5000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)研究

朱恒銀，王 強(qiáng)*，劉 兵，陳云召，馮建宇，烏效鳴

（1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊(duì)，安徽六安237010；2.河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司，河北邢臺055153；3.北京六合偉業(yè)科技股份有限公司，北京100160；4.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢430074）

0 引言

隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，國家工業(yè)化和城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對能源資源的需求更加凸顯，尤其地下新型清潔能源的開發(fā)和利用受到了國家的高度重視，尋找地下新型能源是國家的長期戰(zhàn)略［1-2］。由于地質(zhì)勘探單位過去多從事固體礦產(chǎn)勘探工作，以小直徑取心輕便鉆探設(shè)備、技術(shù)為主，而新型能源勘探鉆探技術(shù)特點(diǎn)是“深（鉆孔深度超過3000 m）、大（鉆探口徑大，一般鉆孔口徑≮215.9 mm）、精（鉆孔施工精度高，需要進(jìn)行水平孔、對接孔鉆進(jìn)）”，目前的地質(zhì)勘探鉆探裝備與技術(shù)難以適應(yīng)新型能源勘探需求，如深孔鉆探裝備能力與自動(dòng)化水平、大直徑不提鉆連續(xù)取心、孔底真實(shí)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測和超200 ℃環(huán)保耐高溫泥漿等均存在技術(shù)”瓶頸”［3-5］。因此開展5000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與關(guān)鍵技術(shù)研究，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目研究概況

“5000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)”項(xiàng)目由安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊(duì)主持承擔(dān)，協(xié)作單位有河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司、安徽理工大學(xué)、北京六合偉業(yè)科技股份有限公司、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）等。該項(xiàng)目主要是進(jìn)行大口徑5000 m 深部勘探鉆探裝備、機(jī)具及關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究。通過研究，以提高鉆探裝備與技術(shù)自動(dòng)化、信息化水平，推動(dòng)我國鉆探向智能化方向邁進(jìn)。

項(xiàng)目研究主要的指導(dǎo)思想是：結(jié)合我國新型能源勘探的重大需求，進(jìn)行針對性的研究，充分集成國內(nèi)外成熟的先進(jìn)技術(shù)，吸收同領(lǐng)域?qū)氋F經(jīng)驗(yàn)，實(shí)行產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合機(jī)制，研究內(nèi)容緊貼生產(chǎn)實(shí)際，以鉆探施工亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，開展適用性、前瞻性的創(chuàng)新和攻關(guān)，以促進(jìn)深部鉆探高質(zhì)量、高效率的發(fā)展。

項(xiàng)目研究主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）5000 m 多功能交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)的研發(fā)；（2）地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置的研發(fā)；（3）高溫環(huán)保泥漿體系的研發(fā)；（4）泥漿性能參數(shù)自動(dòng)測量系統(tǒng)的研發(fā)；（5）取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具的研發(fā)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究及主要?jiǎng)?chuàng)新成果

2.1 5000 m 多功能交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)

5000 m 多功能交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)（ZJ50/3150-ZDB 型）的研發(fā)是以石油ZJ50/3150 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型施工能力參數(shù)為基礎(chǔ)［6-8］，在結(jié)構(gòu)和操作軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新。鉆機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鉆機(jī)設(shè)計(jì)更人性化，其智能化程度和作業(yè)安全性大大提高，可滿足5000 m 孔深、? 215.9 mm 鉆孔的鉆探工藝要求［7］。鉆機(jī)及布局如圖1 所示。

圖1 ZJ50/3150-ZDB 型鉆機(jī)Fig.1 ZJ50/3150-ZDB drilling rig

ZJ50/3150-ZDB 型鉆機(jī)主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)綜述如下。

2.1.1 井架大跨度自動(dòng)平衡升降系統(tǒng)

鉆機(jī)井架設(shè)計(jì)K 型自動(dòng)升降結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 井架結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the derrick structure

井架由基段、中段和頂段3 段組成，井架（一層以上）高度46 m?；喂潭ㄔ诰艿鬃希ǖ卓缍? m），中、頂段坐在基段上，中段有5 節(jié)（中間開檔6.6 m），頂段1 節(jié)（中間開檔2.2 m），安裝天車。井架設(shè)計(jì)有頂驅(qū)滑道，井架升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓裝置、導(dǎo)向滾輪和自動(dòng)平衡系統(tǒng)。

