摘要
地质钻探施工时起下钻更换钻头，需要占用大量时间，且存在一定的安全隐患，大大影响钻探效率，采用不提钻换钻头钻进技术可以很好地解决这个问题。以S95绳索取心钻杆为使用平台，沿用BH-75钻具基本结构，并针对其存在问题，研制BH-95规格的不提钻换钻头钻具，同时根据BH-95规格钻具的具体结构完善BH-75钻具，提高了BH系列钻具的承压能力和钻具收敛（投送）稳定性，增设了自动除沙机构等。将该技术在江西省宜春市桃地1井（地热井）进行了现场应用，在孔深680.65~704.25 m进行了不提钻换钻头，钻具到位张开成功率100%，岩心采取率达到99.4%，岩心质量好，最大限度减少了起下钻次数，有效预防了起下钻引发的孔内事故。不提钻换钻头钻进技术为深孔地质勘探中钻进强研磨性、“打滑”、软硬频繁交替等地层，提供了及时优化钻头使用方案，降低能源消耗，有效地保护孔壁安全和减轻劳动强度。
随着我国川藏铁路、滇藏铁路、新藏铁路等一系列重大工程的逐步实施，以及新一轮战略找矿突破行动的开启，需要实施大量的地质钻探工
| 钻具类型 | 结构形式 | 结构特征 | 典型钻具，产地 | 试验和使用概况 |
|---|---|---|---|---|
| 扩孔翼张敛式 | 楔顶扩孔翼张敛式 | 装有执行先导钻进的取心钻头、承担扩孔任务的张敛式扩孔翼，采用楔顶机构控制扩孔翼张敛，完成钻具安装或投捞。钻具既是换钻头的工具，又执行取心钻进 | Mindrill钻具，澳大利亚；BH钻具，中国 | Mindrill生产试验；BH-75钻具成功用于钻探生产 |
| 铰链扩孔翼张敛式 | 扩孔翼采用铰链连接，采用齿轮齿条机构控制其张敛，其余与楔顶式相同 | Texco钻具，加拿大 | 直径大于41/2 in油气井套管钻井 | |
| 整体式 | 整体钻头倒转式 | 采用整体取心钻头，其圆周上对称切有2个平面。采用专用换钻头工具控制钻头卸开和倒转，倒转后钻头径向尺寸小于钻柱内径，可打捞至地面，或送到孔底安装在钻柱底端 | Retractable bit system，美国 | 20世纪70年代在明尼苏达等地页岩中进行生产试验，未见应用 |
| 拆卸式（拼装式） | 完全拆卸式 | 由上、下两组（每组2~4块）钻头块沿圆周拼装构成环形取心钻头；采用专用工具控制两组背离移动，钻头收缩；相对运动使钻头张开 | 油气钻井行业早期技术方案 | |
| 局部拆卸式 | 钻头由可拆卸的钻头块和连接在钻柱下端的钻头架组合而成；有的还带中心钻头，采用专用工具送钻头块并安装在钻头架上，或拆卸钻头块提出钻孔 |
现代不提钻换钻头技术是在绳索取心钻进基础上发展的一种钻进新方法，除具备绳索取心钻进功能外，可在不起下钻杆柱情况下实现对孔底钻头的更
以S95绳索取心钻杆为使用平台，沿用BH-75钻具基本结构，并针对其存在问题，研制BH-95规格不提钻换钻头钻具。同时，根据BH-95规格钻具的具体结构完善BH-75钻具，提高了BH系列钻具的承压能力和钻具收敛（投送）稳定性，增设了自动除沙机构等，为深孔钻探实现不提钻换钻头钻进奠定了良好基础。
钻具为楔顶扩孔翼张敛式结构类型，采用两级碎岩原理，设置先导取心钻头和组合张敛式扩孔翼，前者执行先导取心钻进，后者承担扩孔成孔任务；利用扩孔翼的张敛性能实现钻具钻进（张开）状态与收敛（打捞）状态的转换，从而具备不提钻换钻头钻进的基本工艺要求。钻具结构见
图1 BH-95不提钻换钻头钻具结构
钻具主要由主钻具和副钻具组成。主钻具（
采用箭形花键副，使主钻具投送后自动瞄向（寻找方位）到位，到达规定与副钻具配合的空间位置；采用端面悬挂副悬挂主钻具；采用楔形张敛机构使副钻头张开或收敛；采用水力驱动张敛轴相对钻头架下移使副钻头张开，打捞使张敛轴相对钻头架上移使副钻头收敛；采用限位机构的径向弹簧维持钻具张敛稳定性；利用张开过程的泵压变化规律显示钻具工作状态；借助张开的副钻头传递扭矩和钻压。
