大口径回转钻井之基岩取心钻进
一、钻进方式与适用范围
1.钻进方式：钻具是筒形的，常用钻粒钻进，厚壁钻头上开有水口，供以拖动钻粒进行克取岩石，也有装合金刃块或破岩滚刀的，后者刀具复杂造价高。
通过钻头克取岩石，逐渐钻出环状槽，中间留有岩心柱，当岩心钻满筒式钻具时，提钻断取岩心，清理井底，再进行下一个回次如此反复进行使钻井延伸。
其特点是，破岩体积小，即破岩量少，如直径1米取心钻进的破岩量，仅为全断面钻井破岩量的14%，所用耗功少，效率高，因而机具重量也小，成本低，是一种较简单而经济的钻井方法。
2.适用范围：由于是局部断面破岩，通过取出岩心成井；所以只适用于基岩钻井。
另外能取出岩心柱，可以得到真实的材料，还可以取样试验，对岩心进行编录拍照，如岩石层面的形状，断面、裂隙、夹层等。
唯常常因取心难度大，故多用于40米以内，井径不大于1.5米的勘探井。
二、钻具
1.结构：取心钻具由钻头，岩心管，沉淀管，变径接头，圆钻杆组成。
由于选用破岩方式不同，可分为钻粒钻头，合金钻头及滚刀钻头。
常用为钻粒钻头，这是由于它既可钻硬岩，又可钻软岩，克取岩屑非常细小易于冲进沉淀管中，还有造价低，钻具结构简单。
2.钻粒：钻粒有铁砂、钢砂、钢粒，必要时还可混入硬质合金。
由于钢粒具有较高的强度，又有棱角，钻进中效率高耗量低，所以较受欢迎。如购置困难，也可选用铸钢钻粒，只有在极坚硬的岩石中，如隧石或石英岩，才混入部分硬质合金，以加强破岩效果。
钻粒直径以5毫米以上为好，这样不仅强度高，还由于粒径大钻出钻头壁内外间隙也大，故可防止卡钻。
钻粒的投入量及投入方式，与岩石性质的所选钻粒品种有关，一般情况下，是通过实验来决定。初到一个地区先试投50公斤（指1.2米直径的钻头），观测其效果，选出最优投入量和投入方式。
三、钻进技术参数
钻粒钻进技术性较高，涉及的技术参数有钻压，转数，冲洗液量，水口有效面积、形状、水口流速，投砂量及投入方式等。
1.钻压：指传递到井底的压力，以钻头底板单位有效面积的压力值来表示。
而在大口径钻粒钻进中，由于钻头底面积大（钻头壁厚在60毫米左右），拖砂能力强，再加上有较高的线速度，故可以用较小的钻压，取得好的钻进效果，常用钻压见表1。加压方式以钻具自重来实现，为了使钻井垂直，应坚持减压钻进法。
基岩取心钻进不同岩石实用钻压 表1
|
岩石名称 |
岩石可钻性级别 |
说明 |
|
|
粘土岩 |
4~5 |
2~3 |
岩石级别按十二级制 |
|
灰岩 |
5~6 |
3~4 |
|
|
石英砂岩 |
7 |
4~4.5 |
|
|
石英岩 |
7~8 |
4.5~7 |
|
|
花岗岩 |
8~9 |
8~10 |
因而粗径钻具的总重量应包括，井底实需压力，水对钻具的浮力约为钻具重量的20%以及减压钻进的悬吊重量，一般为钻具重量的30~50%。
若井浅，同时对井斜精度要求不高时，也可以用踩地面加压，由滑车组成滑车组，在水龙头两侧加上滑轮，用付卷机钢丝绳作为加重的力，实现地面加压，唯这种方法极易造成井斜。
2.转数：以钻头线速度来表示每秒若干米，通常小口径钻探选用线速在0.3~1.4米/秒，这个范围内。
而大口径钻粒钻进时，由于钻具重，钻头底唇厚，旋转起来不至因离心力而使钻粒挤向井壁，故线速度可以增高。实用线速度在2.4~3.5米/秒之间，能取得较好的钻进效果。
上述两项参数，都与常规小口径钻进技术参数差异很大，这就是大直径钻粒钻进，底压高线速的特征。
3.冲洗液：冲洗液在钻粒钻进中，是一项较重要的技术参数它冷却钻头，上冲岩粉，还要在水口处浮动分选钻粒使之有效的克取岩石。
由于在稳定的基岩中钻进，以水作为冲洗介质。可以循环使用。
洗井方法，采用正循环法。
