摘要
跟管钻进技术是解决复杂地层钻进的有效方法之一，针对跟管钻进过程中内外管环空间隙卡阻、钻具受力复杂、能耗大和套管连续下入深度有限、深孔干热岩花岗岩在热应力作用下破碎卡钻等技术难题，本文创新设计了一种双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构。理论分析表明：双钻头同心回转钻进岩屑小，避免内外管卡阻，极大地改善了钻具的受力状态，降低了钻具发生断裂的风险；内钻头通过齿轮啮合方式带动外钻头独立回转，相较于常规跟套管钻进能量消耗降低29.29%；外钻头采用高胎体交替式结构，有效避免了钻井液局部循环现象的发生，从而提高了套管连续下入的深度。该机构设计为跟套管钻进技术提供了一种新思路。
为提高破碎地层、卵砾石地层钻进时孔壁稳定性和施工效率，在常规泥浆护壁和冲击钻进粘土护壁等方法不能有效稳定孔壁或者发生泥浆大量漏失时，通常采用跟管钻进技术来维持孔壁稳
为解决上述问题，本文研究了一种泥浆环境下的双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构，该机构结构简单，内钻头可重复置换，当内钻头磨损严重时可以起钻更换钻头，而孔内由于有套管与外钻头提供支撑，使得孔内环境稳定，进而可以使更换后的内钻头顺利进入对应位置并继续钻进。外钻头是课题组研发的超高工作层胎体一体化渐开式水口孕镶金刚石钻
常规跟管钻进原理如
图1 传统跟管钻进原理示意
Fig.1 Typical casing drilling principles
偏心跟管钻进通过钻具组合中冲击器的振动冲击作用，带动偏心钻具进行钻孔，钻进时由于偏心钻具受到离心力及摩擦力的作用，偏心钻头向外偏出，从而达到扩大孔径的目
同心跟管钻进通过中心钻头及套在中心钻头外的同心套共同冲击破碎岩石造孔，并且同时利用同心套的扩孔作用将套管带入孔内，同心套内设键槽，到基岩后，中心钻头反转通过同心套中退
以上两种常规方法存在一定局限性，
以取心钻进为研究目标，设计的双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构为原理机构，非标准钻具系统。主要由孕镶金刚石内钻头、高胎体孕镶金刚石外钻头、钻杆、套管、外钻头连接接头、内钻头传动齿、外钻头传动齿、键、承压轴承3个、导正轴承、导正轴承限位、连接接头限位及螺栓组成，见
图2 双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构结构示意
Fig.2 Structure of the continuous casing drilling
mechanism with the twin bits
双钻头跟套管连续钻进机构在工作过程中，内钻头的钻压和扭矩由钻杆提供，钻进形式与常规钻进形式一致，高胎体外钻头的扭矩是由内钻头通过内外传动齿轮啮合的方式提供，外钻头传动齿内径大于内钻头外径，有利于内钻头起下钻，钻压通过套管提供给承压轴承，由承压轴承将钻压传递给高胎体外钻头（高胎体外钻头与外钻头连接接头为螺纹连接），因承压轴承和导正轴承的存在使得高胎体外钻头能够回转钻进而套管只提供压力不进行回转。2.2 独立传压机构
独立传压机构设计的目的是将高胎体外钻头与套管进行独立，使套管仅为高胎体外钻头提供钻进压力，高胎体钻头只能进行回转钻进，而不能将回转扭矩作用给套管。具体结构如
图3 连接机构局部放大剖视
Fig.3 Enlarged sectional view of the connecting mechanism
为满足钻头的正常冷却及岩屑上返，本文设计高胎体孕镶金刚石外钻头水口个数为12个，水口宽度为15 mm，为提高钻进深度，胎体高度设计为100 mm，通过加强的方式将单齿进行交替式加强，加强高度为15 mm，水口沿轴向均分5等份，每份高度20 mm，通过交替加强的方式提高高胎体外钻头的整体性，并且不影响泥浆的正常循环，如
图4 高胎体孕镶金刚石外钻头齿间加强示意
Fig.4 Reinforcement between the teeth of the high matrix outer bit
区别于常规同心跟管钻进，双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构套管部分是独立的，在不发生套管卡阻时套管不进行回转，发生卡阻时套管通过回转的方式进行解卡，套管不回转会节省大量能量。首先计算常规同心跟管钻进，一般情况下井孔很难完全垂直，假设井斜角为5°，则当套管在地层中转动时，下方外钻头打出的井孔大于套管直径，则套管在旋转下放时主要受地层和套管间的摩擦力，而这部分摩擦力则作用在接触面，且方向一个为沿接触面与下套管运动方向相反，另一个方向为其法线方向，且与套管转动方向相反，因将地层与套管简化为各向同性的均质材料，所以其两个方向的摩擦力大小相等，方向相互垂直。则两方向的合力为：
| (1) |
而该方法套管不转动，只下滑，所以只受到沿接触面与下套管运动方向相反的摩擦力。
