巖心鉆探工藝(邯鄲).ppt

金剛石巖心鉆探工藝技術(shù),中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 工程技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)超深鉆探技術(shù)國家專業(yè)實驗室 劉寶林 教授 2010年3月6日,關(guān)鍵環(huán)節(jié),鉆探技術(shù)方案設(shè)計 安全（設(shè)備、孔內(nèi)、人員） 鉆進速度、回次長度 鉆井液技術(shù) 鉆進工藝參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、流量） 鉆頭選型及使用 操作經(jīng)驗、崗位責(zé)任 認(rèn)真學(xué)習(xí)并遵守xxx鉆探規(guī)程,人為,事故,地層,設(shè)備,熟悉鉆機、泥漿泵、鉆塔、繩取絞車等主要設(shè)備的性能、結(jié)構(gòu)特點、工作原理 儀器儀表配備齊全、正常 定期檢查維護（潤滑油、溫升、振動），嚴(yán)禁帶病工作,設(shè)備,鉆機功率配備、轉(zhuǎn)速、扭矩、加壓力、提升力 泥漿泵功率、流量、泵壓 鉆塔額定載荷、最大載荷、高度等 繩取絞車提升速度、提升力 儀器儀表鉆壓、泵壓、電壓、電流等 （最好配備鉆速、扭矩、流量、轉(zhuǎn)速等）,特別對深孔鉆機，功率與孔深的匹配問題？,功率配備、功率消耗問題,鉆進過程中，總功率都消耗在哪？ 深孔鉆機的動力機功率配備大，額定輸出扭矩大，淺部鉆進時，易造成鉆桿超負(fù)荷使用 更換動力機,鉆頭克服水平摩阻力所需功率P1； 鉆具在循環(huán)泥漿中自轉(zhuǎn)所消耗的功率P2； 鉆具反轉(zhuǎn)時克服循環(huán)液阻力消耗的功率P3； 鉆具克服孔壁摩阻力消耗功率P4； 鉆具縱向振動消耗的功率P5； 鉆具橫向振動消耗功率及其他消耗功率P6。,屈曲,振動,摩阻,機械功率,總功率消耗N= N1+N2+N3,N1鉆柱空轉(zhuǎn)功率消耗 取決于鉆井深度、鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)、井斜狀態(tài)、井身結(jié)構(gòu)、泥漿性能和轉(zhuǎn)速等。通過理論計算或?qū)嶋H測量而比較容易獲得。 N2附加功率消耗 施加鉆壓后（下部鉆柱發(fā)生屈曲而接觸井壁，產(chǎn)生摩擦阻力并引發(fā)各種振動）所造成的。主要由鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能和井壁狀況等因素決定，特別是鉆進規(guī)程參數(shù)和振動規(guī)程的強弱對其影響很大。理論計算或?qū)嶋H測量都有一定難度。 N3井底鉆頭破碎巖石所消耗的功率 主要取決于鉆頭性能和所鉆地層的性質(zhì)。,實時優(yōu)化決策,NROP=（N - N1）/ROP =（N2+N3）/ROP 代表了單位進尺所必須消耗的鉆進能量（比能） 在一定條件下，通過調(diào)節(jié)鉆進規(guī)程參數(shù)、鉆具組合或泥漿性能，可以使NROP達(dá)到極小值 獲得最好的鉆進效果（鉆進效率高、鉆頭壽命長、鉆柱和井壁安全、井眼軌跡偏斜?。?鉆頭性能評價,NBIT=N3/ROP N3-鉆頭與巖石之間的相互作用 在某一時段，可以假設(shè)鉆頭的性能和泥漿性能變化很小 應(yīng)取決于巖石性質(zhì)和地層壓力 當(dāng)鉆遇高壓層時NBIT將明顯減小 當(dāng)鉆頭性能變壞時，NBIT將呈增加趨勢,對鉆柱和井壁安全進行評價,N1 +N2基本上都消耗在鉆柱-井眼部分，對鉆柱和井壁構(gòu)成危險 在一定的條件下，N1 +N2應(yīng)該存在一個臨界值，保證鉆柱和井壁的安全。 