您好,欢迎来到汇智旅游网。
搜索
您的当前位置:首页特深岩心钻孔套管程序和钻具级配等问题的探讨

特深岩心钻孔套管程序和钻具级配等问题的探讨

来源:汇智旅游网
2010年第37卷第l1期 探矿工程(岩土钻掘工程) 特深岩心钻孔套管程序和钻具级配等问题的探讨 张伟 (中国地质调查局汶川地震科学钻探工程中心,四川成都611734) 摘要:讨论了特深岩心钻孔钻探施工的套管程序、钻具及其级配和固井等问题,深入分析了这些技术问题对特深 孔钻探施工的风险性和经济性的影响作用。在分析研究的基础上,提出了对我国施工特深岩心钻-fL ̄#的套管程 序、钻具级配、特深孔钻杆柱、套管柱以及固井等技术方案的建议。 关键词:特深岩心钻孔;套管程序;钻具级配;固井;钻柱方案 中图分类号:1'634.5 文献标识码:A 文章编号:1672—7428(2010)11—0001—05 Discussion on Casing Program and Drilling Tools Match Relation of Ultra-deep Geolo cal Core Hole/ZHANG Wei (Wenchuan Earthquake Scientific Drilling Engineering Center of China Geoloicgal Su ̄ey,Chengdu Sichuan 61 1734,China) Abstract:In this article some technical questions。such as casing program,drilling tools and their match relation and ce— menting for the drilling operation of ultra.deep geological core hole have been discussed.The influence of these technical flactors on the risk and economics of drilling operation of ultra—deep geological core holes are analyzed.On the basis of ana— lytical study,proposals on the casing program,drilling tool match relation,ultra—deep drill string and casing string schemes and cementing program for the drilling of ultra—deep geological core holes are put forward. Key words:ultra-deep geological core hole;casing program;drilling tool match relation;cementing;drill sting scheme r1 前言 (4)特深孔套管问题; 根据最新版《地质岩心钻探规程》的规定,特深 岩心钻孔(以下简称特深孔)是指钻孔深度≥3000 m的地质取心钻孔。 (5)特深孔钻杆柱问题; (6)尾管设计和储备口径问题。 以上这些问题关系到特深孔如何打钻,能否钻 达预定的目标以及钻进成本的高低,是特深孔钻探 施工最基础和最重要的问题。而且上述因素彼此关 联,必须同时考虑,统筹安排。在充分讨论上述问题 近些年,我国地质岩心钻探工作量快速增长,矿 产勘探深度不断加大,岩心钻探深度纪录频繁刷新。 2008年以来全国完成的2000 m以上的岩心钻孔有 20多口。此外,我国蓬勃发展的科学钻探,也对特 深孔钻探施工提出了较大的需求:“深部探测技术 与实验研究”专项、汶川地震科学钻探项目、白垩纪 的基础上,将提出对我国施工3000~5000 m地质岩 心钻孔的套管程序、钻具级配和固井等技术方案的 建议。 环境科学钻探项目,都有施工特深孔的计划。 由于地质找矿勘探和各类科学钻探项目对深钻 施工的需求,特深孔的钻探技术问题已经提上议事 日程。