張德龍，郭 強(qiáng)，楊 鵬，盧 彤，吳 爍，翁 煒，劉寶林

(1.北京探礦工程研究所,北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083；3.自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心,河北石家莊 050060)

0 引言

地?zé)豳Y源(干熱巖)是一種非碳基可再生清潔能源，開發(fā)地?zé)豳Y源可以有效改善能源結(jié)構(gòu)，減少碳排放，從源頭上為碳中和做出貢獻(xiàn)。我國地?zé)豳Y源豐富、儲(chǔ)量巨大，具有巨大的開發(fā)和利用前景(藺文靜等，2012)。近年來，我國在干熱巖資源調(diào)查和鉆探技術(shù)方面都取得較大的進(jìn)展(藺文靜等，2021)。鉆探是深部地?zé)豳Y源勘查開發(fā)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵手段之一，近年來隨著地?zé)豳Y源勘查開發(fā)進(jìn)程的不斷加快，地?zé)徙@探工作量增加十分明顯。在地?zé)徙@探過程中，花崗巖地層的鉆遇率大幅增加，但花崗巖地層的鉆進(jìn)效率總體偏低(賈軍等，2015)。結(jié)合鉆探工程實(shí)踐開展花崗巖地層鉆探提速技術(shù)研究與應(yīng)用對(duì)促進(jìn)地?zé)豳Y源勘探開發(fā)具有十分重要的意義。

1 花崗巖地層特點(diǎn)

地?zé)豳Y源開發(fā)利用由來已久，隨著能源資源需求的不斷加大，世界各國在地?zé)豳Y源勘查開發(fā)方面的投入與日俱增。

近年來，國內(nèi)在青海共和、福建漳州、廣東惠州、河北張家口、河北馬頭營等地區(qū)的地?zé)豳Y源鉆探調(diào)查中均鉆遇了大段的花崗巖(葉見玲等，2019；張盛生等，2019；藺文靜等，2021；張?jiān)频龋?022)。其中，青海共和GR1 井終孔深度3705 m，井深自1341 m至終孔鉆遇地層巖性均為花崗巖；青海共和DR3井、DR4井以及在青海貴德扎倉溝ZR1 井鉆遇地層也均為花崗巖(譚現(xiàn)鋒等，2021)。福建漳州干熱I井終孔深度4000 m，井深自200 m至終孔鉆遇地層巖性均為片麻狀青灰色二長(zhǎng)花崗巖。廣東惠州惠熱I井終孔深度3009.17 m，井深1565.50 m至完鉆地層均為細(xì)中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖(甘浩男等，2015;李婷昕等，2020)。河北張家口崇禮區(qū)ZK01-1、ZK01-2井20 m以深至完鉆地層均為二長(zhǎng)花崗巖；根據(jù)臨井資料和構(gòu)造情況進(jìn)行分析，河北馬頭營干熱巖靶區(qū)1350 m以深均為太古宙變質(zhì)花崗巖類或變質(zhì)巖系(齊曉飛等，2020)。

花崗巖是干熱巖儲(chǔ)層最為典型的巖性特征，其楊氏模量約是砂巖的2～4倍，斷裂韌性明顯高于砂巖。以青海共和鉆獲深部巖心為例，40 MPa圍壓下的楊氏模量高于40 GPa(周健等，2021)，在同等鉆進(jìn)參數(shù)條件下，花崗巖地層機(jī)械鉆速遠(yuǎn)低于沉積巖地層鉆進(jìn)。此外，花崗地層鉆進(jìn)過程中，井下鉆具的磨損和消耗十分嚴(yán)重，加之地層層段厚、溫度高，鉆進(jìn)難度極大，鉆探成本驟增。

2 鉆進(jìn)提速工具與技術(shù)研究概況

鉆頭破巖形式分為切削、磨削、壓碎等方式。為了提高鉆頭破巖效率，對(duì)于切削和磨削破巖的方式多以提高轉(zhuǎn)速為主，同時(shí)增加周向沖擊也有一定效果。對(duì)于以壓碎為主的破巖形式，多以提高井下轉(zhuǎn)速和軸向沖擊為主。