井架大跨度平衡升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了井口操作空間狹小、高塔安裝安全、施工場地限制等難題。

2.1.2 鉆機(jī)整體移位系統(tǒng)

鉆機(jī)底座下端設(shè)計(jì)滑道和液壓油缸驅(qū)動(dòng)裝置，鉆機(jī)可整體移動(dòng)，解決了叢式井、對接井短距離搬遷耗時(shí)多的難題，可節(jié)約大量的孔間搬遷時(shí)間，如圖3所示。

圖3 鉆機(jī)整體移動(dòng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the overall moving structure of drilling rig

2.1.3 井架作業(yè)臺防寒防暑系統(tǒng)

在鉆機(jī)井架二層工作臺人工作業(yè)區(qū)域設(shè)計(jì)可調(diào)溫度的保暖片狀發(fā)熱體和防雨遮陽裝置，解決了鉆井高空作業(yè)工人防寒防暑難題，改善了人工高空作業(yè)環(huán)境，如圖4 所示。

圖4 塔上作業(yè)臺防寒防暑裝置示意Fig.4 Schematic diagram of the heating and cooling device for the working platform

2.1.4 鉆桿提升自動(dòng)洗刷系統(tǒng)

鉆桿提升自動(dòng)洗刷系統(tǒng)安裝在鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤下方，以轉(zhuǎn)盤中心為基點(diǎn)，四周設(shè)計(jì)若干個(gè)高壓水噴頭和氣體噴頭，提鉆過程中采用高壓氣水完成鉆桿、鉆具表面的清洗工作。解決了提鉆時(shí)鉆桿、鉆具的自動(dòng)清洗難題，改善了過去人工清洗的惡劣的工作環(huán)境，同時(shí)減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，如圖5 所示。

圖5 鉆桿提升自動(dòng)洗刷裝置Fig.5 Automatic washing device when lifting drill pipes

2.1.5 多功能安全帽

多功能安全帽是在普通安全帽的基礎(chǔ)上增加了智能系統(tǒng)模塊，具有現(xiàn)場高清視頻采集、語音通訊、對講、視頻存儲等功能。解決了司鉆房（或作業(yè)間、工作室）操作和指揮者對鉆探現(xiàn)場各崗位的實(shí)時(shí)調(diào)度指揮及現(xiàn)場作業(yè)工況的監(jiān)控難題，提高了現(xiàn)場人機(jī)管理和安全作業(yè)的水平，如圖6 所示。

圖6 多功能安全帽功能鍵示意Fig.6 Schematic diagram of functional keys of the multi-functional safety helmet

2.1.6 鉆進(jìn)參數(shù)采集、預(yù)警與處理多功能化

鉆機(jī)操作控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的全數(shù)字交流變頻控制技術(shù)和參數(shù)采集、計(jì)算機(jī)編碼及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有鉆進(jìn)參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓、排量、扭矩、鉆進(jìn)速度）集中顯示、異常參數(shù)預(yù)警、分析處理及鉆機(jī)鉤載限幅、大鉤防碰撞、沖頂、鋼絲繩壽命等控制功能，實(shí)現(xiàn)了集鉆進(jìn)參數(shù)采集、預(yù)警、控制、分析處理的數(shù)字化、視頻化，以及數(shù)據(jù)儲存、遠(yuǎn)程傳輸并與手機(jī)APP互聯(lián)等一體化智能操作，如圖7、圖8 所示。

圖7 司鉆房顯示與操作系統(tǒng)Fig.7 Display and operating system in the driller’s cabin

圖8 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控APP 登錄顯示Fig.8 Remote real-time monitoring APP log-in display

2.2 地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置

地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)吸收了國內(nèi)外鉆探孔底信息傳導(dǎo)及隨鉆測量先進(jìn)技術(shù)［9］，創(chuàng)新地將鉆探鉆進(jìn)參數(shù)由地表采集變?yōu)榭椎捉@頭部位采集，以獲取更準(zhǔn)確的鉆頭部位的鉆進(jìn)參數(shù)。孔底鉆進(jìn)參數(shù)可自動(dòng)儲存和隨鉆傳輸，為鉆進(jìn)作業(yè)者優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)。