在冲洗井上浮岩粉方面，常规小口径钻进时，钻孔上返流速要达0.3米/秒，才能将岩粉冲至地面，将细微的铁砂屑冲进沉淀管。而在大口径钻粒钻进中，由于井筒截面积大，若造成0.3米/秒的上返流速，直径960毫米井，每小时需冲洗液量700~800立方米，实在无法满足。
故在尽可能加大冲洗液量的前提下，将粗径钻具与井壁环状间隙上升流速达每秒0.3米，这样可将岩粉冲进沉淀管中，而大的岩屑及钻粒屑只有待取岩心后清除了。
4.钻头水口：钻粒钻头的水口，是拖动钻粒进行破岩，而水口形状直接影响到拖动钻粒的效果，其次冲洗液通过水口对钻粒进行浮动分选，大颗粒的留在下部克岩，小颗粒的或是钻粒屑被水口处的液流浮动起来，第三作用水口多了，则钻头有效面积就应减小，提高了钻头唇部单位面积钻压。
但水口流速过小，则钻屑浮不起来，水口流速过大，则将可工作的钻粒冲离井底液对破岩不利。
实践中找出较优的水口流速为0.16~0.18米/秒，这与常规小口径钻进中的参数是接近的。
水口尺寸如图1所示，宽度和形状影响到拖砂能力，水口高度视所钻岩石而定，原则上是能够满足一个回次的磨损量为准，即回次中间不修水口，而回次终了提钻时，在地面用氧气切割修正。
图1 钻粒钻头标准水口形状
水口的个数，与钻头直径有关，但更重要的是与冲洗液量有直接的关系。冲洗液量供应能力强，则水口可以开多一些，如冲洗量少，则适当控制水口个数，实际个数与水口总面积是一致的。在冲洗液量已确定的前提下，用水口总面积来平衡水口流速，而液量要满足粗径钻具与井壁环状间隙上升流速不低于每秒0.3米。
用下式求出水口个数：
先求出冲洗液量
式中：
V——环状间隙上升流速 米/秒取0.25~0.3米/秒
水口个数按下式计算：
式中：
n——水口个数 个
冲洗液量：
Q=FV60
=0.0596x0.25x60
水口个数：
=3.7个（即选4个）
总之，钻粒钻进各项技术参数，是互相影响的，而且关系密切不同其他钻进方法，故需边实践，边改进；以便取得较优参数和好的钻进效果。
四、断取岩心
常规小口径钻井时，岩心是通过投卡料扭断，提断环进行断取，断后由钻具将岩心带至地面，然后从钻具中取出。
而大口径取心钻进的岩心直径大，扭断是无法实现的，因为与常规小口径钻进岩心面积大百倍甚至数百倍。
曾做过多种途径的试验，最后找到了极其简单易行的斜断法，从而打开了大口径岩心钻进的大门。
1.断岩心
目前国内外有以下几种断取岩心的方法：
（1）钢丝绳割断法：以苏联钻井机TM型为代表的井下动力钻井机，它在钻头内侧芷有锒有合金块的钢丝绳，当回次终了钻具反向旋转，这时钢丝绳逐渐收紧，同时合金块切割岩心，当接近折断时上提，这样达到断取目的。
唯这种钻机还是样机，1954年曾在武汉长江大桥试用，因效果不佳而中止，另外，这种钻机是合金钻进只能钻软岩使用范围受到限制。
（2）滚刀切割法：与上法相似。钻具底部装3~4个臂，臂的前端装有滚刀，钻具正转时，臂芷在钻头体内，回次终了时，钻具反转，几个臂逐渐向中心移动将岩心切断。这种方法不仅结构复杂，同时也不能钻硬岩。
（3）拉断法：回次终了时，投入卡料将岩心卡住，然后利用钻机液压系统向上顶钻具，岩心受张力而断，这种方法适合较小直径的岩心。
（4）楔断法：是在岩心与井壁环状间隙中，放置一钢楔用落锤作用打击钢楔，使岩心顶部受一推力。而岩心底部受张力，由于岩石抗张强度低，又加上在岩心顶部作用力，类似一悬臂梁，根部受力最大，所以都能从根部断开，图1所示。楔断器是尖部呈10~20度角的钢楔，通过穿心舵向下打击而实现楔断，结构图2所示。
图1 楔断法取心
图2 岩心楔断器结构
（5）顶断法：与上述楔断法作用是相同的，只不过在岩心顶部产生的推力由楔改为顶。顶的工具有液压缸或炸药，不过炸药用后有副作用，一般多用液压法，只有在岩心过短时，才使用爆炸法。
