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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (5): 1200-1208  
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引用本文
李立鑫, 张丰琰, 张恒春, 汪伟, 张毅, 胡郁乐. 2019. 深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨[J]. 中国地质, 46(5): 1200-1208.  
Li Lixin, Zhang Fengyan, Zhang Hengchun, Wang Wei, Zhang Yi, Hu Yule. 2019. A discussion on deep-well combined drill string technology for ultra-deep drilling engineering[J]. Geology in China, 46(5): 1200-1208. (in Chinese with English abstract).  

深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨
李立鑫1,2, 张丰琰1,2, 张恒春3, 汪伟1,2, 张毅1,2, 胡郁乐1,2,4    
1. 中国地质科学院, 北京 100037;
2. 中国地质调查局-中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037;
3. 中国地质科学院勘探技术研究所, 河北 廊坊 065000;
4. 中国地质大学(武汉), 湖北 武汉 430074
摘要: 深井复合钻柱技术是解决特深科学钻探超长钻杆柱可靠性问题的重要途径,其与设备能力、材料性能、钻进条件及管柱力学等息息相关。本文系统总结了复合钻柱技术在我国深部钻探中的发展和应用情况,在复合钻柱强度理论的基础上,探讨了不同复合钻柱的组合方案及其极限下深。研究结果表明,若以ϕ 216 mm直径终孔,仅依靠钢质钻柱已无法满足特深钻探13000 m的下深要求,而采用V150钢级ϕ 127 mm钻杆配合ϕ 127 mm钛合金钻杆及S135钢级ϕ 127 mm钻杆配合ϕ 129 mm铝合金钻杆可分别满足最大13484 m和18783 m的下深要求,钻柱总重分别仅有360.5 t和324.3 t,均具备可靠的安全性保障。本文对特深科学钻探用复合钻柱的设计和选择具有参考意义。
关键词: 松辽盆地    科学钻探    复合钻柱    极限下深    钛合金钻杆    铝合金钻杆    深地勘查工程    
中图分类号:P634            文献标志码:A             文章编号:1000?3657(2019)05-1200-09
A discussion on deep-well combined drill string technology for ultra-deep drilling engineering
LI Lixin1,2, ZHANG Fengyan1,2, ZHANG Hengchun3, WANG Wei1,2, ZHANG Yi1,2, HU Yule1,2,4    
1. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
2. China Deep Exploration Center, China Geological Survey&Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang 065000, Hebei, China;
4. China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei, China
Abstract: Deep-well combined drill string technology has become one of the most important scheme to solve the super-long drill string used for ultra-deep drilling project,which is related to equipment capacity,material property,drilling conditions and string mechanics. In this paper,the application and development of combined drill string technology in geological drilling are summarized systematically,the design scheme and its limitation length are discussed in detail on the basis of strength theory. The results show that the drilling mission with the depth of 13000m could not be finished by simply using pure steel combined drill string with the final borehole diameter being 216mm. By using drill string consisting of V150 steel drill pipe & titanium alloy drill pipe and S135 steel drill pipe & aluminum alloy drill pipe,the limitation depth and the weight of each combined drill string are respectively 13484m,18783m and 360.5,324.3t; in this way both of them own application reliability and advantage. These results have reference significance to the design and selection of deep-well combined drill string used for ultra-deep drilling project.
Key words: Songliao Basin    scientific drilling    combined drill string    titanium alloy drill pipe    aluminum alloy drill pipe    deep exploration engineering    

