浅谈新型钻机改造及应用

王全义 李龙江 吴峰 徐邦庆

东方物探公司大庆物探一公司 黑龙江 大庆 163000

1 背景分析

大杨树盆地是近年来勘探新区，盆地处于高纬度地区，冬季极寒，最冷在-40℃以下，地表75%为火山岩覆盖区，多期次火山喷发影响及风化、剥蚀、流水侵蚀等作用，起伏变化大，存在冲沟和河谷，表层岩性多样化，以不同类型火山熔岩、流沙、含沙砾石、较大砾石、胶泥为主。大杨树盆地表层岩性结构纵、横向变化及其复杂，一口井内存在多种岩性交互层，一种钻机或钻具无法单独完成钻进工作，无法适应多种复杂地层钻进。接续钻进的钻机需要立起钻机井架“对井口”，确保接续钻机钻杆与井孔在垂直方向保持一致，这种接续钻机“对井口”的过程，给地震钻井生产任务优质、高效完成带来了极大挑战。同时，在流沙区、砾石区钻进达到设计井深，提杆后井壁坍塌，无法成井。造成钻井进尺难、成孔难、下药难的“三难”局面。

2 难题攻关

解决高寒区复杂岩性钻井成孔难题是一项复杂的系统工程，是集地质学、机械工程学、地震勘探技术、人体工程学、生产管理技术等融为一体的产物——正反循环一体钻机（新型钻机）。通过借鉴单一功能的正循环和反循环钻机技术并结合多年钻井生产经验，通过创新方法的应用，对动力头进行整合，通过技术性、科学性、操作性、安全性等的论证设计形成正反循环一体钻机，能够实现 “四位一体、一机一孔位”的不同地质结构钻井成孔的技术功能。

总体技术方案是：将不同介质循环功能的钻机、配套钻具和钻杆接卸装置，整合成一体式钻机，使其具备多种介质循环钻井功能的钻机和配套钻具，避免“对井口”作业。正反循环一体钻机能针对不同的地层结构利用自身各种特效功能，进行合理切换，并配合相应的钻具完成所有条件下的地震钻井作业。比如：粘度大的可塑粘土层、疏松的砂砾石层、硬度较大的岩石层及其它们相互交替的混合结构，采用不同的循环介质及循环方式和配套的钻具、接卸工具及工艺，“对层”对症钻进，逐一攻破，逐层钻进成孔，实现护壁、一次成孔，炸药引导管一次投放，快速完井，转场，提高了功效，降低了成本，保证了成孔质量。其主要技术方法有：

2.1 正循环与反循环一体式多种介质转换装置的研制

正循环与反循环一体式多种介质转换装置（新型钻杆动力头）是正反循环一体钻机的核心技术和重要部件。是实现多介质循环的转换装置，也是改变钻机多种钻井方式和避免“对井口”作业的核心装置，其与配套的接卸装置和相应配套钻具一同构成了正反循环一体钻机。转换装置的结构、原理如图1、图2所示。装置分别借鉴正、反循环动力头的工作原理，将正、反循环钻进工艺融合成一体式多介质转换装置，通过更换上转换接头、下接头和钻具及钻具接卸装置等部件和不同的循环介质来实现正循环或反循环钻进，解决高寒区复杂岩性地震钻井成孔难题。正循环：循环介质（水或气）从进水弯头进入，经过快速转换组件、进水头组件、中心管内腔、钻杆内腔到达钻头，将切削下来了的岩土沿着井壁和钻杆之间空隙返回地面；反循环：循环介质（气）从进气口进入，经过导气龙头、变接头内环腔、钻杆内环腔到达钻头，将切削下来的岩土经钻杆内腔、变接头内腔、进水头组件，从上喷管喷出。

图1 正循环结构图

图2 反循环结构图

2.2 正循环与反循环快速转换装置的研制

正循环与反循环虽然可以动态切换了，但如果转换的时间太长，也会影响到生产效率。通过创新方法的应用，研制了正循环与反循环快速转换装置，辅以改变四个独立螺丝固定的方法为法兰螺纹固定法，就能以很快的速度进行转换。

2.3 跟管钻具、螺旋钻具集成技术

跟管钻具和螺旋钻具在特定的场景下具有很好的作用，比如说螺旋钻具在胶泥且含水性较差的条件就比较适合。通过集成这两种钻具可以使“一体式钻机”可以适应更多的生产场景。

2.4 钻杆内腔套装防护管下药技术

通过正反循环一体机的研制,原来使用药柱直径为60或70，下药容易卡，现在使用直径50药柱，将药柱变细。可以直接通过动力头和钻具将护井管一次性下到规定的井深。护井管的使用采用底部封堵，密封处理，每段管线通过专用接头进行连接，长度按管内有效长度计算，有效长度必须超过标准井深20cm以上。特别是防止护井管在钻具上提过程中出现上浮现象，解决方法：一是通过护井管内部注水，二是对最底部的护井管进行特殊防上浮装置设计“防浮锚”。

2.5 钻机动力头优化

针对这个关键问题，通过动力头加装角度调整构件以此符合人机学，达到了降低劳动强度，提高安全性的效果，解决了接卸钻杆时需专人辅助接卸，劳动强度大、安全风险高的问题。

3 预期应用及效果

发明的新型钻杆动力头，实现了正循环和反循环快速转换，将正循环钻进、反循环钻进、跟管钻进和螺旋钻进等钻井工艺，通过更换接头和钻具，融合到新型动力头上，以WTJ5122TZJ型车载钻机为工作平台，改造成正反循环一体式多功能钻机，实现“四位一体”（单部钻机可以完成正循环钻进、反循环钻进、跟管钻进和螺旋钻进四种钻进工艺）、“一机一孔位”（在复杂岩性区单部钻机、单井位一次定位成井的钻进过程）作业。

正反循环一体式多功能钻机在海拉尔盆地、大杨树盆地、松辽盆地等多地区试验生产，能够达到快速完成复杂岩性区域的钻进作业，效率和安全性高。其中：在大杨树玉林屯三维项目试验中，钻井组每天工作12小时，使用原有钻机，完成一口井需要70分钟左右，每天单机组能完成10口左右生产井。使用正反循环一体式多功能钻机，完成一口需要30分钟左右，节省成井时间40分钟左右。以大杨树玉林屯三维采集项目为例：物探队有35台钻机，项目钻井任务共：37000口井，采用原有钻井设备，钻井组施工期为106天。应用改造后的钻机，钻井组施工期缩短到44天，极大地提高钻井生产效率。

4 经济效益

正反循环一体式多功能钻机改造费用仅为1.2万元，以2020年大杨树三维3.7万炮采集项目为例，使用正反循环一体式多功能钻机，钻井组可节约62天有效工期。该项目每天直接成本支出按5万元人民币计算，总共节约支出:62天X5万元=310万元人民币，具有可观的经济效益。

社会效益方面，新型钻机减少了使用者的劳动强度，缩减了操作时间，节省操作者的精力，显著提高了生产效率，深受操作工人赞赏和欢迎。