渦輪取芯鉆進工藝在干熱巖鉆井中的應用

譚現(xiàn)鋒，王景廣，趙長亮，王穩(wěn)石，翁 煒，段隆臣

（1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地勘局第二地質(zhì)大隊），山東 濟寧 272100；2.中國地質(zhì)大學（武漢），湖北 武漢 430074；3.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東德州 253000；4.中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；5.中國地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所，北京 100083）

干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180℃，其熱能在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下可以利用的巖體，干熱巖儲層巖石可分為侵入巖、變質(zhì)巖和沉積巖三大類。未來干熱巖的開發(fā)利用主要取決于鉆井和人工儲層建造的費用，較低的鉆井成本和較高的儲層熱交換速率將大大降低增強型地熱系統(tǒng)的開發(fā)成本。干熱巖鉆探在我國起步較晚，耐高溫鉆具和鉆井技術(shù)、高溫鉆井液技術(shù)還不夠成熟，主要是對地礦和石油行業(yè)現(xiàn)有鉆探技術(shù)進行改良利用，尚未形成一套成熟的干熱巖高溫鉆井技術(shù)體系和指導施工的干熱巖鉆探技術(shù)規(guī)程，嚴重制約了干熱巖鉆探的施工效率和發(fā)展[1-2]。解決大口徑干熱巖鉆探的關(guān)鍵技術(shù)問題，特別是大口徑快速、高效取芯問題，為科研技術(shù)人員提供高質(zhì)量的干熱巖巖心以加強對干熱巖熱物性、天然裂隙和可壓裂性等方面的研究，快速準確探明我國干熱巖分布與儲量，對干熱巖資源的開發(fā)與利用意義重大[3-10]。

我國初期的干熱巖勘探取芯主要采用常規(guī)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)，在鉆進過程中由于干熱巖具有高研磨性、高溫和高硬度等特征，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速低、扭矩小，鉆進取芯效率低。近年來，中國石油大學（北京）、中國地質(zhì)大學（北京）、西南石油大學、長江大學、中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所、北京探礦工程研究所等機構(gòu)對渦輪鉆具均進行了一定的研究，主要集中在提高本體性能、壽命和優(yōu)化工藝。目前，我國雖已擁有外徑為240，195，175，165，127 mm 等規(guī)格型號的渦輪鉆具，但國內(nèi)實際鉆井工作中使用的渦輪鉆具仍基本依靠從俄羅斯進口或者采用美國Smith 公司的服務。盡管我國已經(jīng)研發(fā)出一系列的渦輪鉆具，但國內(nèi)在深孔復雜地質(zhì)渦輪鉆具及工藝方面的研究進展很緩慢，主要原因是：渦輪鉆類型單一，品種系列不配套，工藝研究不夠深入，技術(shù)水平、使用范圍及效果與國外差距較大，特別是在深井高溫硬巖工況下，渦輪鉆具全面鉆進工藝在我國的研究和應用都較少，嚴重制約了孔底渦輪動力鉆具的發(fā)展，特別是在干熱巖取芯鉆進方面的應用研究尚處于空白階段。

為此，課題組將新研制的Ф127 mm 渦輪鉆具，在福建漳州HDR-1 井和青海共和GR1 井分別進行了干熱巖鉆井取芯工藝研究，干熱巖“轉(zhuǎn)盤+渦輪鉆具+KT-140 取芯鉆具”復合取芯鉆進工法和器具經(jīng)受住了孔底236℃高溫考驗，鉆獲了高質(zhì)量巖心，從而為進一步完善干熱巖渦輪鉆具復合取芯鉆井技術(shù)提供了數(shù)據(jù)、經(jīng)驗和借鑒。

1 渦輪鉆具工作原理及設計

1.1 渦輪鉆具工作原理

渦輪鉆具是一種依靠鉆井液驅(qū)動的孔底動力鉆具，其物理基礎(chǔ)是液力驅(qū)動的歐拉方程。渦輪鉆具一般包括渦輪節(jié)和軸承節(jié)。渦輪節(jié)是渦輪鉆具的動力部件，在渦輪節(jié)內(nèi)安裝有多級渦輪。常規(guī)渦輪葉片設計中轉(zhuǎn)子和定子葉片形狀相同但彎曲方向相反。工作時，鉆井介質(zhì)在泥漿泵作用下進入渦輪馬達內(nèi)，經(jīng)定子導流后以一定的方向和速度進入轉(zhuǎn)子，可將鉆井介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，驅(qū)動轉(zhuǎn)子并帶動渦輪軸回轉(zhuǎn)，從而帶動下方連接的取芯和碎巖工具（圖1）。

