现代钻探技术_刘彬

中国矿业大学2013级硕士研究生课程考试试卷考试科目：《现代钻探技术》考试时间：2014.6.25学生姓名：刘彬学号：TS13010127所在院系：资源与地球科学学院任课教师：李巨龙中国矿业大学研究生院培养管理处印制二零一三年三月成绩1综述现代钻探技术发展现状。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[1]。近年来,随着世界对矿物和金属需求的持续增长,全球固体矿产勘查采矿投资年均增长超过20%。稳定的矿产勘查投入,也使得勘查技术得到稳定发展。国内钻探工作量快速增长:从2006年的800万米到2008年1550万米,即使在金融危机的2009年,我国钻探工作量也达到了1600万米。投入的增加,蕴含了地质工作供给与地质工作需求的新信息,反映了矿产勘查工作的活跃。投入的增加,反映了经济社会发展对地质工作的强劲需求,反映了地质工作运行环境在改善,如政府更加重视、社会更加关注。近20多年来,国外地质钻探工艺方法没有根本性的突破和发展,仍然是以小口径金刚石绳索取心钻探技术为主,对个别矿种和地质条件下辅以不同的多工艺钻探技术。目前,美国、澳大利亚、加拿大、南非和欧洲等一些发达国家所采用的岩心钻探方法主要有金刚石回转钻进,三牙轮钻进和气动潜孔锤钻进;其取心方法有常规提钻取心(ConventionalCoreDrilling)、绳索取心(WirelineCoreDrilling)和反循环取样(ReverseryCirculation),但用的较多的还是绳索取心和反循环取样。1.1绳索取心钻探技术绳索取心是一种不提钻取心的钻探技术,其基本原理为:当岩矿心装满岩心管或发生岩矿心堵塞时,不需要把孔内钻杆柱提升到地表,而是借助专用的绳索打捞工具在钻杆柱内将岩矿心容纳管捞取上来。只有当钻头需要检查磨损状况或更换时才提升全部钻杆柱。该技术减少了升降钻具的辅助时间,增加纯钻进时间,提高钻进效率;发生岩矿心堵塞时可以立即打捞,减少了岩矿心磨蚀,并且在钻杆柱内打捞岩矿心平稳,减少了岩矿心脱落的机会,岩矿心采取率高;只有更换钻头时才提钻,减少了频繁升降和拧卸时钻头的磕碰及扫孔磨损等现象,可以延长金刚石钻头的使用寿命;减少了升降孔内钻杆柱次数,大大减轻工人劳动强度,改善劳动条件;减少了钻探机械升降系统的磨损与动力消耗,减少了因升降钻杆柱冲洗液对孔壁的冲击、抽吸作用,使孔内更安全。1.2液动潜孔锤钻探技术液动潜孔锤钻探是在回转钻探的基础上通过利用现场配套的泥浆泵输送的冲洗液驱动液动潜孔锤(简称液动锤)对破碎岩石的钻头施加一定频率的冲击能量,也就是钻头上带有冲击负荷的回转钻探。钻孔时液动锤安装在钻杆或岩心管与钻头之间,并随钻孔之延深而潜入钻孔中对钻头施加冲击负荷,以达到提高钻进效率之目的。液动潜孔锤钻探是对常规回转钻探的重大改革,是继现代金刚石钻探和空气钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点,是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低、钻孔质量差的有效钻探技术。1.3反循环钻探技术反循环钻探法主要分为空气反循环和水力反循环。空气反循环是以压缩空气作为循环介质,利用双壁钻杆将压缩空气经内外管环隙输送到孔底,并驱动孔底潜孔锤以全面碎岩的方式钻进,驱动潜孔锤工作后的气体再携带岩屑经双壁钻杆的中心通道上返至地表,以空气携带至地表的岩屑作为矿体评价化验分析的地质样品。这种取样钻探方法具有钻探效率高、成本低、适合干旱缺水的地区钻头施工等一系列优点。但它由于全面破碎以岩屑作为地质样品,所以存在着不能真实反映所钻地层结构和构造的缺陷,在某些情况下还不能完全满足地质要求。水力反循环连续取心钻探技术以液体(清水或泥浆)作为循环介质,利用双壁钻杆将循环介质经内外管环隙输送到孔底,然后将取心钻头形成的柱状岩心经内管中心通道携带至地表。该取心钻探方法具有取心质量好、判层及时、时间利用率高、劳动强度低。