王三牛，王 聰，劉 瑋，楊引娥

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000;2.貴州省地礦局102地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563003)

科學(xué)深鉆擴(kuò)孔鉆頭及鉆進(jìn)技術(shù)研究

王三牛1，王 聰2，劉 瑋1，楊引娥1

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊 065000;2.貴州省地礦局102地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563003)

闡述了科學(xué)深鉆擴(kuò)孔鉆進(jìn)的必要性，重點(diǎn)探討了科學(xué)深鉆的擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝技術(shù)及其所用擴(kuò)孔鉆頭、鉆具的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出了超萬(wàn)米深孔科學(xué)鉆探擴(kuò)孔鉆進(jìn)的工藝及鉆頭、鉆具的設(shè)計(jì)。

科學(xué)鉆探;深鉆;擴(kuò)孔鉆進(jìn);擴(kuò)孔鉆頭;擴(kuò)孔鉆具;超萬(wàn)米深孔

0 引言

科學(xué)鉆探是以地學(xué)研究為目的而實(shí)施的鉆探，通過科學(xué)鉆探的方法對(duì)地殼巖石圈、生物圈、水圈(含地下流體)的組織結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分、形成機(jī)理等進(jìn)行各類研究。大陸科學(xué)鉆探通過提高對(duì)深部地質(zhì)的研究，進(jìn)而可以解決人類面臨的資源(如油氣、固體礦產(chǎn)、地?zé)?、災(zāi)害(如地震)以及環(huán)境等問題。我國(guó)從20世紀(jì)90年代末開始進(jìn)行科學(xué)鉆探研究，位于江蘇東海的第一口科學(xué)鉆探井——中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井(CCSD－1)于2001年6月開始鉆探，2005年4月順利結(jié)束;位于四川汶川的汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程目前正在施工中;深度達(dá)13000 m的科學(xué)超深井前期研究工作也已全面展開。

在科學(xué)深井成孔工藝方面，我國(guó)鉆探界總結(jié)了一套完整的施工方案，即小鉆取心，大鉆擴(kuò)孔成井工藝，這種工藝既能提高鉆進(jìn)效率又能節(jié)省鉆井成本。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，科學(xué)深鉆施工均需要下入多層套管，以保證深部鉆孔的順利實(shí)施，因此就提出了對(duì)擴(kuò)孔鉆進(jìn)的需求。中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程CCSD－1井孔深5158 m，設(shè)計(jì)下套管4層(不含孔口管);德國(guó)KTB科學(xué)深鉆孔深9101 m，下套管6層;目前已展開前期研究工作的13000 m超深井，有關(guān)專家則提出需要下套管6～7層，據(jù)此可以看出超深孔鉆探擴(kuò)孔鉆進(jìn)工作的重要性。

1 中國(guó)大陸科學(xué)鉆探(CCSD)科鉆一井(CCSD－1)擴(kuò)孔鉆進(jìn)

在確定鉆孔施工方案中，根據(jù)地質(zhì)狀況及工程技術(shù)要求，對(duì)孔段101～2000及2000～4000 m分別進(jìn)行157/311和157/244.5 mm擴(kuò)孔鉆進(jìn)。由于石油鉆井中很少采用擴(kuò)孔鉆進(jìn)方法，國(guó)內(nèi)外很少有深井用的擴(kuò)孔鉆頭可供選擇。況且，CCSD－1大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目是在結(jié)晶巖地層(主要是榴輝巖和片麻巖)中鉆進(jìn)，巖石可鉆性多數(shù)在8～9級(jí)，少數(shù)孔段達(dá)到10～11級(jí)，地層非常堅(jiān)硬，擴(kuò)孔鉆進(jìn)的難度很大。

為了滿足中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程的急需，我們?cè)诳偨Y(jié)過去多年各種類型的擴(kuò)孔鉆頭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)這么堅(jiān)硬的巖石擴(kuò)孔，結(jié)合石油轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)特點(diǎn)，選用牙輪鉆頭作為碎巖刀具，專門設(shè)計(jì)了KZ型CCSD專用牙輪擴(kuò)孔鉆頭(157/311和157/ 244.5 mm)，為該重大工程的擴(kuò)孔鉆進(jìn)工作的順利實(shí)施提供了技術(shù)支撐。

1.1 CCSD－1井?dāng)U孔施工的井身結(jié)構(gòu)(見圖1)

圖1 科鉆一井的擴(kuò)孔井身結(jié)構(gòu)