提高轉(zhuǎn)速：以提高轉(zhuǎn)速方式提高破巖效率的鉆具主要以螺桿馬達(dá)和渦輪鉆具為主，其中螺桿馬達(dá)以其優(yōu)異的硬特性應(yīng)用范圍最廣；渦輪鉆具由于其自身特點(diǎn)主要應(yīng)用于巖石強(qiáng)度高、研磨性強(qiáng)的硬巖或高溫地層。

軸向沖擊：以提高軸向沖擊頻率和能量提高鉆速的方式的鉆具主要有液動(dòng)沖擊器、氣動(dòng)潛孔錘。液動(dòng)沖擊器是在鉆井液的作用下將鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為沖擊破碎巖石的機(jī)械能。氣動(dòng)潛孔錘則是以空氣為循環(huán)介質(zhì)，以高頻、高沖擊功沖擊破碎巖石，以提高鉆進(jìn)效率。

扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具：扭轉(zhuǎn)沖擊工具是在鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時(shí)提供一個(gè)軸向沖擊的作用，以克服鉆柱粘滑效應(yīng)對(duì)鉆頭破巖的影響，從而提高破巖效率，從實(shí)際應(yīng)用角度該種方法更適用于軟到中硬的地層。

射流破巖工具：射流破巖方法及理論已經(jīng)較為系統(tǒng)，最早應(yīng)用在輔助鉆頭破巖方面。水力脈沖提速工具則是應(yīng)用脈沖發(fā)生裝置改變進(jìn)入鉆頭鉆井液的流態(tài)，形成周期波動(dòng)的空化脈沖射流，具有輔助破巖和清潔井底的雙重效果(Xi et al.，2021)，但受能量大小限制，在花崗巖地層鉆進(jìn)中效果并不明顯。

復(fù)合沖擊：近年來復(fù)合沖擊工具研究工作取得了很好的成果，該工具可同時(shí)向鉆頭提供軸向垂直和軸向扭轉(zhuǎn)的沖擊波，利用沖擊抵消鉆頭與地層間的粘滑作用，從而提高破巖效果(查青春等，2017;蘇嶄等，2021)。

蓄能式提速工具：蓄能式提速工具對(duì)于非均質(zhì)地層具有較好的效果。在非均質(zhì)地層鉆進(jìn)過程中，對(duì)于局部較硬地層，將扭矩能量?jī)?chǔ)存在蓄能裝置中，再逐步釋放能量，由于應(yīng)用較少，仍待開展深入的研究。

激光破巖提速：美國于20世紀(jì)90年代提出該項(xiàng)技術(shù)，并開展了鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。其破巖效率是旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式的10～100倍(O’Brien et al.，1999)。實(shí)現(xiàn)激光鉆井需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是高功率激光發(fā)生器小型化以及成套的鉆井裝備、工具、工藝方法等，目前仍未達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件(閆靜等，2021)。

從國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用情況來看，螺桿馬達(dá)、渦輪鉆具、蓄能式提速工具、沖擊器、潛孔錘等提速工具及技術(shù)在花崗巖地層鉆進(jìn)提速中效果較好，實(shí)用性更強(qiáng)。然而在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，結(jié)合地層地質(zhì)條件優(yōu)選提速工具、搭配鉆具組合、優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)尤其重要。

3 花崗巖地層提速技術(shù)應(yīng)用

3.1 螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭提速技術(shù)

螺桿馬達(dá)是近年來國內(nèi)外應(yīng)用最廣的井下動(dòng)力鉆具之一。由于其具有良好的硬特性，操作簡(jiǎn)單，近年來在地?zé)徙@探提速中應(yīng)用較為廣泛(李奇龍，2014；景龍等，2015；楊風(fēng)良等，2017；譚現(xiàn)鋒等，2021)。常用的螺桿馬達(dá)按馬達(dá)結(jié)構(gòu)的不同主要有常規(guī)定子、等壁厚定子兩種。其不足在于在高溫條件下定子橡膠的密封性和可靠性大幅下降，定子橡膠在高溫條件的加速老化導(dǎo)致工具的總體工作性能和壽命大幅降低(劉璐等，2020)。隨著高溫鉆探需求的不斷增加，國內(nèi)外的專家和學(xué)者開始探索研究全金屬螺桿馬達(dá)，盡管已經(jīng)取得了一定的成果和突破，但全金屬螺桿馬達(dá)仍然存在效率低、壽命短、成本高等問題，仍需開展更為深入的技術(shù)研究工作(Chatterjee et al.，2014；秦耀軍等，2019；劉璐等，2020)。

