周口力王钻具有限公司怎么样？
周口力王钻具有限公司是2018-07-25在河南省周口市沈丘县注册成立的有限责任公司(自然人独资)，注册地址位于河南省周口市沈丘县沈丘槐店回族镇华佗路472号。
周口力王钻具有限公司的统一社会信用代码/注册号是91411624MA45HXRU9A，企业法人金天运，目前企业处于开业状态。
周口力王钻具有限公司的经营范围是：购销：矿山机械及配件、探水钻杆、麻花钻杆、地质钻杆、B19钻杆、B22钻杆、钻杆接头、 钻尾、搅拌器、注水器、截齿、金刚石复合片钻头、煤钻头、锚杆钻头、齿套、齿座、锚具、刮板机配件、喷枪机配件、五金电料、钢材、电器、橡胶管。（涉及许可经营项目，应取得相关部门许可后方可经营）。本省范围内，当前企业的注册资本属于一般。
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双管钻具
双动双管钻具是指具有内、外两层岩心管并在钻进时同时回转的取心工具。此种钻具多用于硬质合金钻进,适用在可钻性为1～7级的松软、易坍塌,怕冲刷的岩矿层。也有极少数双动双管钻具采用钢粒钻进,适用于可钻性7级以上的破碎、怕冲刷的岩矿层。采用双动双管钻具钻进可以避免冲洗液对岩矿心的直接冲刷和钻杆柱内水柱的压力,对岩矿心的采取质量有良好的影响。但是出于内外管同时转动,会出现钻具振动、摩擦等机械力对岩矿心的破坏作用。
硬质合金双动双管钻具的结构如图4-2所示。
图4-2 硬质合金双动双管钻具
1—回水孔;2—双管接头;3—球阀;4—阀座;5—外管;6—内管;7,8—内、外钻头
双动双管钻具的外管钻头与一般单管钻具的钻头一样。内管钻头的水口较小,甚至不开水口。通常内、外钻头沿轴向保持一定差距,其大小取决于地层条件,一般为30～50mm。若所钻进的岩矿层松软、胶结性差,则差距应大,反之则小,甚至为零。当钻进胶结性较大的岩矿层时,可采用外肋骨式钻头。钻进坚硬岩矿层时,可采用外径上部开有水槽的厚壁钢粒钻头。岩心管的长度一般为1.5～2.0m。
钻进时,冲洗液由钻杆经双管接头的水眼进入内、外管的环状闽隙,再到达孔底进行冷却钻头和清洁孔底,再沿外管与孔壁间隙返回地表,因而避免了冲洗液对岩矿心的直接冲刷,碎块岩心也不易流失。存在于内管中的冲洗液,随着岩矿心的不断进入内岩心管而受到挤压,冲开球阀,经双管接头回水孔泄到钻具之外,与冲洗液汇合返回地表。
(一)双管钻具的分类
双管钻具按内管在钻进过程中相对于外管是否旋转来区分,将其分为单动双管和双动双管钻具。
为了适应不同类型地层取心的需要,单动双管钻具也有多种。有些具有较广泛的适应性,可用于多种性质的岩矿层的取心,有的则只适合于某些具有特殊性质的岩矿层,使用范围不广,但具有很突出的专用性。以下将分别介绍具有各种特点的典型单动双管钻具。
1.隔水单动双管
该钻具适用于可钻性为3～7级中硬破碎、节理层理发育、易流失的怕磨、怕振的岩矿层。
钻具由外管接头、单动装置、内外管、卡心装置和特制的隔水钻头等五部分组成。如图4-3所示。
图4-3 隔水单动双管钻具
1—外管接头;2—油堵;3—开口销;4—螺母;5—轴承垫圈;6—止推轴承;7—轴承套;8—螺丝套;9—密封圈;10—单动轴;11—外管;12—挡销;13—球阀;14—胶皮圈;15—回水阀座;16—内管;17—内管接箍;18—导向块;19—内管短节;20—卡簧座;21—卡簧;22—合金钻头
2.阿氏单动双管
该钻具适用于煤层或可钻性在1～3级的软硬不均、层次变化频繁的岩矿层钻进和取心。
钻具主要由异径接头、连接器、缓冲装置、单动装置、内外管、内外管接头及岩心容纳器等部件组成。
如图4-4所示,在异径接头上拧接带两个滑块的空心拉杆,拉杆下部顺次连接分水接头及带密封盖的保护管,接头中能自由通过支撑杆,再用内管接头与内管连接,内管中装有半合岩心容纳管,内管下端拧接内管钻头。连接于外管的外钻头带有岩心爪簧。连接器的上部有两个纵向切口(缺口),拉杆的滑块能在切口中移动,钻杆上的扭矩及压力以钻杆通过滑块、连接器传至外管。为了使接手切口不被岩粉充填和挤夹,滑块在异径接头上拧接一个保护管。
(二)双管钻具的配制
1.双动双管钻具的配制
双动双管钻具主要由双管接头、内外岩心管、内外钻头和单向回水球阀等组成。
第一步:准备工作。将需要的双动双管接头,内、外岩心管,内、外合金钻头,拧卸工具备齐。
第二步:首先将双管接头与内管连接好。
第三步:将外管连接于双管接头上。
第四步:将内、外管钻头连接于内、外管上,注意先连接内管钻头,然后再连接外管钻头。
钻具配装程序为:
地勘钻探工：初级工、中级工、高级工
图4-4 阿氏单动双管钻具
1—异径接头;2—保护管;3—连接器;4—拉杆;5—塞线;6—塞线压帽;7—分水接头;8—弹簧;9—保护管;10—缓冲止推座;11—密封盖;12—锁紧螺母;13—支撑杆;14—内管接头;15—阀座;16—内管;17—岩心容纳管;18—外管;19—爪簧环;20—外钻头;21—内钻头;22—调节螺丝;23—止动器;24—岩心爪簧;25—球阀;26—止推球阀
2.双动双管钻具的确定原则及检查
1)内管长度的确定:内管长度的确定主要根据目的层性质而定,一般长度为1.5～2.0m;在取心困难的目的层中钻进时,一般为1.0～1.5m。
2)外管长度的确定:内管长度确定后,外管长度则根据目的层越松软,胶结性越差,则外管越短的原则确定,一般内外管长度差为50～70mm,在稍硬地层中钻进时,一般为30～50mm。
