钻井利器的故事之“液动潜孔锤”

在各种钻探方法中,液动冲击回转钻进具有效率高、质量好、回次长、事故少、成本低等优点,而液动潜孔锤又是液动冲击回转钻进的技术核心。本文梳理了各种液动潜孔锤的结构特点及其与绳索取心钻具、孔底动力钻具相结合衍生的各种钻具,简要介绍了这一技术的典型应用案例,总结归纳了其下一步发展方向和技术难点,以期普及液动锤的应用,促进液动冲击回转钻进技术的进步。

雪峰弧构造带钻孔轨迹控制关键技术研究

随着近年来矿产资源勘查要求的提高,岩心钻孔的深度及地层复杂性也不断加大,为能精准的钻遇靶区矿体以实现地质目的,对钻孔轨迹控制的要求越来越高。雪峰弧构造带部分工作区地层倾角大、软硬交替频繁、地层破碎,实际施工中地层造斜情况严重,随着孔深增加导致终孔轨迹与靶区矿体偏差较大,影响矿产资源勘查的精度和质量。通过对该工作区地层造斜情况的深入分析,在ZK1001钻孔绳索取心钻进施工中采用初级定向孔技术和满眼钻具工艺,大幅度提高了钻孔孔身质量,较好地实现钻孔轨迹控制。并通过试验不同的岩心钻具组合,提出了满眼钻具组合的优化意见和建议,为工作区岩心钻孔轨迹控制提供技术参考。

直连绳索取心钻杆分区热处理技术研究

为了提高绳索取心钻杆的性能,对直连绳索取心钻杆的受力情况、结构特点以及传统处理工艺进行分析,提出了分区热处理的工艺。通过对两端进行热加工处理,使钻杆中间管体区域和两端热处理螺纹区域性能出现差异,提高两端综合强度的同时改善螺纹部分的受力状态,可使钻杆柱既具有高强度又兼具柔性,大幅提高钻杆机械性能以及耐磨性。其中调质硬度HRC33~38能在保证管体延伸率与正火、回火基本一致的情况下,强度提高37.7%,硬度提高40%,抗冲击性提高46.7%。调质硬度HRC38~42时,材料的耐磨性提高9.1%。更适合全液压钻机施工及深孔钻进,为钻探施工提供了钻机、钻杆配套性的优选方案。

阳山矿区严重漏失垮塌地层钻进工艺及工程实践

严重漏失、垮塌地层快速钻进工艺的研究与应用是当前固体矿产勘查地质岩心钻探亟需解决的问题之一。文章结合甘肃阳山金矿钻探工程实践,针对长孔段的严重漏失、垮塌地层,总结了一套适用于该矿区快速勘探的绳索取心钻进和全面钻进、顶漏钻进工艺,采用水泥临时封堵、套管封堵、扩孔、跟管等方式进行封堵的钻进方法,分析了其应用效果,提出了在该地层钻进的认识与思考,以期为同类型地层钻探提供参考。

钻井液离心机预防绳索取心钻杆内壁结垢研究

针对钻杆内壁结垢严重制约绳索取心安全、优质、高效实施的技术难题,开展了金刚石绳索取心钻进钻杆内壁的结垢机理与影响因素综合研究,结果表明:当钻具结构与钻井液性能一定的情况下,钻井液中的固相含量与颗粒大小是影响钻杆内壁结垢的主要因素。金刚石岩心钻进所产生的岩屑粒径在5~100μm之间,总体偏细,难以依靠自然沉降清除。为此,研制了TGLW系列小型离心机,现场试验表明:该离心机可使钻井液中固相颗粒的峰值从5~80μm降到3~10μm,固相粒度中值从11.189μm降到3.513μm,固相清除率达90%以上,控制钻井液固相含量在0.5%以下,既维护了钻井液性能、又预防了绳索取心钻杆内壁结垢。

