摘要
气举反循环技术是一种可用于深井硬岩地层的高效钻进技术，不受地层裂隙、溶洞影响，排渣彻底。通过研究专用的连续取心钻头，可实现深海硬岩的连续取心作业，提高深海硬岩钻井效率及取心率，为深海钻探提供一种全新的取心方案。本文从牙掌选型、卡断器结构、岩渣及岩心通道优化设计等方面进行研究，提出了连续取心钻头的设计方案，并试制加工钻头。在地热井中进行了验证性应用，灰岩地层、砂岩地层取心率可达80%以上，高于大洋钻探统计取心率。陆地验证性应用为该技术方法在海洋取心钻探中的应用奠定了技术基础。
深海硬岩取心钻探采用的主要方法是提钻取心技术、绳索取心技
气举反循环钻井技术，自20世纪70年代引进我国后逐渐发展成熟，已广泛应用于地热井、矿山送料孔、大口径工程井等领
依托中国地质调查局地质调查项目“深海钻探技术与工程支撑（中国地质科学院勘探技术研究所）”，根据深海钻探硬岩取心技术需求，结合气举反循环钻进技术优势，提出气举反循环连续取心技术。气举反循环钻进技术在陆地钻井应用中，多数钻孔为生产应用井不需取心作业，使用全面钻进钻头，针对深海硬岩连续取心钻进需研制专用的钻头。
（1）岩屑循环上返不彻底：在一定水深范围内的取心钻探可使用隔水管系统，建立海底井口与钻井船之间的泥浆往返通道及支持其他器具的下放和撤回。常用的隔水管尺寸为30、36 in（1 in=25.4 mm，下同），由隔水管内径和钻具外径建立的环空面积大，不利于岩屑的上返。受钻井深度、水深、材料自身性能、船载能力的限制，隔水管系统不能无限深度地使用。日本“地球号”是一艘特大型“隔水管”钻探船，可在水深4000 m的海底钻进7000 m，但配套的隔水管也仅有2300
（2）钻头回转速度低：在不使用隔水管系统的情况下，海床至海平面之间的钻杆柱无实际钻孔的限制，过高的转速会使钻杆柱承受各种复杂应力应变，且传导至钻头的扭矩大量削减，限制了钻头的转速。
（3）深海钻井地层多变，复杂地层取心效率低：海洋钻探遇到的地层十分复杂，有松软的沉积层、坚硬的基岩、软硬交替地层、破碎地层。钻头应能满足多种地层的钻进需求，减少因地层变化提钻更换钻头的次数，提高钻井效率。钻遇硬岩漏失地层时，处理手段有限，岩屑排出钻孔难度大，易发生孔内事故。不使用隔水管的情况下无法获得钻井岩屑，复杂地层岩心采取率低、地层信息易丢失。
对已实施的国际大洋科学钻探工程进行调研，深海钻探硬岩主要为坚硬的沉积岩或火成岩地层，广泛使用的钻头类型是牙轮钻头，牙轮钻头地层适应范围广、钻进效率高、寿命
深海硬岩连续取心钻头采用成熟的石油牙轮钻头掌，根据钻遇的地层选择齿形，软至中软选用勺形齿，中硬、破碎地层选择锥勺形与边楔形齿，研磨性高的硬岩地层适用圆锥形与楔形齿，高研磨坚硬地层如玄武岩选用球形与尖卵形
三牙轮钻头扣型设计一般为公扣，丝扣端中心通孔直径小，无法满足取心钻头的设计要求。连续取心钻头扣型设计为母扣，在保证扣的强度情况下尽可能设计大通孔，确保岩心、岩屑、循环介质的顺利上返。12¼、8½ in连续取心钻头具体设计参数见
连续取心钻头设计为4个牙轮掌按圆周90°分布，硬质合金齿相互啮合；牙轮掌与钻头体焊接固定，牙轮掌布置见
图1 连续取心钻头牙轮掌布置
Fig.1 Cone arrangement
图2 连续取心钻头结构示意
Fig.2 Schematic diagram of the continuous coring bit
在钻头的中心通道内设置岩心卡断器，实现岩心的定长卡断，避免超过一定长度的岩心卡阻在岩心上返通道内。岩心卡断器由本体及球形硬质合金组成，通过焊接的方式将卡断器固定在钻头体上。岩心卡断器中心与牙轮掌中心支点的距离为岩心设计长度；钻取的岩心与卡断器球形硬质合金最前端发生干涉受阻后折断。
深海硬岩连续取心钻头结构见
按设计方案试制加工钻头，先通过模拟试验验证钻头基本功能。定制单轴抗压强度为130 MPa的花岗岩块模拟深海硬岩地层，岩块尺寸为2 m×2 m×2.3 m，埋置在试验场地内。因岩块埋置较浅不能建立气举反循环过程，采用SDC-1000型全液压动力头钻机配备正循环泥浆工艺开展模拟试验。
