BH-114套管钻进技术是中国地质科学院成都探矿工艺所研发的钻探新成果。该技术通过利用外管代替绳索钻杆传递钻压和扭矩驱动孔内套管取心钻具回转钻进，在不提钻情况下进行绳索取心、检查或更换孔底主副钻头，有效减少起钻次数，避免频繁起下钻导致复杂地层孔壁不稳定及其引发的孔内事故，有利于降低劳动强度、改善施工环境和促进安全生产。2012年9月8日，在石岩坑矿区ZK9501孔进行BH-114 套管钻进技术试验（孔深25.58～186m），不仅为BH-114套管钻进技术的进一步完善提供了宝贵的试验数据，也增添了复杂地层治理的钻进技术方法，达到预期目的。
9.5.1 套管钻进技术发展概况
套管钻进的概念于20世纪50年代初提出。20世纪60年代出现与套管钻进相关的事例，90年代在油气井钻进中得到快速发展。该技术使用可钻式套管钻井钻具，选用特制钻头钻到预定井深，再采用小一径钻头钻穿特制钻头后钻达终孔目标，最终完成钻孔任务。目前，国外成熟的套管钻进有加拿大Texco（德士古）公司的套管钻进系统等，已完成钻井300多口，钻进井深超千米，最大钻井深度约2800m。
2007年，我国中石油下属的吉林石油集团公司、钻井工程技术研究院、大庆矿油管理局、大港油田集团公司等5个单位联合开展国家863 项目“套管钻井技术”的研究，成功研制了“转盘钻井驱动方式的浅井开发套管钻井工具配套系统”，共完成8口表层井眼的试验，其中有1口井深超过1000m，该项目在2010年1月22日通过项目验收。
20世纪90年代初，内蒙古地勘局赤峰113地质队在白音诺矿区复杂地层施工中，提出并委托四川成都探矿工艺所进行了套管钻进的探索。近年来，随着我国深部地质找矿战略的实施，深孔钻探工作量的不断增加，钻遇复杂地层的情况越来越多，对套管钻进技术的需求也越来越强烈。为解决复杂地层钻进中不稳定地层提钻即垮、成孔困难等原因而造成施工周期长、钻效低、孔内事故多、成本高等难题，成都探矿工艺研究所在套管钻进技术等方面进行了前期研究及探索，于2012年研制了Φ114套管取心钻具——可代替钻杆使用的Φ114套管及配套钻进的机具，制订了Φ114地质勘探套管钻进工艺。
9.5.2 BH-114套管取心钻具
BH-114套管取心钻具是针对复杂地层，以套管钻进为目的，通过不提钻换钻头取心钻进技术途径，研制的一种地质勘探套管钻进与取心钻具。钻具采用两级破碎成孔原理，设置有主钻头和副钻头两级破碎工具，前者执行先导取心钻进，后者承担扩孔成孔任务。
（1）套管取心钻具主要结构与工作原理
1）BH-114套管取心钻具组成（图9.8）。该钻具实质是Φ122mm不提钻换钻头取心钻具，由主钻具（内管钻具）和副钻具（外管钻具）组成。主钻具相当于绳索取心钻具的内管总成，装有主钻头（Φ94单动双管钻头）、普通单动双管取心钻具和副钻头（Φ122/Φ94四块组合张敛式钻头），属于打捞投放部分：可以从孔内将其打捞到地面进行取心和检查或更换钻头，又可通过套管（钻杆）投送到孔底进行取心钻进。副钻具相当于绳索钻具的外管总成，可直接与专用套管（或绳索钻杆）柱连接，属非打捞部分，随套管柱留在孔内。
图9.8 BH-114钻具结构示意图
2）钻具的执行机构。主要有瞄向机构、打捞机构、张敛机构、张开报信系统、悬挂机构、传扭传压机构、限位机构和取心机构等。
