科学深钻基础知识

1、科学深钻1. 学习目的与任务1.1通过本讲学习掌握科学深钻的基本概念、目的与意义1.2初步掌握施工方法2. 概述2.1什么叫科学深钻为研究地壳深部岩石圈、生物圈、水圈（含地下水流体）的组织结构，物质成 分， 形成机理等而进行的钻探工程称科学钻探，在陆地上施工的称为大陆科学钻 探，科学钻 孔深度的定义是：浅孔为20006000m （用深型岩习钻机施工），中深 孔为 60008000m （用旋转钻机施工），超深孔为800015000m （用巨型钻机施工）。2.2科学深钻的目的为推动“九五”科学技术的发展，国家科委提出了 “上天、入地、下海、登 极” 的八字方针。因为“入地”、“下海”、“登极”三大

2、领域都要动用钻探工程（或称钻井工程）来获取地球深处、海底洋底、冰川冰层冻土带的固体、流动、液态、气态的岩心、岩屑、冰心、冰晶等各类样品，从中取提出各种地质信息、生物信息、生态信息等，这些是研究地球结构的第一手实物资料。（ 1） 实施科学深钻的基本目的寻找深部固体矿产资源，为 21 世纪作好储备；勘探与开发深部能源（常规与非生物源的碳化氢类和干热岩地热）；地震与火山灾害监测；国防军事利益；核废料或其他有害废物处理；地球化学与生物系的互相反应关系；与商业利用有关的技术进步；经济发展与调整财富资源的地理分布；科学“奥运会”，领先到达某一目标深度或边界层或异常地热场； 国际声望与科技领先地位（ 2）

3、中国科学深钻的主要科学目的在此处实施科学钻探科学意义是：UHP 岩石 的形了解 UHP 的分布及其在上地壳的构造关系，从而科学地阐明成和折返机制；的证获取有关华北板块和扬子板块碰撞过程动力学深度和壳一幔相互作用据； 验证 5km 范围内的高速层地球物理模式，从而阐明该带的岩石和构造 学方面 的意义。调查地壳深部金、金刚石、磷等物质的矿化情况，从而为该地区地壳深部的找矿方向提供启示。鄰庐断裂是中国东部最重要的活动断层，科学钻探将提供断层深部地应 力和热 结构特征，这对于研究地震机制和地震预测具有重要意义。建立亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地 ( 入地望远镜 ) 在大别山一苏鲁的超高压变质带

4、钻井的科学意义是：获得国际大陆科学钻探综合剖面最深部位的真实信息，其成果在深部研 究方面 超过世界上已实施的任何一口科学钻井。建立造山带深部地质作用过程及其动力学新理论。通过热结果、流体、矿化作用、应力应变及与地质有关的现代物理化学 和生物 作用的研究，为资源、减灾及环境保护提供科学背景，推动地球科学与物 理学、化学及 生物学科交叉及发展。建立我国第一杆结晶岩区地球物理标尺，科学认识地壳结构。建立我国第一座天然、动态与深部的长期观察站及成岩成矿合成腔，有 开拓意 义。2.3国外情况从 1962 年起，有 47 个国家富于远见的地质学家萌发了向地质深部挺进，想 方设 法揭开地壳下边上地幔的秘密，

5、试图深化对地球的认识。(%1) 深海钻探计划 (DSDP, Deep Sea Drilling Project)(%1) 美国大陆科学钻探计划1974 年曾在奥克拉何马州钻成了 Roger Bertha No.l 超深孔，深度为 9583m。 美 国制订了 CSD 计划，区布置孔位 29 口。(%1) 原苏联的地球深部研究与超深钻探计划设计了 18 口深孔和超深孔，其中深孔深度在6000m左右的15 口作为卫星 孑L,另3 口为超深孔。设计深度 15000mo第一口超深孔(CT-3)在摩尔曼尔以西 科拉半岛的前 寒武纪结晶岩基底， 1970 年 4 月开钻， 1977 年初深度 7430m,