就地層適應(yīng)性而言，在軟到中硬地層推薦做法是選用螺桿馬達(dá)配合PDC鉆頭鉆進(jìn)，破巖方式以切削為主。由于PDC復(fù)合片耐沖擊性能相對(duì)較差，鉆遇花崗巖地層時(shí)復(fù)合片在沖擊的作用下先期損毀失效，導(dǎo)致鉆頭壽命極短(孫榮軍等，2018)。牙輪鉆頭破巖以滾動(dòng)壓碎為主，耐沖擊性較好，在堅(jiān)硬花崗巖地層采用螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)提速則更為適用。

此外，就井下鉆具組合搭配而言，螺桿馬達(dá)搭配其它提速工具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)的方式也有應(yīng)用，采用螺桿馬達(dá)搭配扭力沖擊器、液動(dòng)沖擊器等方式對(duì)提高機(jī)械鉆速也有一定的效果(陳新勇等，2020)。

3.1.1 共和干熱巖螺桿復(fù)合鉆進(jìn)應(yīng)用

近年來，青海共和盆地干熱巖資源調(diào)查取得重大進(jìn)展和突破，最高溫度達(dá)236 ℃，開發(fā)及利用潛力巨大(謝文萍等，2020)。該地區(qū)早期勘查鉆探過程中井下事故頻發(fā)，平均單日進(jìn)尺約10 m。為提高鉆探效率，在GR1井三開和四開井段開展了螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，單只鉆頭進(jìn)尺均超過59.7 m，純鉆時(shí)間不小于62.9 h，平均機(jī)械鉆速為1.21 m/h，相比常規(guī)鉆進(jìn)提高約36%(鄭宇軒等，2018；譚現(xiàn)鋒等，2021)。

3.1.2 崇禮地?zé)崧輻U復(fù)合鉆進(jìn)應(yīng)用

張家口崇禮區(qū)覆蓋層通常在20 m左右，覆蓋層以下均為致密二長(zhǎng)花崗巖。ZK01-2井設(shè)計(jì)井深1500 m，為了提高鉆探效率在二開井段采用Φ172 mm螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭進(jìn)行提速鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)定為：鉆壓40～60 kN，鉆頭轉(zhuǎn)速約為150 r/min，鉆井液排量25 L/s，立壓4～5 MPa，應(yīng)用效果如表1所示。

表1 ZK01-2井螺桿鉆具應(yīng)用情況

由表1，螺桿馬達(dá)復(fù)合鉆進(jìn)總進(jìn)尺102.88 m，純鉆時(shí)間合計(jì)69 h，平均機(jī)械鉆速1.49 m/h。與同井上部井段常規(guī)鉆進(jìn)(平均機(jī)械鉆速0.9 m/h)平均機(jī)械鉆速提高分別為162%和25.56%，提速效果較為明顯。

3.2 渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)提速技術(shù)

渦輪鉆具也是依靠提高鉆頭轉(zhuǎn)速來提高鉆頭破巖效率的動(dòng)力鉆具，最早由前蘇聯(lián)學(xué)者研發(fā)并開展應(yīng)用，在應(yīng)用高峰時(shí)期曾占據(jù)了前蘇聯(lián)超過80%的鉆井工作量。為了解決地?zé)岣邷劂@探技術(shù)難題，美國20世紀(jì)70年代末開展了大量的耐高溫渦輪鉆具的研究與應(yīng)用工作，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地?zé)?、油氣等勘探開發(fā)領(lǐng)域。我國的渦輪鉆具研究工作始于20世紀(jì)50年代中期，早期主要借鑒前蘇聯(lián)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，目前主要應(yīng)用在油氣鉆井領(lǐng)域，在地?zé)徙@探領(lǐng)域應(yīng)用較少(馮定等，2020)。