粉煤地层绳索取心钻进孔壁坍塌分析及处理

在甘肃省景泰县郭家台煤炭资源详查ZK30-1孔施工中,因强行提“水钻”造成了长孔段孔壁严重坍塌事故。分析认为坍塌地层粉煤层位多、累计厚度大,围岩结构松散、破碎是造成孔壁坍塌的地质因素;冲洗液性能与地层岩性不适应是主要技术因素。通过引入低粘强抑制冲洗液,扫孔过程中轻压慢转、小泵量循环,成功处理了孔壁坍塌,顺利终孔。煤田钻探施工对冲洗液性能要求严格,用绳索取心钻探粉煤对冲洗液性能要求更为苛刻,在冲洗液配制和钻进过程中尤其需要加强对其性能变化的监控。

海洋自适应伸缩绳索取心钻探工艺研究及应用

海洋取心钻探钻遇软硬交互地层时,往往采取提钻更换相匹配的取心钻具来应对不同硬度的地层。海上作业成本高,频繁起下更换钻具耗费时间长,面对软硬交互地层工况,研发了自适应伸缩绳索取心钻探工艺。钻遇绵软地层时,内管超前伸出,由内管安装的钻头进行取心钻进;钻遇坚硬地层时,内管在地层对钻压的反力下会压缩其内部的弹簧从而回缩到钻具外总成当中,由外总成钻头进行取心钻进,在压缩弹簧的调解下,可根据地层硬度的变化自动调整取心钻进方式。通过工程应用检测,使用该工艺平均岩心采取率高,达到了保证取心质量、延长内管钻头工作寿命的目的,提高了作业效率和安全性,为海洋工程勘察提供了借鉴。

云南某铅锌矿区复杂地层钻探施工技术应用研究

云南某铅锌矿区地质条件复杂,岩石松散破碎,泥岩、页岩及煤系层发育,钻探施工中存在孔壁垮塌、缩径、卡钻、埋钻和成孔难度大、岩心采取率低等难题,施工进度慢,效率低。结合矿区复杂地层特点,通过采用金刚石底喷钻头、跟管钻进技术、高密度低失水泥浆等一系列钻探技术措施,应用绳索取心液动锤钻进技术,有效减少了孔内事故的发生,平均四次进尺提高22.97%,为项目的安全、高效和优质完提供了坚实的技术保障,为类似复杂地层的施工积累了经验。

绳索取心钻具应用于普钻工艺提高岩心采取率技术研究

地质岩心钻探是探明地层含矿储量最直接、最有效的手段,所取出岩心是研究和了解地下地质和矿产情况的重要实物地质资料。地质岩心钻探常用的取心工艺基本为单管干钻卡心钻进工艺与绳索取心钻进工艺,但均对地层岩性有一定的要求,在部分难取心地层适用性较差。本文主要通过结合绳钻工艺和普钻工艺的共同优点,将绳索取心钻具应用至普钻工艺中,并经过现场应用确定此取心钻进方法在提高岩心采取率方面具有积极的作用。

绳索取心振动防堵钻具的试验研究

常规绳索取心钻具在钻进破碎地层时易发生岩心堵塞,回次长度缩短,钻进效率降低,深孔时则尤为明显。现阶段绳索取心液动锤技术具有优秀的岩心防堵功能,但因其结构复杂、技术要求高、价格偏贵等原因普及度不高,缺乏具有良好岩心防堵功能的绳索取心钻具。研制了HQFD型绳索取心振动防堵钻具,其中防堵内管总成是研究核心,保持与常规H规格内管总成长度与直径不变进行定尺寸研发,利于实现内管总成间的高效替换。该钻具高效振动的泵量需求与H规格规范推荐泵量吻合度高,附加泵压低,能以最小投入实现岩心防堵功能。初步完成了HQFD型振动防堵钻具的振动原理选择、功能机构布局、振动效果测评等工作,为绳索取心岩心防堵提供了新的选择。

