开展超深井扩孔钻进技术研究是超深井成井工艺方案的一个重要环节, 已开展前期预研究的13000 m超深科学深井, 开孔直径812.8~863.6mm (32~34 in) , 终孔直径152~165 mm (6~6in) , 预计下套管层数6~7层。沿用国内科学深钻施工方案, 采用小钻取心大钻扩孔方案较为成熟, 并且这种施工工艺具有钻进效率高施工成本低等特点。在超深孔中扩孔钻进较之于已经完工的东海科钻一井 (CCSD-1) 及正在完成的汶川地震科学钻探井而言, 不仅扩孔钻头直径成倍提高, 扩孔深度也成倍增加, 钻头设计难度及施工难度都会大幅度增加。笔者建议13000 m超深井扩孔技术应从以下几个方面进行考虑。

(1) 由于扩孔直径加大, 增大了扩孔钻进的扭矩, 为了正常钻进, 所设计的钻头体应采取箱体特殊结构, 以保证有足够的强度。

(2) 扩孔直径大钻头线速度高, 大直径扩孔钻头的切削具采取特型镶齿滚刀作为破岩工具效果会更好。

(3) 由于钻孔直径大、扩孔深度深, 返渣问题比较突出, 对于大直径扩孔而言采用气举反循环钻进不失为一种有效方法。

(4) 扩孔直径大, 钻头钻进时的回转阻力也大, 钻头钻进时会相对处于一种极不稳定状态, 整个钻柱会跳动很严重, 为了平稳钻进, 必须采取特殊的扶正减震措施。钻头的设计上也要考虑优化设计, 提高钻头导正扶正、保径防磨效果, 所有与孔壁接触的钻头体都要镶嵌硬质合金或金刚石聚晶。

(5) 由于钻进深度大幅度加大, 钻柱的负载加大, 对钻头的安全系数提出了更高要求。扩孔钻进中钻头必须安全可靠, 这就要求钻头体和切削刀具都具有高的强度和寿命。因此钻头的材料选择、热处理及刀具焊接等加工方面应严格控制, 减少影响钻头寿命的各种因素。钻孔超深, 孔内温度增高, 要求钻头所采用的材料都必须是耐高温材料, 切削具的密封均为金属密封。

(6) 超深孔段的扩孔钻头, 由于扩径量小, 尽可能采用金刚石聚晶复合片 (PDC) 扩孔钻头或天然金刚石扩孔钻头, 它没有轴承和密封件, 相对孔内事故要少;钻孔深度大地层变化多, 所设计的钻头应能适应不同的地层, 镶齿牙轮钻头及镶齿滚刀扩孔钻头适合硬至坚硬地层钻进, 金刚石复合片钻头适合于软到中硬地层, 表镶金刚石钻头适合于坚硬强研磨性地层。

(7) 深孔段扩孔, 虽然扩孔直径小, 但钻柱长, 扩孔钻进效率低, 这时可以考虑利用孔底动力进行扩孔钻进。对于165 mm螺杆钻具, 输出扭矩在3200 N·m左右, 可以满足200~250 mm扩孔钻头钻进要求。