3)内、外管所用钻头为一般单管普通合金钻头。
4)内管钻头的水口应比外管钻头的水口小,其高度一般为6～8mm;钻进怕冲刷的岩土样,可以不开水口。
5)检查双动双管接头的水路是否堵塞,回水阀是否起作用。
6)检查内、外岩心管是否符合要求,丝扣是否磨损、连接后同心度误差是否过大等。
3.单动双管钻具的配制
第一步:准备工作。将所需要组装的单动双管接头、内外岩心管、单动装置(或零件)、内管短节、卡簧及座、钻头、拧卸工具备齐。
第二步:将单动装置零件(编号8～19)组装在心轴上,构成单动装置。
第三步:将单动装置放入轴承外壳内,并在下部上紧球阀座。
第四步:将套筒与轴承外壳用丝扣连接上紧。
第五步:将整个单动装置通过心轴与异径接头连接上紧。
第六步:将内管连接于轴承外壳上。
第七步:将带好扩孔器的外管连接于异径接头上。
第八步:在内管内装入内管短节、卡簧座和卡簧。
第九步:最后上好金刚石钻头。
钻具配装程序为:
地勘钻探工：初级工、中级工、高级工
4.组配单动双管钻具的注意事项
1)组配钻具前,应严格检查内外管的垂直度和同心度必须符合要求,内、外管不得弯曲变形,否则会影响单动性能和取心效果。
2)拆、装钻具时,要使用专用工具,严禁使用管子钳拆卸,以免夹扁或咬伤内、外管。
3)要重点检查单动装置是否灵活可靠,轴承是否有卡死现象。
4)异径接头与球阀座上的通水道是否畅通,有无堵塞现象。
5)钻具卡簧座底端与钻头内台阶的距离应调整为3～4mm;扩孔器外径比钻头外径大0.3～0.5mm;卡簧自由内径比钻头内径小0.5mm。
6)装配好的钻具在垂直吊起时内管短节与卡簧座不得自由脱落。
7)内、外管在搬移时不能猛力拖拉或撞击;存放时要摆平,不得重压。
钻具结构
科学超深井取心钻具应用在高温、高压及地应力强烈释放的地层条件下，由孔底动力冲击回转驱动，应具备以下条件：
1）有足够的强度、刚度、稳定性，以确保恶劣工况下的安全性；
2）可靠的单动性能在超深井高温、高压、高密度钻井液环境中不失效，保障岩心采取率和原状性；
3）合理的钻头内、外径与内、外管间隙配合，以实现同等钻孔直径下，钻头切削面积最小化。
石油天然气钻井只进行点取心，且所采用的取心结构碎岩面积大，不利于长井段高效连续取心作业。KT型取心钻具有CCSD-1井4638m取心的成功经验，又经SK-1井（主孔）强塑性泥岩、弱胶结砂岩及致密泥页岩等多变地层，和WFSD-2、WFSD-3孔极破碎地层的实践与提高，已具备在超深孔高温、高围压、地应力释放强烈的条件下和深孔多变复杂地层进行取心钻进的功能。
图2.1 KZ型单动双管钻具结构
选用图2.1所示KT型单动双管钻具结构为13000m科学超深井提钻取心钻具，其结构特点是：
1）单动机构由上、下两盘高强度推力球轴承、轴承腔及心轴组成。轴承腔为外总成的一部分，为高强度大轴承提供了空间；无密封橡胶件的全泵量开式强制润滑、轴承腔内部微循环清垢设计，使得钻具不受高温、高压及高密度钻井液的影响。
2）悬挂机构与单动机构连为一整体，内总成通过丝扣与心轴连接悬挂，采用高强度背帽和弹性垫圈防松，同时，实现了心轴与内管接头螺纹调节钻头内台阶与卡簧座的间隙。
3）心轴通孔中的台阶与钢球组成自动泄压单向阀，正常取心钻进时，钻井液通过心轴侧流通道及轴承腔水眼流向内、外管环状间隙，随着岩心的不断进入，内管压力升高阻碍岩心入管时，即顶开单向阀钢球自动泄压平衡管内、外压力。
2.1.1 规格设计与管材选型
2.1.1.1 取心钻进技术方案
13000m科学超深井拟定两种套管程序和钻进施工程序：一是采用超前孔裸眼钻进方法施工，二是采用等井径钻井方法。两种程序均采用Φ250mm（≯7500m井段）、Φ215.9mm（＞7500m井段）两种规格钻头进行点取心作业。
我国通过中国大陆科学钻探工程CCSD-1井、松辽盆地大陆科学钻探计划SK-1井（主井）、汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）工程等三大工程，形成了科学探井取心钻进口径Φ150～156mm、岩心直径Φ95mm的技术参数。这不仅因为该直径的钻孔可取Φ95mm的岩心，可满足地学研究对岩心的要求，还因这一口径与石油钻井的Φ152mm井眼直径相近，可以直接套用石油钻井上成熟的井口与井下工具，同时也具有较好的技术经济性。近年来，高效、低成本、环保的小井眼、微小井眼钻井技术迅速发展，已成为石油天然气钻井工程的重要发展方向，我国塔深一井采用Φ149mm口径在8408m取心成功，充分证明Φ150～156mm口径可用于超深孔取心钻进。因此，可将Φ150～156mm口径取心钻具作为备选方案，用于难钻进的长井段连续取心作业，可节约取心钻进的时间、经济成本。
超前孔裸眼钻进方法在9500～11500m井段、等井径钻进方法在7500～11500m井段，设计全面钻进钻头直径均为Φ269.9mm。超深井段针对高硬度的结晶岩地层进行碎岩方式设计，即使是全面钻进和扩孔钻进，首选也采用了涡轮马达驱动孕镶金刚石，因此，还可以将Φ269.9mm口径取心钻具作为该井段备选方案，供比较选择。13000m科学超深井取心技术方案设计见表2.1和表2.2。
表2.1 取心钻进技术方案（超前孔裸眼钻进方法）
表2.2 取心钻进技术方案（等井径钻进方法）
2.1.1.2 规格设计与管材选型
设计4种规格取心钻具（表2.3）。除KT140钻具内管使用地质管材外，其他钻具内、外管都选用API标准石油套管。
表2.3 取心钻具规格设计
2.1.2 钻具组合