特深孔钻探施工中存在着一系列的技术问题 2特深孔套管程序 2.1特深孔套管层次 特深孔施工套管层次设置的主要依据是钻孔深 度和地层条件,在设计时可参考已经完成的地质深 需要解决,诸如钻探设备、套管程序、孔内钻具及其 级配、钻进方法和钻进工具等,常规的钻探技术难以 满足特深孔钻探施工的要求。本文探讨特深孔钻探 孔或特深孔的施工经验。我国地质岩心钻探的孔深 纪录是2706.68 in(安徽313地质队2010年创 造…)。世界上施工地质勘探取心深孔最多的国家 施工的套管程序、钻具及其级配和固井等问题,主要 包括: (1)特深孔套管程序问题; (2)特深孔施工钻具级配问题; (3)特深孔固井问题; 收稿日期:2010—10—21 是南非,该国施工了一大批3000~4000 in深的金矿 勘探钻孔,并以5422.76 In的深度创造了小口径深 孔取心钻探的世界纪录 J。国内外部分深度2000 n以上岩心钻孔采用套管层次的情况见表1。I 作者简介:张伟(1954一),男(汉族),湖北恩施人,中国地质调查局汶川地震科学钻探工程中心总工程师、教授级高级工程师,探矿工程专 业,博士,从事科学钻探技术与管理工作,四川省成都市郫县现代工业港(北区)港华路139号,zhangwei@wfsd.org。 2 探矿工程(岩土钻掘工程) 2010年第37卷第11期 表1 国内外部分深度2000 m以上岩心钻孔的套管应用情况 项目名称 毳 套 寸 注:孔口管未计人套管层次。 2.2特深孔套管程序的基本思路 参考国内外岩心深钻施工的经验以及国内专家 有关深孔施工问题的建议 ,对我国特深孔施工套 管程序的总体思路作出如下建议: (1)考虑钻孔深度范围为3000~5000 m,套管 层次为3~5层(孔口管不计在内),具体根据钻孔 深度和地层条件确定; (2)077 mm作为标准的终孔口径,060 mm作 为储备口径; (3)所有都采用标准套管(无接箍石油套管或 地质套管); (4)所有的套管都用水泥固结; (5)引入尾管设计。 3特深孔施工钻具级配 确定钻具级配时,应考虑以下3个间隙: (1)钻头与套管间隙:钻头与上一级套管之间 的间隙; (2)套管环空间隙:套管与钻孔之间的间隙; (3)钻杆环空间隙:钻杆与钻孔之间的间隙。 考虑钻具间隙时应遵循以下基本原则:钻头与 套管间隙应保证钻具能在套管内顺利通行;套管环 空间隙应考虑在较复杂的地层条件下的下套管和固 井的可能性;钻杆环空间隙应利于降低深钻施工时 钻孔/钻杆环空的压降。 3个间隙的建议取值范围是: (1)钻头与套管间隙≥1.5 mm; (2)套管环空间隙≥3 mm; (3)钻杆环空间隙t>3 mm。 4混合管柱设计 在深钻施工中,应借鉴石油钻井和国外地质岩 心深钻施工的经验,尽量采用混合管柱设计。 所谓混合管柱,是指套管柱或钻杆柱是由不同 材质、不同壁厚,甚至不同直径的钻杆或套管组成。 混合管柱的上部强度较高,下部强度较低,基本思路 是:在保证管柱强度和施工要求的基础上,降低管柱 成本。 5特深孔套管和固井 5.1 特深孔的套管问题 目前地质钻探采用的套管一般材质性能较差 (钢号DZ40),并且不进行热处理,因此套管柱的强 度较低,不适宜深孔、尤其是特深孔的钻探施工。解 决问题的措施包括: (1)采用性能较高的钢级作为套管材料; (2)对套管进行热处理; (3)设计套管柱时可采用混合管柱的思路,即 管柱上部采用强度较高的套管,下部采用强度较低 的套管。这样做,可在保证套管柱强度的基础上降 低成本。 5.2特深孔固井的必要性 目前地质钻探常规的做法是,下套管不固井,完 钻后尽可能将钻孔内的套管拔出。 特深孔施工应该固井,理由如下: (1)下套管后不固井,容易发生套管脱扣和断 裂事故,钻孔越深,钻杆敲击套管的时间越长,发生 套管事故的可能性就越大; (2)拔出套管后,钻孔因得不到保护基本上就 报废了,无法再被利用,而特深孔钻探费用高、代价 大,弃之不用,实在太可惜了。 特深孔可能在以下几方面得到利用:一是作为 科学钻探的“机会井”,可在钻孔中进行各种地学测 试和实验;二是可以被用作地震监测孔;三是可为今 后出于找矿或地学研究的目的进一步加深钻孔提供 机会。 