jìn)尺1015.5 m，試驗應(yīng)用數(shù)據(jù)見表5。

表4 HG-1 井?215.9 mm 井段螺桿鉆具試驗應(yīng)用數(shù)據(jù)Table 4 Test application data of screw drilling tool in ?215.9 mm section of HG-1 well

表5 HG-1 井?311.2 mm 井段螺桿鉆具驗應(yīng)用數(shù)據(jù)Table 5 Test application data of screw drilling tool in ?311.2 mm section of HG-1 well

3 試驗應(yīng)用效果分析

3.1 機(jī)械鉆速

JHR-1 井使用普通螺桿鉆具和旋沖螺桿鉆具分別復(fù)合鉆進(jìn)8 個回次，平均機(jī)械鉆速分別為1.60、1.76 m/h，旋沖螺桿鉆具較普通螺桿鉆具提高了10%；HG-1 井?215.9 mm 井段使用普通螺桿鉆具和旋沖螺桿鉆具分別復(fù)合鉆進(jìn)7 個回次，平均機(jī)械鉆速分別為1.79、1.94 m/h，旋沖螺桿鉆具較普通螺桿鉆具提高了8.4%；HG-1 井?311.2 mm 井段使用普通螺桿鉆具 和旋沖螺桿鉆具分別復(fù)合鉆進(jìn)5 個回次，平均機(jī)械鉆速分別為1.71、1.84 m/h，旋沖螺桿鉆具較普通螺桿鉆具提高了7.6%。3 次試驗應(yīng)用機(jī)械鉆速對比見圖5。

分析試驗取得的數(shù)據(jù)：旋沖螺桿鉆具在JHR-1井?215.9 mm 井段應(yīng)用，機(jī)械鉆速提高率最高，與地層硬度較高、可鉆性較差有關(guān)，普通螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械效率相對較低，使用旋沖螺桿鉆具沖擊碎巖效果較好，但整體機(jī)械鉆速偏低，原因是JHR-1井鉆進(jìn)中泵量較小，螺桿轉(zhuǎn)速慢、沖擊頻率低，影響了碎巖效率。HG-1 井中旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速提高幅度低于JHR-1 井，與地層較為破碎有關(guān)，旋沖螺桿鉆具所產(chǎn)生的沖擊功被破碎地層的裂隙消耗，減弱了沖擊碎巖效果［12-13］。

3.2 對鉆頭的影響

試驗應(yīng)用中，主要采用617 系列高速牙輪鉆頭，個別回次采用637 系列高速牙輪鉆頭。鉆進(jìn)過程中，根據(jù)牙輪鉆頭的磨損情況，對牙輪鉆頭的保徑、軸承及密封、牙齒形狀及強(qiáng)度韌性等特征進(jìn)行了調(diào)整，如增加楔形修邊齒、加強(qiáng)鉆頭保徑、采用特種硬質(zhì)合金齒等。

試驗應(yīng)用共使用牙輪鉆頭40 只，各下井使用一個回次。其中10 只磨損較輕，18 只磨損一般，12 只磨損較重。磨損較重的鉆頭中有6 只是正常磨損（見圖6），有6 只出現(xiàn)了崩齒、軸承失效等異常磨損情況（見圖7），異常磨損的鉆頭有4 只出現(xiàn)在普通螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)中，2 只出現(xiàn)在旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)中，磨損嚴(yán)重的鉆頭大多出現(xiàn)在HG-1 井中。

圖7 崩齒、輪軸嚴(yán)重磨損鉆頭照片F(xiàn)ig.7 Drilling bit photo of broken tooth and wheel shaft seriously wear

分析認(rèn)為：除去鉆具結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)方面的因素，鉆頭的正常磨損與巖石硬度、研磨性等有關(guān)，而鉆頭的非正常磨損受地層破碎、巖石軟硬不均及地層溫度影響較大。HG-1 井地層溫度較高（1500 m時＞100 ℃，終孔時＞150 ℃），影響了牙輪軸承的性能；同時，該井鉆遇地層破碎、軟硬不均，造成了較多鉆頭非正常磨損的狀況。

通過試驗應(yīng)用取得的數(shù)據(jù)（參見表3～5）可以看出：使用旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)的回次進(jìn)尺長于普通螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，而鉆頭磨損程度則輕于使用普通螺桿鉆具。證明旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)時，巖石體積破碎增加，形成較大顆粒的巖屑，鉆頭雖然承受一定的沖擊作用，但鉆頭與單位體積巖石間的相互研磨程度降低，鉆頭的磨損也相對減輕。因此使用旋沖螺桿鉆具可以提高鉆頭壽命。

3.3 螺桿鉆具使用壽命

統(tǒng)計試驗應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)（參見表3～5），JHR-1井?215.9 mm 井段：P1 號普通螺桿鉆具累計使用271.1 h、P2 號普通螺桿鉆具累計使用276.9 h，X1 號旋沖螺桿鉆具累計使用261.4 h、X2 號旋沖螺桿鉆具累計使用268.6 h；HG-1 井?215.9 mm 口徑孔段：P4 號普通螺桿鉆具累計使用224.9 h、P1 號普通螺桿鉆具修復(fù)后再次使用159.3 h，X4 號旋沖螺桿鉆具累計使用217.3 h、X1 號旋沖螺桿鉆具修復(fù)后再次使用160 h；HG-1 井?311.2 mm 口徑孔段：P3 號普通螺桿鉆具累計使用327.1 h，X3 號旋沖螺桿鉆具累計使用330.3 h。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，試驗應(yīng)用中旋沖螺桿鉆具使用壽命與普通螺桿鉆具使用壽命基本相同，說明增設(shè)沖擊發(fā)生裝置未對螺桿鉆具的壽命造成影響。其中，172 型螺桿鉆具在HG-1 井中使用壽命較JHR-1 井低，主要是受HG-1 井下部地層溫度較高的影響，高溫作用下螺桿鉆具中橡膠件快速老化，同時螺桿鉆具運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)掉，加劇螺桿鉆具的損壞［17］。

4 結(jié)論

（1）試驗采用的旋沖螺桿鉆具沖擊發(fā)生裝置為純機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，試驗應(yīng)用過程中未出現(xiàn)沖擊發(fā)生裝置異常的情況。在花崗巖、片麻巖地層中，旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)機(jī)械鉆速較普通螺桿鉆具有一定提高，但提高幅度不大，還需進(jìn)一步研究探索，優(yōu)化改進(jìn)旋沖螺桿鉆具結(jié)構(gòu)，提高深部硬巖地?zé)徙@探中旋沖螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)效率。

（2）試驗應(yīng)用證明，使用旋沖螺桿鉆具不會影響牙輪鉆頭使用壽命，且有助于鉆頭保持良好的工況，提高牙輪鉆頭壽命。。

（3）試驗應(yīng)用中，旋沖螺桿鉆具壽命與普通螺桿鉆具壽命基本相同，增設(shè)沖擊發(fā)生裝置未對螺桿鉆具壽命造成影響。