深孔钻探技术.docx
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深孔钻探技术
深孔钻探技术选择与施工细节
目录
第一章设备管材选择
第二章钻孔结构选择
第三章冲洗液的选择
第四章施工细节
第一章设备管材选择
1.1具备1000米以上施工能力的钻机
(1)国产立轴式钻机:
XY-5、XY-6、XY-8、HXY-9B。
(2)国产全液压钻机:
YDX-3、YDX-1800、HYDX系列、XD-5、XD-6、FYD-2200。
(3)进口全液压钻机:
LF-70、LF-90、LF-230、CS1000P6L。
钻机总体性能评价:
立轴钻机与液压钻机总体比较
优点
缺点
立轴钻机
传动效率高一般高于90%,提钻效率高,运行成本及折旧费用低。
钻进倒杆及机台搬迁速度慢,
液压钻机
启动平稳,无需配主动钻杆。
钻进倒杆及机台搬迁速度较快,斜孔施工比较方便。
传动效率低一般低于70%,提钻效率低,运行成本及折旧费用高,检查维修困难。
两种类型的钻机在钻压和转速上的实际效果,差距不是很明显。
根据近几年的现场施工,全液压钻机的使用数量越来越多,同时也出现了不少问题,主要是运行成本较高,部分液压钻机运行时漏油严重,加油如加水。
国外的一些液压钻机,维修的零部件不好配备,维修周期长。
总体而言,全液压钻机正走在技术成熟售后完备的路上,因此全液压钻机的占比不应太高。
待技术成熟后,再提高全液压钻机的使用数量较为合理。
在深孔施工中,钻机的最大钻进深度要超过设计孔深20%以上,甚至更高,以备出现孔内事故,要超负荷运转。
另一个原因,目前国产深孔钻机技术尚不成熟,标注的最大钻进深度与实际钻进深度有一定差距。
案例:
伊犁新源县,磁异常查证孔ZK001,使用的是HXY-8钻机,标注的钻进深度可达3000米,在提升负荷超过10吨时,出现了刹把轴承支架断裂,单独用刹车刹把刹不住车的现象,后来调整刹车间隙后,左右两个刹把同时使用才能刹住车。
1.2管材:
为了满足深孔及复杂破碎地层钻进取心需要,将钻杆体两端墩粗方式来提高钻杆整体强度及寿命,钻杆抗拉强度提高47.6%。
抗扭提高50%以上。
优点是减少材料消耗及钻杆重量。
内加厚适当减少岩心径,可以减少钻头刻取面积、孔内扭矩、功率消耗。
目前已大面积推广应用,并取得了较好的综合应用效果,深度超过2000m。
但由于材质本身及加工精度等问题,还有需要改进提高的余地。
在钻杆材质方面,我国以往走入了误区,只考虑了钻杆各强度和刚性,忽略了钻杆在钻孔复杂的受力及柔性,从国外钻杆的静强度、钻杆螺纹根部的壁后、应用效果看,钻杆具有良好的柔性、较好的同轴度、螺纹加工精度对防止钻杆折断具有重要的影响。
我国钻杆的静强度比国外高的多因此,“863”项目2000米深孔绳索取心钻杆钻杆重点解决钻杆材质、热处理工艺及加工精度等问题。
(1)优选进口Q系列钻杆。
(2)选择国内45MnMoB或XJY850高强地质管材。
(3)选择唐山金石、无锡钻探工具厂等知名厂家产品。
(4)几种国产钢材性能参数对比表(见表1)
钻杆推荐使用深度=(0.75~0.8)×钻杆最大可使用深度
一.表1几种钢材的性能参数对比表
钢种
测试用材料的热处理状态
屈服强度
σs/MPa
搞拉强度
σb/MPa
伸长率δ5/%
断面收缩率ψ/%
冲击功
Ak/J
冲击韧度ak/(J·cm-2)
屈强比
30CrMoA
调质
≥735
≥930
≥12
≥50
≥71
≥88
0.79
30CrMnSiA
调质
≥885
≥1080
≥10
≥45
≥39
≥49
0.81
45MnMoB
调质
≥750
≥920
≥12
≥48
≥56
≥70
0.81
XJY850
调质
≥950
≥1020
≥16
≥52
≥75
≥91
0.93
几种常用钻杆的最大钻进深度
最大钻进深度
最大承受扭矩
HQ
1500m
1010Nm
NQ
2000m
600Nm
BQ
1500m
405Nm
外敦粗
3000m
1200Nm
钻杆推荐使用深度=(0.75~0.8)×钻杆最大可使用深度
案例:
在鄯善县沙尔湖煤田勘探中,同一矿区,两个钻孔相距2km,同样的设计孔深,一个钻孔使用的是普通国产钻杆,钻进至600米处,反复断钻杆,由此引发复杂的孔内事故,另一个钻孔使用的是墩粗钻杆,没有出现一次断钻杆事故,并且顺利终孔。
1.3机具:
(1)优选进口Q系列钻具。
(2)推荐使用唐山金石产品。
(3)夹持器:
推荐使用唐山金石BS75-J型自重式木马夹持器或中国地质装备公司SQ114/8型绳索取芯钻杆液压钳。
第二章钻孔结构选择
钻孔结构的繁简取决于地层岩性和技术水平。