圖1 單一渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a single turbine structure

根據(jù)干熱巖鉆井高溫、高硬度、高研磨工況的應用需要，首先確定了渦輪鉆具的主體結(jié)構(gòu)方案和初始設計目標，之后分別對渦輪節(jié)和支承節(jié)進行了結(jié)構(gòu)設計。在渦輪節(jié)設計過程中包括渦輪葉片葉形設計、渦輪葉片級數(shù)設計、渦輪節(jié)節(jié)數(shù)設計、渦輪主軸、外殼設計等，經(jīng)過數(shù)值模擬、臺架試驗后，對渦輪葉片水力性能進行了驗證和優(yōu)化。在支承節(jié)結(jié)構(gòu)設計中主要包括推力軸承及扶正軸承設計、主軸設計、外殼設計等，還包含聯(lián)軸器設計等，主要通過對軸承型式進行設計，提高承載力和工作壽命，在設計過程中要對渦輪鉆具的葉片、主軸關(guān)鍵部件進行材料優(yōu)選和強度校核，確保井下工作的安全性。在空間尺寸確定的情況下，渦輪鉆具設計的核心是葉片設計。

按軸承工作原理并結(jié)合干熱巖鉆井的需求，對渦輪鉆具的止推軸承進行了優(yōu)選。因聚晶金剛石復合片（Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC），止推軸承因不含橡膠件為全金屬件而被引入了渦輪鉆具，以解決在鉆井中遇到的傳統(tǒng)止推軸承不適用于高溫和高磨蝕環(huán)境的問題，該類軸承已經(jīng)普遍應用到高速高溫渦輪鉆具。

1.2 渦輪鉆具配套鉆頭設計原則

在硬地層鉆進過程中，渦輪鉆具的性能既與鉆進參數(shù)相關(guān)，同時也與鉆頭、鉆具、輔助設備的設計與選型相關(guān)，為此根據(jù)其工作需要對鉆頭、鉆具進行有針對性的研究和選型。

在深孔鉆探中常用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭和金剛石鉆頭。不同型式鉆頭的破巖原理和破巖方式不同。在破巖過程中，牙輪齒壓入地層破碎；PDC 鉆頭主要利用了巖石剪切強度低的弱點，PDC 復合片刃口切入地層，在扭矩作用下回轉(zhuǎn)并實施破巖，但是該種破巖方式要求上部鉆具組合可向PDC 鉆頭傳遞足夠扭矩，才能夠滿足剪切破巖的需求（圖2）。

圖2 三種不同的破巖方式Fig.2 Three different ways of breaking rock

根據(jù)PDC 鉆頭和金剛石鉆頭的工作原理，一般情況下，較軟的地層可以采用PDC 鉆頭，針對硬巖地層設計的渦輪鉆具其工作轉(zhuǎn)速較高，可選擇孕鑲金剛石鉆頭作為渦輪鉆具配套鉆頭。

1.3 渦輪取芯鉆具設計原則

硬巖取芯鉆具的設計要符合以下原則：首先要滿足水力通道要求，其次要避免鉆具在取芯工作過程中受到振動沖擊影響取芯效果，同時采用降低摩阻及保護巖心的措施提高采取效率。根據(jù)取樣鉆具的實際需求，采用單動雙管（三層管）結(jié)構(gòu)，在鉆具外管受渦輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)的過程中內(nèi)管本身不轉(zhuǎn)動，避免外部鉆具振動影響巖心采取。鉆具內(nèi)部設計水力流道，既要保證為鉆頭提供充分的水力，同時在鉆進的過程中避免沖蝕巖心。為此，在鉆具結(jié)構(gòu)設計過程中，根據(jù)渦輪鉆具的流道面積，設計鉆具的流道。

1.4 渦輪鉆具工作條件

渦輪鉆具的使用效果和使用時間，與現(xiàn)場工況以及配套技術(shù)密切相關(guān)。針對渦輪鉆具深孔鉆探取樣，其工作條件如下：

（1）鉆井液

渦輪鉆具對泥漿密度無特別要求，對泥漿密度沒有限制。但是，壓降與泥漿密度息息相關(guān)，隨著泥漿密度增加，流量應適當減小，以避免損傷鉆具及其他泥漿設備。一般要求泥漿密度不大于1.3 g/cm3。