6、1980 年 7 月达到 10000m, 1986年3月达到12 300m后因处理孔斜，孔深修正为 12 262m,属世界领先地 位。第二口超深孔(CT-2)在阿赛拜疆高加索的萨阿特累，设计深度15 000m,现深度为8324m仍在钻进。第三口超深孔 (CT-1)在乌拉尔山东南侧的马格尼托哥尔斯克复向斜 上，设计深度15 000m,现在深度5350m仍在钻 进。(四)德国深孔钻探计划设计深度10 000m, 1990年10月6日开钻，深度超过 6 600m,因孔底温度 过高达280,岩层过陡，出现不少困难，在 1994年10月12日孔深达到9101m时停钻。3. 中国大陆科学钻探工程3.1 简

7、介直接观察陆壳的“大陆科学钻探”是“伸入地球内部的望远镜”，是个有划时代意义的地学高科技系统工程，是解决人类所面临的资源、灾害、环境等严重问题的重要手段之一，是继人类登月后向地球的又一次挑战！“中国大陆科学钻探工程”是要通过利用现代深部钻探高新技术，在具有全球地学意义的大别一苏鲁超高压变质带东部（江苏省东海县）实施中国第一口5000 米科学深钻，利用从钻孔中获取的岩心及液、气态样品分析数据以及原位测井数据和信息，重塑超高压变质带形成与折返机制，揭示板块边部的深部物质组成及成矿与流体作用，建立地下长期观测实验站及地壳深部物质研究基地。大别一苏鲁超高压变质带是世界上规模最大的超高压变质带。中国大陆

8、科学钻探工程瞄准当代地球科学重大前沿课题，探索地球深部动力学过程，发展大陆动力学理论，项目的科学意义重大。此外，通过项目的实施，将研制试验出一整整套新型的、适用于深孔硬岩恶劣条件的钻探技术体系，使我国的钻探技术水平 上一个台阶。该项目于 1997年 6月由国家科技领导小组批准列为“九五”国家重大科学 工程项 目。 1999 年 9 月 27 日，国家计委正式批准该项目立项。项目实施时间为 2000-2004 年，项目经费概算为 16618.9万元。项目由中华人民共和国国土资源部组织实施，由设在中国地质调查局内的中国大陆科学钻探工程中心具体执行。2001 年 8 月 2 日，国家计委对中国大陆科

9、学钻探工程项目初步设计和开工报告进行了批复，项目于 2001 年 8 月 4 日在江苏省东海县正式开工。在国家计 委和国土资源 部领导及其有关司、局的关心和支持下，由于奋战在施工第一线各方面人员的共同努力，中国大陆科学钻探工程项目进展情况较好，其先导孔以2046.54m 的深度胜利终孔，宣告项目第一阶段顺利完成。由于先导孔施工质量 较高，按设计在先导孔的位置扩 孔施工主孔。主孔扩孔钻进于 2002年5月7日 开始，9月5日以2033m的深度完钻， 随后完成了下273m（ 103/4-in）套管和注水 泥固井施工，在完成通井（扫套管附件）以 及下 194m（75/8-in） 活动套管施工后，科

10、钻一井主孔上部 2000m 井段的施工于 2002 年 9月 15日结束。3.2先导孔施工1. 施工要求钻井深度：2000m终孔直径：157mm取心要求：一开（下100m表层套管）后连续取心，岩心采取率不低于80%井斜要求：最大井斜角不超过 142. 岩层情况先导孔施工钻遇的岩层主要有榴辉岩、片麻岩、角闪岩等，局部穿插有石英脉，岩石坚硬、可钻性较差。岩层中沿钻井分布着近 30个小破碎带和 3个较大 的破碎带， 导致在钻井的某些部位井壁岩石坍塌、掉块，井径扩大和岩心采取率下降。岩层产状变化频繁，但总的来说倾角较大。除了在井深 20-27m处遇到一个漏失层以外，在钻进施 工中未发现钻井液漏失的情况

11、。3. 钻探设备科钻一井钻进施工采用型号 ZJ70D的7000m电动钻机，该钻机由宝鸡石油机械厂生产，是我国制造的能力最强和最先进的钻机。该钻机采用了当今世界先进的AC-SCR-DC电传动力系统，绞车、转盘和泥浆泵可实现无级变速，从而获得优良的钻井特性。该系统的微控制技术、智能技术都领先国内外同类产品，启动平稳，传动效率高。钻机上配备了最先进和现代的辅助设备和仪表，如有先进的液压盘式刹车，可实现高精度自动送钻的电子司钻，一套完善的钻进参数数据采集和显示系统，一套由振动筛、除沙器、除泥器和离心机组成的最新式的泥浆固控系统等。该钻机的主要性能参数见表Io表1 ZJ70D钻机主要性能参数最大钻柱重量