5.3尾管固井问题 5.3.1 采用尾管固井的优点 应将石油钻井领域常用的“尾管固井”引入地 质钻探。深孔或特深孔施工采用尾管固井具有以下 优点 : (1)可节省大量套管,因此减少套管费用; (2)使塔式钻杆柱的采用成为可能(图1),有 利于加大钻孔深度和降低施工成本; 2010年第37卷第11期 探矿工程(岩土钻掘工程) 3 常规的尾管悬挂方式(卡瓦式尾管悬挂器)空间不 l  ll f 足,必须采用特殊的尾管悬挂方式——膨胀套管悬 挂尾管方法 J。这种悬挂方法是以实体膨胀管技 术为基础发展起来的,它利用金属挤压变形的原理, 通过涨锥使悬挂器的可膨胀本体发生径向形变紧贴 1 f I ; 于上层套管内壁上,从而实现悬挂尾管的目的(图 2)。这种悬挂方法需要的空间小,施工简便,成本 低,适合于地质勘探的钻进施工。 钻十r//ll 『 图1尾管固并后塔式钻杆柱的应用原理 (3)可降低环空循环压降(包括钻进和固井), 一方面可降低对泵的要求,另一方面有利于施工安 全。 5.3.2尾管固井设计应注意事项 (1)尾管上部孔段的环空上返流速不宜过低; (2)下尾管后,应该固井。 5.3.3尾管固井方案 一图2不同形式的悬挂器对比 1、6一套管;2一封隔器;3~锥套;4~卡瓦;5一液缸;7一 膨胀本体;8~橡胶组 般来说,可考虑两种尾管固井的情况: (1)089 mm套管作为尾管:如果能以077 mm 口径终孔,则可将089 mm套管设计成尾管; (2)073 mm套管作为尾管:如果要用到060 mm储备口径,则可将073 mm套管设计成尾管。 5.4小间隙尾管悬挂问题 6储备口径(060 mm口径)应用问题 060 mm可作为应急的储备口径。如果077 mm口径钻进未能钻达预定深度,可下073 mm套 管,采用060 mm钻进。此时应将073 mm套管设 在 114 mm套管内悬挂089 mm尾管以及在 89 mm套管内悬挂073 mm套管,间隙太小,采用 I 75m 计成尾管。不采用尾管设计,将会带来诸多不利,以 下进行具体分析(参见图3)。 i 7from 15 中168ram孔口韬 i68ram孔L_『管 中l39.7mm套管 (1)l5 中I39.7ram奁管 巾l14ram套管 中89him套管 73ram尾管 图3尾管设计对特深孔施工的影响 假设施工4000 m钻孔时,需要在2500 m处下 073 mm套管,然后采用060 mm直径钻进。如果不 采用尾管设计,须将073 mm套管延伸至地表,将会 遇到以下问题: 4 (1)多用1000 m以上的套管; 探矿工程(岩土钻掘工程) 2010年第37卷第11期 深孔钻柱问题的有效途径。尽管铝合金的屈服强度 比钢的低,但铝合金的密度比钢的低得多,其钻柱重 力也比钢钻柱小得多,铝合金钻柱中由钻柱自重引 (2)长度2500 m的073 mm套管柱强度成问 题,技术难度很大; (3)长度4000 m的055 mill钻杆柱强度成问 题,技术难度很大; (4)长度4000 m的狭小环空间隙(孔壁和073 起的应力比钢钻柱的小得多。因此,铝合金钻柱显 示出更大的钻深能力,世界上最深的科拉超深钻¨。。 (深度12262 m,采用提钻取心方法施工)和最深的 mm套管与055 mm钻杆的间隙)中,环空循环压降 会很高,这一方面不利于钻孔安全,另一方面对泥浆 绳索取心钻孔(南非5423 m的金矿勘探孔)就是用 铝合金钻柱施工的。在南非施工特深岩心钻孑L的钻 泵提出高的要求。 为了解决以上问题,可采用塔式钻柱(图1),钻 杆柱由上部071 mm钻杆和下部055 mm钻杆组 成。钻进时,071 mm钻杆在089 lilnl套管内运动, 055 mm钻杆在073 mm套管内运动。由于055 film 钻杆位于钻柱下方,受力较小,不要求具有特深孔钻 进能力,采用普通设计便可。073 mm套管柱强度 和高循环压降的问题可同时得到解决。 7特深孔钻杆柱问题 特深孔施工钻杆柱的主要问题是:钻孔深度大 后,钻杆柱重力加大,钻杆会超过其强度极限而受到 破坏,疲劳破坏作用会使钻杆柱破坏的时间提前。 可以采取3方面的措施来解决以上问题。