為減小渦輪鉆具磨損，鉆井液固相含量必須控制。按照行業(yè)慣例標準，含砂量應小于0.3%。加重劑禁用鐵礦粉，堵漏材料顆粒直徑要求低于2 mm。井隊應配備離心機、泥漿清潔器等固控設備。

（2）井底溫度

本次設計的渦輪鉆具為全金屬材質(zhì)，抗溫性能好，產(chǎn)品的最高工作溫度為250℃。

（3）馬達流量

渦輪鉆具工作時，鉆頭的轉(zhuǎn)速、扭矩與通過馬達的輸入流量相關(guān)。流量較小時，轉(zhuǎn)速隨之下降，輸出功率不夠，渦輪鉆具就無法正常工作；對于鉆具應在推薦流量范圍內(nèi)可發(fā)揮其最優(yōu)性能。如果流量偏低，將導致馬達輸出扭矩嚴重下降。流量升高，轉(zhuǎn)速、扭矩、壓降隨之增大。為保證轉(zhuǎn)速，應適當加壓，應當根據(jù)需要的流量以及鉆井作業(yè)的要求，調(diào)整鉆井泵的參數(shù)（缸徑、沖數(shù)等）。

（4）馬達壓降

渦輪鉆具相比螺桿鉆具其壓降大，馬達在工作中，大致是穩(wěn)定的，但壓降很高，僅鉆具本身壓降可高達10 MPa。因此選擇鉆井泵和鉆桿柱等循環(huán)通道時，一定要確保馬達處于最優(yōu)工作區(qū)域內(nèi)，避免循環(huán)壓力過大。

（5）扭矩

渦輪鉆具轉(zhuǎn)速與扭矩成線性關(guān)系，可通過控制鉆壓（WOB），達到控制渦輪鉆具輸出扭矩的目的，鉆壓增大，扭矩增加。

（6）鉆壓

渦輪鉆具在井下工作，應施加足夠的鉆壓，為鉆頭破巖提供足夠的扭矩和適宜的轉(zhuǎn)速。施加鉆壓的大小，可以通過觀察指重表上懸重的變化確定，應當通過逐漸增加鉆壓使扭矩和轉(zhuǎn)速達到規(guī)定的數(shù)值，使馬達最大限度地提供破巖性能。同時，應當控制鉆壓不能超過規(guī)定的鉆壓，以避免導致渦輪鉆具制動。

2 應用實例

在福建漳州HDR-1和青海共和GR1 鉆井中為實現(xiàn)高質(zhì)量快速取芯鉆進，研究應用了“轉(zhuǎn)盤+渦輪鉆具”復合取芯鉆進工藝。主要研究驗證了渦輪鉆具與KT-140 取芯鉆具的適配性和渦輪鉆具與金剛石取芯鉆頭的匹配性；驗證了高溫、硬巖井況下的渦輪鉆具工作特性；初步確定了渦輪鉆具的取芯鉆進參數(shù)，是干熱巖高溫深孔井下動力回轉(zhuǎn)鉆具驅(qū)動取芯鉆頭進行取芯鉆進的首次成功嘗試。

2.1 工藝參數(shù)

渦輪鉆具干熱巖復合取芯鉆井工藝參數(shù)如下：

（1）設備選型、鉆遇地層與鉆井結(jié)構(gòu)

HDR-1、GR1 鉆孔的基本情況、使用鉆機型號與目的層地層（表1）基本情況。

表1 鉆孔基本情況Table1 Basic conditions of drilling

為了滿足復合鉆進需要，現(xiàn)場配備了3 NB-1 300 D泥漿泵和固控設備等主要附屬設備，其工作參數(shù)見表2。現(xiàn)場配備500 kW 變頻器一臺，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)盤電機，以便渦輪復合鉆進取芯時降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)盤原始最低轉(zhuǎn)速58 rpm，使用變頻器后最低轉(zhuǎn)速降至約20 rpm，相對更適合復合鉆進。

