基于绿色勘查的浅层钻探技术方法研究与实践

绿色勘查是新一轮找矿突破战略行动的主要模式,是统筹找矿突破与生态环境保护的有效手段。钻探技术作为直接获取地下实物信息的唯一手段,在新一轮找矿突破行动中具有不可替代的作用。成矿带浅覆盖区资源潜力巨大,是国家资源能源战略保障的重要前沿阵地,利用浅钻“剥离”覆盖层,采集残积层、新鲜基岩等实物样品,通过分析测试确定矿体埋藏深度、品位和储量,是覆盖区找矿的有效方法。本文在收集和总结国内外浅钻设备研究进展基础上,梳理我国基于绿色勘查的浅钻技术研究与实践进展,分析浅钻技术发展趋势,提出构建高效率、小扰动、少污染、低碳排的浅层绿色钻探技术装备体系,推进我国地质矿产勘查行业的绿色可持续发展。

覆盖区矿产调查钻探查证技术方法研究

覆盖区矿产勘查是新一轮找矿突破战略行动的重要内容之一.采用更加绿色和有效的钻探技术,快速获取隐伏基岩信息与样品,是覆盖区找矿亟待总结和推广的工作.本研究基于绿色勘查理念,采用便携式浅层钻探装备与技术,以及空气反循环钻进工艺,在大兴安岭东南缘宝山浅覆盖区铜多金属矿勘查中开展钻探试验,实现了快速穿透覆盖层获取隐伏基岩信息、查证物探异常并采集地球化学样品的效果,同步结合孔内成像等技术,为填制覆盖区隐伏岩石地层单元分布范围和界线等提供了基础资料.试验结果表明,基于浅层绿色钻探技术,结合孔内成像,并为野外地球化学快速分析提供测试样品的多方法组合,可以有效解决浅覆盖区找矿难题,在矿产勘查过程中具有很好的推广价值.

环保型弱凝胶护壁护心钻井液研究与应用

海域浅层气地质调查和盐湖环境科学钻探在松散砂岩钻探取样工程中,存在孔壁易坍塌、成孔率低等技术难题,为此开展了松散砂岩地层环保型弱凝胶护壁护心钻井液技术研究。通过弱凝胶结构研究及成胶剂、交联剂及抗盐降滤失剂等材料优选,研发了一套环保型弱凝胶护壁护心钻井液,评价了钻井液的流变性、滤失性、抑制性、护心性能、环保性能等性能,并在山西某盐湖环境科学钻探工程进行现场应用。室内测试及现场应用结果表明:研制的弱凝胶护壁护心钻井液具有良好的流变性、降滤失性、抑制性(岩屑回收率96.3%)、护壁护心性能及环保性能(BOD5/COD比值24.6%,EC50值47950 mg/L),能有效解决松散砂岩类地层孔壁坍塌、岩屑不易携带等问题,在松散地层钻探工程中具有广阔的应用前景。

烟台渤海海域工程地质勘察钻探泥浆体系研究及应用

烟台渤海海域海底地层主要为第四系松散土层和风化基岩,其中第四系松散土层多为淤泥质黏性土、粉土、粉细砂以及黏性土等。在该类地层进行地质勘察钻探施工时,由于黏性土层多为流塑、软塑状态,粉细砂多为松散和稍密状态,钻进时易出现多种孔内事故,造成成孔困难、施工成本增加和施工工期延长等问题,较大地制约了海域工程地质勘察工作的顺利开展。本文针对烟台地区渤海海域工程地质钻探第四系地层,通过室内试验调试和比对,选用不同比例添加剂的海水泥浆配方,综合确定最优方案。并通过多项工程地质勘察钻探现场应用,均取得良好的效果,有效保证了烟台地区渤海海域工程地质勘察钻探工作顺利进行。

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。

绳索取心钻进钻杆防垢除垢系统的研究

本文针对金刚石绳索取心钻进过程中钻杆内壁结垢影响岩心顺利打捞的问题,在借鉴国内外研究成果的基础上,系统梳理了影响钻杆内壁结垢的主要因素,编制了可以方便、快捷地计算结垢指数I和临界通径D_(c)的计算程序系统,系统可根据计算结果提出相应的防垢除垢措施。在工程中进行了现场应用,为现场钻探工程师进行防垢除垢、确保钻探安全高效进行提供了有益的科学指导。