1 引言

科学钻探以获取深部未知地层的大量岩心为主要工程特征,具有隐蔽性和复杂性,是目前能直接获取地下实物资料的唯一技术方法,能够为地球系统科学、深部资源勘查、地质灾害预警等重大问题的研究提供实物支撑和数据保障(王达等,2007张金昌和谢文卫,2010许志琴等,2016)。进入21世纪以来,中国已相继实施了大别—苏鲁超高压变质带科学钻探(王达和张伟,2005)、汶川地震断裂带科学钻探(张伟等, 2012)、西藏罗布莎科学钻探(陈师逊等,2012)、腾冲火山地热构造带科学钻探(吴烨等, 2013)、铜陵矿集区科学钻探(王军等,2015)、松辽盆地大陆深部科学钻探等工程和项目(朱永宜和王稳石,2008闫家等,2019),为中国地球科学的发展和区域重大问题的决策做出了重要贡献(许志琴等,2005王成善等,2008戎合等,2013董树文等,2014邹长春等,2018),也为中国后续开展超万米特深科学钻探积累了宝贵的技术经验。

超万米特深科学钻探象征着一个国家的综合科技实力,也是世界各大国竞相开展的大型科学探索活动,具有成本极高、风险极大、技术极复杂的特点,钻孔的实施面临着高温高压、高地应力、超长钻柱、关键装备等一系列技术难题(张金昌和刘秀美,2014王达等,2018)。在这些迫切需要解决的关键技术中,超长钻柱是深井钻探过程中最为薄弱的环节,其可靠性直接决定着特深科学钻探的成败,尤其在深部井段高温高压的复杂环境下,钻柱受高温影响导致力学性能下降,易诱发钻杆断裂、碰撞变形等井下事故,钻柱的可靠性问题更需重点关注,钻柱在满足特深钻探超万米下深要求的同时必须具有更高的安全系数。

采用不同尺寸、不同壁厚及不同材料的钻杆组成的复合钻柱,既能满足钻柱的强度要求,提高钻柱的整体安全性能,又能减轻钻柱的重力,允许在一定钻机负荷能力下钻至更大的井深,已成为超长钻柱领域十分重要的研究方向,是实现特深科学钻探用高性能超长钻柱最为有效的解决方案。本文总结了复合钻柱技术在深部钻探中的应用情况,对复合钻柱技术在特深钻探中的应用进行了探讨,基于复合钻柱强度理论,研究了不同钢质复合钻柱和轻质合金-钢复合钻柱的极限下深问题,提出了适用于13000 m特深钻探的轻质合金-钢复合钻柱组合方案,指出复合钻柱技术是未来特深钻探的重点研究方向。

2 复合钻柱技术的应用现状与发展趋势

国外复合钻柱技术主要包括钢质接头-铝合金杆体复合钻柱、钛合金钻杆-钢质钻杆复合钻柱、铝合金钻杆-钢质钻杆复合钻柱等形式。钢质接头-铝合金杆体复合钻柱技术曾在前苏联的钻探工程中大量应用,创造了kola SG-3井12262 m的垂深世界纪录。钛合金钻杆-钢质钻杆复合钻柱和铝合金钻杆-钢质钻杆复合钻柱目前主要应用于水平井、大位移井的造斜井段,充分发挥铝合金和钛合金钻杆弯曲应力小、造斜能力强的特点,多配合井下动力钻具完成短半径造斜作业,当造斜结束后,再换回钢质钻杆继续钻进,目前已于美国、俄罗斯、卡塔尔等国家取得了成功的应用,完成了工厂化丛式井、页岩气水平井、油气田大位移井等复杂结构井的造斜任务(袁文义和张泉海,2006Kamel and Yigi, 2014Lee et al., 2014冯春和杨尚谕,2017)。

复合钻柱技术在我国也被广泛应用于各类型钻探、钻井作业,早期多使用上部高强度钻杆和下部低强度钻杆组成的复合钻柱,达到降低作业成本的目的。随着钻探、钻井深度的不断增加,复合钻柱技术逐渐开始使用上部大直径钻杆和下部小直径钻杆组成复合钻柱,可大幅度提升钻机的极限钻深,实现小型钻机钻至更大井深的目的,其特点对地质钻探而言尤为重要。在被誉为“中国岩金勘查第一深钻”的山东莱州三山岛矿区ZK96-5钻孔的施工中,通过使用塔式复合钻柱(自下而上依次为NQ钻头钻具+ ϕ 71 mm钻杆+变丝接手+HQ钻杆)和同径复合钻柱(自下而上依次为NQ绳索钻头钻具+ ϕ 71 mm钻杆+变丝接手+ ϕ 60 mm高强度特质钻杆),在当时绳索取芯地质钻杆仅具备3000 m下深能力的情况下,成功完成了钻深4000 m、终孔直径75 mm的钻孔任务,证明了深孔钻探时使用复合钻柱的可行性(陈师逊和杨芳,2014)。