表2 主要附屬設備Table2 Main ancillary equipment

HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場測試Ф127 mm 渦輪鉆具要求正常工作排量為12～15 L/S，調(diào)整現(xiàn)場3 NB-1 300 D泥漿泵，使泵的理論排量達到約13 L/S，以匹配渦輪鉆具正常工作排量。

HDR-1 井與GR1 井取芯段鉆井結(jié)構(gòu)基本信息見表3。

（2）鉆柱與取芯鉆具組合

干熱巖HDR-1 井鉆柱組合：Ф150/95 mmKT140 取芯管×1根+Ф127 渦輪鉆具×1根+Ф178 mm 鉆鋌×1根+Ф215 mm 扶正器×1根+Ф165 mm 鉆鋌×1根+Ф159 mm鉆鋌×4根+Ф89 mm 鉆桿+Ф127 mm 鉆桿×n柱[11]。

干熱巖鉆井渦輪取芯鉆具組合：Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井實驗。

（3）取芯鉆進參數(shù)

渦輪鉆具恒排量、恒壓取芯試驗：在泥漿泵排量12 L/s（15 L/s）的情況下，鉆壓以3 kN為梯度，從50 kN逐步提高至渦輪鉆制動，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機械鉆速等工程參數(shù)；在恒排量試驗的基礎(chǔ)上，以最優(yōu)機械鉆速為標準，選定恒鉆壓試驗基本鉆壓值。在保持該鉆壓不變的情況下，以0.5 L/s的梯度增加泥漿泵排量，觀察并記錄泵量、泵壓、扭矩、機械鉆速等工程參數(shù)[12-20]。

表3 目的層鉆孔結(jié)構(gòu)Table3 Borehole structure in the target layer

2.2 干熱巖復合鉆進取芯（以HDR-1 井為例）

2.2.1 渦輪取芯鉆具準備

渦輪鉆具長度為8.02 m。檢查渦輪鉆具，渦輪鉆具外管良好，無損壞情況，上下端絲扣完好，外殼螺紋無松動跡象。放平渦輪鉆具，用手轉(zhuǎn)動輸出軸，可輕松轉(zhuǎn)動，軸承間隙正常。渦輪鉆具與165 mm 鉆鋌間使用轉(zhuǎn)換接頭（NC50-NC38）連接。

用自由鉗人工擰緊內(nèi)總成連接螺紋，并調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階間隙至約10 mm。考慮到渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性，建議取芯鉆具外總成絲扣上扣扭矩為4 000 （N·m）。取芯鉆具長度為4.70 m。

2.2.2 渦輪鉆具井口測試與入井

渦輪鉆具接入鉆柱入井前應在井口開泵試驗其工作情況。由于泥漿泵并未配置變頻器，以固定排量井口試壓，渦輪運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，泵壓10 MPa，孔口工作正常后方可入井工作。

2.2.3 渦輪鉆具入井取芯

（1）循環(huán)探底

下鉆離孔底1 m 左右開泵循環(huán)，泵壓16 MPa，取芯前進行探底并校正指重表，大鉆壓開始鉆進。

（2）大鉆壓鉆進

根據(jù)現(xiàn)場螺桿鉆具取芯經(jīng)驗，以較大鉆壓鉆進（40 kN），開始以30～35 kN的鉆壓鉆進，歷時1.33 h，鉆進井段2 812.05～2 812.23 m，進尺僅0.18 m。具體參數(shù)：鉆壓25～35 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓開始為14 MPa，循環(huán)開后穩(wěn)定為13.5 MPa。

（3）大鉆壓→小鉆壓過度

因大鉆壓進尺緩慢，判斷為渦輪輸出轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，后剎住主絞車，釋放鉆壓，鉆壓逐漸降至0～5 kN，泵壓逐漸上升至15.5 MPa，根據(jù)臺架試驗情況，判斷此工況為渦輪鉆具高效率工作工況，轉(zhuǎn)速約800 rpm。該過程歷時10 min，井段2 812.23～2 812.27 m，進尺0.04 m。具體參數(shù)：鉆壓0～25 KN，逐漸降鉆壓，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓13.5～15.5 MPa，且表現(xiàn)為逐漸上升。

（4）小鉆壓鉆進

鉆壓維持在0～5 kN，泵壓15～15.5 MPa，機械鉆速明顯提高，井深進尺 2 812.27～2 812.96 m，進尺0.69 m，機械鉆速1.03 m/h，其中約20 min 進尺0.44 m，機械鉆速達1.32 m/h。該過程歷時40 min，井段2 812.27～2 812.96 m，進尺0.69 m。具體參數(shù)：鉆壓0～5 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速38 rpm，泵壓15～15.5 MPa。

