KT178型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

摘要

青海共和盆地干热岩资源富集于花岗岩地层，硬度高，研磨性强，部分层段裂隙发育，取心困难。针对干热岩地层和取心需求特点，研制了一套KT178型取心钻具，并配套设计了孕镶金刚石取心钻头。该钻具为单动双管取心钻具，可配套井底动力钻具使用，设计中注重对钻具外管、卡簧等关键部件的强度校核。在GH-01井和GH-02井中，经过两轮试验和优化，钻具逐渐成熟，获取了较完整的岩心样本，满足干热岩勘探取心要求，具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件。

关键词

干热岩; 取心钻进; 取心钻具; 取心钻头; 坚硬地层; 共和盆地

1 地层情况

共和盆地位于西秦岭造山带西端、青海省东中部，隶属于青海省海南藏族自治州，南北宽90 km、东西长210 km，总面积21186 km²，海拔3000 m左右^［1-2］。共和盆地地处多个造山带（西秦岭、东昆仑、祁连）和块体（柴达木和欧龙布鲁克）交接转换的重要结点地区，经历了早古生代-晚古生代的裂谷坳陷与中生代以来的陆内构造演化2个阶段，是我国干热岩资源分布的重要区域之一^［3-4］。共和盆地干热岩勘查工作始于2011年，测算本地区地温梯度为5.42~5.81 ℃/100 m，明显高于全球平均地温梯度。2014年，共和DR3井在井深2927 m钻获181 ℃干热岩；2017年，GR1井在井深3705 m，钻获236 ℃干热岩；2019年，GH-01井在井深4002 m，钻获212.3 ℃干热岩，均证明该地区具有良好的干热岩勘探开发前景^［5-7］。根据共和盆地近年钻探资料，其地层分布如表1所示^［8-9］。

表1 共和盆地岩性特征

Table 1 Lithology at Gonghe Basin

地 层		深度/m	岩 性 特 征
第四系	全新统-中更新统	0~10	以中厚层黄色亚粘土为主
	共和组	10~564	以巨厚层杂色粗砂质砾石、土黄色粗砂为主，夹有土黄色亚粘土、土黄色含砾粗砂
新近系	临夏组	564~1034	以中厚—巨厚层状灰、青灰色泥岩，黄褐、褐黄色粉砂质泥岩为主，夹中厚层灰色泥质粗砂岩、黄色泥质含砾粗砂岩不等厚互层
	咸水河组	1034~1360	中厚—巨厚层状灰、青灰色泥岩，黄褐、褐黄色粉砂质泥岩为主，夹中厚层灰色泥质粗砂岩、黄色泥质含砾粗砂与岩底部紫红色砂质泥岩呈不等厚互层
中-上三叠统		1360~4000	上部以灰白、浅肉红、青灰色二长花岗岩，青灰色、肉红色花岗岩为主；中段以灰白、浅肉红、青灰色二长花岗岩为主，见青灰色、肉红色花岗岩，浅肉红色似斑状黑云母花岗岩；底部以浅灰、灰白色花岗闪长岩为主，见浅肉红二长花岗岩

干热岩的最新定义为内部不存在或仅存在少量流体，温度高于180 ℃的异常高温岩体。共和盆地干热岩埋藏深度基本稳定，温度达180 ℃的干热岩埋深基本在3000~3200 m，岩性以花岗岩、黑云母二长花岗岩为主。区域内花岗岩地层裂隙较发育，研磨性强，硬度高，岩石单轴抗压强度在180~275 MPa之间，可钻性差^［10-13］。区域内干热岩勘探井以点取心为主，取心井径大多设计为152 mm，即使在完钻井径为216 mm井眼，也大多采用“小径取心，大径扩眼”的方式完成取心工作，大直径同径取心技术应用较少^［14-15］。

2 钻具设计

页岩气、地热等非常规能源勘探大多以大口径（完钻井眼直径215.9 mm）钻井为主，取心设计通常为每间隔100~200 m取一次岩心。该类钻井工程的主要工作量为全面钻进，以三牙轮钻头或PDC钻头为主要碎岩工具，相较于金刚石钻头，钻出井眼不规则，使用配套整圆取心钻头的大直径取心钻具常有下钻不通畅现象。KT178型取心钻具是针对上述工程特点研制的一种新型取心工具，是对KT系列取心钻具的补充。KT系列取心钻具是我国大陆科学钻探（包括科钻一井、汶川科钻、松科一井、松科二井等）广泛使用的取心工具，累计取心进尺超万米，在Ø215.9 mm井眼常用KT194型取心钻具。比较KT194型取心钻具，KT178型钻具外径更细，且不使用上下扩孔器，具有更好的通过性。同时，秉承KT系列取心钻具结构简单、可靠高效的特点，为单动双管取心钻具，主要由悬挂总成、外管、岩心管、卡簧、钻头等几部分组成，结构如图1所示。