山东招远大尹格庄3000m科学钻探施工技术

山东招远大尹格庄3000 m科学钻探项目是在胶东地区招平断裂带处施工的最深科学钻探项目,设计钻孔深度为3000 m。为达到提高钻探施工效率、降低孔内事故概率的目的,本项目采用高效稳定的XY-9DB型变频钻机、自主研发的高效长寿命金刚石钻头、CHD76系列高强度钻杆及联合研发的LZRT360型钻井液离心机,采用了P/H绳索取心液动冲击钻探技术、绳索取心涂层减阻内管技术等关键技术,进行深孔钻进施工,并针对不同地层进行了冲洗液体系的优选。该项目终孔孔深3120.35 m,终孔孔径78 mm,平均岩心采取率95.6%,平均矿心采取率97.9%。本文对此项目施工过程中钻遇复杂地层的处理方法、解决方案以及设备使用情况进行了总结,为类似深部钻探工程项目提供了参考。

轻便式气囊隔离随钻压水试验器的研制与应用

水利水电工程勘察中,经常要进行钻孔压水试验。为提高压水试验效率,研发了一种可配合绳索取心钻具使用的轻便式气囊隔离随钻压水试验器。试验过程中,在不全部提钻的情况下,从绳索取心钻杆内快速下入试验器,通过使用橡胶气囊及气水分流的手段进行钻孔压水试验。本文对其工作原理、结构组成和关键技术进行了详细介绍,并在云南某水电工程项目上进行了现场试验。结果表明,采用该试验器结构简单,可靠性高,制造成本低,试验过程中可显著降低劳动强度、提高生产效率,且可根据实际需要制作成Ø75 mm、Ø91 mm等多种规格,与绳索取心钻进做压水试验配套使用,从而解决绳索取心技术在水利水电行业的推广难题。

柳州地区页岩气地质调查井钻探技术研究与应用

页岩气地层裂隙发育,胶结性差,表现为岩石破碎、水敏性强、孔壁强度低。在钻进过程中容易出现坍塌、掉块、缩径等复杂情况,从而引发孔壁失稳、卡钻、埋钻等孔内事故。对广西柳州地区页岩气地质调查井工程进行钻探技术研究,应用PVA1788成膜体系无固相冲洗液和成膜防塌体系无固相冲洗液、绳索取心液动锤钻进技术、膨胀波纹管护壁新技术、螺杆钻具定向钻进纠斜技术,在现场勘探施工中取得了良好的效果,保证了项目的顺利施工。

特深孔地质岩心钻探技术装备集成及示范

特深孔地质岩心钻探技术装备是由中国地质科学院勘探技术研究所牵头、国内多家单位合作参与研发成功的我国深部矿产资源勘探技术装备,是“十三五”国家重点研发计划项目“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”的研究成果,形成的主要研究成果总体实现了特深孔地质岩心钻探工程设计标准化、钻探装备轻量化、钻进控制智能化、孔口操作自动化、孔内钻具系列化、泥浆体系绿色化的目标。以JZ04地热地质勘探井为示范平台,完成了特深孔地质岩心钻探技术装备集成及示范应用,重新构建了新的地质钻探小口径钻孔结构,创造了?114mm绳索取心钻进应用深度、下入?146 mm地质套管深度两项亚洲纪录,初步形成了以绳索取心工艺为主体的特深孔地质岩心钻探技术装备体系。

绳索取心满眼管柱的力学模型优化与应用

为了解决常规绳索取心钻具结构防斜能力低、钻孔轨迹控制差的问题,本文基于经典管柱力学的纵横弯曲连续梁理论,优化了孔底钻具的力学模型:将取心钻头与下扩孔器间视为钻头整体,而不作为第一跨;将稳定器间距小于切点跨距的管柱视为刚体。在此基础上提出了提高钻具防斜和钻孔轨迹控制的管柱结构模型,并通过钻探施工验证得出,管柱结构模型的理论防斜效果和实际钻孔轨迹变化情况相吻合,这为提高绳索取心钻孔质量提供了有效的理论指导。