2.2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置主要由測量短節(jié)本體、主控發(fā)射系統(tǒng)、孔斜模塊、轉(zhuǎn)速模塊、溫度模塊、鉆壓與扭矩模塊、外環(huán)空壓力模塊、內(nèi)環(huán)空壓力模塊、通信接口、電池倉、隨鉆測量系統(tǒng)等部件組成。裝置結(jié)構(gòu)如圖9 所示，實(shí)物如圖10 所示。

圖9 地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of the multi-parameter hole bottom automatic monitoring device for geological core drilling

圖10 地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置Fig.10 Multi-parameter hole bottom automatic monitoring device for geological core drilling

（1）各參數(shù)測量模塊、主控發(fā)射系統(tǒng)、電池倉等均安裝分布在無磁短節(jié)本體上；

（2）孔斜、轉(zhuǎn)速、溫度、鉆壓與扭矩、內(nèi)外環(huán)空壓力參數(shù)測量模塊組件中，分別設(shè)有不同功能的傳感器、芯片和數(shù)據(jù)采集信息系統(tǒng)，各參數(shù)模塊將測量信息傳遞給主控發(fā)射系統(tǒng)；

（3）主控發(fā)射系統(tǒng)主要承擔(dān)通訊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、儲存、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線發(fā)射等功能；

（4）電池倉內(nèi)裝電池，為整個(gè)孔底測量裝置提供電源；

（5）隨鉆測量系統(tǒng)包括地面設(shè)備和井下總成。地面設(shè)備（圖11）包括脈沖信號傳感器、無線收發(fā)主機(jī)、無線傳感器主機(jī)、司鉆顯示器、數(shù)據(jù)處理儀；井下總成包括脈沖發(fā)生器短節(jié)（內(nèi)置接收短節(jié)）、探管短節(jié)（主控）、電池筒短節(jié)等。井下總成安裝在孔底測量裝置上端的無磁鉆桿（或鉆鋌）內(nèi)環(huán)中，接收和向地面發(fā)射參數(shù)信息。

圖11 地質(zhì)巖心鉆探多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置地面系統(tǒng)Fig.11 Surface system of the multi-parameter hole bottom automatic monitoring-while-drilling device for geological core drilling

（6）短節(jié)本體內(nèi)孔直徑選擇與繩索取心內(nèi)管外徑相匹配，可實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)。

2.2.2 工作原理

測量裝置采用了存儲和隨鉆式一體化設(shè)計(jì)，在不下入MWD 儀器時(shí)，測量數(shù)據(jù)存儲在裝置主控發(fā)射系統(tǒng)中，待出井后可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。主控發(fā)射系統(tǒng)帶有無線發(fā)射電路和發(fā)射天線磁棒，在下入MWD 儀器時(shí)，發(fā)送電磁波信號，接收短節(jié)中接收電路和天線磁棒接收到信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換，然后通過MWD 儀器再將數(shù)據(jù)通過泥漿正脈沖方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸至地面，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼顯示。

2.2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）孔底自動(dòng)監(jiān)測裝置基本尺寸：長度＜1100 mm，外徑178 mm，內(nèi)徑96 mm。

（2）測量主要參數(shù)：溫度 0～150 ℃，±1 ℃；鉆壓-300～+300 kN；扭矩0～30 kN·m；環(huán)空壓力0～140 MPa；轉(zhuǎn)速 0～500 r/min；井斜：0～90°。

（3）性能參數(shù)：工作環(huán)境0～150 ℃；連續(xù)工作時(shí)間≥200 h；測量時(shí)間間隔2～120 s（可人工調(diào)節(jié)），默認(rèn)60 s；孔底參數(shù)存儲工作時(shí)間200 h，存儲間隔≥2 s；隨鉆測量采用泥漿正脈沖方式無線傳輸。

2.3 耐高溫環(huán)保泥漿

新型能源勘探鉆探的孔深一般都超過3000 m，孔內(nèi)溫度都較高，尤其在高溫水源型和干熱巖型地層中，鉆探孔內(nèi)溫度可達(dá)200 ℃以上。為滿足高溫條件下鉆探的需要，進(jìn)行耐高溫及環(huán)保泥漿的研究是很有必要的［10-18］。