12、（t）220 （6x7 绳系）最大钩载（t）450 （6x7 绳系）名义钻探深度（127m钻杆）（m）6000捞砂滚筒钢丝绳容量016.3 mmx5600m绞车挡数4+4R,无级调速绞车最大输入功率（k）1470提升速度（m/s）0-1.6井架高度（m）45井架底座咼度（m）94.施工概况一开施工从 2001年6月25日至7月7日，采用三牙轮钻头全面钻进，井径444.5mm（171/2-in）,完钻井深100.36m,完钻井斜0最大井斜1.2。由于岩 石坚硬，采用了镶硬合金齿滑动轴承牙轮钻头。由于井眼直径大且井浅加不上钻压，此段施工机 械钻速较低，平均机械钻速仅为 0.39m/ho一开完钻后，

13、下入 340mm(l33/8-i n)表层套管100.36m,并进行了固井。然后 采用 311 nmi(12i/4-i n)牙轮钻头钻进到井深101m,形成了一个小台阶，以便于安 放 273mm(95/8-in)活动套管。安装井口后，下入273mm(95/8-in)活动套管 101m(图1),95/8-in套管柱的顶部由套管头的卜瓦固定。二开施工于2001年7月16日开始，从井深101m至2046.54mm,采用 157/96mm金刚石钻头进行取心钻进。钻进中，尝试了不同的取心钻进工艺方法，分别有：(1) 螺杆马达+金刚石双管取心钻进工艺方法；(2) 螺杆马达+液动锤+金刚石双管取心钻进工艺方

14、法(3) 转盘+金刚石双管取心钻进工艺方法；(4) 螺杆马达+金刚石单管取心钻进工艺方法。表2不同取心钻进工艺方法的比较取心钻进方法钻进回次进尺(m)岩心采取率(m)平均回次进尺(m)平均钻速(m/h)转盘或单管取心钻进1219.5558.161.630.47螺杆+马达双管取心钻进376825.2391.152.190.78螺杆马达+液动锤+双管取心钻进2691100.7687.164.091.11合计6571945.5488.712.960.93通过对几种方法的机械钻速、回次长度、岩心采取率和岩心质量几个主要参数进行比较(参见表2),认为螺杆马达+液动锤+金刚石双管取心钻进方法是一种 优质高

15、效的取 心钻进工艺方法，因此在施工的后半段时间几乎全部采用该方法施工。施工中采用的主要钻进参数范围如下：?钻压：8-20 kN ；?转速：170-330 rpm?排量：8-12 1/s?泵压：随着井深和排量的增加而升高，在4 1 2Mpa范围内变化。在井深1634.38m(第 579回次)后，为了克服井壁对钻具的摩阻，使钻压更有 效地 传递到钻头上，采用了“双回转”方式，即螺杆马达和转盘同时回转。不过转盘转速很低，仅为12rpm。二开钻进的前一段时间采用膨润土+CMC泥浆体系，在钻进过程中逐步加入LBM 泥浆粉，转换成 CMC-LBM 复合泥浆体系。由于 LBM 泥浆体系的切力低 , 为满足提

16、钻 取心和解决 95/8-in 套管通径大导致套管内环空返速低的问题，适当加 入人工钠土和 HV-CMCo在井深 1840m 以后，在泥浆中加入了润滑剂，以实现两方面的目的：一方 面改善 液动锤的阀和活塞的工作条件；另一方面延长液动锤的使用寿命。润滑剂 的使用获得了 好效果，液动锤的工作可靠性和回次进尺长度方面都得到了明显的 改善。施工中采取了严格的泥浆固相控制措施。采用由除砂器和高、低速离心机组 成的固 控系统，使泥浆含量一直保持在0.03%左右，对提高钻进效率、减轻钻具磨损、提高螺杆马达和液动锤的使用寿命，起到了较好的作用。施工中共发生井内事故 4 次，其中 2 次是扩孔器断裂，另外 2