吸水膨胀、松散、破碎、坍溻、掉块、涌水、漏水等复杂地层多。
则套管层数和换径次数多,钻孔结构复杂。
反之,则钻孔结构简单,在少数情况下甚至可一径到底,另外,如技术水平高有些复杂地层通过采用适当的冲洗液,改善冲洗液性能及其他先进的护壁、堵漏措施。
也可不下套管,因此应尽量采用先进技术,以简化钻孔结构。
钻孔结构的繁简既要考虑经济因素,也要考虑安全钻进。
从经济的观点看,套管层数多,开孔直径大,钻进效率低,成本高。
因此简化钻孔结构可降低成本,节约开支.但钻孔结构过于简化,有些复杂地层孔段未下套管,又未采取合理的技术措施,因而可能导致孔内事故,机械事故和人身事故。
综上述.设计钻孔结构的原则是,在保证安全生产的前提下,尽量简化钻孔结构。
设计钻孔结构时,首先应考虑全孔各复杂地层的钻进技术措施,确定套管层数和换径次数。
然后根据地质人员要求的终孔直径,自下而上确定各孔段的直径和长度,为了安全一般留有一级备用直径,即开孔直径增大一级
地层的复杂性客观决定了需要下几层套管,每层套管的口径是多少?
每层套管下多深?
深孔孔深结构设计力求拿出既安全又经济的下套管优化方案。
套管口径常规系列:
173/168、150/146、130/127、110/108、91/89、75/73mm,套管壁厚8.00~3.75mm。
案例1:
新源县设计孔深2000米的磁异常查证孔,钻孔结构一开是Φ150mm,钻进30米处,设计二开用Φ122mm的绳钻钻具,由于上部卵砾石层厚,且并不知道深度,施工中常出现轻微卡钻和钻具放不下去等孔内事故,分析原因后,根据实际情况,客观地将Φ150mm牙轮钻头+Φ122mm的钻杆作为穿越卵砾石层的钻具组合,这样在没有下Φ150mm套管的情况下,钻进至680米,穿越卵砾石层,在硬质泥岩层下入Φ114mm套管,改Φ95mm钻具继续钻进。
设计Φ95mm钻具穿越第四系至基岩,下Φ89mm套管,改Φ75mm钻具钻进至终孔。
第三章冲洗液的选择
3.1松散地层泥浆案例
1.施工地段从上到下依次为素填土、砂质粘土、粉砂、粉细砂、粉砂夹粉质粘土、粉砂粘土、淤泥质粉砂粘土。
由于穿越地层孔壁稳定性较差,易坍孔,且中部的淤泥质粉质粘土土性软,承载性质差,易缩径.
配方一:
6%土+1‰Na2CO3+1‰NaOH+3‰CMC+0.3‰润滑剂(或万用王),马氏漏斗粘度控制在60~80s,密度1.06g/cm3。
配方二:
7%土+4%(土重)纯碱+0.4%CMC+0.4%LG+0.03%XC。
主要性能指标:
马氏漏斗粘度是50~70s,失水量是11.5ml。
2.自上而下地层分布为第四系粉砂质粘土、砂砾石层、粘土层、第三系杂色粘土、砂砾石层、下部为红砂岩及胶结性不好的卵砾石层、泥岩、粉砂岩、灰岩及炭岩。
第三、第四系厚度达700m左右,极易遇到缩径、超径、坍塌和掉块等孔内复杂情况
配方:
6%土+Na2CO3+2%LG植物胶+0.4%CMC;
3.2溶蚀性地层泥浆
溶蚀性地层以氯化钠盐层最为典型,其他还有钾盐、石膏、芒硝、天然碱等。
这类地层又称为水溶性地层,它遇到钻井液中的水,就会发生溶解,使钻井井壁溶蚀掉,其结果经常导致井眼超径、垮塌。
对付水溶性地层,主要从两方面入手解决:
一是降失水,其原理和方法前面已经介绍过;二是降低钻井液对地层的溶蚀性。
在泥浆中加入与地层被溶物相同的物质,使溶解度趋于饱和,就是常用的治理溶蚀的方法。
例如在岩盐中钻进,采用盐水泥浆作为钻井液,防塌效果良好。
盐水泥浆是粘土悬浮液中氯化钠含量大于1%,或用咸水(海水)配制的泥浆,先用淡水制备分散性泥浆,然后加盐转化为盐水泥浆;由于膨润土和普通粘土在盐水中不易分散,故配浆困难。
为此,对于用盐水或海水直接配浆,宜用抗盐粘土如凹凸棒土、海泡土等。
我国山东钾盐矿床钻探时,在930m至2500m处遇到白垩系石盐岩、钙芒硝夹泥质粉砂岩,石膏等地层;
配方:
1m3泥浆+CMC25kg+OP型乳化剂4.5kg+十二烷基磺酸钠4.5kg+皂脚10kg+洗衣粉2.5kg+NaCl325kg+柴油53kg+废机油5kg。
泥浆性能为比重1.21,漏斗粘度34s,失水量4.4ml,泥皮0.3mm,塑性粘度21mPa·s,动切力2.75Pa,pH值8。
普通盐水泥浆
配方一:
3%预水化土+3%NaCl+2%KCl+1.5%DFD+0.3%PLUS
配方二:
3%预水化土+3.5%NaCl+3%KCl+2%DFD+0.4%PLUS
硅酸盐钻井液
1.腐植酸-低硅酸盐钻井液
配方:
密度1.5的水玻璃40-80L+密度1.04NaCl水溶液+硬度低于7meq的水720-840L。
性能:
密度1.03g/cm3,粘度16-18s,虑失量5-8ml/30min,泥皮厚度1mm.