（5）割心提鉆

該過程進尺0.2 m，歷時20 min，鉆速0.6 m/h。

（6）出芯和鉆具檢查

提鉆過程中，檢查鉆具，取芯鉆具提出井口，鉆頭外管正常、鉆具所有螺紋連接正常；出芯，進尺1.5 m，巖心長1.35 m，取芯率90%。巖心頂端有研磨跡象，巖心較完整、平整。渦輪鉆具吊放至地面，手動旋轉(zhuǎn)輸出軸，不能擰動，用自由鉗輕松擰動并且旋轉(zhuǎn)時無異常聲響，渦輪鉆具正常。取芯鉆具卡簧磨損正常，內(nèi)管下段有清晰的摩擦痕，保徑上接頭下端保徑部分磨損量較大，最下端硬質(zhì)合金磨損超2 mm，鉆頭底面和內(nèi)外保徑磨損正常，無異常損壞[21-22]。

2.2.4 渦輪鉆具入井取芯試驗工況分析

（1）大鉆壓工況下幾乎不進尺

開始試驗階段，鉆壓較大，進尺很慢。從試驗中泵壓的變化，可以明確判斷出鉆壓超過25 kN時，渦輪鉆具即轉(zhuǎn)動不連續(xù)，處于半制動狀態(tài)，進尺極其緩慢。

（2）泵壓不變增加鉆壓

鉆壓逐漸由5 kN 增加至25 kN，根據(jù)大鉆壓鉆進情況，此時泵壓應逐漸降低至13.5 MPa，但實際泵壓仍為15 MPa，并且進尺很慢，另外及時剎住主絞車后，鉆壓回得很慢，泵壓變化也不明顯。此時的基本情況是馬達回轉(zhuǎn)正常，堵心等其他因素造成鉆頭未受鉆壓。提出鉆具后，根據(jù)出芯和鉆具情況，但取芯鉆具上接頭保徑合金下部磨損量大，造成了托壓、馬達空轉(zhuǎn)；從上提鉆具釋放鉆壓后進尺加快及巖心的破碎形式和斷茬形狀來看，堵心的可能性較大。

（3）泵壓降低進尺緩慢

取芯末段，泵壓持續(xù)降低，進尺緩慢。提鉆后發(fā)現(xiàn)的鉆具刺漏是泵壓迅速下降的原因。刺漏后，渦輪鉆具的輸入排量逐漸降低，功率（扭矩和轉(zhuǎn)速）不斷降低，表現(xiàn)為機械鉆速降低。

（4）巖心蘑菇頭

出芯后，巖心頂端一塊明顯磨出蘑菇頭，巖心下端有約5 cm 長的偏磨，偏磨不嚴重（圖3）。蘑菇頭應為開始取芯鉆進時，進尺慢，高轉(zhuǎn)速鉆具晃動所致，偏磨判斷應為上提鉆具釋放鉆壓、解堵有關(guān)，與進尺工況情況吻合。

圖3 巖心偏磨和蘑菇頭Fig.3 Core bias grinding and mushroom head

2.2.5 干熱巖渦輪鉆具取芯試驗差異性分析

在12.2 L/S的恒排量情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載、制動到快速鉆進，初步探索和掌握了Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭入井取芯的工作特性，初步掌握了適合現(xiàn)場井內(nèi)條件下的鉆進參數(shù)，完成了國產(chǎn)Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 孕鑲金剛石鉆頭的首次入井試驗，且井深超過2 800 m。鉆進過程證明使用自主研制的小直徑渦輪鉆具及改進的KT140 取芯鉆具取芯鉆進是可行的，且可以獲得較為可觀的機械鉆速。在典型的干熱巖花崗巖地層中，渦輪鉆高轉(zhuǎn)速的輸出特性得到驗證，小鉆壓即可獲得高鉆速。渦輪鉆具高轉(zhuǎn)速的工況下，可獲得完成、外表平整的巖心；由于泥漿泵的排量12 L/S 與渦輪要求的額定排量15 L/s有一定的差距，未能達到揮渦輪鉆的最佳輸出特性；泥漿泵不能無級變頻，鉆機為原始的剎把式送鉆方式，泥漿黏度、含沙量等都較大，無法實現(xiàn)渦輪鉆取芯鉆進的精細操作[23-24]。