2.3.1 研發(fā)的思路

（1）分析高溫對普通泥漿性能的破壞機(jī)理，找出泥漿材料及處理劑高溫條件下的性能變化的內(nèi)在因素；

（2）優(yōu)選耐高溫環(huán)保泥漿材料和處理劑的試驗(yàn)，并進(jìn)行機(jī)理分析；

（3）進(jìn)行配方對比試驗(yàn)和耐高溫環(huán)保泥漿性能測試；

（4）優(yōu)化配方并確定耐高溫環(huán)保泥漿體系。

2.3.2 耐高溫環(huán)保泥漿體系

根據(jù)高溫條件下對鉆探泥漿的性能要求，運(yùn)用高分子化學(xué)和高溫材料科學(xué)技術(shù)理論，通過廣泛的遴選、實(shí)驗(yàn)測試、優(yōu)化調(diào)配、對比分析，研制出耐260 ℃超高溫環(huán)保型的水基泥漿體系。

耐高溫環(huán)保型水基泥漿體系配方為：3%～5%復(fù)合型造漿粘土+0.1%～0.2%耐超高溫聚合物增粘劑+0.6%～0.8% 耐超高溫聚合物降失水劑+3%～5%耐高溫降失水劑+2%～4%耐高溫防塌劑+3%～5% 高溫保護(hù)劑+2%～4% 高溫抑制劑+2%～4%抗高溫減阻潤滑劑+0.4%～0.6%緩蝕劑。

2.3.3 耐高溫水基泥漿體系的特性

試驗(yàn)表明，研發(fā)的耐高溫水基泥漿體系具有如下特性。

（1）高溫穩(wěn)定性好。在溫度260 ℃時(shí)，泥漿密度1.05～1.50 g/cm3，塑性粘度 12～40 mPa·s，切力 3～20 Pa，失水量≤23 mL/30 min，該性能指標(biāo)達(dá)到了同領(lǐng)域高溫泥漿研究的較好水平，滿足了高溫鉆進(jìn)的護(hù)壁要求［10］。

（2）抑制性和潤滑性好。對泥質(zhì)層和松散地層能有效抑制水化分解，孔壁的穩(wěn)定性好，有較強(qiáng)深孔鉆進(jìn)的攜屑能力和減阻能力，具有良好的流變性；

（3）抗污染能力強(qiáng)。在泥漿中加入一定的污染物（如 NaCl、CaSO4、巖屑等）后，在高溫情況下，未發(fā)現(xiàn)膠凝和固化現(xiàn)象；

（4）有良好的環(huán)保性能。對所優(yōu)選的泥漿處理劑進(jìn)行了化學(xué)毒性、生物毒性、生物降解性測試，均達(dá)到環(huán)保指標(biāo)要求。

2.4 泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置

泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置的研發(fā)，主要解決鉆探施工現(xiàn)場泥漿性能監(jiān)測人工手動(dòng)逐項(xiàng)測量工序繁瑣，易造成人手腐蝕、環(huán)境污染和監(jiān)測不及時(shí)、測量數(shù)據(jù)人為誤差大等難題［19-21］，實(shí)現(xiàn)了泥漿性能多參數(shù)一體化自動(dòng)測量。

2.4.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置由粘度密度測量模塊、含砂量測量模塊、濾失量測量模塊、酸堿度（pH 值）測量模塊及注漿泵、水源增壓泵、氣源泵、主機(jī)、顯示控制屏等組成。將各模塊整合組裝于一體，安裝在一個(gè)測試箱內(nèi)，其供漿、清洗、排污等部件和管路可共用共享。給自動(dòng)測量裝置供漿可采用人工取漿，或選配電動(dòng)球閥及軟管，實(shí)現(xiàn)泥漿流動(dòng)過程中在線取樣測量。箱體下部設(shè)有排污槽及共用排污口。泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置如圖12 所示。

圖12 鉆探泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置Fig.12 Multi-parameter automatic measuring device for drilling mud properties

2.4.2 工作原理

泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置設(shè)計(jì)了4 大模塊系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)，各模塊設(shè)計(jì)有自動(dòng)閥和參數(shù)測量傳感器，自動(dòng)閥控制進(jìn)出漿、氣、水及清洗過程；參數(shù)測量傳感器計(jì)讀測量數(shù)值；各模塊系統(tǒng)與主機(jī)相連接，控制各測量模塊動(dòng)作程序、收發(fā)信號、操作指令及數(shù)據(jù)儲存、打印功能，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)聯(lián)測或單參數(shù)測量。顯示屏與主機(jī)相連以顯示操作界面和測量數(shù)據(jù)。測量系統(tǒng)的清洗采用增壓泵送入清水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗，并在清洗后可自動(dòng)復(fù)位測量狀態(tài)。自動(dòng)測量裝置工作原理如圖13 所示。