2.1.2.1 超前孔裸眼钻进方法
（1）0～7500m（一开～四开）
首选：250mm取心钻头+178mm液动锤+172mm螺杆马达（172mm涡轮马达）+248mm扶正器+178mm钻铤+127mm钻杆。
备选1、2：152mm取心钻头+127mm液动锤+120mm螺杆马达（127mm涡轮马达）+151mm扶正器+121mm钻铤+89mm钻杆+127mm钻杆。
（2）7500～9500m（五开）
首选：216mm取心钻头+172mm涡轮马达+214mm扶正器+178mm钻铤+127mm钻杆。
备选1、2：152mm取心钻头+127mm液动锤+127mm涡轮马达+151mm扶正器+121mm钻铤+89mm钻杆+127mm钻杆。
（3）9500～11500m（六开）
首选：216mm取心钻头+172mm涡轮马达+214mm扶正器+178mm钻铤+127mm钻杆。
备选1：152mm取心钻头+127mm液动锤+127mm涡轮马达+151mm扶正器+121mm钻铤+89mm钻杆+127mm钻杆。
备选2：270mm取心钻头+195mm涡轮马达+267mm扶正器+203mm钻铤+178mm钻铤+127mm钻杆。
（4）11500～13000m（七开）
216mm取心钻头+172mm涡轮马达+214mm扶正器+178mm钻铤+127mm钻杆。
2.1.2.2 等井径钻进方法
除五开备选方案2，其余同超前裸眼钻进方法取心钻具组合。
7500～9500m（五开）备选2：270mm取心钻头+195mm涡轮马达+267mm扶正器+203mm钻铤+178mm钻铤+127mm钻杆。
2.1.3 外总成螺纹设计
2.1.3.1 牙型选择
科学超深井取心钻具处在井内钻柱的最下端，由螺杆（或涡轮）马达（+液动锤）高速回转（冲击）钻进，是整个钻柱最薄弱的环节。外总成螺纹设计受到钻具结构的限制，其外管螺纹是粗径钻具最为薄弱的地方，因此，外管螺纹强度决定了取心钻具的强度，并限制着整个取心钻进时的钻进参数。
KT140在CCSD-1井中就采用了不带锥度的大螺距高强偏梯形螺纹，取得了很好的效果，并在其后的SK-1井（主井）、WFSD工程中应用。其特点是：采用了8mm螺距、2mm牙高和5°牙型斜角，在保持螺纹高强度的同时兼顾螺纹密封性；外端面采用15°密封角，进一步加强螺纹密封性能。近年来，随着石油天然气钻井取心深度的和增加，也在改进取心钻具外总成螺纹，如新研制的川7-5型取心钻具，就将其外总成螺纹也由传统的三角螺纹改为偏梯形螺纹。因此，科学超深井外管可选用图2.2所示的偏梯形螺纹牙型。
图2.2 高强螺纹结构示意图
2.1.3.2 抗扭测试
为验证所选牙型的抗扭强度，对螺距6mm、牙高1.2mm的同样扣型，在无锡钻通工程机械有限公司进行了抗扭测试。螺纹设计上扣扭矩8～10kN·m、最大安全扭矩12kN·m。在该公司的扭矩测试台上，螺纹预上扭矩4.6kN·m后开始逐级加载，加到12.7kN·m时公母螺纹无位移、无异样，13.3kN·m时发生轻微线位移（周向6mm，试件外径Φ140mm）但无损伤，加载至15kN·m发生周向线位移12mm仍无损伤如图2.3（a），自16kN·m加至17kN·m时扣端挤损，发生大幅度位移，如图2.3（b）所示。试件坯料选用的40Cr材质，调质到HRC30～32，如钻具正规设计选用石油套管Q125、P110钢级，接头端面抗挤压能力会进一步提高，螺纹的抗扭强度还会增加。而且，所设计的四种钻具将分别采用8mm和12mm螺距、2mm和3mm牙高，因此，所选螺纹牙型完全满足钻具的抗扭要求。
图2.3 测试实验
2.1.3.3 螺纹副加强优化
KT140钻具螺纹虽已应用至5000多米深的钻井，但未经超深井考验。从钻具结构分析及应用情况来看，外管与轴承腔的连接螺纹最易出现胀扣、粘扣、不易卸扣和根部断扣等现象。对超深部取心钻具外管上端与轴承腔、轴承腔与上接头连接螺纹副做如下加强改进（图2.4）：外管上端墩粗形成内加厚端；螺纹根部设计应力槽；螺纹采用1∶5～1∶10的锥度；KT194、KT219、KT245钻具螺距为12mm、牙高3mm。该螺纹副增强了外管内螺纹强度，加强了高温、高压环境中的密封性，根部应力集中情况大幅度减轻。
图2.4 加强螺纹副示意图
钻头、扩孔器都处于钻柱最底端，工作状态相对稳定，扭矩、弯矩不易在此集中，且外管下端因结构限制不能采用内加厚形式，因此，钻头与扩孔器、扩孔器与外管下端螺纹副仍采用不带锥度、不加厚螺纹，设置根部应力槽。
2.1.4 中、长钻程钻具及其扶正设计
2.1.4.1 方案设计
提下钻速度、机械钻速及回次长度三因素决定科学超深井取心钻进总效率。提下钻速度在选定施工设备时即已确定；地层的可钻性级别很大程度上制约着机械钻速的提高，通过改进钻头切削方式和结构、使用合适的驱动方式和钻进参数，可在一定范围内提高机械钻速；而提高回次进尺是可以成倍增加超深井孔取心钻进效率的技术手段，且随着孔深增加，这一优势将随之增大。
我国CCSD-1井已研制并成功使用9m取心钻具，这一长度配合自主研发的螺杆钻+液动锤二合一孔底动力驱动金刚石硬岩取心技术，在结晶岩地层成功钻达5180m。为进一步提高5000m以深取心钻进效率，拟使用岩心管对接方式提高回次长度，实现中、长钻程取心钻进，方案如下：
设计图2.5所示可内、外扶正的中间扶正器，连接上、下两根外管；上、下内管采用带卡簧的连接卡簧座连接；中间扶正器与连接卡簧座错位（如图2.6配合关系，中间扶正器在上），便于孔口操作。
