淺談新型鉆機改造及應用

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

大楊樹盆地是近年來勘探新區，盆地處于高緯度地區，冬季極寒，最冷在-40℃以下，地表75%為火山巖覆蓋區，多期次火山噴發影響及風化、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。大楊樹盆地表層巖性結構縱、橫向變化及其復雜，一口井內存在多種巖性交互層，一種鉆機或鉆具無法單獨完成鉆進工作，無法適應多種復雜地層鉆進。接續鉆進的鉆機需要立起鉆機井架“對井口”，確保接續鉆機鉆桿與井孔在垂直方向保持一致，這種接續鉆機“對井口”的過程，給地震鉆井生產任務優質、高效完成帶來了極大挑戰。同時，在流沙區、礫石區鉆進達到設計井深，提桿后井壁坍塌，無法成井。造成鉆井進尺難、成孔難、下藥難的“三難”局面。

2 難題攻關

解決高寒區復雜巖性鉆井成孔難題是一項復雜的系統工程，是集地質學、機械工程學、地震勘探技術、人體工程學、生產管理技術等融為一體的產物——正反循環一體鉆機（新型鉆機）。通過借鑒單一功能的正循環和反循環鉆機技術并結合多年鉆井生產經驗，通過創新方法的應用，對動力頭進行整合，通過技術性、科學性、操作性、安全性等的論證設計形成正反循環一體鉆機，能夠實現 “四位一體、一機一孔位”的不同地質結構鉆井成孔的技術功能。

總體技術方案是：將不同介質循環功能的鉆機、配套鉆具和鉆桿接卸裝置，整合成一體式鉆機，使其具備多種介質循環鉆井功能的鉆機和配套鉆具，避免“對井口”作業。正反循環一體鉆機能針對不同的地層結構利用自身各種特效功能，進行合理切換，并配合相應的鉆具完成所有條件下的地震鉆井作業。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構，采用不同的循環介質及循環方式和配套的鉆具、接卸工具及工藝，“對層”對癥鉆進，逐一攻破，逐層鉆進成孔，實現護壁、一次成孔，炸藥引導管一次投放，快速完井，轉場，提高了功效，降低了成本，保證了成孔質量。其主要技術方法有：

2.1 正循環與反循環一體式多種介質轉換裝置的研制

正循環與反循環一體式多種介質轉換裝置（新型鉆桿動力頭）是正反循環一體鉆機的核心技術和重要部件。是實現多介質循環的轉換裝置，也是改變鉆機多種鉆井方式和避免“對井口”作業的核心裝置，其與配套的接卸裝置和相應配套鉆具一同構成了正反循環一體鉆機。轉換裝置的結構、原理如圖1、圖2所示。裝置分別借鑒正、反循環動力頭的工作原理，將正、反循環鉆進工藝融合成一體式多介質轉換裝置，通過更換上轉換接頭、下接頭和鉆具及鉆具接卸裝置等部件和不同的循環介質來實現正循環或反循環鉆進，解決高寒區復雜巖性地震鉆井成孔難題。正循環：循環介質（水或氣）從進水彎頭進入，經過快速轉換組件、進水頭組件、中心管內腔、鉆桿內腔到達鉆頭，將切削下來了的巖土沿著井壁和鉆桿之間空隙返回地面；反循環：循環介質（氣）從進氣口進入，經過導氣龍頭、變接頭內環腔、鉆桿內環腔到達鉆頭，將切削下來的巖土經鉆桿內腔、變接頭內腔、進水頭組件，從上噴管噴出。

圖1 正循環結構圖

圖2 反循環結構圖

2.2 正循環與反循環快速轉換裝置的研制

正循環與反循環雖然可以動態切換了，但如果轉換的時間太長，也會影響到生產效率。通過創新方法的應用，研制了正循環與反循環快速轉換裝置，輔以改變四個獨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行轉換。

2.3 跟管鉆具、螺旋鉆具集成技術

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

2.4 鉆桿內腔套裝防護管下藥技術

通過正反循環一體機的研制,原來使用藥柱直徑為60或70，下藥容易卡，現在使用直徑50藥柱，將藥柱變細?？梢灾苯油ㄟ^動力頭和鉆具將護井管一次性下到規定的井深。護井管的使用采用底部封堵，密封處理，每段管線通過專用接頭進行連接，長度按管內有效長度計算，有效長度必須超過標準井深20cm以上。特別是防止護井管在鉆具上提過程中出現上浮現象，解決方法：一是通過護井管內部注水，二是對最底部的護井管進行特殊防上浮裝置設計“防浮錨”。

2.5 鉆機動力頭優化

針對這個關鍵問題，通過動力頭加裝角度調整構件以此符合人機學，達到了降低勞動強度，提高安全性的效果，解決了接卸鉆桿時需專人輔助接卸，勞動強度大、安全風險高的問題。

3 預期應用及效果

發明的新型鉆桿動力頭，實現了正循環和反循環快速轉換，將正循環鉆進、反循環鉆進、跟管鉆進和螺旋鉆進等鉆井工藝，通過更換接頭和鉆具，融合到新型動力頭上，以WTJ5122TZJ型車載鉆機為工作平臺，改造成正反循環一體式多功能鉆機，實現“四位一體”（單部鉆機可以完成正循環鉆進、反循環鉆進、跟管鉆進和螺旋鉆進四種鉆進工藝）、“一機一孔位”（在復雜巖性區單部鉆機、單井位一次定位成井的鉆進過程）作業。

正反循環一體式多功能鉆機在海拉爾盆地、大楊樹盆地、松遼盆地等多地區試驗生產，能夠達到快速完成復雜巖性區域的鉆進作業，效率和安全性高。其中：在大楊樹玉林屯三維項目試驗中，鉆井組每天工作12小時，使用原有鉆機，完成一口井需要70分鐘左右，每天單機組能完成10口左右生產井。使用正反循環一體式多功能鉆機，完成一口需要30分鐘左右，節省成井時間40分鐘左右。以大楊樹玉林屯三維采集項目為例：物探隊有35臺鉆機，項目鉆井任務共：37000口井，采用原有鉆井設備，鉆井組施工期為106天。應用改造后的鉆機，鉆井組施工期縮短到44天，極大地提高鉆井生產效率。

4 經濟效益

正反循環一體式多功能鉆機改造費用僅為1.2萬元，以2020年大楊樹三維3.7萬炮采集項目為例，使用正反循環一體式多功能鉆機，鉆井組可節約62天有效工期。該項目每天直接成本支出按5萬元人民幣計算，總共節約支出:62天X5萬元=310萬元人民幣，具有可觀的經濟效益。

社會效益方面，新型鉆機減少了使用者的勞動強度，縮減了操作時間，節省操作者的精力，顯著提高了生產效率，深受操作工人贊賞和歡迎。