圖13 鉆探泥漿性能多參數(shù)自動(dòng)測量裝置布置示意Fig.13 Layout of the multi-parameter automatic measuring device for drilling mud performance

2.4.3 主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

2.4.3.1 主要測量參數(shù)

（1）粘度：測量范圍15～100 s（蘇式漏斗粘度），精度±1 s；

（2）密度：測量范圍 0～3.00 g/cm3，精度±0.01 g/cm3；

（3）濾失量：測量范圍 0～50m L/30 min（0.69 MPa），精度±0.1 mL/30 min；

（4）含砂量：測量范圍0～20%，精度±0.1%；

（5）酸 堿 度（pH 值）：測 量 范 圍 5～14，精度±0.1。

2.4.3.2 工作方式

自動(dòng)清洗、單參數(shù)與多參數(shù)自動(dòng)測量、數(shù)據(jù)存儲、視頻顯示。

2.4.3.3 外觀參數(shù)與供電方式

（1）外觀尺寸（長×高×寬）：670 mm×650 mm×320 mm；

（2）整機(jī)質(zhì)量：66.50 kg；

（3）供電方式：采用220 V 交流電壓，測量系統(tǒng)變壓36 V 安全電壓。

2.4.4 主要功能特點(diǎn)

（1）可多參數(shù)自動(dòng)測量亦可單參數(shù)自動(dòng)測量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、精度高；

（2）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測量，清洗、參數(shù)顯示、儲存一體化；

（3）濾失量測量濾紙可重復(fù)使用、不變形、不破損；

（4）泥漿測量裝置防腐、抗震，輕便、易操作。

2.5 取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具

新型能源勘探（如頁巖氣、煤層氣、油氣、地?zé)?、干熱巖等）勘探，一般僅要求間斷取心或鉆進(jìn)目的層局部取心，其余孔段均為無巖心鉆進(jìn)。以往取心和無心鉆進(jìn)時(shí)，都需要提鉆換鉆具，深孔提下一趟鉆需要20 h 左右，影響鉆探效率，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高，且易造成孔壁失穩(wěn)和其他孔內(nèi)事故［22-26］。為此，研發(fā)了取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具技術(shù)。

2.5.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具技術(shù)，主要在繩索取心技術(shù)的基礎(chǔ)上，將下部鉆具結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具的目的［27］。鉆具的結(jié)構(gòu)如圖14 所示。主要由繩索取心系統(tǒng)總成和鉆具互換系統(tǒng)總成組成。

圖14 取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of the retractable drilling tool

繩索取心系統(tǒng)總成主要由彈卡室、撈矛頭、彈卡與軸向壓力短節(jié)、單動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

鉆具互換系統(tǒng)總成主要由外管、扶正器（擴(kuò)孔器）、外鉆頭、內(nèi)管、傳扭短節(jié)、內(nèi)鉆頭、巖心容納管、卡心機(jī)構(gòu)等組成。

2.5.2 工作原理

取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具設(shè)計(jì)為三重管結(jié)構(gòu)，即外管、內(nèi)管、巖心容納管。外管上端與鉆桿（或鉆鋌）相連，下端連接扶正器和鉆頭；內(nèi)管上端與繩索取心系統(tǒng)軸向壓力傳遞短節(jié)相連，下端連接傳扭短節(jié)與內(nèi)鉆頭；巖心容納管上端與繩索取心系統(tǒng)的單動(dòng)接頭相連，下端與巖心卡取裝置連接，實(shí)現(xiàn)單動(dòng)，以保護(hù)巖心。鉆具的內(nèi)外管及內(nèi)外鉆頭通過鉆桿和傳扭機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；內(nèi)管與內(nèi)鉆頭通過軸向壓力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸壓的傳遞。

在鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，加強(qiáng)外鉆頭磨料質(zhì)量品級，尤其內(nèi)外鉆頭接觸部位加強(qiáng)內(nèi)保徑，以提高鉆頭的壽命；無巖心鉆進(jìn)內(nèi)鉆頭設(shè)計(jì)要避開中心零轉(zhuǎn)速死點(diǎn)，與外鉆頭磨耗比一致［28］。