图2.5 中间扶正器
图2.6 内、外扶正配合关系
2.1.4.2 组装、入井
采用对接的中、长钻程钻具将达到2～3个单根长度，不能采用地表一次性安装的作业方法，需分段在地表、孔口组装，装配、入孔顺序如下：
第一步：地表组装单动总成，并与上外管和上内管连接，组成钻具的上总成；将中间扶正器及下扩孔器、钻头与下外管连接，组成下外总成；连接卡簧座、卡簧座与下内管连接，组成下内总成。
第二步：将上总成提至孔口，在小鼠洞内将上内管与下内总成连接；再连接上外管和下外总成，完成整个取心钻具的组装并下井。
2.1.4.3 接单根
在进行中、长钻程取心过程中，要进行接单根作业。一种方式是上提钻具割断岩心，完成接单根后顶松卡簧继续取心钻进。第二种方式是钻头不离开井底，借助滑动接头或顶驱实现连续取心钻进。石油钻井采用中、长钻程取心钻具取心，多借助滑动接头来完成接单根操作。取心钻进时，靠六方滑动管和六方滑动套传递扭矩和钻压，接单根时提起六方滑动套（六方滑动管可在六方滑动套内上下滑动），保证取心钻头不离开井底。
20世纪80年代，顶部驱动钻井装置研制成功，随着技术的日益成熟，在石油天然气钻井中迅速推广。顶驱技术改变了传统的方钻杆传递扭矩和接单根方式，中、长钻程取心钻进可借助顶驱一次不中断钻进1根立柱。
钻具包括哪些
钻具包括一体钻、三体钻、干钻、陶瓷钻、玻璃钻。地质钻具、东营钻具、非开挖钻具 、工程钻具 、回转钻具 、矿山钻具 、矿用钻具 、螺杆钻具 、偏心钻具。钻井中常用的钻具组合中包括稳斜钻具、降斜钻具、防斜钻具、造斜钻具、增斜钻具、几何导向钻井系统和地质导向钻井系统等。造斜钻具使斜井达到一定的造斜率(每30m的井斜增值)，是通过选用不同造斜能力的斜向器和相 应的钻具组合来实现的。采用弯接头和井下动力钻具组合进行定向造斜或扭方位施工的原理是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使并下动力钻具(螺杆钻具或涡轮)驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。并且造斜钻具的造斜能力与弯接头的弯曲角和弯接头上边的钻铤刚性大小有关。弯接头的弯曲角越大，弯接头上边的钻铤刚性越强则造斜钻具的造斜能力也越强，造斜率也越高。
增斜钻具用于增加斜井段待钻部分的井斜角。增斜钻具组合一般采用双稳定器钻具组合。增斜钻具是利用杠杆原理设计的。它有一个近钻头足尺寸稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之问钻铤的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率大小确定，一般为20—30m。两稳定器之间的钻铤在钻压作用下，产生向下的弯曲变形，使钻头产生斜向力，井斜角随着井眼的加深而增大。
稳斜钻具的作用是使井眼轨道沿当前井底切线方向，保持井斜角和方位角不变钻进。稳斜钻具组合是采用刚性
满眼钻具结构，又称刚性配合钻具。刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力；同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。
降斜钻具用于定向井中降低井眼轨道的井斜角。防斜钻具用于直井中抑制和防止井斜的产生。降斜钻具一般采用钟摆钻具组合和塔式钻具组合。
井下动力钻具井下动力钻具又称井下马达，包括涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具三种。日前我国常用的是螺杆钻具。动力钻具接在钻铤之下，钻头之上。在钻井液循环通过动力钻具时，驱动动力钻具转动并带动钻头旋转破碎岩石。动力钻具以上的整个钻柱都可以不旋转。这种特点对于定向造斜是非常有利的
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山西风雷钻具有限公司是2004-09-28在山西省临汾市注册成立的有限责任公司(自然人投资或控股的法人独资)，注册地址位于山西省侯马市风雷厂。
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山西风雷钻具有限公司的经营范围是：生产、销售：钻具产品、机械产品、、原辅材料、仪器仪表、机械设备零配件、钻采设备及配件、丝扣及丝扣保护器、油管、套管、钻杆、钻铤、加重钻杆、工具接头成品及半成品、石油输送管；经营本企业生产、科研所需的机电产品、成套设备及相关技术服务；自营和代理各类商品和技术的进出口业务；钻具检测；钻具设备租赁；房屋租赁。(依法须经批准的项目，经相关部门批准后方可开展经营活动)。在山西省，相近经营范围的公司总注册资本为230795万元，主要资本集中在5000万以上规模的企业中，共12家。本省范围内，当前企业的注册资本属于一般。
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单管钻具和取土器
(一)常用单管钻具
在岩心钻探和工程钻探施工中,将单层岩心管钻具简称为单管钻具。单管钻具是常用的一种钻进方法,广泛用于完整致密、不怕冲刷的3～7级岩层和岩心采取要求不高的岩层。
单管钻具结构很简单,如图4-1所示。单管钻具一般由岩心管、岩心管接头和钻头(钢粒钻头、合金钻头和金刚石钻头)组成。当钻孔内岩粉较多时或孔内有掉块时,可配接取粉管钻进。