鉆頭外徑311、244.5 mm，鉆頭導(dǎo)向直徑150 mm，鉆頭導(dǎo)向長(zhǎng)度250 mm。

在正常鉆進(jìn)情況下，鉆頭平均壽命60 h;根據(jù)鉆進(jìn)地層不同，鉆進(jìn)時(shí)效達(dá)到0.5～1.5 m。

1.2.2 KZ型CCSD擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)特點(diǎn)

圖2 KZ157/311型擴(kuò)孔鉆頭(帶前導(dǎo)鉆頭)

圖3 KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭

(1)鑲齒牙輪作為碎巖刀具為取得好的擴(kuò)孔鉆進(jìn)效果，擴(kuò)孔鉆頭必須有優(yōu)異的嵌巖切削具。與其它類型的切削具相比，牙輪鉆頭在技術(shù)上比較成熟，牙輪軸承帶有壓力平衡潤(rùn)滑系統(tǒng)，適用于深井硬巖鉆進(jìn);牙輪硬質(zhì)合金齒以滾動(dòng)沖擊、壓入、剪切方式破碎巖石，與其它類型切削具相比壽命長(zhǎng)，時(shí)效高;牙輪軸承密封采用金屬浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)異，適用于線速度較高的鉆進(jìn);KZ型CCSD專用擴(kuò)孔鉆頭以216優(yōu)質(zhì)鑲齒牙輪為切削具，鉆頭型號(hào)為IADC537、617、637，適用于在結(jié)晶變質(zhì)巖中鉆進(jìn)。

(2)鉆頭采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖4)，鉆頭體、保徑扶正、超前導(dǎo)向融為一體;鉆頭主體材料選用特種鋼20CrNiMo整體鍛造，經(jīng)熱處理而成，強(qiáng)度高，可焊性好，保證鉆頭安全可靠。

圖4 KZ型CCSD擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)

(3)導(dǎo)向長(zhǎng)度250 mm，導(dǎo)向部分鑲硬質(zhì)合金，導(dǎo)正和耐磨性好。

(4)兩種擴(kuò)孔鉆頭的大徑扶正處直徑分別為310和244 mm，扶正體表面鑲保徑硬質(zhì)合金，具有很高的耐磨性，可有效防止因鉆頭牙輪外徑磨損而導(dǎo)致縮孔。

(5)鉆頭液流通道采用四水眼設(shè)計(jì)，每個(gè)牙輪均勻分配沖洗液，保證牙輪冷卻及孔底清潔需要;同時(shí)前導(dǎo)向體水口排出的液流形成一定的上返流速，防止鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)破碎的巖渣沉入導(dǎo)孔，造成擴(kuò)孔后期清孔的困難。

1.2.3 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

1.2.3.1 鉆壓

擴(kuò)孔牙輪鉆頭在鉆進(jìn)中鉆壓要小于同規(guī)格三牙輪鉆頭。擴(kuò)孔鉆頭受力狀況劣于整體三牙輪鉆頭，而且擴(kuò)孔鉆頭因?yàn)閷?dǎo)向體的存在形成雙約束體，較三牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)震動(dòng)大，易產(chǎn)生跳鉆、憋鉆現(xiàn)象，對(duì)鉆頭的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響;另外，擴(kuò)孔鉆頭牙輪相對(duì)較小，類似于小馬拉大車，過高的鉆壓會(huì)使牙輪軸承過早損壞。推薦擴(kuò)孔鉆進(jìn)鉆壓范圍0.25～0.65 kN/mm(擴(kuò)孔部分直徑)。

KZ157/311型擴(kuò)孔鉆頭鉆壓范圍38.5～100 kN，KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭鉆壓范圍25～60 kN，實(shí)際鉆壓根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)地層具體情況進(jìn)行調(diào)整。

1.2.3.2 轉(zhuǎn)速

擴(kuò)孔鉆頭的轉(zhuǎn)速小于同規(guī)格三牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)速。鉆頭轉(zhuǎn)速主要取決于牙齒破碎巖石所需的時(shí)間、鉆進(jìn)地層巖石的抗壓強(qiáng)度以及牙輪軸承的承受能力。根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者比留科夫?qū)τ操|(zhì)合金齒破碎巖石的研究，齒與巖石接觸時(shí)間不小于0.02～0.03 s。如果小于該時(shí)間，齒對(duì)巖石的壓力作用效果就會(huì)急劇下降。根據(jù)這一理論，可以得出擴(kuò)孔牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍。