17、次是测井仪扶 正装 置落入井底及探头在井中遇卡。事故处理均较顺利，占用施工时间不长。二开取心钻进于 2002年4月15日以2046.54m的井深结束。5. 主要技术、经济指标(1) 二开取心钻进的主要技术经济指标?取心进尺总计 1945.54m?平均岩心采取率 88.71%?平均机械钻速 0.93m/h?平均钻头寿命17.53m,最高钻头寿命75.23m?平均回次进尺2.96m,最长回次进尺&72m?平均日进尺 7.31m/d?纯钻时间利用率 30.9%?起下钻时间占用率 45.9%(2) 井斜情况科钻一井先导的钻进孔施工在造斜性较强的岩层中进行。根据德国KTB 先 导孔和中国大陆科学钻探预先

18、导孔PP2施工的结果，在此类岩层中钻进井斜是一个较严重的技术问题，该问题解决不好，会较明显地影响钻进施工的时间和成本。科钻一井先导孔施工的结果表明，井斜问题在该井的施工中得到了较好的解决，全井的最大井斜为 4.1 大大低于预计的指标，在施工中没有花时间来纠斜 , 并且为下一步主孔施工打下了一个 很好的基础。分析其原因，与采用的钻进施工 方法有较大的关系。施工中采用的螺杆马 达+液动锤+金刚石取心钻进系统具有钻压低(10-20kN)、钻速高和钻杆不回转的特点，这些因素皆有利于防斜和降斜。(2) 井眼直径和稳定性由于钻进的岩层经历过较强烈的地壳运动 (折返) ，岩层中存在着许多大大小 小的断 层。

19、据统计，先导孔沿钻井分布着近 30 个小破碎带和几个较大的破碎带。 这些破碎带的存在，导致钻井的某些部位井壁岩石坍塌、掉块、井径扩大和岩心 采取率下降。 705m 处遇到了最大的破碎带，由测井得知此处的井径扩大达到445mm 以上。破碎带主要分布在 1400-1900m 井段。遇到破碎地层后，不但岩心 采取率低，钻头磨损也很严 重，特别是钻头内径的磨损，导致钻头提前报废。在 钻进过程中，井壁时有掉块发生， 造成起钻遇卡和下钻不到底。(4)钻进施工时间分析先导孔施工总时间为 315 天，钻进深度随时间变化的情况，不同施工项目所 用时 间的分解情况。对数据分析后得出如下结论：a. 钻进施工效率 (

20、 每日进尺和台月效率 )并没有因为井深加大而降低，这是因为一些先进的钻探器具 ( 如液动锤钻具、金刚石钻头等 )在使用中不断得到改进和 完善，施工 组织管理水平不断得到提高。b. 由于采用提占取心，起下钻时间在总时间中所比例占较大，若不是因为 液动锤 钻进明显提高回次进尺长度，所占比例会更大。d.钻探事故和设备维修的时间很少，没有发生纠斜时间，这是施工技术和组织管理水平的综合反映。7.施工成本分析先导孔施工费用主要用于支付施工日费(39.0%) 钻具购置费(24.9%)、钻具 租赁费(5.5%)、钻前施工准备费 (11.1%)和水电费 (8.1%)。这几项合计占总费用的88.7%o 与施工时间

21、的构成相似，没有发生纠斜费用，由处理事故、设备维修、停工等导致的费用支出在总费用中所占比例很低，证明了施工具有良好的经济 性。&对科钻一井先导孔施工的评价(1) 由于采用先进的钻探技术和卓有成效的施工管理，科钻一井先导孔的钻井施工获得了高效、优质的好效果，施工的主要技术经济指标都达到或超过了设计要求。(2) 通过先导孔的施工，研制开发出了一整套用于大直径、硬岩、深井取心钻进的金刚石取心钻进系统 (包括钻头、扩孔器、螺杆马达和液动锤等 )，全套系 统在恶劣的钻 井条件下使用经受了考验，得到了改进和完善。(3) 试验成功的螺杆马达 +液动锤 +金刚石取心钻进系统属世界首创，在提高 钻进效率和回次进

22、尺长度以及防斜、降斜方面具有显著效果。该系统研制成功，是取心钻探技术的重大突破。(4) 由行先导孔施工质量好，可在先导孔基础上扩孔施工主孔，不需挪井位后施工主孔，这样可显著地节省项目施工的时间和成本。3.3扩孔钻进、下套管和固开施工情况根据中国大陆科学钻探工程初步设计，如果科钻一井先导孔施工结果较好，钻 井情况不复杂，则可在先导孔基础上扩孔钻主孔。反之，需要在先孔孔完 钻后，在距离 先导孔 100m 左右的地方施工主孔。由于先导孔施工质量和井内情 况都较好，经请示领 导审批后按照第一方案实施。扩孔钻进是主孔施工第一阶段的内容，它是将 2000m 先导孔由 157mm 口径 扩大 到311mm,