松辽盆地大陆深部科学钻探2号井(以下简称松科二井)通过首次钻穿松辽盆地白垩纪陆相地层,完钻井深7018 m,在能源勘探、气候演变、钻探技术等领域取得了一系列重要成果(张伟,2016李宁,2017)。松科二井在深部井段采用了复合钻柱技术,施工过程中未发生因钻柱强度问题引起的井下事故,各井段应用的钻具组合如图 1所示,可以看出,松科二井在上部井段(一开至四开)正常钻进过程中均采用单一直径的钻杆柱设计。而随着井深的不断增加,在深井井段(进入五开后)开始,为满足悬渣循环要求和管柱通径,采用不同直径的钢质钻杆复合钻柱设计。钻孔五开和加深段均采用S135钢级ϕ 88.9 mmDP + ϕ 139.7 mmDP的复合钻柱组合方案,可满足最大近万米的钻孔下深需求。

图 1 松科二井各井段钻具组合应用情况 Fig. 1 Application of drill tool assembly in each section of SK-2 borehole

随着井深的增加,复合钻柱技术的应用优势越发明显,不仅可以增强整个钻柱的服役安全性,避免了在深井作业过程中因钻柱强度导致的井下事故,还可以大幅度降低大钩载荷,显著提升钻机的钻深能力。对于特深科学钻探面临的超长钻柱安全问题,需研究应用复合钻柱技术并设计组合方案。

3 复合钻柱技术在特深钻探中的应用研究 3.1 复合钻柱的设计方法及选用参数

复合钻柱的设计包括钻铤柱和钻杆柱两部分。钻铤柱长度的确定需同时满足中性点位于钻铤上并提供足够钻压。在钻柱最大允许抗拉力的基础上,钻柱理论长度设计综合考虑钻杆安全系数、卡瓦设计系数和拉力余量,以满足钻柱的强度要求,计算方法如下(楼一珊等,2013)。

钻铤柱长度计算:

(1)
(2)
(3)

式中:KS—钢材浮力系数;ρM—钻井液密度,g/ cm3ρC—钻铤密度,g/cm3LCT—理论钻铤柱总长,m;WD—钻井工艺要求最大钻压,m;SN—钻铤安全系数;qC—钻铤线重,kN/m;LC—实际钻铤柱总长,m;α—钻铤所在位置的井斜角,°;lC—单根钻铤长度,m。

钻杆柱长度计算:

(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

式中:FPi—第i段钻杆最大允许抗拉力,kN;SP—最大允许抗拉力系数;FYi—第i段钻杆整体抗拉强度,kN;FAi—第i段钻杆最大安全静拉力,kN;SDSK—分别为钻杆安全系数和设计系数;FR—拉力余量,kN;Ki—第i段钻杆材料的浮力系数;ρi—第i段钻杆材料的密度,g/cm3LPTi—第i段钻杆柱理论设计长度,m;qPi—第i段钻杆线重,kN/m;LPi—第i段钻杆柱实际长度,m;lP—单根钻杆长度,m;LL—钻柱总长,m;n—钻柱共用不同类钻杆的总段数;WL—钻柱总重,t。

计算所用钻探工艺参数及钻探管材参数见表 1表 2。因钻铤所在位置不可避免的存在井斜,为保证中位点位于钻铤上,计算过程设定井斜角为3°;考虑到钻杆柱与井壁摩擦产生的提升摩阻、卡钻附加的提升拉力等情况,设定钻杆安全系数为1.3。