設(shè)牙輪錐體大端直徑為d，大端齒數(shù)為z，鉆頭直徑為D，則鉆頭轉(zhuǎn)速n由下列公式確定:

式中:k——速度損失系數(shù)，k=0.95;t——硬質(zhì)合金齒與巖石接觸時(shí)間，t=0.02～0.03 s。

k值是考慮到牙輪擴(kuò)孔鉆頭的牙輪實(shí)際處于一種變相超頂—退頂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生徑向滑移，在孔底轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不完全是純滾動(dòng)，導(dǎo)致牙輪自轉(zhuǎn)速度有所下降，故k為速度損失系數(shù)。

對(duì)于KZ157/311型鉆頭，將k=0.95，t=0.02～0.03 s，z=19，d=130 mm，D=311 mm代入(1)式，得出n=46.3～69.5 r/min。

KZ157/311型擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速在50～70 r/ min范圍內(nèi)是合理的。同樣可以得出KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭的轉(zhuǎn)速范圍在60～80 r/min。

鉆頭使用過程中，鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍不能同時(shí)使用上限，否則，鉆進(jìn)過程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的憋跳，容易造成孔內(nèi)事故。

1.2.3.3 泵量

泥漿流速與泵量成正比，泵量越大，泥漿攜帶巖粉的能力越強(qiáng)，孔底清渣效果越好。泥漿攜帶巖屑的條件是泥漿上返速度要大于巖屑的沉降速度，下面是巖屑顆粒沉降速度V確定公式:

式中:K——顆粒形狀系數(shù)，2.5～4;dk——巖屑粒徑，dk=0.004 m;ρk——巖屑密度，ρk=2700 kg/m3; ρ——泥漿密度，ρ=1100 kg/m3。

將以上數(shù)值帶入后求出巖屑在泥漿中的沉降速度為0.2～0.35 m/s。

所需的泵量由下面公式確定:

式中:V——泥漿上返流速，m/s;D——鉆孔直徑，m;d——鉆桿直徑，m。

計(jì)算得KZ157/311型擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)泵量范圍為30～35 L/s，KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)泵量范圍為25～30 L/s。

1.2.4 擴(kuò)孔鉆具組合

該擴(kuò)孔鉆具組合增加了震擊器是為了防止鉆進(jìn)過程中鉆具遇卡后解卡。因該孔段孔內(nèi)復(fù)雜，有漏失、坍塌、掉塊，鉆具上安裝隨鉆震擊器很有必要。

1.2.5 擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工效果

101～2028 m擴(kuò)孔段，共使用KZ157/311型擴(kuò)孔鉆頭27只，在可鉆性7～11級(jí)地層條件下取得了非常滿意的效果。累計(jì)擴(kuò)孔1534.67 m，平均時(shí)效1.04 m，最高時(shí)效 1.70 m。單只鉆頭最高壽命105.94 h，最高進(jìn)尺136.53 m。

2028～3620 m擴(kuò)孔段，共使用KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭21只，完成擴(kuò)孔工作量1059.34 m，平均機(jī)械鉆速1.09 m/h，最高機(jī)械鉆速1.53 m/h，單只鉆頭最高進(jìn)尺107.06 m，最高壽命91.85 h。

中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程中心對(duì)KZ型擴(kuò)孔鉆頭使用的評(píng)價(jià):“CCSD－1井全井導(dǎo)向擴(kuò)孔共使用兩種規(guī)格擴(kuò)孔鉆頭，即 KZ157/311和 KZ157/244.5型，該系列鉆頭性能穩(wěn)定、保徑和安全設(shè)計(jì)好，為擴(kuò)孔施工的勝利完成起到了重要作用?！?/p>

1.2.6 兩次擴(kuò)孔出現(xiàn)的問題

(1)初期加工的擴(kuò)孔鉆頭，由于時(shí)間緊，鉆頭體材料選用市場(chǎng)容易購(gòu)到的35CrMo中碳合金鋼，雖然材料本身強(qiáng)度高，也節(jié)約了一定成本，但可焊性較差，在外觀檢驗(yàn)中雖然不能發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋，但鉆頭在使用過程中由于鉆具憋跳產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)以及牙輪沖擊鉆進(jìn)產(chǎn)生的正常震動(dòng)導(dǎo)致鉆頭焊縫出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)KZ－05號(hào)鉆頭牙掌因焊接問題掉入孔底，發(fā)生孔內(nèi)事故。