3.2.1 福建漳州干熱I井渦輪取心鉆進(jìn)應(yīng)用

福建漳州干熱I井設(shè)計(jì)井深4000 m，井深200 m至終孔均為二長(zhǎng)花崗巖。2015年7月該井開展了渦輪取心實(shí)鉆試驗(yàn)。試驗(yàn)采用Ф127 mm國產(chǎn)渦輪鉆具搭配152/94 mm金剛石取心鉆頭(翁煒等，2017；Zhang et al.，2018)。

本次試驗(yàn)鉆進(jìn)井深為880 m，鉆進(jìn)過程中鎖住轉(zhuǎn)盤，鉆壓控制在15～30 kN，鉆井液排量14 L/s，立管壓力穩(wěn)定在10～11 MPa。初期鉆進(jìn)速度較快，進(jìn)尺變慢后提鉆，鉆進(jìn)進(jìn)尺2.25 m，鉆進(jìn)時(shí)間為1.75 h，平均機(jī)械鉆速為1.29 m/h，與同井上部井段Ф165螺桿馬達(dá)取心鉆進(jìn)相比提高約30.3%。

鉆具出井后檢查分析認(rèn)為堵心導(dǎo)致鉆速變慢，受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)條件限制，渦輪鉆具性能并未充分發(fā)揮，提速效果仍有提升空間。

3.2.2 美國干熱巖渦輪鉆進(jìn)應(yīng)用

美國最早開始干熱巖資源研究與開發(fā)示范，在高溫花崗巖鉆進(jìn)方面開展了大量的研究與實(shí)踐，具有很好的借鑒意義。其中，最具代表性也是資料最豐富的當(dāng)屬芬頓山干熱巖示范工程。該工程實(shí)施了多口直井定向井，在鉆井過程中為了提高鉆探效率，開展了多次耐高溫渦輪鉆具提速應(yīng)用(Donald et al.，2012)。以EE-2井為例，其鉆井參數(shù)見表2。

表2 EE-2井7 3/4″渦輪鉆具應(yīng)用效果

此外，在EE-3井鉆進(jìn)過程中，Maurer高溫渦輪鉆具表現(xiàn)同樣十分出色，7 3/4″高溫渦輪鉆具在17個(gè)回次的應(yīng)用中成功14次，其中有2次是因?yàn)檩S承故障，另1次是因?yàn)榭s徑卡鉆導(dǎo)致鉆具制動(dòng)。在定向井中，應(yīng)用5 3/8″高溫渦輪鉆具開展了8次導(dǎo)向鉆進(jìn)，均取得了成功。

3.2.3 油氣井堅(jiān)硬致密、研磨性強(qiáng)渦輪鉆進(jìn)應(yīng)用

國內(nèi)地?zé)徙@探工程中渦輪鉆具的應(yīng)用仍處于起步階段。盡管在油氣井中花崗巖鉆遇率較低，但同樣會(huì)鉆遇堅(jiān)硬致密、研磨性強(qiáng)的難鉆進(jìn)地層，在這些可鉆性較差的地層鉆進(jìn)提速過程中渦輪鉆具仍然是一項(xiàng)有效的解決方案。以下案例雖不是在花崗巖地層鉆進(jìn)，但同樣是針對(duì)高強(qiáng)度、強(qiáng)研磨地層提速鉆進(jìn)，具有較大參考價(jià)值。

由圖3可知，在30～40℃時(shí)，隨著浸提溫度的升高，浸提液中刺葡萄皮花青素的OD值上升；40℃時(shí)浸提液中刺葡萄皮花青素的OD值達(dá)到最大；50～70℃時(shí)，花青素的浸提量比在40℃條件下浸提量變小。因此，選擇40℃作為刺葡萄皮花青素的浸提溫度。