該鉆具通過繩索取心鉆具系統(tǒng)，將內(nèi)管及鉆頭打撈出孔口，可實(shí)現(xiàn)不提鉆完成取心鉆進(jìn)和無心鉆進(jìn)2 種鉆進(jìn)工藝的互換，以提高鉆探效率，穩(wěn)定孔壁，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.5.3 鉆具的特點(diǎn)

（1）鉆具結(jié)構(gòu)簡單。繩索取心系統(tǒng)總成下接互換鉆具系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)取心和無心鉆進(jìn)的工藝轉(zhuǎn)換；

（2）根據(jù)地層的復(fù)雜程度，取心鉆進(jìn)鉆具組合可多樣化，以滿足取心質(zhì)量的要求；

（3）內(nèi)外鉆頭磨料可為金剛石或復(fù)合片，外鉆頭可用空心（取心牙輪）牙輪結(jié)構(gòu)，亦可根據(jù)巖石的可鉆性設(shè)計(jì)不同的鉆頭類型；

（4）可在口徑≥130 mm 中實(shí)現(xiàn)該技術(shù)工藝方法。在較大口徑的深孔情況下，可實(shí)現(xiàn)繩索取心加鉆鋌的孔底加壓方式，以改善孔內(nèi)鉆具受力狀況。

（5）在復(fù)雜地層條件下應(yīng)用該鉆具，可減少提鉆次數(shù)，減輕對鉆孔的抽吸作用，保證孔壁穩(wěn)定性，有利于的安全快速鉆進(jìn)。

3 推廣應(yīng)用及取得的成果

5000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)研究的目的是解決深孔鉆探“瓶頸”技術(shù)難題，通過產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，研發(fā)的成果已在新疆克拉瑪依油田，安徽頁巖氣勘探，河南、河北煤層氣及地?zé)峥碧降仁┕ろ?xiàng)目中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，歷經(jīng)2 年多，完成了鉆探工作量5 萬余m，完成鉆孔15 個(gè)，其中在新疆克拉瑪依油田完成深度＞4000 m 鉆井10 個(gè)，最深鉆井4359 m，單井（井深4208 m）最短施工周期37.75 d，最高日進(jìn)尺1082 m，水平段平均長度2200 m，取得了顯著的社會與技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

研究成果獲國家發(fā)明專利8 項(xiàng)，實(shí)用新型專利13 項(xiàng)，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)5 項(xiàng)。

研究成果通過安徽省科學(xué)家企業(yè)家協(xié)會科技成果評價(jià)中心組織的院士專家評價(jià)委員會的鑒定，評價(jià)認(rèn)為該項(xiàng)目研究成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中泥漿性能多參數(shù)一體化自動(dòng)測量系統(tǒng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

4 結(jié)論

通過對5000 m 新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)的研究，取得了系列標(biāo)志性成果，推動(dòng)了我國地質(zhì)鉆探技術(shù)向智能化方向高質(zhì)量的發(fā)展，其主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：

（1）研發(fā)了5000 m 新型多功能交流變頻電動(dòng)鉆機(jī)，創(chuàng)新了自動(dòng)平衡起降直升式井架，鉆機(jī)整體自移，高塔防寒防暑，鉆桿提升自動(dòng)洗刷，集視頻與通訊多功能的安全帽，鉆進(jìn)參數(shù)自動(dòng)采集、預(yù)警、控制與處理技術(shù)，改善了人機(jī)工作環(huán)境，顯著提高了鉆探工作效率和安全性。

（2）開發(fā)了鉆探數(shù)據(jù)、技術(shù)資料實(shí)時(shí)傳輸APP軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場資料、工況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了鉆探工程現(xiàn)代化管理水平。

（3）研發(fā)了泥漿性能多參數(shù)一體化自動(dòng)測量裝置，實(shí)現(xiàn)了泥漿粘度、密度、濾失量、含砂量、酸堿度（pH 值）5 項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)測量；研發(fā)了耐260 ℃高溫環(huán)保型水基泥漿體系，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白，為地下深部新型能源勘探開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

（4）研發(fā)了多參數(shù)孔底自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近孔底鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、內(nèi)/外環(huán)空壓力、孔斜、溫度等參數(shù)的測量，解決了孔底真實(shí)鉆探工況獲取的重大技術(shù)難題。

（5）研發(fā)了一種取心和無心鉆進(jìn)不提鉆互換鉆具技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了取心和無心鉆進(jìn)工藝高效切換，極大地提高了鉆探效率，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。