用楔断或顶断法，是非常有效的，岩心越长就约容易折断，通常长2米以上的岩心，只要数锤就可以击断。
唯岩粉与沉淀影响断心，所以每回次提钻前都要冲洗钻井，使环状间隙无或最少沉淀物。
2.取岩心：取心方法也有多种，国外多用专门的提取器，回次终了后下入取心器，将岩心切断，然后利用液压装置，将岩心夹紧取至地面，也有利用钻具、切取一次完成。即钻具将岩心切断后随钻具带至地面。
简易的方法，是利用钢丝绳套，下入井内先将岩心套紧，再进行楔断，断后即将岩心带至地面。唯这种方法，只限于地下水位可排降的地层，因为套捆要靠人员下井进行。
五、钻井实例
某水利枢纽，为查明岩层中的软弱夹层及其他不利因素，进行了三口勘探井的钻进。
三口井总井尺量为79.73米，其中覆盖层砂卵石11.18米，单井深30米，共用59个工作日，日平均钻进1.35米。
除进行枢纽勘探外，本次施钻还负有完善取心钻井工艺，和对一些技术问题进行试验，探讨的目的。
1.地层情况：河床覆盖层，为砂卵石层，最大卵石粒径10~50厘米，中间夹5~7米厚的砂层。
基岩为粘土层，砂岩，前者可钻性为3~4级，后者可钻性为5~7级裂隙发育，涌水量为200升/分左右。
2.钻井结构：河床上两口井，通过覆盖层下入直径1240毫米，护壁套管。基岩部分通过破碎带后下入直径1110毫米管，并用水泥砂浆封管脚止水，一般下入10米左右。
3.钻进方法：覆盖层用CZ——30型钢绳冲击钻机，十字型直径1300毫米，重3500公斤的冲击钻头，泥浆固壁钻井。
基岩采用取心钻井法，钻粒钻进，开井用直径1160毫米钻头终井用直径960毫米钻头。
钻机为改装后的，红星一300型水井钻机，改装主要部位是转盘可以移动，以便通过粗径钻具，配有泥浆泵，正循环洗井。
4.钻进技术参数：
（1）转速：采用每分钟40转
钻头直径1160毫米线速度2.48米/秒；
钻头直径960毫米线速2米/秒。
（2）钻压：钻头唇部有效面积单位压力
（3）钻粒：铁砂，粒径3~4毫米
一次投砂法，回次进尺2~2.5米；
钻头直径为960毫米时，投砂量
粘土岩：20~30公斤/回次
砂岩：55~60公斤/回次
（4）钻井冲洗
方法：正循环洗井
介质：清水
冲洗液量
砂岩：450~550升/分
粘土岩：400~500升/分
回次终了，用全泵量每分钟900升进行冲洗沉淀，由于冲洗液上返流速低，沉淀无法全部排除，取心后下井清理，粗径钻具与井壁间隙上返流速为0.2~0.3米/秒，水口较优流速为0.16~0.17米/秒。
回次高效率所选用参数见表1。
功效高的回次实用钻进技术参数实测记录表 表1
|
井深 （米） |
岩石 名称 |
小时进尺（米） |
钻压 |
冲洗液量L/min |
水口流速 米/秒 |
单位砂量 |
耗功率KW |
说明 |
|
11.16 |
粘土岩 |
2.00 |
4.51 |
450 |
0.14 |
24 |
20 |
|
|
28.20 |
砂岩 |
1.32 |
5.22 |
420 |
0.21 |
51 |
20 |
（5）对环状间隙的实测与分析：环状间隙，直接影响到能否正常钻井，间隙过大，破岩量大钻进效率低，加大材料消耗。同时在同样冲洗液量的条件下，冲洗液上返流速低，降低洗井效果，环状间隙过小，易于卡钻，钻进阻力大，所以进行了环状间隙的研究与分析。
环状间隙，在钻进时有两个，即钻头外与井壁的间隙，另一个是钻头内与岩心间的环状间隙，表2为实测环状间隙的数据。
实测环状间隙及钻头壁厚对间隙的影响 表2
|
岩石 名称 |
钻头外与井壁间 |
钻头内与岩心间 |
钻头壁厚与间隙关系 |
||||||
|
井径 |
钻头外径 |
间隙 |
钻头内径 |
岩心 直径 |
间隙 |
环状 间隙 |
钻头 壁厚 |
回到顶部
|
|