图4-1 单管钻具结构示意图
装配单管钻具时,丝扣必须吻合,过松或过紧时都应及时予以更换。
常用单管钻具是以钻头所采用的切削具(研磨材料)名称来命名的。如切削具(研磨材料)为钢粒、硬质合金或金刚石时,则单管钻具分别称为钢粒单管钻具、硬质合金单管钻具或金刚石钻头单管钻具。
单管钻具钻进的钻孔直径较大,最小钻孔直径为75mm,最大则可达1m以上。
单管钻具的岩心管必须垂直,外观不得有明显变形现象,其长度一般在4m左右;易斜层应保持7～9m左右,过长会影响粗径钻具的刚性,过短则导向性能差。
(二)常用取土器
在工程地质钻探中,为获得准确的工程地质资料,施工中就必须采取样品。样品包括岩石样品、水样品等。
样品根据在采取过程中受扰动的程度可以分为原状样品和扰动样品。
所谓原状样品是指天然成分和结构未被破坏的样品。用原状样品可以测定土层在自然状态下的各种物理力学指标,对地基土做出正确的评价,从而为各类工程建筑提供可靠的设计依据。采取原状样品所使用的工具称为原状取土器,简称取土器。
采取原状土样的方法很多,因而取土器的种类也很多,在施工中应根据不同地层、不同设备条件等来选择。
采取原状土样的方法归纳起来有三种,即击入法、压入法(又称贯入法)和振动法。
取土器一般分为两种,一种是锤击取土器,另一种是静压法取土器。锤击法取土以重锤少击效果为好;静压法以快速压入为好。
取土器是影响土样质量的重要因素,所以勘察部门都注重取土器的设计、制造。对取土器的基本要求是:尽可能使土样不受或少受扰动;能顺利切入土层中,并取上土样;结构简单,且使用方便。
取土器的取土质量,首先取决于取样管的几何尺寸和形状。目前国内外钻孔取土器有贯入式和回转式两大类,其尺寸、规格不尽相同。以国内主要使用的贯入式取土器来说,有两种规格的取样管,如图4-2所示。其基本技术参数如表4-1所示。
图4-2 取样管规格
表4-1 国内生产的贯入式取土器技术参数
注:在特殊情况下,取土器直径可增大至150～250mm。
1.贯入式取土器
贯入式取土器取样时,采用击入或压入的方法将取土器贯入土中。这类取土器又可分为敞口取土器和活塞取土器两类。敞口取土器按取样管壁厚分敞口厚壁取土器(图4-3)、敞口薄壁取土器(图4-4)和束节式取土器(图45)三种;活塞取土器又有固定活塞薄壁取土器(图4-6)、水压固定活塞取土器(图4-7)、自由活塞薄壁取土器(图4-8)等几种。现将它们的结构特点、适用土类及优缺点列于表4-2。
图4-3 敞口厚壁取土器
1—球阀;2—废土管;3—半合取样管;4—衬管;5—加厚管靴
图4-4 敞口薄壁取土器
1—球阀;2—固定螺钉;3—薄壁取样管
图4-5 束节式取土器
1—球阀;2—废土管;3—半合取样管;4—衬管成环刀;5—束节取样管靴
图4-6 固定活塞薄壁取土器
1—固定活塞;2—薄壁取样管;3—活塞杆;4—消除真空杆;5—固定螺钉
图4-7 水压固定活塞取土器
1—可动活塞;2—固定活塞;3—活塞杆;4—压力缸;5—竖向导管;6—取样管;7—衬管(采用薄壁管时无衬管);8—取样管刃靴(采用薄壁管时无单独刃靴)
图4-8 自由活塞薄壁取土器
1—活塞;2—薄壁取样管;3—活塞杆;4—消除真空杆;5—弹簧推卡
表4-2 贯入式取土器种类表
由表4-2可知,贯入式取土器一般适用于采取相对较软的均匀细粒土。而对于坚硬、密实的细粒土以及砂类土、碎石土来说,要取得高质量的上样,则必须采用回转式取土器。
2.回转式取土器
回转式取土器的基本结构与岩心钻探的双层岩心管相同,分为单动和双动两类。下面分别介绍单动三重管取土器和双动三重管取土器。
单动三重管(外管、内管及衬管)取土器也叫丹尼森(Denison)取土器(图4-9)。它类似于岩心钻探用的双层单动岩心管。内管内若不设衬管(薄壁筒),则称双重管取土器。内管一般齐平或稍超前于外管。
取样时外管旋转而内管保持不动。外管上的钻头环状切削土层,而内管容纳和保护土样。回转式取土器取样时需要使用循环液,循环液沿取土器底部内外管之间的环状间隙将切削的土屑携至地面。由于内管稍超前于外管,能隔离循环液对土样的影响。
双动三重管取土器类似于岩心钻探用的双层双动岩心管。其主要结构是内管也配上切削刃与外管同样回转钻进(图4-10)。为了保护土样,内管必须有较大的内间隙比,以保证衬管内的土样不因内管的转动而转动。内管同样可起到隔离循环液、保护土样的作用。显然,双动型取土器可采取更为坚硬、密实的土样。内管回转虽会对土样产生扰动影响,但因所采取的是坚硬、密实的土类,不至于造成严重后果。
图4-9 单动双重管取土器
1—外管;2—内管(取样管及内管);3—外管钻头;4—内管管靴;5—轴承;6—内管头(内装逆止阀)
图4-10 双动三重管取土器
1—外管;2—内管;3—外管钻头;4—内管钻头;5—取土管头部;6—逆止阀
回转式取土器可采取较坚硬、密实的土类以至软岩的样品。单动型取土器适用于软塑-坚硬状态的黏性土和粉土、粉细砂土,土样质量Ⅰ～Ⅱ级。双动型取土器适用于硬塑-坚硬状态的黏性土、中砂、粗砂、砾砂、碎石土及软岩,土样质量亦为Ⅰ～Ⅱ级。回转式取土器目前在国内使用较少。
满眼钻具组合
4.2.1 钻具组合特点