深海沉积物滑撬板滑行摩擦阻力试验研究

深海沉积物含水量高,抗剪强度较低,采用滑撬板滑行、螺旋桨推进是重载行进的有效方式之一。滑行能够明显减轻行走机构对沉积物压陷作用,降低环境扰动。本文利用滑撬板滑行实验分析了不同接地比压下沉积物压陷深度和滑行摩擦阻力的关系。研究结果表明:滑撬板的接地比压直接影响滑行摩擦阻力,随着接地比压的增大,滑撬板下陷增加,沉积物变形加剧,滑行摩擦阻力加大。通过上述试验结果总结得到接地参数对滑行摩擦系数的影响及其相关关系式,为深海采矿车行走设计提供数据支撑。

地热井堵漏材料研究进展

地层漏失是地热能勘探开发过程中经常遇到的问题,会影响施工安全、钻探效率和施工成本,尤其是地层稳定性差的热储层失返性漏失问题。当地热井非热储层段发生严重漏失时,采用常规的水泥、桥接堵漏材料等堵漏材料后堵漏成功率不高,亟需研发低成本、堵漏效果好、绿色环保的地热井堵漏材料。本文综述了地热井堵漏技术要求、堵漏材料研究与应用现状、地热井非热储层用堵漏材料和热储层用暂堵材料,分析了不同堵漏材料的优缺点,重点介绍了现有地热井堵漏材料的应用效果和自降解暂堵水泥、自降解型交联凝胶、温敏型形状记忆聚合物等3种热储层用暂堵材料的堵漏原理与进展,尤其是自降解型交联凝胶。随着地热能向深部勘探开发,提出了研发堵漏成功率高的广谱型堵漏技术、抗高温堵漏材料以及热储层段暂堵材料应用验证和热储层伤害评价等研究方向。研究成果对地热井钻遇漏失地层堵漏研究与工程实践具有重要的参考价值。

高温环保钻井液研究及其干热岩钻探应用

干热岩是内部无流体或存在少量流体且温度高于180℃的异常高温岩体,是极具潜力的新型清洁能源(毛翔等,2019)。随着我国干热岩钻探工程的逐步开展,钻遇地层的超高温度对钻井液的抗高温能力提出了更高的要求。干热岩钻探中所用的水基钻井液在高温下出现黏度显著增大或减小、滤失量大幅增加等钻井液性能恶化的问题,石油钻井常用抗高温三磺钻井液因其含有的磺酸基团具有一定毒性,会对环境及地层造成污染,不适用干热岩钻井(刘畅等,2021)。

深层煤层气保压取心技术及应用研究

煤层气取心过程中,压力发生变化,会直接造成煤层岩心含气量及孔隙度等参数发生改变,这对煤层气体含量探测及煤层气成藏理论研究造成偏差。目前煤层气资源勘探取心采用的保压取心工具,保压能力低于50 MPa,不能满足深层煤层气资源精确勘查的需求。针对这一问题,研发了一种深层煤层气保压取心工具,保压能力60 MPa,单回次取心长度6.5 m,并通过理论分析、数值模拟、室内试验等方法验证了该工具的强度和安全性。在内蒙古某煤层气勘探井进行保压取心作业,共进行3筒保压取心,累计进尺9.4 m,收获岩心总长9.12 m,平均岩心收获率97%,保压成功率100%。研究结果表明:研制的深层煤层气保压取心工具性能可靠,可为煤层气、页岩气等非常规油气资源精确探测提供新的工具方法支撑。

耐240℃超高温高密度钻井液探索性实验研究

随着深部油气、高温干热岩勘探与深地探测战略实施,钻井液长期处于高温高压恶劣环境,超高温高压下水基钻井液性能稳定性是超高温井钻探的一项关键技术。分析了超高温科学钻探工程钻井液面临的技术难题,提出了耐240℃超高温高密度水基钻井液配方的设计思路。采用单因素法,优选了耐240℃超高温高密度水基钻井液用关键处理剂。利用不同高温处理剂的协同增效作用,初步研发了一套抗温240℃、密度2.0 g/cm^(3)的超高温高密度水基钻井液配方。研究结果表明,经240℃老化16 h后,最优配方的钻井液具有良好的流变性和降滤失性能,其表观粘度变化率<30%,180℃高温高压滤失量≤24 mL。