問題出現(xiàn)后，我們及時(shí)把鉆頭母體材料更換為20CrNiMo，采用整體鍛造熱處理工藝，大大改善了材料的可焊性。雖然生產(chǎn)成本大幅度提高，但鉆頭從未再出現(xiàn)質(zhì)量事故。

(2)在設(shè)計(jì)KZ157/244.5型擴(kuò)孔鉆頭時(shí)，前6個(gè)鉆頭使用165 mm牙輪作為切削刀具，由于牙輪規(guī)格小，使用壽命不理想，后來改用216 mm牙輪作為切削刀具，并對(duì)鉆頭體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鉆頭壽命和時(shí)效得到了很大的提高。

1.2.7 鉆頭使用體會(huì)

(1)加裝減震器的鉆頭使用效果明顯優(yōu)于不加減震器的鉆頭。鉆頭使用初期，鉆頭上未加減震器，鉆壓和轉(zhuǎn)速一直加不上去，一加壓鉆具就憋跳嚴(yán)重，加減震器后，鉆壓可以加到70～90 kN，轉(zhuǎn)速加到50～60 r/min，鉆進(jìn)正常。

(2)在結(jié)構(gòu)允許的情況下盡量選用大牙輪作為切削具，提高鉆頭牙輪的強(qiáng)度和壽命。

(3)對(duì)于深孔硬巖地層鉆進(jìn)用擴(kuò)孔鉆頭，鉆頭保徑一定要做好，否則鉆出的孔縮徑嚴(yán)重，給后續(xù)新鉆頭下井帶來很多麻煩。

(4)鉆頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證正常鉆進(jìn)的前提，為了最大限度地保留鉆頭體連接實(shí)體截面尺寸，在不影響鉆頭使用的前提下，將牙輪前尖不參與碎巖的硬質(zhì)合金齒去掉，或條件允許的情況下定做專用擴(kuò)孔牙輪，減小牙輪前部尺寸，增大鉆頭體強(qiáng)度。

1.2.8 鉆頭生產(chǎn)工藝

(1)控制牙輪鉆頭加工過程中的溫度。

影響牙輪鉆頭壽命的決定性因素是牙輪軸承密封，所以在KZ型鉆頭生產(chǎn)過程中除選用國(guó)內(nèi)外最好的三牙輪鉆頭外，還要嚴(yán)格控制加工過程中的溫度。在整體三牙輪鉆頭解體過程中采用冷解剖特殊工藝或采用未組裝的單片牙輪掌，焊接過程實(shí)行嚴(yán)格的水循環(huán)溫度控制，保證牙輪密封件溫度不超過100℃，避免高溫對(duì)牙輪軸承密封和儲(chǔ)油囊破壞。

(2)鉆頭加工精度控制。

鉆頭加工精度也是影響鉆頭使用的極為重要的因素。為了防止鉆頭在焊接過程中的變形，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用鉆頭組焊工裝(見圖5)，保證了鉆頭螺紋、鉆頭直徑和導(dǎo)向體的同軸度，同時(shí)保證鉆頭直徑公差在允許范圍內(nèi);在鉆頭焊接過程中實(shí)行嚴(yán)格的變形控制，防止焊接時(shí)牙輪徑向變形。

圖5 鉆頭加工工裝

2 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探擴(kuò)孔鉆進(jìn)

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探3號(hào)孔設(shè)計(jì)孔深1200 m，取心鉆進(jìn)口徑150 mm。擴(kuò)孔施工分2級(jí)，分別為150/252和150/202 mm。第一級(jí)擴(kuò)孔深度為407.2 m，第二級(jí)擴(kuò)孔深度為1185.37 m。為此設(shè)計(jì)了2種類型的擴(kuò)孔鉆頭，即第一級(jí)擴(kuò)孔用牙輪擴(kuò)孔鉆頭，第二級(jí)擴(kuò)孔用聚晶金剛石復(fù)合片擴(kuò)孔鉆頭，兩種鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)都取得了令人滿意的效果。

圖6 150/252 mm牙輪擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)

擴(kuò)孔段為23.5～407.2 m，共用4個(gè)鉆頭，完成擴(kuò)孔工作量383.7 m，鉆頭平均進(jìn)尺92.92 m，平均壽命51.2 h，平均機(jī)械鉆速1.81 m/h。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探3號(hào)孔擴(kuò)孔成果