表 1 特深钻探复合钻柱用设计参数 Table 1 Design parameters of combined drill string for super-deep drilling
表 2 计算用钻井管材主要参数 Table 2 Main parameters of drilling pipe used for calculation
3.2 钢质钻杆复合钻柱的极限下深

基于前述计算方法,参照松科二井加深段复合钻柱的应用方案,通过式(1)~(10)计算出的不同钢质复合钻柱组合方案如表 3所示。由表 3可以看出,在终孔直径ϕ 152 mm的钻孔中,松科二井所用复合钻柱组合方案(使用S135钢级)最大可满足9936.2 m的下深要求,若将钻杆升级为V150钢级后,可满足11088 m的极限下深,较S135钢级方案提升11.59%,钻柱总重由303.9 t提升至337.9 t,重量提升11.19%。若将复合钻柱中直径ϕ 39.7mm的钻杆更换为ϕ 127 mm的厚壁钻杆,复合钻柱的极限下深还能再增加403 m,达到11491 m。因此,若是需要钻成一口13000 m井深的特深井,仅使用钢质钻杆组成的复合钻杆柱易因自重被拉断,已无法满足特深钻探的使用要求。为了能够下入更多种类和功能的井下观测仪器,特深钻探的终孔直径尽可能扩大至ϕ 216 mm,在这种情况下,采用V150钢级的ϕ 127 mmDP+ ϕ 168.3 mmDP组成的复合钻柱仅能够满足8270.7 m的极限下深,更无法满足万米深孔的工艺要求。

表 3 钢质复合钻柱组合方案 Table 3 Combined drilling string scheme consisting of steel drill pipe
3.3 轻质合金-钢复合钻柱在特深钻探的应用分析

由于单纯使用钢质钻杆无法满足特深钻探的要求,必须在钻柱中使用轻质合金材料。现阶段较为成熟的轻质钻杆主要有钛合金钻杆和铝合金钻杆两种,其性能特点见表 4。相比于钢质钻杆,轻质合金钻杆质量轻,可显著降低钻机载荷,铝合金钻杆和钛合金钻杆的比强度分别为钢质钻杆的1.0~ 3.0倍和1.0~2.4倍(于荣华和袁鹏斌,2011),比强度优势明显,其中,铝合金钻杆具有最佳的比强度优势,而钛合金钻杆则具有更为优异的耐高温性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能,可满足特深钻探高温高压环境的服役要求(王小红等,2014查永进等,2017付毓伟等,2017梁健等,2017)。图 2对比了由单一材质钻杆组成的钻柱在理论直井中的最大下深,计算选用表 2所示ϕ 127mm的V150级钢质钻柱、ϕ 127 mm的BHTG105钛合金钻柱以及ϕ 129 mm的DT II铝合金钻柱,在不考虑钻井过程中钻柱弯曲、摩擦井壁等因素的情况下,铝合金钻柱和钛合金钻柱的理论最大下深分别为钢质钻杆的1.62~3.26倍和1.05~1.73倍。

表 4 不同材质钻杆的性能对比 Table 4 Comparison of drill pipes made by different materials
图 2 不同材质钻柱在理想直井中的理论下深 Fig. 2 Theoretic lengths of drill pipes made by different materials in an ideal vertical well

鉴于轻质合金钻杆极限下深大的特点,采用下部为轻质合金钻杆、上部为钢质钻杆组成的复合钻柱技术方案,充分发挥出钢质钻杆刚度大、综合性能好的特点以及轻质合金钻杆质量轻、比强度高的优势,即可有效提升复合钻柱的下深极限,解决13000 m特深科学钻探面临的超长钻柱问题。