宁夏中卫深井煤炭勘探区钻探工程冬季施工技术

宁夏中卫市深井区块煤炭资源勘探是宁夏能源保供地方急需矿产资源勘探项目,钻探工程需要进行冬季施工,工作区最低气温-21℃,期间受低温及地层破碎影响,给钻探施工带来了巨大挑战。勘探区主要煤层以粉煤为主,取心难度大,通过使用抗低温冲洗液体系、合理维护钻机柴油机等设备、优化钻具组合及改善施工人员防寒取暖条件,顺利完成了该项目的钻探工程冬季施工,平均台月效率811.2 m/月。

广西苗儿山大厚度水敏性地层冲洗液技术研究及应用

广西苗儿山地区铀矿找矿潜力巨大,但局部地区地层复杂,存在大厚度水敏性地层及破碎地层,钻探施工中频繁遇到孔壁坍塌及钻孔超径等难题,导致孔内事故频发,严重影响施工进度。因此,对该地区水敏性岩心进行了矿物成分和微观特征分析,分析结果表明水敏性地层含有大量蒙脱石、高岭石、水云母等粘土矿物,且微裂隙发育,水化膨胀严重。针对以上问题,通过室内实验评价,优选了新型成膜护壁材料,进一步研制了护壁性良好的成膜护壁冲洗液体系,其最优配方为:5%成膜A剂+3%成膜B剂+1.5%改性沥青+1%随钻堵漏剂+1%封堵剂+0.6%增粘剂+0.2%包被剂。该冲洗液API滤失量为5~8 mL,相对膨胀降低率达到87%以上,可有效抑制水敏性岩心水化膨胀,护壁效果明显。该技术在苗儿山地区3个试验钻孔成功应用,顺利钻穿水敏性地层,未发生岩心分散、孔壁坍塌等问题,取得了良好的应用效果,初步形成了针对该地区水敏性地层的成膜护壁冲洗液技术。

新型隔膜压滤装置在地质钻探废浆无害化处理中的研究与应用

地质钻探作业过程中产生的废浆因其含有重金属、有机物质等污染物,对土壤等生态环境构成严重威胁,随着《环保法》的实施,地质钻探泥浆排放已成为主要环保指标。针对地质钻探行业特点和无害化处理需求,本文利用计算机数值模拟方法通过分别改变隔膜压滤装置的过滤压力和滤室厚度,分析研究对废浆的过滤性能的影响,并通过室内试验进行验证,进一步优化压滤装置过滤压力设置和结构设计。最后对处理的废浆进行测试,分离固相含液率降低到20%以下,分离液相可通过芬顿法进一步处理后实现直接排放(BOD 5≤30 mg/L,COD≤150 mg/L),有效提高处理效果,证明了该新型隔膜压滤装置在地质钻探废浆无害化处理中具备良好应用前景。

高温滚子炉的炉内温度均匀性研究

随着钻探深度的不断加大,井下的高温环境对钻井液的耐温性要求也越来越高。针对钻井液的抗温性和老化性的研究需求,研制了一种最高工作温度300℃的高温滚子炉。为了测试优化该装置的内部温度均匀性,通过散热实验对比分析了不同的加热板形式、轴流与离心的扇叶形式以及扇叶尺寸散热效果。结果显示,选用长带式宽板电阻加热板加热和高速大直径轴流扇叶能够更加均匀散热,因此高温滚子炉选用长带式宽板电阻加热和高速大直径轴流扇叶设计。选用该设计的高温滚子炉,在150℃、280℃、300℃不同温度下散热降温,炉内不同点的温差小于2℃,符合高温滚子炉的设计指标。