3）工作原理——楔顶张敛原理（图9.9）。主钻具投入钻孔后，张敛轴总成在水力作用下，相对钻头架总成下移，使副钻头张开，由张开的副钻头实现主、副钻具连接，钻具呈钻进状态，可进行取心钻进（主钻头执行先导钻进，副钻头承担扩孔任务）；打捞开始瞬间，张敛轴总长相对钻头架总成上移，使副钻头收敛，解除主、副钻具的连接，钻具呈升降状态，主钻具可被打捞到地面进行取心、检查或更换钻头。
（2）套管钻进的特点
BH-114套管钻进是采用Φ114 mm套管作为绳索钻杆，Φ114mm套管取心钻具进行不提钻换钻头取心钻进，钻至预定孔深，将钻具的内管总成提出钻孔，Φ114mm套管则留在孔内作为技术套管，完成套管钻进任务。
主要特点：
1）用于破碎岩石的钻头（主钻头、副钻头）和取心装置安装在可打捞的主钻具上，每回次取心均可检查或更换钻头，满足套管钻进的长孔段不提钻工艺要求。
2）主钻头超前钻进，副钻头扩孔保径。虽两级钻头都破碎岩石，环状碎岩面积大，但属自由面较多的阶梯破碎，在中硬地层的机械钻速与绳索取心钻具大致相同。
3）副钻头为4块组合张敛式钻头，借助冲洗液驱动副钻头张开，张开瞬间的泵压需要达到一定的峰值，所以容易根据地面泵压变化判断孔内副钻头张开情况。
4）钻具遵从钻探相关标准，钻杆既可用作专用套管，又可当绳索取心钻杆使用。
5）钻具投送到位要求孔底具有一定的裸孔空间，对复杂地层而言，这是钻具的不足之处。
图9.9 BH-114钻具工艺原理
（3）钻具规格、主要技术参数（表9.16）
表9.16 套管取心钻具规格及主要技术参数
（4）Φ114套管（钻杆）
Φ114套管采用绳索钻杆结构类型，见图9.10，钻进时作为绳索钻杆使用，传递扭矩和钻压，并作为传递冲洗液的通道；钻进结束，则留在孔内，作为技术套管隔离孔壁。套管管体外径Φ114mm、接头外径Φ116mm，内径Φ103mm，长度3.0m，配有2.0m、1.5m、1.0m少量短套管。
图9.10 Φ114套管（钻杆）
9.5.3 现场试验情况
2012年9月12日至2012年9月28日，在马坑矿区ZK9501孔25.84～183.18m孔段进行BH-114套管钻进生产试验（图9.11），试验进尺157.34m，并下入Φ114套管181.70m，实现了随钻下套管隔离保护孔壁。
图9.11 BH-114套管钻进技术试验现场
（1）钻孔及其地层情况
ZK9501孔设计孔深1000m，倾角90°，验证东部天山凹断层是否为推覆构造。于2012年9月8日开孔，至2012年10月25日达到地质目的而终孔，终孔孔深603.28 m。
ZK9501孔地层自上而下依次为：0～5.35m，浮土；5.35～25.38m，构造角砾岩、角岩化砂质泥岩；25.38～31.82m，辉绿岩、磁铁矿；31.82～79.74m，角岩化砂质泥岩、角岩化泥岩、变质粉砂岩；79.74～534.10m，构造角砾岩、斑点板岩、角岩化泥质砂岩；534.10～603.28m，似斑状中细粒黑云母花岗岩。
设计钻孔结构：Φ150mm开孔，钻进20～50m，下Φ146套管；Φ130mm钻穿上部灰岩，孔深200m左右，下Φ127套管；Φ95 mm（绳索取心）钻进，下Φ89套管；Φ75mm绳索取心钻进钻至终孔。
（2）主要钻探设备和材料
钻机：XY-5型立轴钻机，张家口探矿机械厂；
钻塔：23m钻塔；
泥浆泵：BW250型泥浆泵；
绳索绞车：采用Φ7.6mm钢丝绳；
泥浆材料：801堵漏剂、聚丙烯酰胺、超强润滑剂。
（3）配套器具