2013年，中石化在川西須家河組深部致密、強(qiáng)研磨砂巖地層應(yīng)用高速渦輪鉆具開展了提速試驗(yàn)，取得了較好效果。試驗(yàn)采用史密斯尼爾福4-3/4″T1XL MK2渦輪鉆具，工作轉(zhuǎn)速范圍700～1400 r/min；搭配鉆頭選用史密斯K507/ K503/ K705三個(gè)型號(hào)的孕鑲金剛石鉆頭。應(yīng)用渦輪鉆具搭配上述三個(gè)型號(hào)孕鑲金剛石鉆頭共鉆進(jìn)6個(gè)回次，平均單只鉆頭進(jìn)尺為224.08 m，平均機(jī)械鉆速為2.02 m/h，較臨井提高約117%(秦曉慶等，2013)。

2018～2020年，哈薩克斯坦針對(duì)致密、強(qiáng)研磨地層開展了多次渦輪鉆進(jìn)提速應(yīng)用，其中肯基亞克油田采用渦輪鉆具配合孕鑲金剛石鉆頭試驗(yàn)應(yīng)用三口井，平均機(jī)械鉆速1.79 m/h，相比區(qū)域內(nèi)其它鉆井提高約為108.14%，充分驗(yàn)證了高速渦輪鉆具搭配孕鑲金剛石鉆頭對(duì)高強(qiáng)度、強(qiáng)研磨地層的適用性(陳濤等，2020)。

3.3 液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)提速技術(shù)

液動(dòng)沖擊器在高壓鉆井液的作用下能夠產(chǎn)生高頻振動(dòng)與沖擊，可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)與沖擊共同作用破碎巖石(Homuth et al.，2016；索忠偉，2019a)。液動(dòng)沖擊器技術(shù)相對(duì)成熟，可分為無閥和有閥兩大類，每一類又包含多種不同類型(甘心，2021)。此外，近年來國內(nèi)外均開展了扭轉(zhuǎn)沖擊器、復(fù)合沖擊工具的研究與應(yīng)用工作，在油氣井鉆進(jìn)過程中搭配PDC鉆頭提速應(yīng)用取得了一定的效果(查青春等，2017；蘇嶄，2021)。本文結(jié)合鉆井應(yīng)用實(shí)際，以射流式?jīng)_擊器為例進(jìn)行介紹。射流式?jīng)_擊器通過射流元件形成交替變化的高壓射流，推動(dòng)活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為鉆頭提供高頻沖擊能量，以起到破巖提速作用。射流式液動(dòng)沖擊器相較其它提速工具的特點(diǎn)是在任何工況下不影響鉆井液循環(huán)，達(dá)到工作壽命或無法正常沖擊工作均不需單獨(dú)起鉆，可以繼續(xù)正常鉆進(jìn)(索忠偉，2019b；尹慧博等，2020)。

崇禮ZK01-2井地層主要為二長(zhǎng)花崗巖，硬度高，耐磨性強(qiáng)。針對(duì)此地層特點(diǎn)，為提高地?zé)峋◢弾r硬巖地層鉆井效率，現(xiàn)場(chǎng)采用Φ172 mm射流式液動(dòng)沖擊器配合Φ215.9 mm牙輪鉆頭進(jìn)行提速鉆進(jìn)。本次采用的射流式?jīng)_擊器設(shè)有防空打機(jī)構(gòu)，鉆井液循環(huán)時(shí)，鉆頭承壓后沖擊器自動(dòng)工作，不承壓則停止工作。

入井前，首先在井口測(cè)試沖擊器的性能參數(shù)，穩(wěn)定后入井作業(yè)，如圖1所示。鉆進(jìn)過程中，鉆壓控制在100～130 kN，轉(zhuǎn)速為45～60 r/min，鉆井液排量為25 L/s，立壓4～5 MPa。沖擊器鉆進(jìn)井段為821.67～905.17 m，由于地層發(fā)生嚴(yán)重漏失被迫起鉆，鉆進(jìn)總進(jìn)尺為83.5 m，純鉆時(shí)間77.9 h，平均機(jī)械鉆速1.1 m/h。