这些 措施是:(1)采用隔径取心钻具;(2)采用混合钻杆 柱;(3)采用铝合金钻杆柱。 7.1隔径取心钻具 隔径取心钻具的基本思路是:与常规取心钻具 相比,同级的钻头外径,获得小一级的岩心。如 HNQ钻具采用H尺寸的钻具,产生的岩心直径与常 规N尺寸钻具的相当(参见表2)。采用这种设计的 目的是加大钻杆、尤其是钻杆接头的壁厚,从而使钻 杆梓具有更强的钻深能力。在实施中,可以根据具 体情况来确定加大钻杆接头壁厚的程度,不一定必 须是隔一级,隔半级或更少都是可能的。 7.2混合钻杆柱 采用混合钻杆柱是因为钻杆柱上部受力比下部 大,因此下部可采用较薄、材质较差或直径较小的钻 杆,以降低钻杆柱的总重力和成本。至少有两种情 况的混合钻杆柱,一种是上部和下部钻杆直径相同 但材质和壁厚有差别的钻杆柱(参见表2);另一种 是上部钻杆直径较大、下部钻杆直径较小的钻杆柱, 如上部采用089 mm绳索取心钻杆柱、下部采用 071 mm钻杆柱。 7.3铝合金钻杆柱 采用轻质的铝合金作为钻杆柱材料,是解决超 杆柱中,铝合金钻杆柱的钻深能力是最强的… (参 见表2)。此外,采用铝合金钻柱可明显减轻对钻机 负荷的要求,可加速起 钻过程,节省起下钻时间 20%~25%lI2_ 表2南非深孔绳索取心钻杆主要参数 钻杆钻孔商岩心直钻杆外钻杆内接头内 型号径/mm径/mm径/mm径/mm径/mm 叫叫叫札 晰晰肺哺 % 0 O O 0 注:钢钻杆接头内加厚,钾 摩擦焊连接,接头硬化处理1.5 mm,钻杆 安全系数2:1。6 5 5 5  参考借鉴国外的经验,最好采用外平式钻杆,以 便降低钻杆柱被卡的风险。这意味着,钻杆接头采 O 9 9 9 用内加厚设计。卯∞如  O 2 3 8 8∞ 3上部孔段全面钻进问题  2 O 2 特深孔钻探的目标层一般在地下岩层的较深部 位。为了节省特深孔施工的时间和成本,在远离目 标层的上部,可以采用全面钻进。国外进行特深孔 lg gg咖 钻探时就采取了这种做法:南非在进行4000 m左右 的金矿勘探时,上部全面钻进孔段的长度约为1000 m,采用空气潜孔锤钻进方法施L ,效率非常之高, 曾经取得过21天进尺1448 m的纪录¨ ;美国进行 5000 m左右的金矿勘探时,上部全面钻进孔段的长 度约为3000 m,采用牙轮钻进方法施工,其钻进效 率也远远高于取心钻进 。 9对我国特深岩心钻孔施工套管程序的建议 参考国内外已经完成的深钻项目套管程序的经 验,并根据以上关于特深孔套管程序和钻具级配影 响因素分析的结果,现提出我国施工3000~5000 m 地质岩心钻孔的套管程序和钻具级配(见表3)。表 3的程序和钻具级配可适用于最多5层套管(孔口 管除外),根据世界上同类钻孔施工的经验,表中给 出的套管可以满足5000 m以内地质岩心深孔钻进 2010年第37卷第11期 探矿工程(岩土钻掘工程) 5 的需要。在深钻施工实施中,可视具体的地层条件 [3] 卢飞,李华,赵振峰,等.2010 m斜孔钻探设备选择及技术措施 和钻孔深度,采取其中的3层、4层或5层套管。 表3 建议的特深岩心钻孔套管程序和钻具级配 [J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(3):1—3. [4] 陈志连.深孔钻探新纪录——绳索取心孔深2503 86米[A]. 刘广志,等.超深孔地质钻探信息资料专辑.1988.300—304. [5]K.B.Grun.绳索取心钻探在巴拉圭钻进深达2987m[J].探矿 工程译丛,1992,(2). 墓 黧蕃 蒙 1.7 127 l1.5 2.65 114 2.8 1.5 2 [6] 胡浦元.深孔超深孔岩心钻探的若干问题[J].探矿工程, 1984,(3). [7] 王达.深孔岩心钻探的技术关键[J].探矿工程(岩土钻掘工 程),2009,36(S1). [8] 郭朝辉,马兰荣,姚辉前,等.膨胀式尾管悬挂器在国外油田的 提钴取心或I39.7 6.2 127.3 150 5.15 绳索取心 绳索取心绳索取心 绳索取心 应用[J].石油机械,2009,37(9):162—165. [9] 张益,李相方,李军刚,等.