配套器具见图9.12，主要包括 Φ114夹持器、Φ114提引器、Φ114绳索打捞器、Φ114管钳、Φ89管钳、Φ114套管提头、脱卡管等。
图9.12 配套器具
（a）木马夹持器；（b）提引器；（c）打捞器；（d）管钳；（e）Φ114套管提头
（4）试验工作开展情况
ZK9501孔套管钻进于2012年9月12日上午，从孔深25.28m开始进行。配好钻具，在地表开泵调试副钻头是否张敛时，发现四块副钻头与收敛爪制作间隙较小，张敛轴总成在水力作用下相对钻头架总成下移过程中，副钻头不张开。经过现场调试，采取打磨调整副钻头配合间隙、加油润滑等措施，使副钻头与收敛爪灵活度和配合度满足要求。
25.84～30.90m孔段钻进四个回次。由于主钻头钻具配置3m，在钻进中超前主钻头工作，副钻头未工作，钻进进尺较快。
30.90～40.85m孔段钻进时，主钻头与副钻头同时工作，出现几次孔内异常现象：①钻具投送不到位；②副钻头未张敛；③内管提不动；④打捞器不配套；⑤主副钻具由于同心度问题而造成钻头架偏磨和因扭力大造成裂纹。
针对钻具组合和孔内遇到的问题，采取应急措施：
1）在孔浅钻进时，钻具由打捞器投送到底。投送前检查、调整张敛总成间隙，并加油润滑调试，使钻具张敛运动自如。
2）调整钻进有关参数（转速调低，钻压增大）、调短超前主钻具，可适当解决主、副钻具同心度等问题。
9.5.4 套管钻进工艺要点
（1）套管钻进主要工序
套管钻进工艺与常规绳索取心钻进基本相同，区别在于：完成一回次钻进打捞取心时，可实现不提钻对服役钻头的检查或更换，钻柱则留在孔内作技术套管，确保孔内安全。所以，除需重视钻具到位张开判断之外，可完全采用绳索取心钻进的操作方法。
套管钻进完成一个回次的工序流程：下钻→配好将超前主钻具和扩孔副钻具→投送主钻具（相当于绳索的内管钻具）→水压钻具张开（水泵压力表升高时突降，副钻头张开）→钻进→打捞主钻具→取心，检查或更换主、副钻头。钻进回次如此循环，直至预定孔深。
（2）套管钻进参数（表9.17）
表9.17 Φ114套管钻进参数一览表
注：当孔身在65m处，全孔漏失不进水，采用顶漏钻进方法。孔内水位深度40～60m。
（3）套管钻进注意事项
1）第一回次钻进中，因副钻头未工作，只有主钻头钻进时应控制钻速、钻压，避免造成孔斜。
2）主、副钻头同时钻入工作面后，扫孔时应时刻注意孔内发生情况，轻压、慢转让主、副钻头同时工作。
3）投送钻具时，应注意钻杆柱是否提离钻具有效安全距离，避免投送内管钻具到底时损伤主、副钻头。
4）主、副钻具一次性投送不到底时，应研判孔内情况并分析其原因，不能强行提拉内管，避免拉断打捞器钢丝绳，造成提大钻。
5）钻进中，主、副钻头胎体硬度不适应地层时，应立即提钻检查、分析，并作调整，不能打懒钻。
6）超前主钻具可视地层条件调节长度，地层较完整可适当加长主钻具，地质复杂、破碎、软硬不均等地层应适度调整、减短主钻具长度。
7）套管钻进取心与绳索钻进取心基本相同，采取岩心时，应注意采心提拉有效高度，避免孔内岩心未采断，而造成下回次扫孔。
9.5.5 试验的主要技术经济情况
据统计，本次套管钻进试验进尺157.34m，主要技术经济指标情况如下。
（1）时间利用率情况
试验总台时386.3h，其中：纯钻时间 215.75h，辅助时间114.92h，停工待料等55.67h。
（2）钻进效率情况
试验台月数0.537个台月，台月效率293m/台月；平均时效0.73m/h，最高时效1.54m/h，主要试验孔段1m/h左右。