而X、Y方向的摩擦力：
| (2) |
所以常规方法的合力：
| (3) |
因消耗的能量绝大部分作用在抵抗摩擦力做功上，因此：
即该跟套管内外钻头钻进方法所消耗的能量是常规方法的70.71%。
通过计算结果可以得出在套管不进行回转的情况下，本文设计的跟套管机构相较于常规的跟套管钻进能量消耗可节约29.29%。
本文运用Abaqus进行数值模拟，主要模拟跟套管钻进时套管旋转和不旋转两种状态时摩擦应力的变化，借此来验证之前的计算。本文通过对以下参数（见
以下为建模尺寸（参见
图5 Abaqus建模示意
Fig.5 Abaqus modeling
因为要模拟其旋转，但Abaqus中旋转只能绕X、Y、Z轴，所以本文通过改变重力的方向，从而实现井斜的模拟。因此套管受到的重力分解为沿钻孔方向与垂直于钻孔方向，即：
图6 套管旋转时运算到0.3 s时应力云图
Fig.6 Stress nephogram at 0.3s during casing rotation
图7 套管不旋转时运算到0.3 s时应力云图
Fig.7 Stress nephogram at 0.3s when casing is not rotating
图8 套管旋转时摩擦应力变化曲线
Fig.8 Variation curve of friction stress during casing rotation
图9 套管不旋转时摩擦力变化曲线
Fig.9 Variation curve of friction when casing is not rotating
本文设计的外钻头采用高胎体孕镶金刚石钻头的形式来适应不同下套管深度，而高胎体钻头因为切削齿的增高往往面临强度问题，尤其是抗剪强度，抗剪强度低时会发生断齿事故。所以对高胎体外钻头进行抗剪强度应力模拟，设计的内外钻头为孕镶金刚石钻头，考虑到钻头胎体强度一般大于钢体强度，在钢体不变形的情况下，可以将其视为整体进行校核。采用Solidworks Simulation Xpress数值模拟，钢体选材为45号钢，其抗拉强度>600 MPa，屈服极限>355 MPa，抗剪强度一般取材料屈服极限数值的一半，故45号钢的抗剪强度>178 MPa，安全系数取1.6，所以45号钢许用应力≯112 MPa。考虑到实际井下情况，钻头受到的扭矩≯2000 N·
图10 外钻头、内钻头应力云图
Fig.10 Stress nephogram of the outer and inner bits
本文设计的双钻头跟套管连续钻进机构，通过常规内钻头来限制泥浆循环轨迹，使其必须经过两钻头工作唇面水口以满足钻头的正常冷却和排屑，外钻头通过交替式加强的方式使泥浆的循环路径交替变换。为验证此结构能否满足上述泥浆循环特征，所以采用Solid works Flow Simulation进行泥浆循环通道的模拟，泥浆模拟参数如
通过模拟得到如
图11 泥浆循环矢量图
Fig.11 Mud circulation vector diagram
泥浆，绿色和蓝色外围箭头代表泥浆上返矢量，从图中可以看出泥浆循环分为2条路径：一是从内钻头流出经过内钻头水口底部和外钻头水口底部，再沿着外钻头外部水口上返，最后通过套管钻头连接接头上的泥浆通道，进入到钻杆与套管中间的环空间隙，完成整体循环；二是因孕镶金刚石高胎体外钻头的水口是交替式加强结构，所以有部分泥浆循环路径为：从内钻头流出经过内钻头水口底部和外钻头内部水口，再沿外钻头上部水口上返，最后通过套管钻头连接接头上的泥浆通道，进入到钻杆与套管中间的环空间隙，完成整体循环。随着钻头的磨损，齿间加强结构也随之磨损，当第一层加强完全磨损后，新的水口以及加强结构变换位置再次出现，两条泥浆循环路径也发生变换，如此循环往复直至外钻头完全磨损。通过泥浆循环流迹的模拟，可以说明双钻头跟套管连续钻进结构设计在理论上钻进过程中可以正常携带岩屑，冷却钻头，能够正常循环钻进。
（1）设计的双孕镶金刚石钻头跟套管连续钻进机构可以解决常规跟管钻进存在的孔斜，钻具根部受力不均匀、容易产生断裂，在紧密地层中套管的跟进深度受到限制等问题，可以实现套管的连续跟进，提高钻进效率。
（2）通过力学模拟分析，泥浆循环模拟分析以及强度校核结果，理论上可以实现破碎地层高效快速钻进，解决破碎地层易发生卡钻、塌孔以及地层裂隙大易出现井漏等问题，相较于常规回转式跟套管钻进，能量消耗降低29.29%，节约能量消耗，降低钻进成本，对跟套管钻进技术具有一定指导意义。
（3）交替式高胎体外钻头结构可以分散钻头所受的应力，增加应力集中区域的数量，降低钻头所受最大应力，通过模拟结果显示所设计的常规钻头与高胎体外钻头的强度均能够满足实际钻进需求，理论上胎体高度可以随套管深度增加而提高，不会出现因切削齿过高而出现断齿情况。
（4）外钻头的交替式结构与常规钻头结合应用的方式可以实现泥浆正常循环，且不会出现因泥浆“局部循环”而影响钻头冷却的问题。
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