复杂山区水平绳索取心定向钻进聚合醇绿色防塌冲洗液研究

在西部艰险山区相关隧道及地下工程的勘察施工中,与传统垂直孔相比,水平定向绳索取心钻进勘察效率更高。在地质条件复杂、生态环境脆弱区,钻进过程中易出现塌孔、漏失等问题,要求所用冲洗液在保证流变性能的同时需具备抑制性强、无毒无害、绿色环保等特点。针对绳索取心水平定向钻进冲洗液性能问题,选择环保易降解、抑制性强的聚合物多元醇为主要研究对象,选择环保纤维素及纳米SiO_(2),以提升其自身流变性能。所研制的聚合醇防塌冲洗液体系:2%PVA+0.5‰甲基纤维素MC-9+0.5‰纤维素羟烷基醚LE-5+0.1%SiO_(2)+0.3‰淀粉类降滤失剂DD-1+0.2%有机硅消泡剂DS-957+0.8%KCl,由环保型材料构成,流变性能良好,防塌抑制能力也可达到定向取心钻进工程要求,为解决水平绳索取心定向钻进中的冲洗液工艺技术难题提供了新思路,对类似工程具有借鉴意义与参考价值。

寨上金矿复杂地层深孔岩心钻探技术

ZK4816孔是首个在岷县寨上金矿区实施的千米以深钻孔。针对矿区复杂地层钻进难、护壁难等问题,通过实施深孔岩心钻探工程,同步开展了钻探技术研究与实践,成功应用了广谱冲洗液、加大口径钻具、定向钻进等技术措施,钻进深度达到1172.88 m。广谱冲洗液与植物胶冲洗液相比护壁周期提高了3倍,采用加大口径钻具钻进可形成大环状间隙,大幅提升冲洗液携带粗颗粒岩粉的能力,“广谱冲洗液+加大口径钻具”技术的应用有效保证了深孔施工。为下一步复杂地层深孔岩心钻探工作提供了参考依据。

基于机器学习的水平孔绳索取心钻进钻压预测模型

小直径水平孔绳索取心钻探在隧道勘察等领域有着十分重要的应用,在进行长水平孔钻进时,由于钻柱的弱刚度特性及孔内强大摩阻的作用,钻压及扭矩损失严重,导致钻进效率低下,且极易发生卡钻等事故,因此及时掌握扭矩及孔底钻压状态从而调整钻进参数显得尤为必要。长水平孔钻进时,孔底钻压直接测量难度较大,机器学习算法的发展使得孔底钻压预测成为可能。因此,笔者首先基于相似原理构建了水平孔模拟钻进平台.

磷石膏地层用钙基成膜环保冲洗液研究与应用

针对磷石膏地层水平孔钻探工程存在松散磷石膏层孔壁坍塌、磷石膏遇水分散影响取心质量、冲洗液受钙侵导致其性能恶化以及钻孔轨迹控制困难等技术难题,同时满足绳索取心钻进工艺要求,室内针对性地开展了冲洗液技术研究,分析了磷石膏地层水平孔钻进对冲洗液性能的要求,并在室内处理剂优选、配方优化的基础上,研发了钙基成膜环保冲洗液体系,并成功应用于贵州某磷石膏矿尾矿库中的水平孔钻探工程。室内试验及现场应用结果表明,该体系具有良好的抗钙侵能力,滤失量低,流变性能相对稳定;能够在岩心表面形成相对坚固的保护膜,强化磷石膏孔壁,有效预防孔壁坍塌;保护岩心免受冲洗液侵蚀,提高了取心质量。此外,该体系由无毒和易降解的环保材料组成,具有良好的环保性能。

深部钻探绳索取心跨口径钻具的应用研究与拓展

在深部地质岩心钻探中,绳索取心是最常用的钻进工艺。由于绳索取心钻进环状间隙小,需要采取加大钻头的方式,解决泵压高、“激动”压力大造成孔壁失稳等问题。深孔施工在不下套管的情况下直接将钻头加大到上一级口径,可以解决环状间隙问题,还能多出一级备用口径。通过对绳索取心钻杆能力进行分析,研制了跨口径系列绳索取心钻具,并在实践应用中不断改进,为深部地质岩心钻探的钻孔结构设计和复杂地层钻进提供了保障,应用效果良好。为满足地热钻探的长孔段取心要求,提出了大口径绳索取心钻具的设计方案,进一步拓展了绳索取心工艺的使用范围。