8½ in钻头，设计取心直径为40 mm（见
图3 8½ in连续取心钻头
Fig.3 8½in continuous coring bit
1根5½ in钻杆（DS60）+变径接头（DS60-411）+8½ in连续取心钻头（410）。
1根5½ in钻杆（DS60）+变径接头（DS60-621）+12¼ in连续取心钻头（620）。
图4 模拟试验现场
Fig.4 Simulation test site
（1）试验岩块表面无导孔，12¼、8½ in钻头均先使用较低的转速、钻压钻进一段距离，形成一定深度的导孔后再开始试验钻进。
（2）12¼ in钻头试验一个回次，钻压60 kN、转速40 r/min，进尺130 mm，用时10 min，机械钻速为1.3 m/h。提钻后可见规则钻孔但未发现岩心。
（3）8½ in钻头试验2个回次。第二回次，钻压40~60 kN，转速30~40 r/min，进尺300 mm，用时20 min，平均机械钻速为0.90 m/h，提钻仅看到26 mm的大块岩心及残留井内未折断的岩心柱（见
图5 试验形成的钻孔及未折断的岩心
Fig.5 Test drilled hole with the residual core
气举反循环连续取心技术将岩心岩屑抽吸至地表，同时对孔壁也会有抽吸作用，因此野外应用试验选择在地热井硬岩地层进行。试验配备设备需满足大通径钻具提升、回转的要求。邯郸市伟业地热开发有限公司在江苏宜兴施工的一口地热井，设计孔深为2000 m，终孔直径8½ in。二开（12¼ in，设计深度300~1000 m）地层以灰岩、砂岩为主，三开（8½ in、设计深度1000~2000 m）地层以灰岩、砂岩为主。配备的设备有ZJ20型钻机、3NB-800型泥浆泵、LG.WF-12.5/150型空压机等。综合分析该口地热井的地层情况、井身结构设计、设备配置，均能满足连续取心的试验需求。在邯郸市伟业地热开发有限公司的大力支持下，在二开、三开井段开展了连续取心试验（见
图6 12¼ in连续取心钻头下井试验
Fig.6 RIH of 12¼in continuous coring bit for test
（1）研制的连续取心钻头可在软地层、硬地层、弱胶结地层钻取岩心，钻取的岩心尺寸满足反循环上返的要求。
（2）12¼ in钻头在水泥塞段获取的岩心（见
图7 水泥岩心
Fig.7 Cement core
图8 灰岩地层岩心
Fig.8 Limestone core
图9 砂岩地层岩心
Fig.9 Sandstone core
（3）在486~496 m井段共获取8.32 m岩心，取心率为83.20%；在1286.74~1289.12 m井段获取岩心2.06 m，取心率为86.55%。据统计大洋科学钻探平均取心率为62.2%，硬岩钻进的取心率更低，平均取心率仅为40.8
（4）12¼ in连续取心钻头组合钻具下部未配备大通径钻铤，使用加重钻杆扶正加压效果差，为保证钻孔垂直度仅加小钻压，硬岩钻井速度为大钻压正循环钻井的1/2。8½ in连续取心钻头试验时，下部增加大通径钻铤提高钻压，硬岩钻井速度与正循环钻井相当。
（1）通过试验验证，研制的深海硬岩连续取心钻头，能够在软硬岩地层中钻取、卡断岩心，获取的岩心可随循环介质连续上返，满足工艺技术的需求。
（2）在钻具合理配置的情况下，深海硬岩连续取心钻头钻井效率与正循环三牙轮钻头相当；钻井取心过程辅助时间短；形成的钻孔质量好，为套管的下放创造了良好的孔壁条件。
（3）在试验的灰岩地层、砂岩地层取心率均可达到80%以上，高于大洋科学钻探统计硬岩取心率。陆地试验累计进尺少，且陆地试验地层、设备配置等与实际海洋钻井有一定的差距，还需在海洋钻井中进一步验证。
（4）深海硬岩连续取心钻头对岩层适应性好，可应对软硬地层的转换，减少因地层变换而提钻更换钻头的次数，提高钻井效率，可为海洋取心钻井提供技术支撑。
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