满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻铤构成。根据用纵横弯曲法对多稳定器钻具组合的力学分析结果可知：稳定器与井壁的间隙对钻头侧向力影响甚大。满眼钻具的稳定器外径要尽量接近井眼尺寸，“以满保直”。其防斜原理有二：一是由于满眼钻具比光钻铤的刚度大，并能填满井眼，在大钻压下不易弯曲，保持钻具在井内居中，减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的增斜力；二是在地层横向力的作用下，稳定器能支撑在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，钻具上至少要有三个稳定器，如图4.3所示。
4.2.2 钻具组合力学性质
满眼钻具在不同致斜地层中，其受力情况略有差异。
当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿着铅直方向钻进，如图4.4（a）所示。上稳定器能抵消由于其上钻具弯曲所产生的横向力，使其下钻具居中。中稳定器能抵消其上一根钻铤一旦弯曲所产生的横向力，并使其下部钻铤处于井眼中心，它也帮助下稳定器抵消地层横向力。下稳定器的作用自然是抵消地层横向力，限制钻头的横向移动。
图4.3 满眼钻具组合
当钻遇使井斜增大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减少井斜的变化。在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧［图4.4（b）］，抵抗地层横向力，限制钻头的横向移动。同时，地层横向力势必要扭弯其上的短钻铤。由于短钻铤的刚度大，能有力地反抗此地层力的扭弯，这个反力将驱使钻头靠向井眼低的一侧，产生纠斜作用。中稳定器也帮助其下部钻具抵抗地层横向力。同时，在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上稳定器以上的钻铤由于自重靠在井眼低的一边，并以上稳定器为支点将压力下传，作用于其下一根钻铤有一个弯矩，此弯矩使中稳定器靠向井眼高的一边，再以中稳定器为支点将力下传，使钻头趋向于井眼低的一边，也产生一个纠斜力。
如果井眼已发生偏斜，而地层力又使其趋向于恢复垂直状态，满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。如图4.4（c）所示，下、中稳定器将抵抗地层横向力，限制钻头向下侧移动。短钻铤也抵抗弯曲趋势，保持下稳定器趋向井眼高的一边。同时中稳定器以上钻铤所产生的弯矩，也将使中稳定器趋向井眼高的一边，帮助下稳定器抵抗地层横向力。
图4.4 满眼钻具在不同致斜地层中的受力示意图
满眼钻具由于刚性大、“满眼”，致使孔底钻头的侧向力Pa很小，并且钻压大幅变化时对其影响不大。以“Φ216mm钻头+Φ216mm近钻头扩孔器S1+Φ178mm短钻铤+Φ216mm稳定器S2+Φ178mm钻铤+Φ216mm稳定器S3+Φ178mm钻铤”的满眼钻具组合为例，其孔底钻头的侧向力Pa与钻压PB、井斜角以及井身曲率的关系如图4.5所示。
图4.5 满眼钻具组合的力学特性图
从上图中可以看出，钻压对满眼钻具的性能影响不大，在实际应用中，前人研究总结出满眼钻具有以下力学特点：
1）第一稳定器直径减小，可以使钻具力Pa明显下降；该稳定器越靠近钻头，这种影响愈明显；第二稳定器的磨损可以增大钻具组合的增斜倾向。
2）第一跨度长度（第一稳定器中点到钻头底面的距离）增加，可增大钻头上的降斜力。
3）第二跨长度增加，可使钻头上的增斜力增强；即加长短钻铤的长度可增加钻具的增斜倾向。
4）在三个稳定器的基础上加装第四稳定器，可产生较小的负侧向力（降斜趋势），井斜角愈大，则此降斜趋势越明显。加装第五稳定器后，该方面的变化很小。
5）井斜角增大时可增大满眼钻具的降斜趋势。
6）正曲率井身可使满眼钻具增加降斜趋势，负曲率井身可使满眼钻具增加增斜趋势，这是“回弹效应”作用的结果。
4.2.3 钟摆钻具组合应用范围
满眼钻具组合的主要功能是防斜，实践表明其在不易斜或较易斜地层中防斜保直的效果良好，但其纠斜能力不足限制了其适用性。总的来说，满眼钻具的使用有如下特点：
1）适用于不易斜或较易斜的地层钻进；
2）防斜能力优于纠斜能力，适用于直井段的防斜保直；
3）由于稳定器的直径大小直接影响到钻具组合的性能，因此在强研磨性地层不推荐使用该钻具组合；
4）在钻遇增斜或减斜地层时能有力地控制井斜变化率，使井斜不致过快地增大或减小，不会形成狗腿或键槽等影响井身质量的隐患。
4.2.4 钻进参数对其性能的影响
由满眼钻具组合的力学特性可知，钻压对其防斜性能的影响可以忽略不计，可以通过提高钻压来提高机械钻速，但应注意钻压的提高同样会增加地层的造斜力，当地层造斜力增加到一定程度时，钻孔弯曲，就失去了使用满眼钻具的意义，因此这时对钻压存在一个优选问题。理论上，转速的提高可以增加满眼钻具的“回弹效应”，从而提高钻具的“防斜保直”性能，但该效果有多大还需实践验证。另外，由于该钻具组合的满眼特性，致使泥浆的部分环空间隙狭小，因此使用该钻具时应注意泵压的变化，防止憋泵。
4.2.5 钻具应用于超深井的可能性
满眼钻具的刚性大，可以大钻压、高机械钻速钻进是其可以应用到超深井中的一大优势，但其纠斜能力差又限制了其在超深井中的应用。总的来说，满眼钻具在超深井中具有不错的应用前景，可以预见其在超深井中应用优劣包括以下几个方面：
1）超深井中，在初始井斜不大的情况下，可以充分利用满眼钻具良好的防斜保直性能，以达到井斜控制的目的；
2）深井中，可以大钻压、高机械钻速钻进是满眼钻具的天然优势，也是最大的优势，可以缩短钻井周期，控制工程成本；