2.Na-CMC-低硅酸盐钻井液用于坍塌含高化矿度水的地层。
配方:
Na-CMC—NaCl—硅酸盐2%-5%—稀释剂(硅酸盐必须逐步加入)
3.PAN-低硅酸钠钻井液用于含盐地层和一般地层
PAN-低硅酸钠无粘土钻井液或PAN-低硅酸钠低固相钻井液
4.淀粉-低硅酸钠钻井液用于含盐地层,泥页岩地层。
选择性加入Na-CMC和木素磺酸铬等处理剂提粘。
5.乳化-低硅酸钠钻井液用于任何含盐地层
粘土26%+硅酸钠8%+Na-CMC-600+石油或柴油7-12%+表面活性剂+消泡剂
加重泥浆
典型配方案例1—河南正阳某地质钻探,钻遇大段高压流塑土层,提钻后该段软土快速向孔内涌缩,无法继续钻进。
配方:
1m3水+30㎏预水化膨润土+3㎏XC+400-500㎏重晶石粉(800目)+15㎏CMC(或LG或DFD)
性能:
表观粘度32mPa·s,失水量9ml/30min,PH值9,比重1.34
注:
为实施加重钻井液方案,首先采用脲醛树脂水泥球技术将上部的裂隙漏失带封堵掉,以防止加重钻井液压漏上部地层。
典型配方案例2—贵州某煤田钻探。
钻至450米处,遇到高压水的裂隙岩溶地层,孔口涌喷量达55m3/d.
配方:
1m3水+50㎏膨润土+10-20㎏PAM+30-50㎏CMC+20-30㎏KP共聚物+250㎏重晶石粉
泥浆性能:
比重1.5,粘度35-45S,失水量7ml/30min,PH7.5.
注:
加重泥浆处理后,没有涌水现象。
典型配方案例3—新疆伊犁盆地核工业地质局某矿区砂砾层止涌。
配方:
1m3水+200㎏重晶石粉+50㎏膨润土+5㎏CMC+3㎏纯碱+6㎏腐植酸甲
泥浆性能:
比重1.4-1.5,粘度35-45s,失水量5-10ml/30min.
二.泡沫泥浆
1.钠土4%+CMC0.2%+PHP200ppm+DF—1泡沫剂0.1%密度=0.55—0.85Kg/L
三.Na-CMC(钠羧甲基纤维素)泥浆
1.钠土6-8%+纯碱5-6%+Na-CMC1-2%
泥浆性能:
比重1.03~1.07,粘度25~35s,失水量小于12ml/30min,pH值约9.5。
四.钾基钻井液抑制泥页岩泥浆
配方一:
(KHm-PHP低固相泥浆体系)3%KHm+1.5HPAN+3%SPAM+1.5%KCl.
配方二:
(KCl-KPAM,KCl-SMP体系)KCl4-5%+KPAM
配方三:
2-2.5%PHP+7-16%KCl+3-8%(NH4)2SO4+2.5-5%膨润土+NaCl(至饱和)
配方四:
(低氯新甲基钻井液体系)土+1%K3PO4+0.2%KOH+1.5%PAC+0.6%SMK+0.05%K2Cr2O7
第四章施工细节
5.1防斜措施
直径为89mm的钻杆及钻具,防斜性能较好,钻杆的同心度和刚性都较71mm的钻杆要好,另外,当孔深时,89mm钻杆的自重就有一定的保直作用。
如何使71mm钻杆及钻具具有良好的防斜作用,是小口径钻进的难题。
技巧一:
如果地层较完整,在71mm的钻具上方3米左右处多加一个钻杆扩孔器,有助于小口径钻进的保直防斜。
技巧二:
通过降低压力,适当提高转速并控制班进尺,并且泵量不易过大。
可以起到防斜的作用。
5.2轻微卡钻和反复垮孔事故分析
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