配套井底动力钻具用金刚石全面钻头的研究与应用

针对油气勘探开发中钻遇的高抗压强度和高研磨性的难钻进地层,从配套不同井底动力钻具出发,开展了配套的孕镶金刚石钻头研究,并在不同区块的难钻进地层进行应用。通过钻头高强耐温胎体配方、结构、混合布齿、制造工艺的研究,研制的出新型孕镶金刚石全面钻头,在川东北元坝气田、松辽盆地、塔里木油田博孜区块等地区成功应用。该钻头的平均机械钻速最高可达3.49 m/h(配合涡轮钻具使用),较牙轮钻头提高50%~300%,平均寿命达到牙轮钻头的3~8倍,大幅度减少起下钻趟数,缩短了施工周期,降低了勘探成本。

钻探工程学基础理论体系探讨

依据钻探系统与工作对象地层的相互作用逻辑关系,得到给进/回转钻柱、钻井液等两个动力介质,以及钻进过程的钻进(碎岩)、护壁和控向(防斜/定向)三个基本问题;提出了钻探工程学基础理论内涵,包括:钻柱力学、钻井液流变学与水力学(统称为钻探工程力学),岩石破碎机理、孔壁稳定机理、钻孔弯曲机理(统称为钻探基本原理),以及基础理论体系架构;重点探讨了钻探工程学基础理论体系的概念内涵、架构逻辑,以及基本原理、规律和方法等,有利于提高钻探工程学科理论和钻探工程实践水平。

废弃钻井液无害化处理技术研究进展

钻探工程实施过程中会给生态环境带来一系列影响,钻井液使用与处置不当是环境污染的主要源头,废弃钻井液具有污染大、种类多、处理难等特点。随着绿色发展理念的提出以及生态文明建设的深入开展,对废弃钻井液的处理技术提出了更为严格的要求。文章分析论述了国内外废弃钻井液无害化处理技术的研究现状及应用情况,对不同处理技术的优缺点进行了对比,进一步总结废弃钻井液无害化处理技术的发展趋势,旨在对非开挖行业废弃钻井液无害化处理提供参考。

柴达木大门口深层卤水矿产勘查双流道取心钻具研究

为有效获取深层孔隙卤水储卤层岩心,精准表征储卤层地质信息,提高钻探施工效率,解决传统单管、双管钻具应用过程中存在的取心率低、憋压跳钻、憋钻等问题。本文紧密结合卤水矿产勘查要求及柴达木盆地大门口地区地层情况,提出了该区域卤水矿产勘查钻探取心技术要点,基于已有钻进技术参数、护壁钻井液等提出了影响钻进效率及岩心采取率的钻具压力不平衡问题,分别设计了双流道压力平衡侧喷取心钻进、双流道压力平衡超前取心钻进工艺,研发了双管单动钻具、双管双动钻具、单向流道阀及配套器具等,在柴达木盆地大门口ZK03钻孔200~600 m孔段进行了试验应用,未发生憋钻情况、取心率>80%,满足了设计要求,为卤水矿产勘查提供了钻探技术支撑。

地质钻探技术与应用研究

钻探技术是取得地下实物资料、验证地下信息推断与解释、最终圈定矿体、计算储量、评估品位唯一的技术手段,是实现取得宏观影响大成果的重要技术支撑。我国钻探技术和装备水平与国外先进国家相比有很大的差距,但近些年来有了长足的发展。通过国家重大科学工程项目"中国大陆科学钻探工程"5158m"科钻一井"的实施,取得了一系列钻探技术成果,形成了一整套新型的、具有国际先进水平的硬岩深井科学钻探技术体系,包括硬岩深井取心钻进技术、扩孔钻进技术、泥浆技术和井斜控制技术。在国家科技计划项目、国土资源部科技项目以及地质大调查专项项目等的支持下,通过地质钻探技术的研究和应用,在绳索取心钻探技术、液动潜孔锤钻探技术、反循环钻探技术、组合钻探工艺、定向对接井技术、新型节水钻探工艺、系列全液压岩心钻机、全液压动力头水文水井钻机、地质调查浅层取心取样钻探装备与技术、系列新型金刚石钻头以及新型冲洗液技术等方面取得了长足的进步,为我国地质调查和矿产资源勘查提供了现代化的钻探技术和装备。