钻具除保留和完善了以上机构外，副钻头结合钻具总体设计，采用T形断面加强筋的设计方案，增大抗压有效截面，改善了受力方式，承压能力提高30 kN；采用刚性和柔性调节圈调节径向弹力，既增大调节范围，又保证能够顺利插入（张开）；在钻头架沉砂处增设出砂孔，利用钻具旋转的离心力，避免钻屑滞留在钻头架内，消除钻具收敛故障，以提高钻具可靠性和适用范围。
钻具具体张敛原理是，在主钻具到位但未张开情况下，主、副钻具的配合间隙视为密封，此时报信阀处于关闭位置，泥浆遇阻，泵压升高，当升高至规定的峰值泵压，便推动张敛轴相对钻头架下行，张敛轴的4组斜面使副钻头张开；同时，报信阀开启，泥浆流通，泵压快速回落至正常值；利用打捞瞬间的提升力，使张敛轴相对钻头架上行，副钻头收敛，并采用限位机构维持主钻具收敛稳定性。
在张开状态下，张开的副钻头将主、副钻具连接，钻具呈钻进工作状态，可执行取心钻进，具体由主钻头执行先导取心钻进，副钻头承担扩孔任务。钻进回次结束，采用绳索打捞器打捞主钻具，在开始提升瞬间，副钻头收敛，从而解除主、副钻具的连接，钻具转变为收敛状态，主钻具可随打捞器被捞到地面，在地面采取岩心的同时，可检查或更换孔底钻头。然后，再次将主钻具投送到孔底，从而实现不提钻换钻头取心钻进。钻具实物如
图2 不提钻换钻头钻具实物
投送主钻具和开泵后，地面泵压与孔内钻具工作状态的对应关系如
图3 钻具到位张开泵压曲线
共研制了3种不同规格的BH系列不提钻换钻头钻具，分别对应Ø75.8、75以及95 mm的钻孔，BH系列钻具技术参数见
| 钻具规格 | BH-N | BH-75 | BH-95 | |
|---|---|---|---|---|
| 钻孔直径/mm | 75.8 | 75 | 96 | |
| 岩心直径/mm | 36 | 39 | 51 | |
| 到位报信压力Pm/MPa | 0.8~2.0（可调） | 0.8~2.0（可调） | 0.8~2.0（可调） | |
| 承压能力/kN | 16 | 16 | 30 | |
| 主钻头 | 类型 | 金刚石钻头 | 金刚石钻头 | 金刚石钻头 |
| 规格/mm | 54 | 56 | 70 | |
| 主扩孔器直径/mm | 54.5 | 56 | 70 | |
| 副钻头 | 类型 | 4块组合张敛式 | 4块组合张敛式 | 4块组合张敛式 |
| 张开直径D/mm | 75.8 | 75 | 96 | |
| 收敛直径d/mm | 53 | 55 | 68 | |
| 外管 | （外径/内径）/mm | 53/46 | 55/48 | 68/61 |
| 长度/mm | 2170~3170 | 2192~3192 | 2240~3240 | |
| 内管 | （外径/内径）/mm | 42/38 | 45/41 | 57/53 |
| 长度/mm | 2000~3000 | 2000~3000 | 2000~3000 | |
| 主钻具长度/mm | 2620~3620 | 2642~3642 | 2765~3765 | |
| 副钻具长度/mm | 250 | 250 | 300 | |
| 副扩孔器/mm | 76 | 75.5 | 95 | |
| 打捞接口 | S75打捞器 | S75打捞器 | S91打捞器 | |
| 副钻具接口 | 75绳索取心扩孔器 | 75绳索取心扩孔器 | 91绳索取心扩孔器 | |
2.1 设备及器具（见
| 钻具规格 | BH-N | BH-75 | BH-95 | 备 注 |
|---|---|---|---|---|
| 钻机、泥浆泵、钻塔 | 与相同规格的绳索取心钻探对设备的要求相同 | 以绳索取心钻探配套设备为平台 | ||