（3）回次进尺情况
试验138回次，平均回次进尺1.14m/回次，最长2.80m/回次。
（4）投送与打捞情况
1）投送次数138次，一次投送到位张开成功134次，占97.10%；钻具投送后，再经打捞脱卡处理才到位张开4次，占3%。
2）打捞次数138次：打捞成功131次，占94.93%；失败7次，占5.7%。
分孔段打捞情况：25.84～50.65m孔段（试验初期），打捞20次，7次因钻具调试配合不当导致失败；50.65～183.18m孔段，打捞118回次，成功118次，成功率100%。
（5）提钻间隔情况
提钻次数12次，其中：25.84～50.65m孔段，提钻8次，主要是Φ114套管取心钻具调试不当、打捞失败（主钻具阻力较大）等原因所致；50.65～183.18m孔段，提钻4次，1次因机械故障（水泵、钻机等故障待修时间长）导致，2次由于孔内钻具异常响声提钻检查钻具，1次是专门提钻检查套管底端的副钻具。
平均提钻间隔13.11m，最大提钻间隔135.52m（如果不计非钻具故障因素）。
（6）Φ94钻头寿命情况
主钻头（Φ94mm）：由于转速较低，热压钻头与地层不适应，电镀钻头寿命≥50m；副钻头寿命≥50m。
（7）岩心采取率情况
取出岩心长度155.59m，岩心采取率：98.88%。
（8）钻孔弯曲情况
根据测斜数据（表9.18），钻孔孔斜满足规范要求。
表9.18 ZK9501孔钻孔测斜数据（0～160m孔段）
注：测斜仪为陀螺测斜仪（上海地质仪器厂制造）。
9.5.6 存在问题及建议
生产试验的过程中，发现 BH-114 套管钻进存在以下几个方面的主要不足和改进之处：
1）主、副钻具同心度较差，连接刚度不足，钻进时主钻具有甩动的现象发生，影响钻具旋转稳定性，难以高转速钻进，并导致主钻头偏磨（图9.13）。建议加强副钻具与孔壁、主钻具与副钻具的扶正与导向，增强主钻具悬挂系统的稳定性。
图9.13 钻具同心度较差引发的问题
2）地质勘查套管钻进是一种全新的钻探技术，所采用的口径、规格都是新标准，目前缺少孔内事故处理的打捞工具。建议配套孔内事故处理工具，或预留事故处理工具的专用接口。图9.14为自制打捞工具，图9.15为打捞的事故钻具。
图9.14 自制打捞工具
图9.15 打捞的事故钻具
3）钻具到位时，副钻头张开报警系统的泵压报信不明显，有待提高该报信系统精度，以供操作人员判断。
4）为了更好地提高套管钻进的钻效和回次长度，避免破碎地层遇堵现象，建议主钻具增加液压冲击锤系统。
5）建议换径试验时，先用0.5m左右的短主钻具钻进0.5m左右，再转入正常钻进。
6）为使套管钻进技术系列化，满足钻探实际需要，建议尽快开展Φ91/Φ75规格套管钻进的机具研制和生产试验。
9.5.7 认识与体会
地质勘查钻探的国内新技术——套管钻进在复杂地层钻进护壁具有独特的技术特点和优势，它仅用一道钻进工序，即实现了常规绳索取心钻进与套管护壁所要求的“裸孔取心钻进—下套管”两道工序才能完成的任务，工序简便、作业安全、质量可靠，能有效解决复杂地层的护壁问题和减轻护壁劳动强度。试验表明，只要科学地配制和使用好低固相泥浆，根据不同地层合理选择钻头和钻进技术参数，认真进行套管钻进作业，就能有效、快速穿越复杂地层和实现套管护壁。因此，我们认为该技术在深部地质勘查钻探中具有较高的推广应用价值。