膨胀式尾管悬挂器在高压气井固井 114 89 73 5.7 102.6 122 4 4.5 80 4.5 64 97 4 77 2 60 4 4 3 2.5 中的应用[J].天然气工业,2009,29(8):57—59. 89 71 55 [1O]E.A.科兹洛夫斯基.科拉超深井(下)[M].北京:地质出版 社,1989, 注:073 mm套管作为储备套管, 0 toni口径作为储备的终孔直 径。 [1 1]Trevor Fletcher.Drilling Exploration Boreholes beyond 4000 m in South Africa[J].Mineral Water and The Environment.1992,1 1 (4):43—52. [12] 鄢泰宁,薛维,卢春华.铝合金钻杆的优越性及在地探深孔中 的应用前景[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2010,37(2):27 29. 参考文献: [1] 朱恒银.深部矿体勘探钻探技术方法研究[A].深部地质钻探 技术培训交流会[C].安徽黄山:2010. [2]J.R.Sav ̄e.用绳索取心钻探的世界最深孔[A].刘广志,等. 第三届科学深钻国际会议论文集[C].1990. [13] B.Wagner.可靠的连续取心系统钻探技术的成功混合[A]. 刘广志,等.第五届科学深钻国际会议论文集.1991.52 —56. 地质钻探技术为资源探测提供强力支撑 中国国土资源报消息 国土资源大调查项目实施以来, 我国钻探技术和装备已经形成系列产出,并直接服务于矿产 资源勘查、地质调杏和地球动力学研究。 通过中国科学钻探工程的实施,建立包括螺杆马达 液动锤金刚石取心钻探技术系统,液动锤钻进技术、螺杆钻 集成研究和应用示范,标志着我国2000米地质岩心钻探技 术体系已基本形成,提高了我国地质钻探技术整体水平。 开发出陆地、浅海和滩涂地质调查取样钻探技术和装 备,为特殊景观地区实施地质填图、化探采样和土地环境评 估等领域提供了有效的技术手段。 +液动锤+绳索取心三合一钻具、KZ型CCSD专用扩孔钻 头、新型金刚石钻头在内的具有国际先进水平的科学钻探技 开展了天然气水合物勘探开发钻探技术研究,在高原冻 土区成功钻获天然气水合物样品,使我国天然气水合物勘探 取得重大突破;在海拔4200 nl的青海省祁连山脉木里高原 术体系,对地球科学研究起到了重要的支撑作用,推动了我 科学钻探技术的进步和发展。 完成r 300、600、1000、1500和2000/i'1系列全液压地质 冻土区进行了我国第一口“祁连山冻土区天然气水合物DK —l科学钻探实验孔”钻探施工,并成功钻获了天然气水合 完成了高精度定向对接中靶系统研究,实现了地下导航 岩心钻机的研制,实现了对进口产品的替代,为我国地质钻 探装备的更新换代提供了现代化产品。目前在国内市场占 有率已经超过70%,并出口澳大利亚、俄罗斯、吉尔吉斯斯 物样品。 高精度定向对接连通,这是对接井施工技术的重大突破,标 志着我国定向对接井钻井技术在国际上处于主导地位。通 过土耳其天然碱工程的实施,实现从两井对接连通到多井对 接连通的技术跨越;在此基础上,促进了对接井钻进实现从 单点服务到多点服务一技术服务到工程总承包一国内工程 到国外工程的转变。 此外,还逐步建立了一支业务过硬的钻探技术研发队 伍。 坦、蒙古等围。 在地质大调查项目、科技部“863”项目和危机矿山专项 项目的支持下,完成了2000 m全液压岩心钻机及配套设备 的研究,包括2000 m全液压动力头岩心钻机、配套泥浆泵、 高精度钻探参数检测系统、钻井液固控系统、深孔用绳索取 心钻杆、绳索取心液动潜孔锤钻具、不提钻换钻头钻具以及 长寿命金刚石钻头,完成了2000 m岩心钻探设备、器具配套 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- hzar.cn 版权所有 赣ICP备2024042791号-5

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务