图1 KT178型取心钻具结构示意

Fig.1 Structure of KT178 coring tool

2.1 技术参数

取心钻具内外筒采用等长结构，每根长度2~10 m，现场可根据需要组合成单筒、双筒、多筒取心钻具，技术参数见表2。

表2 KT178型取心钻具技术参数

Table 2 Technical parameters of KT178 coring tool

参数名称	参数值
适用井眼/mm	215.9~190
推荐钻头（外径/内径）/mm	215.9/110
岩心直径/mm	110
单筒岩心容纳量/m	2~10
外筒外径/mm	178
岩心管外径/mm	130
与钻柱的连接螺纹型式	NC50

2.2 配套钻头结构设计

在共和恰卜恰干热岩勘探工程中，取心井段被设计在破碎地层，以便更直观地了解干热岩地层破碎带裂隙发育情况。针对破碎、坚硬等地层情况，钻头设计为底喷式孕镶金刚石钻头，同时为防止钻头水眼堵塞，部分水眼设计为侧开式，具体结构如图2所示。钻头胎体金刚石粒度40~60目、浓度100%、胎体硬度 HRC40~42，内外聚晶保径。钻头实物如图3所示。

图2 钻头结构示意

Fig.2 Coring bit structure

图3 钻头实物

Fig.3 Actual Bit

2.3 外管强度校核

取心钻具薄弱部件为外管，设计中外管所用材料最低抗拉强度860 MPa，抗剪强度341 MPa，其抗拉和抗扭能力可根据材料力学相关公式核算。

抗拉公式：

$$P=A{\sigma }_{\mathrm{b}}=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{4}}\left(D^{\mathrm{2}}-d^{\mathrm{2}}\right){\sigma }_{\mathrm{b}}$$

（1）

式中：$P$——拉力，N；$A$——管材截面积，mm²；${\sigma }_{\mathrm{b}}$——管材抗拉强度，MPa；$D$——管材外径，mm；$d$——管材内径，mm。

抗扭公式：

$$T=W_{\mathrm{p}}{\tau }_{\mathrm{p}}=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{16}}·\frac{D^{\mathrm{4}}-d^{\mathrm{4}}}{D}{\tau }_{\mathrm{p}}$$

（2）

式中：$T$——扭矩，10^-3N·m；$W_{\mathrm{p}}$——抗扭截面模数，mm³；${\tau }_{\mathrm{p}}$——抗剪强度，MPa。

外管外径178 mm、壁厚13 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管最大抗拉5790 kN、最大抗扭176 kN·m。外管螺纹净壁厚8 mm，代入公式（1）和公式（2）可得外管螺纹管壁最大抗拉4760 kN，最大抗扭118 kN·m。取心钻具正常工作的情况下，拔断岩心时外管所受拉力最大，拔断岩心所需拉力可表示为：

$$F_{\mathrm{y}}=A_{\mathrm{y}}{\sigma }_{\mathrm{y}}$$

（3）

式中：$F_{\mathrm{y}}$——拔断岩心所需拉力，N；$A_{\mathrm{y}}$——岩心截面积，mm²；${\sigma }_{\mathrm{y}}$——岩心抗拉强度，MPa。

设计岩心直径为110 mm，一般岩石抗拉强度≯36 MPa^［16］，代入公式（3）可得$F_{\mathrm{y}}$最大为340 kN；另外，石油钻机转盘（或顶驱）最大工作扭矩一般不大于101.4 kN·m，取心钻具井底正常工作时，扭矩更小，因此外管强度满足正常工作要求。

2.4 卡簧挤毁校核

上提钻具拔断岩心时，卡簧在岩心和卡簧座的复合作用下，受力较为复杂，对受力情况进行简化、整理后，卡簧受力如图4所示。其中$\alpha$为卡簧外锥面锥度。卡簧除受自身重力$G$外，还受到岩心对卡簧的侧向压力$F_{\mathrm{1}}$、卡簧和卡簧座间的摩擦力$F_{\mathrm{f}}$、岩心对卡簧的轴向摩擦力$F_{\mathrm{2}}$、卡簧座对卡簧的法向正压力$F_{\mathrm{n}}$。

图4 卡簧受力示意

Fig.4 Force diagram of the core catcher

由图4可知：

$$F_{\mathrm{n}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha =F_{\mathrm{1}}+F_{\mathrm{f}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha$$

（4）

$$F_{\mathrm{f}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +F_{\mathrm{n}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =G+F_{\mathrm{2}}$$

（5）

$$F_{\mathrm{f}}=\mu F_{\mathrm{n}}$$

（6）

$$F_{\mathrm{2}}={\sigma }_{\mathrm{y}}{S}_{\mathrm{y}}$$

（7）

式中：$\mu$——卡簧与卡簧间的摩擦系数，取0.11；$S_{\mathrm{y}}$——岩心横截面积，mm²；${\sigma }_{\mathrm{y}}$——岩心抗拉强度，取36 MPa。

由式（4）、（5）、（6）、（7）可知：

$$F_{\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -\mu \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }({\sigma }_{\mathrm{y}}{S}_{\mathrm{y}}+G)$$