表 5为基于前述复合钻柱设计方法计算获得的轻质合金钻杆和钢钻杆组成的复合钻柱方案,在直径ϕ 152 mm终孔的条件下,采用钛合金钻杆和铝合金钻杆后,复合钻柱的极限下深分别达到14698 m和19431 m,足以满足特深钻探的实际需求,其钻柱总重分别为337.8 t和304.2 t,较前述钢质复合钻柱方案分别下降6.22%和15.55%,可有效降低钻机的钩载负荷。若设计终孔直径为ϕ 216 mm时,采用V150钢级ϕ 127 mm钻杆配合ϕ 127 mm钛合金钻杆,可满足最大13484 m的下深要求,在极限下深条件下,该复合钻柱仅有360.5 t。而采用更为轻质的ϕ 129 mm铝合金钻杆,仅配合S135钢级的ϕ 127 mm钻杆即可将复合钻柱的极限下深提高至18783 m,此时极限下深状态下的复合钻柱总重仅有324.3 t,显著降低了钻机负荷。若选取钩载储备系数为1.8时,表 5所示方案5和方案6所需要的大钩载荷分别为648.9 t和583.74 t,选用现有9000 m石油钻机(大钩载荷675 t)即可满足使用要求,为选用较低级别钻机完成特深钻探提供了可能。此外,采用轻质合金-钢复合钻柱技术后,13000 m钻孔的终孔直径可由ϕ 152 mm增加至ϕ 216 mm,为特深钻探较大口径完钻提供了可行方案。

表 5 轻质合金-钢复合钻柱组合方案 Table 5 Combines drilling string scheme consisting of lightweight alloy & steel drill pipe

在终孔直径ϕ 216 mm的条件下,不同复合钻柱组合在距井底一定位置处的横截面所承受的重量和安全比值(钻杆可承受最大拉力与浮重的比值)随距离井底长度变化的曲线如图 3所示。由图可以看出,3种复合钻柱方案在极限下深长度内,均具有可靠的安全性,纯钢质复合钻柱、钛合金-钢复合钻柱和铝合金-钢复合钻柱的最小安全比值分别为1.58、1.58和1.59,但采用轻质合金钻杆后,复合钻柱的安全比值较纯钢质钻柱更高,具有明显的可靠性优势。随着复合钻柱横截面位置上移,距离井底长度的增加导致下部钻柱重量增加,复合钻柱的安全比值逐渐降低,但在不同材料钻杆的连接部位,安全比值出现跳变增加,表明在复合钻柱上部使用更高强度材质的钻杆可有效增加钻柱的可靠性,相比于仅使用单一轻质合金钻柱,复合钻柱的可靠性更高。因此,在特深科学钻探中采用轻质合金-钢复合钻柱方案,可提供更为有效的安全性保障,应用潜力巨大。

图 3 距井底不同距离处不同复合钻柱重量和安全比值的变化 Fig. 3 Weight and safe ratio of different combined drill string changes with the length to the bottom of borehole
4 结论

结合松科二井等复合钻柱的工程实例以及特深科学钻探未来的技术需求,论文运用复合钻柱强度理论对复合钻柱技术进行了分析研究,获得结论如下:

(1)在终孔直径为ϕ 216 mm的前提下,采用不同直径钢质复合钻柱最大可以满足8270.7 m的钻井深度,对于超万米特深钻探而言,单纯依靠钢质钻杆组成的复合钻柱已无法满足13000 m特深科学钻探对超长钻柱的需求。

(2)在特深科学钻探领域,采用钛合金-钢复合钻柱和铝合金-钢复合钻柱可以满足13000 m钻孔的下深需要,而且在使用安全性方面具有明显的优势,应用潜力巨大。

(3)采用V150钢级ϕ 127mm钻杆配合ϕ 127 mm钛合金钻杆和S135钢级的ϕ 127mm钻杆配合ϕ 129 mm铝合金钻杆组成的复合钻柱分别仅有360.5 t和324 t,大幅降低了钻机的大钩载荷,为使用小钻机实现特深钻探提供了可能。

致谢: 本文在写作过程中得到了中国地质调查局王达教授、张伟教授和贾军教授的建议,在此表示衷心的感谢。

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