圖1 液動(dòng)沖擊器井口性能測(cè)試

射流沖擊器在提速應(yīng)用過程中工作穩(wěn)定，起鉆后井口測(cè)試沖擊器工作正常，牙輪鉆頭磨損均勻，無崩尺、掉齒現(xiàn)象，如圖2所示。該井上部758.68～819.67 m井段轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)牙輪鉆頭鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速0.82 m/h，應(yīng)用射流式?jīng)_擊器機(jī)械鉆速約提高30.7%，單只鉆頭進(jìn)尺增加約36.9%。相對(duì)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，射流式?jīng)_擊器鉆進(jìn)總體提速效果較為明顯，但與同井螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)效果(1.49 m/h)仍存一定差距。

3.4 氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)提速技術(shù)

氣動(dòng)潛孔錘作為鉆進(jìn)提速工具，主要應(yīng)用于含水量較少或不含水的硬巖地層鉆進(jìn)，相較于傳統(tǒng)提速工具其具有施工速度快、鉆孔效率高等優(yōu)點(diǎn)，在地?zé)徙@探領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛(魏俊，2019)。氣動(dòng)潛孔鉆進(jìn)工藝以空氣作為動(dòng)力介質(zhì)，工作所需鉆壓和扭矩相對(duì)較小，對(duì)設(shè)備的承載能力要求較低，環(huán)保無污染，在地?zé)徙@探領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久(許劉萬等，2016)。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效率的高低，受空壓機(jī)容量、沖擊器質(zhì)量、鉆頭性能及鉆進(jìn)工藝參數(shù)等綜合影響，鉆遇地層出水量大小是制約該工藝能否使用的最大影響因素(Bu et al.，2009)。此外，由于氣動(dòng)潛孔錘在作業(yè)過程中轉(zhuǎn)速與鉆壓較低，與井壁的接觸機(jī)率較小，可有效防止井斜、保證井眼質(zhì)量(宋軍等，2013)。

崇禮ZK01-1井地層主要為二長(zhǎng)花崗巖，巖石硬度高、耐磨性強(qiáng)，為了提高鉆進(jìn)效率，現(xiàn)場(chǎng)采用了氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用SPM112A-311型潛孔錘頭搭配SPM112A沖擊器進(jìn)行空氣鉆進(jìn)，采用兩臺(tái)并聯(lián)螺桿式空壓機(jī)作為氣源。鉆具入井前首先在井口進(jìn)行試壓，如圖3所示。鉆進(jìn)過程中，鉆壓控制在10～20 kN，轉(zhuǎn)速設(shè)置在20～25 r/min，空壓機(jī)排量為74 m3/min，立壓2.5 MPa。試驗(yàn)鉆進(jìn)井段為9.6～274.6 m，總進(jìn)尺265 m，純鉆時(shí)間49.1 h，最大機(jī)械鉆速20 m/h，平均機(jī)械鉆速4.8 m/h。在265 m處鉆遇涌水層，鑒于出水量較大已不具備空氣鉆進(jìn)條件，提鉆結(jié)束試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝較常規(guī)鉆進(jìn)平均機(jī)械鉆速提高約480%，鉆進(jìn)效率提高十分明顯。鉆進(jìn)過程中由于鉆遇地層出水量較大，導(dǎo)致氣動(dòng)潛孔錘無法正常使用，被迫終止鉆進(jìn)。

3.5 蓄能式提速工具及應(yīng)用

蓄能式提速工具是近年來新出現(xiàn)的一種提速鉆進(jìn)工具，其采用彈簧原理通過井底破巖能量的自動(dòng)存儲(chǔ)與釋放，平抑鉆壓、鉆頭扭矩與鉆頭轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)的波動(dòng)，減輕對(duì)上部鉆柱和鉆頭的擾動(dòng)破壞，為鉆頭提供平穩(wěn)工況環(huán)境。該工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要附加鉆井液能量驅(qū)動(dòng)，不受鉆井液密度、排量、大顆粒堵漏材料等影響，與常規(guī)鉆進(jìn)相比較，儲(chǔ)能式鉆井工具在鉆進(jìn)時(shí)扭矩更為平穩(wěn)，對(duì)軟硬互層、破碎等復(fù)雜地層更具適應(yīng)性。