3）若能与纠斜钻具组合使用，则其在超深井中的实用性将更强；
4）在深井研磨性强的地层，应避免使用满眼钻具，稳定器的磨损将直接影响钻井的保直性能；更换稳定器又势必增加提下钻频率，不利于钻井周期和钻进成本的控制；
5）满眼钻具的满眼特性会增大泥浆循环阻力，使泵压升高，当超深井中使用液动孔底动力设备时，应注意满眼钻具稳定器的设计，尽量增大其过流面积，留给动力设备充足的“压能”。
钻进（全面钻进、取心钻进和扩孔钻进）技术方案
13000m科学超深井的钻进包括全面钻进、取心钻进和扩孔钻进。每一种钻进的技术方案涉及钻进方法、取心钻具（仅对取心钻进）和井底动力钻具。
3.3.1 钻进方法
（1）取心钻进的钻进方法
取心钻进方法的选用，与钻井直径密切相关。在大直径井眼中取心钻进，一般选用牙轮取心钻进方法。在这种条件下，如果采用金刚石取心钻头，机械钻速、回次长度和钻头寿命都很低，钻进成本会相当高。牙轮取心钻头在机械钻速和钻头使用成本方面都要明显优于金刚石取心钻头。因此，前苏联和德国实施科学深钻项目时大井眼取心钻进都采用牙轮钻头。
德国在施工KTB主孔时，也试验过大直径薄壁金刚石取心钻头。尽管钻头设计得很薄，并且采用螺杆马达井底驱动，但钻头的使用效果还是明显不如牙轮取心钻头，其机械钻速、回次长度和钻头寿命都低于取心牙轮钻头。
牙轮取心钻进的缺点是取心效果不好，表现在岩心采取率低和取心品质差。科拉超深钻上万米取心钻进进尺主要采用牙轮钻头，平均岩心采取率为40%。在KTB主孔中，牙轮钻头的平均岩心采取率为40.8%。
小直径井段取心钻进，采用金刚石钻头会获得更好的技术经济指标。钻头种类根据地层条件确定，原则上软岩用聚晶金刚石复合片钻头，硬岩用孕镶金刚石钻头。由于13000m钻井的上部井段可能是软岩，也可能是硬岩，因此在取心钻进时采用复合片钻头和孕镶钻头的可能性都存在。而不管是在沉积岩还是在结晶岩中打钻，钻进到下部小直径井段时岩层必定是硬岩，因此13000m钻井的下部井段取心钻进主要考虑采用孕镶金刚石取心钻头。
我国在实施“中国大陆科学钻探工程”项目时，对硬岩取心钻进方法进行了系统的试验和研究。总共试验了6种取心钻进方法，基本包括了目前世界上主要的硬岩取心钻进方法。试验结果表明，螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法（图3.3）是最佳的硬岩取心钻进方法。
与其他硬岩取心钻进方法相比，该方法有以下优点：
——螺杆马达驱动，钻杆柱不回转，可减轻功耗和钻具磨损，有利于改善钻杆柱工作状态和保护井壁，减少事故；
——液动锤冲击载荷碎岩，可提高钻速50%～100%，提高回次进尺长度1～2倍；
——高转速（200r/min左右），有利于硬岩高效钻进；
——低钻压，有利于防斜和降斜。
这种取心钻进方法应用的井深，主要取决于井底工具的耐温能力。据估计，可用到6000～7000m的深度。因此，可考虑将该方法作为13000m科学超深井上部大直径井段施工钻小直径超前孔时的主要取心钻进方法。
对于13000m科学超深井下部小直径井段的取心钻进，将主要考虑采用涡轮马达驱动的孕镶金刚石取心钻进系统。
总结以上的分析结果，可根据表3.5选择科学超深井的取心钻进方法。
表3.5 取心钻进方法的选择
图3.3 CCSD科钻一井取心钻进钻具组合
（2）全面钻进的钻进方法
根据地层条件来确定使用钻头的种类。软岩钻进采用螺杆马达驱动的金刚石聚晶复合片钻头，硬岩采用高速涡轮钻具配合孕镶金刚石钻头。研究与试验结果表明，涡轮钻具的转速可达每分钟几百至上千转，与孕镶金刚石钻头配合，可大大提高硬岩钻进的机械钻速，比牙轮钻进至少提高50%，高的达100%，甚至更多。
（3）扩孔钻进的钻进方法
扩孔钻进分两种情况，一种是领眼式扩孔，另一种是套管下扩孔。
领眼式扩孔是在小直径超前孔施工后进行，采用领眼式扩孔钻头（图3.4）。这种钻头的领眼部分插入已钻成的小井眼中，起导向作用，靠后部的切削具扩大井眼。根据地层条件，可采用复合片或者牙轮作切削具。
图3.4 领眼式扩孔牙轮钻头
图3.5 套管下扩孔钻进
套管下扩孔是在套管内下入采用双心扩孔钻具（图3.5），在套管的下方扩出比套管直径还大的孔眼。
3.3.2 取心钻具
科学超深井取心钻具应用在高温、高压及地应力强烈释放的地层条件下，由井底动力冲击回转驱动，应具备以下条件：
1）有足够的强度、刚度、稳定性，以确保恶劣工况下的安全性；
2）可靠的单动性能在超深井高温、高压、高密度钻井液环境中不失效，保障岩心采取率和原状性；
3）合理的钻头内、外径与内、外管间隙配合，以实现同等钻孔直径下，钻头切削面积最小化。
选用图3.6所示KT型单动双管钻具结构为13000m科学超深井提钻取心的基本型式钻具。
图3.6 KT型单动双管钻具结构
钻具的内管考虑采用耐温、耐腐蚀、强度高、内壁光洁等优点的不锈钢、铝合金、喷瓷、玻璃钢等材料，以使岩心进入内管的摩擦阻力减小，有利于提高回次进尺和岩心采取率。
对于地层破碎程度较强的地层，将采取一些特殊的取心工具，如半合管取心钻具、三层管钻具、叠式组合内管钻具等一些特殊钻具，以提高破碎地层的岩心采取率。
为了改善破碎地层的取心效果，还应在取心钻头上采取一定的技术措施。半隔液式电镀孕镶金刚石取心钻头就是一种适合于破碎地层的钻头，该钻头的特点是：钻头主水路流畅，底唇面与外工作边润滑、清洗和冷却充分，可以维持较清洁的孔底环境。钻头内工作边形成数条狭长的缝隙，既能较好地在岩心与钻头内工作边间阻止径向分流的形成，又可在其间保持一定做微量循环的钻井液，使通常易损耗的钻头内工作边总能得到应有的冷却和润滑。钻头隔水环与卡簧座隔水环的配合，及钻头内岩心与隔水环的小环隙配合，形成有效的径向流屏蔽。