| 钻杆规格/mm | 71/58.5 | 71/61 | 89/78 | |
| 绳索取心配套器具 | S75 | S75 | S91 | 包括夹持器、提引器、绞车、打捞器 |
2.2 主要钻进工序
钻进工序与绳索取心工艺基本相同，主要环节有：下钻—投送主钻具—钻具到位张开判断—钻进—打捞取心，同时检查更换钻头。钻进工艺的关键环节是钻具到位张开判断。
不提钻换钻头钻具碎岩形成的岩粉比绳索取心钻具多30%左右，另外钻具设置了2个液流通道，副通道允许10%左右的冲洗液从钻具中途（副钻头处）漏失，为保证主钻头具有充分的冷却条件和冲洗效果，采用比常规绳索取心钻进更大的泵量，具体钻进参数还应根据岩石的可钻性和地层的完整性，并结合孔深、钻孔倾角和钻机能力确定。
| 钻具规格 | 钻压/kN | 转速/（r·mi | 泵量/（L·mi |
|---|---|---|---|
| BH-N | 4~1.2 | 300~600 | 60~90 |
| BH-75 | 4~1.2 | 300~600 | 60~90 |
| BH-95 | 8~1.5 | 200~500 | 60~90 |
2021年5月，BH-95钻具在江西省宜春市袁州区南庙乡桃地1井（地热井）进行生产试验。试验地层主要为砂岩、板岩和炭质板岩的互层，软硬不均，可钻性3~6级，有漏失现象，钻孔计孔深800 m。
本项目之前的BH-75钻具，在比较完整地层，孔深<1000 m，钻孔倾角≤30°的钻孔，试验和推广应用钻探工作量近万米。本项目研究的BH-95钻具地桃地1井井深680.65~704.25 m孔段进行了实钻试验。又分别在45 m（孔口）、200 m、500 m孔段进行了钻具到位张开和打捞试验。
试验采用XY-5A型立轴式岩心钻机；S95A绳索取心钻杆；常规绳索取心绞车（钢丝绳Ø6 mm）；低固相冲洗液，粘度30 s。钻压6~10 kN，转速240~350 r/min，泵量145 L/min。
在试验孔段进行了16回次实钻试验，钻具均到位张开，成功率100%，试验工作量23.6 m，岩心采取率99.4%（见
图4 取得的局部岩心
| 序号 | 孔深/ m | 到位张开情况 | 打捞情况 | 报信压力/MPa |
|---|---|---|---|---|
| 1-3 | 45 | 成功 | 成功 | 0.8~1.0 |
| 4 | 200 | 成功 | 成功 | 1.2 |
| 5 | 500 | 成功 | 成功 | 1.5 |
| 6-22 | 680.65~704.25 | 成功 | 成功 | 1.5~2.5 |
通过不提钻换钻头钻进技术现状、不提钻换钻头钻具结构调研，结合深孔钻探研制了BH-95系列不提钻换钻头钻具，并在江西省宜春市袁州区南庙乡桃地1井井深680.65~704.25 m孔段进行了不提钻换钻头钻进，钻具到位张开成功率100%，岩心采取率达到99.4%，岩心质量好，最大限度地减少了起下钻次数，有效预防起下钻引发孔内事故。
绳索取心钻进技术的迅速发展及长寿命金刚石钻头的出现，虽然在一定程度上削弱了对不提钻换钻头钻进的关注，但却为这种方法构建了良好的平台。地质勘探中存在大量强研磨性、打滑、硬脆碎、软硬频繁交替等地层，需要结合地层及时调整钻头使用方案，起下钻仍然频繁，此外，该技术有利于保护孔壁安全和降低工人劳动强度，对钻进超深孔、海洋钻探及高温地层钻进等具有特殊意义。因此，不提钻换钻头钻进技术仍然是钻探期盼的理想方法，除需要结合推广应用开展BH钻具在小倾角条件下的收敛可靠性研究外，还可结合其它成熟技术，向更高层次的发展，如与液动潜孔锤结合，形成不提钻换钻头冲击回转取心钻进，提高钻进时效和回次长度，以及开展孔底动力驱动的不提钻换钻头钻进研究。
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