張家口崇禮地區(qū)ZK01-2井鉆遇地層為大段花崗巖，地層破碎、漏失嚴(yán)重，鉆進(jìn)過程中頻繁憋跳，扭矩波動(dòng)較大。鉆探現(xiàn)場(chǎng)采用Φ178 mm蓄能式?jīng)_擊器配合Φ215.9 mm KS1652PDC鉆頭進(jìn)行了提速鉆進(jìn)試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，工作轉(zhuǎn)速為30～60 r/min，鉆壓為80～90kN，鉆井液排量為25 L/s，立壓2～3 MPa。鉆進(jìn)井段為666.1～685.1 m，總進(jìn)尺19 m，純鉆14 h，平均機(jī)械鉆速1.36 m/h。

出井后PDC鉆頭6個(gè)切削齒崩壞，如圖4所示。其中刀翼冠部5個(gè)PDC復(fù)合片環(huán)槽失效，錐形面、肩部和保徑基本完好，從獲取的崩齒碎片來看，判斷為地面組配下鉆磕碰、鉆頭受力不均或井底掉塊造成個(gè)別PDC齒早期破碎、鉆頭先期損傷，在后續(xù)的鉆進(jìn)中加速破壞。蓄能式提速工具鉆進(jìn)過程中扭矩波動(dòng)較平穩(wěn)，有效地減弱和減小了鉆進(jìn)過程的憋卡、跳鉆等現(xiàn)象，機(jī)械鉆速較轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)牙輪鉆頭鉆進(jìn)(0.82 m/h)提高了36%。該方法為同類地層鉆井提速提供了一種可選技術(shù)手段，但在鉆具搭配和應(yīng)用工藝方面仍需開展深入研究。

圖4 出井后PDC鉆頭照片

4 結(jié)論與建議

提高機(jī)械鉆速是提高鉆探效率降低鉆探成本最直接有效的方法，近年來各種提速工具和工藝層出不窮。隨著地?zé)徙@探工程花崗巖鉆遇率的不斷提高，開展花崗巖地層鉆進(jìn)提速技術(shù)及應(yīng)用研究對(duì)促進(jìn)地?zé)豳Y源開發(fā)利用具有重要意義。對(duì)于常規(guī)地?zé)峋@探工程尤其是勘探井，螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)工藝及配套工具最為成熟，適應(yīng)地層更為廣泛，且初次投入成本相對(duì)較低。但在提速方法的選擇方面仍需密切結(jié)合地層條件和設(shè)備配套情況，同時(shí)針對(duì)不同的提速工具優(yōu)選鉆具組合、合理優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，以保證提速效果、井眼質(zhì)量和井下安全。

(1)不含水或出水量較小的花崗巖地層，宜采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)提速技術(shù)。在眾多提速技術(shù)中，氣動(dòng)潛孔錘提速效果最為明顯，但一旦地層出水量過大，則無法建立連續(xù)穩(wěn)定的空氣循環(huán)，導(dǎo)致井下巖屑無法及時(shí)排出，鉆速下降且極易發(fā)生井下復(fù)雜情況。在應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)地層的硬度及研磨性優(yōu)選潛孔錘錘頭，當(dāng)?shù)貙佑捕炔桓摺⒀心バ暂^弱時(shí)采用攻擊性較強(qiáng)的錘頭可大幅提高機(jī)械鉆速；對(duì)于硬度高、研磨性強(qiáng)的地層，宜采用加強(qiáng)保徑、加密布齒的錘頭，提高鉆頭的抗沖擊能力和整體壽命，防止發(fā)生斷齒、掉齒以及縮徑問題。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)深度取決于空壓機(jī)氣量與壓力級(jí)別，隨著孔深的增加，當(dāng)現(xiàn)有空氣壓縮機(jī)不能滿足孔深需求時(shí)可選配增壓機(jī)，以提高鉆深能力。此外，氣動(dòng)潛孔錘鉆井需單獨(dú)配套高壓大排量空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)、氣動(dòng)潛孔錘、井口裝置、氣路管線等，初次投入成本相對(duì)較高，在選用過程中應(yīng)綜合考慮應(yīng)用地層厚度、提速效果、綜合成本等多方面因素。