1.4组合钻探工艺组合钻探工艺研究是一种将空气反循环连续取样、水力反循环连续取心及金刚石绳索取心钻探的优点有机结合起来的综合地质钻探新技术。空气反循环连续取样钻探技术利用双壁钻杆、以压缩空气作为循环介质、以冲击回转为主要的碎岩方式钻进施工,循环介质经双壁气水龙头、双壁钻杆内外管环隙到达孔底,驱动孔底潜孔锤后并携带岩屑经双壁钻杆内管中心到达地表,并以此作为地质样品。所以具有钻进效率高、成本低、判层及时、适合干旱缺水地区钻进等一系列优点。但由于该方法是全面破碎、并以岩屑作为地质样品,所取岩屑不能客观地反映出所钻地层的地质构造及产状,而且钻进孔深受地下水位的影响较明显。所以,对于一些需要了解所钻地层的真实地质构造及产状特殊要求的情况,空气反循环连续取样钻探技术还有一定的缺陷。水力反循环连续取心钻探技术的原理同空气反循环连续取样钻探技术相同,只是以液体作为循环介质,以回转连续取柱状岩心的方式钻进,具有判层及时、时间利用率高、取心质量好、劳动强度低等优点,但其钻进速度要比空气反循环连续取样低得多,而且水泵功率消耗较大。绳索取心钻探技术具有取心质量较好、钻进深度较深等特点。但与反循环钻探技术相比,其钻进效率和时间利用率较低、劳动强度较高,不能及时了解所钻地层情况。1.5定向对接井技术定向对接连通井技术(见图1)是采用螺杆钻受控定向钻探技术和水平井钻井技术,使地面相距数百米的两井,在地下数百米甚至上千米的目的层处对接,从而实现两井连通水溶对流采卤。向一口井注入淡水,另一口井就产出高浓度卤水。该技术解决了对接孔设计、对接孔钻井工艺、井眼轨迹控制技术、井眼清洗技术、井眼轨迹预测模型建立、仪器改装、误差修正及数据处理、单点及随钻定向钻井工艺和采卤工艺、对接孔钻井微机软件编制等关键技术。研制了新型钻具结构、多头螺杆钻具、具有大范围造斜率的造斜工具、新型金刚石轴承与硬质合金轴承、多种金刚石造斜钻头与复合片造斜钻头和多种专用工具[2]。图1定向对接连通井技术示意图2以煤层气钻井工程为例，进行水平定向钻井轨迹设计或者欠平衡钻井工艺技术设计。2.1欠平衡钻井技术及国内发展现状欠平衡钻井技术就是在钻井过程中,利用自然条件和人工手段在可以控制的条件下使钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力,以实现所谓的“边喷边钻”,该种钻井工艺技术叫欠平衡钻井[3]。国内早在20世纪50年代,四川油田就开始运用欠平衡钻井工艺技术,实现了边喷边钻的先例。20世纪80年代初,新疆石油管理局率先开发应用了欠平衡钻井工艺技术,1984年9月在红29井进行了一口泡沫钻井,随后相继开展了空气雾化钻井、充气泥浆钻井工艺技术的研究。并在克拉玛依、长庆、玉门、安塞、吐哈等油田进行了试验。由于井控设备及一些关键技术的研究均未达到现场生产的要求而未推广应用。在“九五”期间国内继续对欠平衡钻井技术进行研究攻关,1997年度共完成9口井,全部获得成功。其中四川、新疆分别完成3口;中原、长庆、塔里木各完成2口。2.2工程实例下文以塔里木解放128井为例，该井在井段5568.06~5750.03m水平井段,在地层压力系数1.194g/cm3的条件下,采用1.02g/cm3钻井液,有力地保证水平井段的油气层，使该井获得168t/d原油,天然气108万m3/d的高产，并对其工艺进行分析。2.2.1工程背景简介塔里木轮南奥陶系古潜山经过6年的勘探历程,共有43口井钻遇奥陶系碳酸盐岩,其中16口井获得工业油气流,7口井获低产油气流,10口井见油气显示,除北斜坡带外,其它各构造单元都有油气流分布。轮南潜山碳酸盐岩储集层以裂缝—溶洞型为主,为双重介质系统,发育在潜山顶风化壳中,储层平面和纵向很不均一。基质孔隙度很低,一般在0~4.79%,平均1.05%。晚海西期构造运动以南北挤压为主,形成大量的大小断裂和裂缝,仅在潜山主体部位就达700多条,这些裂缝储层主要在进入潜山150m以内,但横向连通性差。