由于擴(kuò)徑量較小，鉆進(jìn)的地層為中軟地層，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)考慮到鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸的限制，如果選用牙輪作為切削刀具，只能使用很小的牙輪規(guī)格，從鉆頭整體的強(qiáng)度和軸承承載力等因素考慮都不合理，所以我們做了新的嘗試，選用PDC金剛石復(fù)合片作為切削刀具，并且將鉆頭的擴(kuò)孔刀翼設(shè)計(jì)為可更換，既保證鉆頭的整體強(qiáng)度又滿足鉆頭的使用壽命。

圖7 150/202 mm聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)擴(kuò)孔鉆頭

2.2.1 PDC擴(kuò)孔鉆頭特點(diǎn)

(1)選用金剛石復(fù)合片作為切削刀具，鉆頭上沒有影響鉆頭壽命的軸承結(jié)構(gòu)和密封件;

(2)鉆頭設(shè)計(jì)為4擴(kuò)孔刀翼，靠鎖緊銷牢固的固定在鉆頭體上，如果某刀翼上的PDC復(fù)合片出現(xiàn)損害或失效，鉆井操作人員在井場(chǎng)就可以方便更換，鉆頭可以重復(fù)使用;

(3)鉆頭噴嘴設(shè)計(jì)合理，循環(huán)液直接冷卻到復(fù)合片切削刃上，并形成一定的水馬力，有利于提高鉆進(jìn)效率;

(4)鉆頭整體軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，在直徑扶正帶上鑲有一定長(zhǎng)度的保徑硬質(zhì)合金，保徑效果好。2.2.2150/202 mm聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)擴(kuò)孔鉆頭的使用效果

該鉆頭擴(kuò)孔孔段為689.82～1143.10 m，共計(jì)進(jìn)尺453.28 m，純鉆進(jìn)時(shí)間105 h 50 min，平均時(shí)效4.28 m，具體鉆進(jìn)參數(shù)及鉆進(jìn)效果見上表，擴(kuò)孔任務(wù)完成后鉆頭還可繼續(xù)使用，取得了非常滿意的效果。

3 13000 m超深井科學(xué)鉆探擴(kuò)孔技術(shù)探討

開展超深井?dāng)U孔鉆進(jìn)技術(shù)研究是超深井成井工藝方案的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已開展前期預(yù)研究的13000 m超深科學(xué)深井，開孔直徑812.8～863.6 mm(32～34 in)，終孔直徑152～165 mm(6～6 1/2in)，預(yù)計(jì)下套管層數(shù)6～7層。沿用國(guó)內(nèi)科學(xué)深鉆施工方案，采用小鉆取心大鉆擴(kuò)孔方案較為成熟，并且這種施工工藝具有鉆進(jìn)效率高施工成本低等特點(diǎn)。在超深孔中擴(kuò)孔鉆進(jìn)較之于已經(jīng)完工的東?？沏@一井(CCSD－1)及正在完成的汶川地震科學(xué)鉆探井而言，不僅擴(kuò)孔鉆頭直徑成倍提高，擴(kuò)孔深度也成倍增加，鉆頭設(shè)計(jì)難度及施工難度都會(huì)大幅度增加。筆者建議13000 m超深井?dāng)U孔技術(shù)應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(1)由于擴(kuò)孔直徑加大，增大了擴(kuò)孔鉆進(jìn)的扭矩，為了正常鉆進(jìn)，所設(shè)計(jì)的鉆頭體應(yīng)采取箱體特殊結(jié)構(gòu)，以保證有足夠的強(qiáng)度。

(2)擴(kuò)孔直徑大鉆頭線速度高，大直徑擴(kuò)孔鉆頭的切削具采取特型鑲齒滾刀作為破巖工具效果會(huì)更好。

(3)由于鉆孔直徑大、擴(kuò)孔深度深，返渣問題比較突出，對(duì)于大直徑擴(kuò)孔而言采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)不失為一種有效方法。

(4)擴(kuò)孔直徑大，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的回轉(zhuǎn)阻力也大，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)會(huì)相對(duì)處于一種極不穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)鉆柱會(huì)跳動(dòng)很嚴(yán)重，為了平穩(wěn)鉆進(jìn)，必須采取特殊的扶正減震措施。鉆頭的設(shè)計(jì)上也要考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鉆頭導(dǎo)正扶正、保徑防磨效果，所有與孔壁接觸的鉆頭體都要鑲嵌硬質(zhì)合金或金剛石聚晶。