（8）

$$F_{\mathrm{n}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{y}}{S}_{\mathrm{y}}+G}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha +\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }$$

（9）

因卡簧座与卡簧的接触面积远大于岩心与卡簧的接触面积，这里只校核$F_{\mathrm{1}}$对卡簧的破坏作用，$F_{\mathrm{1}}$作用到卡簧上的应力为：

$${\sigma }_{\mathrm{k}}=\frac{F_{\mathrm{1}}}{A_{\mathrm{y}}}=\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -\mu \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{A_{\mathrm{y}}(\mu \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha )}({\sigma }_{\mathrm{y}}{S}_{\mathrm{y}}+G)$$

（10）

式中：${\sigma }_{\mathrm{k}}$——卡簧在$F_{\mathrm{1}}$作用下所受应力，MPa；$A_{\mathrm{y}}$——岩心与卡簧的接触面积，mm²。

把岩心强度和卡簧结构参数代入公式（10）可得计算结果如表3所示。从表中可以看出拔断岩心时钻具卡簧所受最大应力为356.34 MPa，小于其材料屈服强度，满足强度要求。

表3 卡簧校核

Table 3 Calibration of the core catcher

卡簧屈服强度/MPa	Ay/mm2	${\sigma }_{\mathrm{y}}$/MPa	G/N	Sy/mm2	${\sigma }_{\mathrm{k}}$/ MPa
785.00	5295.07	36	2.79	9503.32	356.34

3 现场应用

3.1 GH-01井试验应用

2019年，KT178型取心钻具首先在共和干热岩GH-01井进行试验性应用。该井完钻井深4002.88 m，试验井段为3000~3800 m。该段地层岩性以浅灰、灰白色花岗闪长岩为主，并常见浅肉红二长花岗岩，地层破碎，研磨性高。钻具试验井眼及钻进参数如下：

井眼直径：215.9 mm

裸眼段长：1500~2300 m

驱动方式：地面转盘驱动

钻具组合：KT178型取心钻具+Ø165 mm钻铤+Ø127 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆

转速：55 r/min

钻压：20~80 kN

排量：30 L/s

KT178型取心钻具在该井段共入井试验4个回次，进尺13 m，仅第3个回次在3528~3532 m井段，进尺4.00 m，获取岩心3.35 m，采取率84%，岩心发育近水平向的裂隙，且岩心沿裂隙断开，整体较为破碎。其它回次均未能获得岩心，且钻头存在不同程度的开裂、变形等非正常损坏（如图5所示）。分析认为取心失败的原因如下：

图5 钻头开裂

Fig.5 Cracks in the core bit

（1）钻头刚体开裂、变形导致取心钻头内圆变形，钻取的岩心直径小于卡簧完全收缩时的内径，卡簧不能卡取岩心。

（2）地面转盘驱动取心钻具，转速低，机械钻速很慢，同时钻头内保径较长，内保径长时间研磨岩心，消耗岩心直径，导致卡簧完全收缩也不能卡取岩心。

（3）取心钻具未设计上下扩孔器，地面转盘驱动时钻头在孔底存在涡动现象，钻头涡动同样消耗岩心直径，使岩心直径变小。

（4）岩心整体较为破碎，进入取心筒内岩心多为块状及颗粒状，卡簧自身无法抓住岩心或在起钻过程中丢心。

3.2 GH-02井现场应用

在2019年试验的基础上，改进钻头刚体结构，提高其结构强度，防止钻头变形；其次改单卡簧结构为双卡簧结构，提高卡簧卡取岩心的可靠性。钻具优化后在共和干热岩GH-02井现场进行应用，井眼及钻进参数如下：

井眼直径：215.9 mm

裸眼段长：180 m

驱动方式：地面转盘驱动+螺杆钻具

钻具组合：KT178型取心钻具+Ø172 mm直螺杆+Ø178 mm钻铤+Ø172 mm钻铤+Ø114 mm加重钻杆+Ø127 mm钻杆

转速：转盘55 r/min+螺杆转速

钻压：5~40 kN

排量：30 L/s

本次取心设计在破碎地层，为防止钻井液冲刷岩心，采取投球取心的方式进行取心钻进。在1690~1691.64 m井段，取心钻进1.64 m，因设备异常提钻，获取岩心1.24 m，岩心采取率75.61%。岩心整体较完整（见图6），为地层岩石应力、物理性质测试提供了实物样本。岩心柱上端直径磨损至102 mm，可见孔底消耗岩心直径之严重。

图6 获取的岩心

Fig.6 Cores obtained

4 结语

（1）在硬岩地层，大钻压工况下，对钻头结构强度要求较高，在钻头设计时应特别加强钻头刚体的整体强度。

（2）在干热岩地层，地面驱动（转盘或顶驱）+井底动力钻具的复合钻进方式，是一种有效的取心钻进方法，提高机械钻速的同时，减少岩心直径的磨损，提高取心成功率。

（3）改进后，KT178型取心钻具逐渐成熟，满足以干热岩地层为代表的坚硬、破碎地层的取心需求，同时具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件。