大多是高角度裂缝、溶蚀孔隙及溶洞发育的碳酸盐储集层[4]。2.2.2设备配套(如图2)专用的设备是进行欠平衡钻开碳酸盐岩地层的关键,否则,将无法保证作业安全,对于油、气产量很高的地层更是如此。图2设备配套图2.2.3.欠平衡钻井工艺技术(1)边漏边钻钻井工艺(解放128井泥浆帽钻井)边漏边钻钻井工艺是用高粘切的高密度钻井液将环空内被污染的钻井液挤压到地层中,然后关井,钻具内用清水+胶液(密度1.03~1.04g/cm3)作为冷却液进行边漏边钻,井口可有回压也可没有,它取决于钻井液重力塞的密度。①一方面由于气油比高(解放128井气/油=4804.17),所以,在采用边喷边钻时,气体逐渐膨胀,套压上升速度快且高,超出旋转控制头承压能力和处理量,无法进行连续施工;另一方面因为地层裂缝、溶洞十分发育,所钻岩屑随钻井液漏失,起下钻不阻卡,可以连续作业,因此我们在该井选择了边漏边钻工艺施工。②注意事项:钻进过程中,及时上提钻具观察是否有阻卡现象,若发生阻卡,则放慢钻进速度;阻卡严重立即停钻。③解放128井欠平衡钻井工艺施工简况。解放128井钻进至5280.95m时,突然放空0.20m,发生井漏,经过两次桥堵和降钻井液密度解除,下入244.5mm套管后,分别在5384.50~5389.91m、5400.3~5406.4m、5436.41m、5458.40m,钻遇了4个裂缝发育带,发生严重的井漏和井涌,钻井液密度在1.14~1.17g/cm3之间找不到一个平衡点,给钻井工作带来巨大困难,主要采取了:①桥堵(19次);②柴油+膨润土(3次);③柴油+膨润土+水泥(7次);④水泥(8次)等方法进行交替堵漏,采用打一段堵一段的措施,当钻至A点时,共漏失钻井液9956.6m3,进行了37次堵漏作业,为保证水平段施工的安全以及油气层的保护,提前将177.8mm尾管下至5490.83m,固井后用152.4mm钻头继续钻进,钻至井深5554.27m,进尺61.94m,再次发生井漏和井涌,漏失钻井2115m3,最高关井套压38MPa。此时采用常规钻井工艺面临两大难关:一是为保护油气层不受污染,水平段不能用水泥进行堵漏;二是地层裂缝发育,钻井液漏失严重,而且地层压力高,随时都有发生井喷的危险。因此,引进旋转控制头实施欠平衡钻井,先用0.94~0.95g/cm3的水包油钻井液欠地层压力10MPa,进行边喷边钻实验,由于欠压值过大,欠平衡钻进无法连续进行。后用1.08g/cm3的水基钻井液边喷边钻至井深5568.06m,进尺13.79m(钻水泥塞54.32m),钻进中因套压过高停钻,压井4次,平均单次压井进尺3.m(每次钻进仅能维持3h左右),最高关井套压37MPa。实验证明:尽管提高了钻井液密度,由于地层对压力非常敏感,仍然不顺利,进而转为边漏边钻,成功地钻达井深5750.30m,边漏边钻进尺182.24m。解放128井井身结构示意图,见图3。图3解放128井井身结构示意图2.2.3.欠平衡钻井的压井技术在目前的欠平衡钻井作业中,经常需要进行压井作业,一个好的压井方法可以提高压井的成功率,减少钻井液的消耗量,同时还可减少钻井液对地层的损害程度。压井的方法很多,关键是要选择适合本井情况的方法。一般有三种,即压回法、正循环压井法和重泥浆帽压井法,其优缺点如下:（1)压回法:关井,用高密度钻井液将环空和钻具内的低密度钻井液同时推入漏层,该方法压井速度快,但钻井液损耗量较大。（2)正循环压井法:高密度钻井液入钻具,环空返出低密度钻井液,该方法压井速度慢(是压回法的1倍),但钻井液损耗量较小。应该注意的是井漏情况下的正循环压井与常规压井不同,压井初始泵压不应该等于低泵冲泵压加关井立压,应该适当控制节流阀开度,当高密度钻井液到达钻头以后,适度关小节流阀防止溢流,采用此方法可以减少漏失。（3)重泥浆帽压井法:关井,用高密度钻井液将环空和钻具内的部分低密度钻井液推入漏层,使井筒内的压力处于平衡状态,该方法压井速度最快,钻井液损耗量最小,下钻完替出高密度钻井液对油气藏的损害明显降低,从而达到保护