3.3.3 侧壁取样技术
在超深井取心钻探中往往发生岩心失落甚至取不到岩心的情况，这时就要借助侧壁取样技术进行补取岩心。
现有多种侧壁取样方法，包括压入式侧壁取样方法、射孔式侧壁取样方法、造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法、旋转式侧壁取样方法等。其中的造斜钻进式侧壁取样方法、连续切割式侧壁取样方法和旋转式侧壁取样方法相对较适合应用于科学超深井钻探的补取岩心。对于深度超万米的科学超深井，主要要解决这些方法的高温高压耐受能力。
3.3.4 井底动力钻具
对于超万米超深井钻进，采用井底动力驱动是必然的选择，开展井下动力钻具研究对于万米超深井的施工具有十分重要的意义。
当前采用的井下动力钻具主要有螺杆钻具、涡轮钻具和液动锤三种，其中螺杆钻具和涡轮钻具属于提供回转动力的钻具，液动锤是利用冲击能量进行破岩钻进的钻具。根据目前的技术水准，螺杆钻具和液动锤的耐温能力约为150℃；涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，其耐温能力可达300℃。
超深井中使用井下动力钻具首先应该保证所在工况条件下的适应性和安全性，应该考虑如何保证在高温高压下密封可靠、操作简单、使用安全和较长的使用寿命等要求。深井超深井钻井工具的技术开发应从钻井工艺与钻井参数研究、工具结构设计、材料选择、钻具的匹配等方面开展工作。
三种井底动力钻具的研究和改进重点如下：
（1）螺杆钻具的改进措施
1）预轮廓定子螺杆钻具。预轮廓定子螺杆钻具的输出扭矩比常规螺杆钻具增大约1倍。同时，螺杆钻具的效率也得到了提高。预轮廓螺杆钻具有利于减少迟滞热的聚集，防止局部升温。
2）耐高温定子橡胶。将螺杆马达衬里材料换成丁基橡胶并将螺杆马达的转子制作成中空的形式，可以解决6000m左右的螺杆钻具钻井问题。采用氟橡胶可以进一步提高螺杆钻具的应用井深，但对于13000m的孔深仍有一定差距。
3）陶瓷轴承。陶瓷轴承具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速等特性，所以将其应用于螺杆钻具会大幅提高传动轴性能及使用寿命。
4）铝合金转子。选择合适的铝合金材料作为马达转子（表面采用镀铬处理），可以有效减轻转子重量，减轻对定子塑料及万向轴的压力，同时提高转子的耐腐蚀性能，从而提高螺杆钻具马达及万向轴的使用寿命。
（2）液动潜孔锤钻具的改进措施
1）适用超深孔液动潜孔锤类型及钻进参数的确定；
2）提高运动密封副工作寿命的措施；
3）固定式密封耐高温的研究；
4）提高液动锤冲击能量的研究；
5）液动锤万米深孔对背压适应可行性探索；
6）与螺杆钻、涡轮钻组合后的泵量适应性。
（3）涡轮钻具的改进措施
涡轮钻具是全金属部件，是目前能适应高温井施工唯一的动力钻具，从工作特性方面考虑，螺杆钻具属于容积式钻具，比较适合于钻井作业，因此，建议涡轮钻具只是在较深的井段，或者高温井段使用，可在8000～10000m以深选用涡轮钻具。应重点注意下述各方面：
1）叶型设计与优化技术；
2）减速器设计技术；
3）长寿命高可靠轴承技术；
4）涡轮钻配套钻井工艺技术研究。
3.3.5 13000m科学超深井钻进技术方案
（1）采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案
采用“超前孔裸眼钻进方法”时的钻进技术方案见表3.6，其要点如下：
1）7500m以上，采用“超前孔裸眼钻进方法”（小直径取心钻进，扩孔下套管的施工方案），超前孔直径216mm，活动套管直径245mm，活动套管下入的最大井深约为5000m。
2）超前孔取心钻进主要采用孕镶金刚石钻头。为提高机械钻速和回次长度，尽量采用液动锤。
3）超前孔钻进时，取心钻进和全面钻进间隔进行。取心钻进和全面钻进全部采用井底驱动。可能的情况下，尽量采用高转速的涡轮马达驱动，以提高机械钻速。
4）超前孔全面钻进时，采用垂孔钻进系统，一方面可将钻井的上部7000～8000m钻得铅直，为钻达最终目标打好基础；另一方面可实现高钻压钻进，有利于提高机械钻速，节省施工时间和成本。
5）7500～9000m井段，已是活动套管不可下入的深度，考虑采用一次取心钻进（或全面钻进）成井。由于直径太大，采用螺杆马达驱动金刚石钻头取心钻进效果较差。因此，该井段计划采用涡轮马达驱动孕镶金刚石钻头取心钻进。
6）无论是取心钻进，还是全面钻进，全部采用井底驱动。上部采用螺杆马达，下部采用涡轮马达。
7）7500m以上井段，采用主动防斜的井斜控制方案（自动垂孔钻进系统）；7500m以下，采用被动防斜的井斜控制方案，即采用钟摆钻具防斜，施工中测得井斜超标后，采用常规纠斜工具纠斜。
表3.6 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“超前孔裸眼钻进方法”）
（2）采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案
采用“等井径钻进方法”时的钻进和井斜控制技术方案见表3.7。
表3.7 13000m超深井钻进和井斜控制技术方案（“等井径钻进方法”）