23、扩孔完成后将下套管、固井，为主孔2000-5000m井段取心钻进 打下一个稳固的基础。1 、扩孔钻进施工概况扩孔施工于 2002 年 5 月 7 日开始， 9 月 5 日结束，共计 122 天。开始井深 为 101m，完钻井深为 2033m扩孔进尺 1932m。从157mm到311mm 口径，采 用带 (j) 155mm导向的(j) 311mm牙轮钻头一级扩孔钻进完成。扩孔钻杆柱是由 203mm(8-in)钻铤、178mm(7-in)钻铤和127mm(5-in)钻杆组 成的 塔式钻具组合。施工时根据情况在井底钻具的不同位置安放了直径305mm 的扶正器。为减少扩孔钻进过程中的跳钻和蹩钻现象，在

24、整个扩孔钻进过程中在钻头的上部携带203mm(8-in)减震器。扩孔钻进的钻进参数如下：钻压5060kN;转速5560rpm；排量3335L/s。在整个扩孔钻进过程中，本着适用、节约和减少对环境污染的原则，充分得用先导孔用过的钻井泥浆，随着井深的增加，不断补充用 LBM 和低分子聚合物 调整泥浆的性 能。以振动筛为主和离心机为辅进行泥浆的固控和净化。需要时适当加入润滑剂，可以降低摩擦，改善泥浆泵和钻具的工作条件。钻井泥浆的主要性能参数如下：粘度 33-35S；密度 1.061.08g/cm3 ； API 失水 1215ml ； pH 值 910；切力：初切 0.5- 1.0Pa终切 910Pa

25、；含砂量 0.10-1.5%,泥饼厚度 0.5mm。由于先导孔从 18901920m 的 30m 井段内，井斜增加很快，钻井的狗腿度相 对较 大，对今后的绳索取心钻进会带来不利的影响。为此，从1871m 停止采用 导向扩孔钻头，改用钟摆组合钻具和311mm三牙轮钻头，进行降斜钻进，直到2028m。结果表明，与先导孔相比，井斜没有发生明显的变化，说明该段岩层的造斜性很强，钻具的钟摆纠斜不足以克服岩层偏斜力。扩孔过程共发生井下事故 2 次，一次为扩孔牙轮钻头的两只牙掌断裂落入井 底，另 一次为金刚石修井钻头在上焊接处断裂，金刚石修井钻头和三牙轮钻头落入井底。两次事故处理均比较顺利。2、扩孔钻进的技

26、术经济指标扩孔钻进施工的技术经济指标如下：扩孔施工时间： 2002年5月 7日9月日，共计 122天扩孔井段： 101.002033.00m扩孔进尺： 1932.00m扩控直径： 311mm (101-2028m) 终孔直径： 216mm (2028-2033m) 终孔井斜： 4.4 钻进回次： 49 修井和事故处理回次： 4 发生井下事故次数： 2 平均回次进尺： 39.43m 平均日进尺： 15.84m 纯扩孔时间： 1838.64h 起下钻时间： 472.82h 扩划眼时间： 202.66h 事故处理时间： 64.93h 其它施工时间： 348.95h3、修井科 钻 一 井 主 孔 上

27、部 2000m 井 段 套 管 设 计 的 特 点 是 小 间 隙 ， 井 眼 直 径 为 311mm(12i/4-in),采用273mm(1013/4-in)套管，其接箍外径为 299mm,最小环空 间隙仅 有 6mmo 由于在坚硬岩石中扩孔钻进钻头直径磨损很快，加之江汉钻头厂生产的牙轮钻头没有保径，扩孔钻进时在某些井段井径小于12-in,累计长度 超过300m。为能保证273mm(103/4-in) 套管顺利下入，必须进行修井，以尽可能扩大井径。修井共使用了 4 只探矿工程研究所生产的金刚石修井钻头，修井时间 89.6h, 钻头平 均修井时间22.8h。其中第三只修井钻头在上部焊接处断裂，