(5)由于鉆進(jìn)深度大幅度加大，鉆柱的負(fù)載加大，對(duì)鉆頭的安全系數(shù)提出了更高要求。擴(kuò)孔鉆進(jìn)中鉆頭必須安全可靠，這就要求鉆頭體和切削刀具都具有高的強(qiáng)度和壽命。因此鉆頭的材料選擇、熱處理及刀具焊接等加工方面應(yīng)嚴(yán)格控制，減少影響鉆頭壽命的各種因素。鉆孔超深，孔內(nèi)溫度增高，要求鉆頭所采用的材料都必須是耐高溫材料，切削具的密封均為金屬密封。

(6)超深孔段的擴(kuò)孔鉆頭，由于擴(kuò)徑量小，盡可能采用金剛石聚晶復(fù)合片(PDC)擴(kuò)孔鉆頭或天然金剛石擴(kuò)孔鉆頭，它沒有軸承和密封件，相對(duì)孔內(nèi)事故要少;鉆孔深度大地層變化多，所設(shè)計(jì)的鉆頭應(yīng)能適應(yīng)不同的地層，鑲齒牙輪鉆頭及鑲齒滾刀擴(kuò)孔鉆頭適合硬至堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)，金剛石復(fù)合片鉆頭適合于軟到中硬地層，表鑲金剛石鉆頭適合于堅(jiān)硬強(qiáng)研磨性地層。

(7)深孔段擴(kuò)孔，雖然擴(kuò)孔直徑小，但鉆柱長(zhǎng)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率低，這時(shí)可以考慮利用孔底動(dòng)力進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。對(duì)于165 mm螺桿鉆具，輸出扭矩在3200 N·m左右，可以滿足200～250 mm擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

超萬(wàn)米的科學(xué)深井研究與鉆探對(duì)我國(guó)來說還是一個(gè)全新的課題，其所采用的鉆頭、鉆具及其施工工藝需要做極其認(rèn)真細(xì)致扎實(shí)的研究工作，我們將總結(jié)以往研究擴(kuò)孔鉆頭的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外同行的所長(zhǎng)，力爭(zhēng)研究出一系列性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理并有所創(chuàng)新、能適應(yīng)科學(xué)深井鉆探各種復(fù)雜地層施工環(huán)境的擴(kuò)孔鉆頭，并提出一套合理的擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工工藝。

［1］王達(dá)，張偉，張曉西，等.中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］(蘇)普·阿·甘朱緬.巖心鉆探實(shí)用計(jì)算［M］.高森，譯.北京:地質(zhì)出版社，1980.

［3］甘行平，王三牛，劉瑋，等.PZ系列組合牙輪鉆頭及其嵌巖技術(shù)的研究［J］.探礦工程，1999，(2).

［4］王三牛，佟功喜.鑲齒滾刀及滾刀鉆頭嵌巖技術(shù)的研究［J］.探礦工程，2003，(4).

［5］羅肇豐，等.鉆井技術(shù)手冊(cè) 鉆頭［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1984.

Study on Reaming Bit for Scientific Drilling and the Drilling Technique

WANG San-niu1，WANG Cong2，LIU Wei1， YANG Yin-e1(1.The Institute of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000，China;2.102 Geological Brigade，Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources，Zunyi Guizhou 563003，China)

The necessary of reaming drilling in scientific drilling was presented and the discussion was made on reaming drilling technology，the design of reaming bit，drilling tool selection and the structure design.The reaming drilling technology and the design of the bit and drilling tool for the deep hole scientific drilling of over ten thousand meters were put forward.

scientific drilling;deep drilling;reaming drilling;reaming bit;reaming drilling tool;deep hole over 10 thousand meters depth

P634

A

1672－7428(2012)03－0008－06

2011－11－29;

2012－02－16

王三牛(1957－)，男(漢族)，山西新絳人，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所大口徑鉆頭與鉆具研制中心生產(chǎn)技術(shù)部部長(zhǎng)、教授級(jí)高級(jí)工程師，探礦工程專業(yè)，從事各種鉆頭、鉆具及鉆探工藝的研究工作，河北省廊坊市金光道77號(hào)，ktsztzx@vip.sina.com。