(2)溫度小于150 ℃的花崗巖地層，宜采用螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭鉆進(jìn)提速技術(shù)，也可采用螺桿馬達(dá)、液動(dòng)沖擊器、牙輪鉆頭三者組合的方式進(jìn)行提速應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，螺桿馬達(dá)的耐溫能力不斷提高，但隨著溫度升高螺桿馬達(dá)的壽命和穩(wěn)定性均會(huì)明顯下降。在應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)地層的硬度及研磨性優(yōu)選牙輪鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)，當(dāng)?shù)貙佑捕炔桓?、研磨性較弱時(shí)，可采用攻擊性較強(qiáng)的517系列牙輪鉆頭，同時(shí)適當(dāng)提高鉆頭轉(zhuǎn)速可獲得較好的提速效果；對(duì)于硬度高、研磨性強(qiáng)的地層，宜采用加強(qiáng)保徑、加密布齒、齒形相對(duì)較小的617系列以上的牙輪鉆頭，并適當(dāng)提高鉆壓、降低轉(zhuǎn)速，防止鉆頭發(fā)生崩尺、過度磨損等問題。

(3)溫度高于150 ℃或硬度高、研磨性強(qiáng)的花崗巖地層，宜采用渦輪鉆具復(fù)合鉆進(jìn)提速。溫度較高的地層通常埋深較深，隨著溫度升高螺桿馬達(dá)壽命逐漸下降，頻繁起下鉆導(dǎo)致鉆進(jìn)效率大幅降低，同時(shí)易發(fā)生井下復(fù)雜；隨著地層硬度升高、研磨性增強(qiáng)，鉆頭吃入或壓碎地層愈加困難，牙輪鉆頭壽命及破巖效率也將大幅下降，螺桿馬達(dá)配合牙輪鉆頭的優(yōu)勢(shì)不再明顯。在上述兩種情況下，須同時(shí)考慮鉆具組合總體工作壽命和破巖效率。渦輪鉆具具有耐高溫、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，孕鑲金剛石鉆頭破巖以磨削為主，工作壽命長(zhǎng)，在高溫、堅(jiān)硬、研磨性較強(qiáng)的地層可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。此外，渦輪鉆具通常壓降較高，在使用過程中應(yīng)須充分考慮泥漿泵和高壓管匯的耐壓能力，同時(shí)在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)密切關(guān)注各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

由于地質(zhì)條件千差萬別，且每種鉆井提速技術(shù)都有其適用性和局限性，在提速技術(shù)選擇和應(yīng)用過程中應(yīng)具體問題具體分析，并及時(shí)根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

同時(shí)，當(dāng)前的各種提速技術(shù)及工具仍存在進(jìn)一步發(fā)展和提高空間，仍需進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)投入，提高穩(wěn)定性、拓寬適用性。其中，全金屬螺桿鉆具目前仍不成熟，其關(guān)鍵難點(diǎn)是如何解決密封性和工作壽命的問題；渦輪鉆具工作特性偏軟，減速器渦輪鉆具則可大幅提高渦輪鉆具的輸出扭矩，但減速器的耐溫性能和工作壽命仍有待提高；液動(dòng)沖擊器種類眾多，但仍存在壽命偏短的問題；蓄能式提速工具配合PDC鉆頭在花崗巖地層提速應(yīng)用中也取得了一定的效果，但PDC鉆頭的抗沖擊能力仍是制約其應(yīng)用的一大弱點(diǎn)。此外，除激光破巖鉆井外，還有等離子體鉆井、高壓脈沖放電鉆井、毫米波鉆井、水熱剝離鉆井等前沿鉆井技術(shù)，但大多處于理論與試驗(yàn)研究階段，其提速經(jīng)濟(jì)效益與對(duì)花崗巖地層的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步開展深入研究。