28、修井钻头和牙轮钻头一起落入井内，通过采用可退式打捞矛和震击器将落鱼捞出，事故处理时间为 71ho4、下套管为了护壁和保证绳索取心钻进顺利进行，必须下入两层套管。根据设计，先下入一层 273mm(103/4-in) 套管并固井，然后再下入一层 ，194mm(7/48-in) 活动套 管。下套 管后将采用 157mm 金刚石钻头进行取心钻进，下活动套管一方面可以 减小环状间隙， 改善环空中岩屑的携带效果；另一方面可改善高速回转的钻杆柱的受力状况。为了保证下套管一次顺利成功，决定先试下套管。试下套管的钻具组合：引鞋+273mm套管2桩+178mm钻铤9根+178mm随钻机械式震击器+127mm钻杆。

29、 试下 过程比较顺利，试下一次成功，中途只有 18911975m孔段出现几次较轻微 的遇阻，但 最大阻力不超过3t,说明全井下入套管的基本条件已具备。下 273mm(103/4-in) 套管程序是：在以311mm 井径钻至 2028m 井深后，用216mm 牙 轮 钻 头 钻 进 5m 的 口 袋 ， 经 过 通 井 、 洗 井 、 循 环 找 浆 等 工 序 ， 下 入 273mm(103/4-in)套管。套管钢级 J55,壁厚 10.16mm,外径 273.05mm,内径 252.7mm,接箍直径298.5mm。管串结构为：浮鞋浮箍-短套管1根(5m)碰压座一一短套管 1根(3m)承托短节

30、总成一套管柱一联顶荣一水泥头。为了保证 273mm 套管与井眼的同心度，获得良好的水泥固结质量，原设计在273mm 套管接箍处安装弹性扶正器。考虑到套管和井壁之间的环隙较小，采用套管扶正器一方面会增加下套管的难度，另一方面扶正器翼片可能搅动破碎井段的松散岩块，造成井壁坍塌，导致套管柱受卡。因此，决定取消磁管扶正器。为了保证套管的顺利入井，在泥浆中加入液体润滑剂It, 30目40目塑料球(固体润滑剂)0.5t，以减少下套管的摩阻，取得了较好的效果。5、固井根据水泥浆的设计比重为 1.89g/cm3和1.55g/cm /各占一半。加重泥浆比重 为 1.5g/cm3o这样，最大压差约 5.5MPa循

31、环压降约8MPa,注浆压力不会超过 15MPa。在 施工中，最大替浆泵压 UMPa,碰压压力13MPa。扫附件钻具组合：216mm钢齿三牙轮钻头+203mm钻铤1根+178mm钻铤9根 +127mm 钻杆。打通附件后，直接通井至 2033mm。扫附件后，下入 215mm 磨鞋磨井底，以消除井底的合金。至 2002 年 9 月 5 日，扩孔钻进、下套管固井施工全部完成，宣告科钻一井 主孔 2000m 井段施工完成。在坚硬的结晶岩中进行长井段和大直径扩孔钻进，在我国尚属首次，在钻进方法、施工工艺、钻具组合和材料器具等方面，缺乏经验。主孔2000m 井段套 管程序的特点是间隙小，加上硬岩中扩孔钻头保

32、径困难和个别井段狗腿度较大，使下套管施工难度很大。通过现场钻探技术人员和井队人员的积极配合和不懈努力，解决了施工中一个又一个的技术难题，较好地完成了主孔扩孔钻进、下套管 和固井施工任务，获得了较好的施 工技术指标。3.4主孔施工3.4.1 钻进方案应用组合式钻探技术，即石油转盘钻机上配备一套高速顶驱装置和金刚石绳索取芯系统，采用不同唇而形状、结构和不同方法制造的金刚石绳索取芯钻头。3.4.2 钻孔基本参数(1) 钻孔深度： 5000m(2) 终孔直径： 156mm(3) 取芯比率： 100%(4) 主要岩层：片麻岩、榴辉岩、角闪岩和片岩等(5) 地温梯度： 2.5C/100m钻探工艺方法采用