3 干熱巖渦輪鉆具復合鉆進取芯評價

3.1 復合鉆進機械鉆速及取芯率

渦輪鉆具復合取芯鉆進工藝在干熱巖HDR-1 井和GR1 井進行現(xiàn)場測試，因使用轉(zhuǎn)盤+復合動力鉆具的轉(zhuǎn)速+扭矩雙碎巖動力疊加的復合鉆進工藝，與常規(guī)取芯鉆進工藝相比，平均機械鉆速提高53.5%，因國產(chǎn)渦輪鉆具為初次井下測試應用，各項技術(shù)參數(shù)仍需進一步優(yōu)化；從鉆具磨損和配合來看，加工精度和材料選型仍須進一步提高；HDR-1井為細粒高研磨性花崗巖且井底溫度相對較低，GR1井為粗粒中低研磨性花崗巖且孔底溫度較高，孔底巖石因循環(huán)液和孔底溫度溫差較大而產(chǎn)生溫度蠕變和裂隙加之研磨性較低，更易于碎巖，所以GR1 井平均機械鉆速均比HDR-1井高，其中常規(guī)鉆進提高了12.6%、復合鉆進提高了14.5%。具體取芯技術(shù)指標對比見表4[25-26]。

表4 渦輪復合取芯鉆進與常規(guī)取芯鉆進對比Table4 Comparison of turbine composite coring drilling and ordinary coring drilling

3.2 取芯鉆頭的適配性

渦輪取芯鉆具組合在干熱巖HDR-1 井與GR1 井現(xiàn)場實際鉆進時，取芯機械鉆速雖然大幅提高，但孕鑲金剛石取芯鉆頭與高轉(zhuǎn)速渦輪鉆具以及高溫高研磨性地層的適配性較差，使用壽命和平均進尺明顯縮短，仍須進一步加大孕鑲金剛石取芯鉆頭的優(yōu)選和改進，尤其是在高溫硬巖工況下鉆頭胎體的耐研磨性和水口設置的科學性，具體指標比對見表5[27-29]。

表5 鉆頭使用情況Table5 Usage of drill bits

4 結(jié)論

（1）“轉(zhuǎn)盤+渦輪鉆具”復合取芯鉆進工藝與常規(guī)取芯鉆進工藝相比，平均機械鉆速提高53.5%，國產(chǎn)渦輪和取芯鉆具及鉆頭均經(jīng)受住了孔底236℃的高溫考驗，實現(xiàn)了高質(zhì)量快速取芯；由于現(xiàn)場條件所限，泥漿泵排量不能無級改變，原定恒鉆壓變排量試驗未能實施。在恒排量的情況下，鉆壓從0～40 kN，渦輪鉆具從空載到制動，做了充分的取芯試驗，圓滿完成了Ф127 mm 渦輪鉆具+KT140 取芯鉆具+152 mm 新型孕鑲金剛石鉆頭入井試驗的任務。

（2）無橡膠原件的渦輪鉆具采用了新材料和新結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場連接和高溫條件下作業(yè)，具有中高速大扭矩較低壓的技術(shù)優(yōu)點，葉片類型和數(shù)量適應泥漿比重和壓力限制，更適應深井、超深井，機械鉆速比轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速大幅度提高，降低了扭矩、減小了阻力，有助于大大降低鉆柱的卡鉆事故，可直接降低鉆井成本，具有極高的經(jīng)濟效益，對高溫干熱巖鉆井提供了技術(shù)支撐。但因進口渦輪鉆具及孕鑲金剛石鉆頭價格昂貴，應加快對渦輪鉆具及其適配取芯鉆頭的國產(chǎn)化研發(fā)并逐步降低使用成本。

（3）渦輪鉆具的轉(zhuǎn)子作定軸轉(zhuǎn)動不會引起離心慣性力和橫向振動，可獲得高質(zhì)量的井眼軌跡，特別是在取芯鉆進中易于吃心從而提高了取芯速度和取芯率。渦輪鉆具特性與螺桿鉆具不同，渦輪鉆具為全金屬結(jié)構(gòu)，具有良好的抗高溫性能和長使用壽命，可在干熱巖鉆探中井底高溫工況下廣泛推廣應用。