33、ZJ70D 钻机，其钻探工艺方法有：金刚石绳索取心钻进，井底动力驱 动的金 刚石取芯系统，液动锤钻进，自动控制垂孔钻进3.5预期效益(1) 为 21 世纪地球科学的发展提供新的机遇；(2) 开拓金刚石矿产找矿新的方向；(3) 开发新技术、新工艺、带动相关工程技术产业的发展；(4) 培养造就一批地学研究与管理人才；(5) 大大促进各基础学科之间及基础与技术学科之间的交叉与结合；(6) 加强和扩大国际科学交流。外围深井钻井技术在目前深井钻井中，在全面破碎方面，所采用的方法有常规的牙轮钻进；涡 轮钻具 与 PDC 钻头相结合钻进；螺杆钻具与钻头相结合钻进、螺杆钻具；液动锤及钻头相结合钻进，此外还有电

34、动钻具与钻头相结合进行钻进等。在取芯方面， 有金刚石绳索取 芯、牙轮钻头取芯等。在这些技术当中，效率较高的有涡轮钻具 与 PDC 钻头相结合钻 进，螺杆钻具、液动锤与钻头相结合钻进技术。一、钻进方法的选择通过大量的文献资料的调研，认为在有色金属矿山深部及外围钻探技术方 面，可采 用的钻探技术工艺有以下几种：1、金刚石钻进：湖南省地矿局 405 队结合实际工作，摸索出运用小口径金刚石钻进技术，绳 索取 心，孔底不提钻换钻头，绳索取心液动冲击回转钻进的综合钻进工艺。2、绳索取芯钻进：1987 年南非用金刚石绳索取心孔深达 5424 米。在深部取心钻探技术方面， 加拿 大博特长年公司主要注重两方面的

35、研究：一是提高生产率；二是充分利用现 有的设备钻 更深的孔。在钻杆研究方面：一种是采用重型结构设计的 CHD 绳索 取心钻杆，接头采 用摩擦焊接；另一种新型钻杆在热处理、丝扣技术和材质方面 有新的提高，能与普通钻 杆互相通用。3、液动锤钻进(液动冲击回转钻进)：可将液动锤与绳索取芯相结合，还有不提钻换钻头钻具。新型液动、气动潜 孔锤及 钻杆(俄罗斯)采用新的结构和工艺得到高强度、长寿命的钻杆。4、多工艺空气钻进：以中心取样钻探为主的多工艺空气钻探技术；长春科技大学研制成功 GQ-100/40 型贯通式潜孔锤和 SBC89/44或SBC73/44外平钻杆，采用空气潜孔 锤钻进和反循环钻 进技术，

36、用于复杂地层钻进。5、螺杆马达钻进。结合以上的钻进方法以及取心方法，认为在有色金属矿山深部及外围钻探技术方面，取心方法采用金刚石绳索取心方法，钻进动力可采用螺杆马达和潜孔锤钻进(含液、气动)。其综合钻进工艺方法可分为以下几种：A 、 螺杆马达 +潜孔锤 +金刚石绳索取心钻进： 该方法已经应用于中国东海科学深钻项目中，并得到了一致好评。其特 点是： 在提高钻进效率和回次进尺长度以及防斜、降斜方面具有显著效果， 是一种优质、 高效的取心钻进方法。B、 螺杆马达 +金刚石绳索取心钻进；C、 潜孔锤 +金刚石绳索取心钻进。 二、钻进方法的研究内容 不管是螺杆马达加金刚石绳索取心钻进，还是潜孔锤加绳索取

37、心钻进，或者是 螺杆马 达加潜孔锤加金刚石绳索取心钻进，同时结合不提钻换钻头钻具，其研究 的内容主要可 分为以下几点； 1、 钻进工艺研究：钻进工艺研究主要是指在已有的钻进工艺上，针对项目所需达到的钻探要 求，进行 适当的改进与完善。在选择好钻进方法的基础上，通过相应钻具的配合 , 并通过试验摸 索出相应的最优钻进工艺。2、 配套钻具的研究：%1 在钻机研究方面：结合不同的钻进方法、钻进地层，将钻机的动力头钻速 设计 为高、低两档。当用金刚石岩芯钻头进行钻进时，采用高转速档，其范围在01600r/mi n；当用牙轮钻头、螺旋钻杆或潜孔锤进行钻进时，选用低速档，其范围在0230r/mino%1

38、打捞器与潜孔锤的结合，为有效的进行钻进，同时提高岩芯采取率，将打捞器和潜孔锤设计为一个整体。或者在已有的打捞结构和潜孔锤的基础上，进行改进，使钻进效率得到提高。其中对于潜孔锤的设计，针对有色金属矿山深部及外围探矿的要求，在液动和气动方面进行对比研究，选择一种动力作为课题的首 选方式。%1 钻杆的研究，主要是新型钻杆的研制。研究内容主要是在结构、热处理、丝扣技术和材质方面有新的提高，使其能与普通钻杆互相通用。同时在采用这些新结构和新工艺后，得到高强度、长寿命的钻杆。钻进方法研究一、 研究现状与意义 通过文献资料调研，目前深井钻井中，在全面破碎方面，所采用的方法有常规的牙轮钻进；涡轮钻具与 PDC

39、 钻头相结合钻进；螺杆钻具与钻头相结合钻进、螺杆钻具；液动锤及钻头相结合钻进，此外还有电动钻具与钻头相结合进行钻进等钻进方法。在取芯方面，有金刚石绳索取芯、牙轮钻头取芯等。在这些技术当中，效率较高的有涡轮钻具与 PDC 钻头相结合钻进，螺杆钻具、液动锤与钻头相结合钻进技术。结合课题，认为在有色金属矿山深部及外围钻探方法中，可采用的钻探技术工艺有以下几种：1、在取芯方面，结合有色金属矿山深部钻探的特点，为提高钻进效益，建议采用金刚石绳索取芯方法，可以在取芯时，无须将整个钻杆和钻头提上来。这样就减少了取岩心提钻时间。这种方法对于深度很大的钻井，效果显著。2、在钻进动力方面，第一考虑到钻井深度很大，

40、同时采用的钻井口径较小，另一方面由于深部矿山地层岩石属于硬脆地层，如果采用地上动力，一个是扭矩很大，如果钻杆较小，钻杆就容易断裂，并且在钻进硬的岩层时，所需扭矩较大，回转速度势必要求较高，地面动力难以满足钻进要求。因此在进行有色金属深部矿山钻探中，建议采用井底 动力（可采用螺杆马达钻进）或者在井底采用液动锤 钻进（液动冲击回转钻进）。 通过以上分析，认为在有色金属矿山深部及外围钻探技术方面，为更加有效 地进行 深部钻进，取心方法采用金刚石绳索取心方法，钻进动力可采用螺杆马达 和潜孔锤钻进 （含液、气动），并且采用不提钻换钻头钻具。其综合钻进工艺方 法可分为以下几种： B、 螺杆马达 +潜孔锤

41、+金刚石绳索取心钻进： 该方法的特点是：在提高钻进效率和回次进尺长度以及防斜、降斜方面 具有显 著效果，是一种优质、高效的取心钻进方法。B、 螺杆马达 +金刚石绳索取心钻进；C、 潜孔锤 +金刚石绳索取心钻进。二、 钻进方法的研究内容不管是螺杆马达加金刚石绳索取心钻进，还是潜孔锤加绳索取心钻进，或者是 螺杆马 达加潜孔锤加金刚石绳索取心钻进，同时结合不提钻换钻头钻具，其研究 的内容主要可 分为以下几点；1、 钻进工艺研究：钻进工艺研究主要是指在已有的钻进工艺上，针对项目所需达到的钻探要 求，进行 适当的改进与完善。在选择好钻进方法的基础上，通过相应钻具的配合 , 并通过试验摸 索出相应的最优钻

42、进工艺。2、 配套钻具的研究：%1在钻机研究方面：结合不同的钻进方法、钻进地层，将钻机的动力头钻速 设计为 高、低两档。当用金刚石岩芯钻头进行钻进时，采用高转速档，其范围在 01600r/min; 当用牙轮钻头、螺旋钻杆或潜孔锤进行钻进时，选用低速档，其范 围在 0230r/mino%1 打捞器与潜孔锤、螺杆马达的结合，为有效的进行钻进，同时提高岩芯采 取 率，将打捞器和潜孔锤、螺杆马达设计为一个整体。或者在已有的打捞结构和 潜孔锤的 基础上，进行改进，使钻进效率得到提高。其中对于潜孔锤的设计，针 对有色金属矿山 深部及外围探矿的要求，在液动和气动方面进行对比研究，选择 一种动力作为课题的首 选方式。%1 1987 年南非用金刚石绳索取心孔深达 5424 米。在深部取心钻探技术方面 , 加 拿大