根據(jù)N1可以判斷井下其它工況如井眼偏斜程度、泥漿潤滑性能等。,鉆桿、鉆具,鉆桿性能（最大扭矩廠家測試數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù)） 鉆桿彎曲、鉆桿磨損 絲扣油、護絲接頭、擰卸操作（浮動、自由鉗、上扣扭矩、密封性） 鉆具單動性、間隙調(diào)節(jié)、報信機構(gòu) 卡簧匹配,鉆桿的動扭矩（慣性轉(zhuǎn)矩） 問題,深孔中高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿在遇到卡鉆時，會產(chǎn)生較大的動扭矩，造成鉆桿過載或折斷。,煤炭地質(zhì)鉆探規(guī)程 巖心鉆探規(guī)程,鉆進過程的操作,1、“摸、聞、觀”結(jié)合，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備或孔內(nèi)異常工況 手摸反應(yīng)最快，了解設(shè)備運轉(zhuǎn)時的振動情況、鉆進速度變化等 耳聞反應(yīng)次之，了解設(shè)備運轉(zhuǎn)時的振動情況 眼觀反應(yīng)最慢，鉆速、鉆壓、泵壓、電流（扭矩、功率）、返水情況等,鉆進過程的操作,2、平穩(wěn)起動、平穩(wěn)調(diào)節(jié) 3、順利下鉆距孔底約1.0m左右，送水并輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔 4、正常鉆進時（包括倒桿），嚴(yán)禁中途將鉆具提離孔底 5、淺孔倒桿時，防止沖洗液將鉆具浮起而造成巖心堵塞 6、嚴(yán)禁在鉆頭提離孔底時高速旋轉(zhuǎn)鉆桿，以防反扣事故,起下鉆過程的操作,1、機上余尺的丈量與記錄 2、隨時觀察孔口夾持器工作狀態(tài)，嚴(yán)禁卸鉆桿時孔內(nèi)鉆桿反轉(zhuǎn)，造成脫扣跑鉆事故 3、提鉆回灌（最好養(yǎng)成習(xí)慣） 4、提下鉆過程中的阻力變化 5、操作要平穩(wěn)（提下鉆速度、鉆桿的擺放等） 6、絲扣油、護絲接頭、擰卸操作（浮動、自由鉗、上扣扭矩） 7、檢查鉆桿（絲扣、裂紋、彎曲、磨損、密封）,取心操作,1、卡簧取心卡簧尺寸（每次仔細(xì)測量、用上回次巖心試驗），卡簧自由內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭內(nèi)徑小0.30.5mm（巖心、煤炭規(guī)程） 2、采用立軸或動力頭實現(xiàn)“提卡扭”，嚴(yán)禁取心鉆具的內(nèi)管受力 3、繩索取心鉆具組裝與調(diào)試（單動性、卡簧座間隙、報信機構(gòu)等）、投放到位、提升速度與阻力（0.5m/s2m/s）、鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢、干孔投放等,復(fù)雜地層問題,松散軟、硬脆碎、水敏地層等 怕振動、怕沖刷、怕磨損 孔壁穩(wěn)定（漏失、縮徑擴徑、坍塌掉塊等） 取心率低（堵心、磨心、脫心） 孔內(nèi)事故（斷鉆、卡鉆、埋鉆）,復(fù)雜地層鉆進關(guān)鍵技術(shù)措施,1、鉆井液技術(shù) 2、套管程序設(shè)計 3、非標(biāo)鉆頭（鉆頭外徑適當(dāng)增大、底噴鉆頭等） 4、增大卡簧自由內(nèi)徑，防止巖心堵塞 5、液動錘技術(shù)（硬脆碎地層防止堵心） 6、壓卡取心機構(gòu)、活塞取心機構(gòu)等（松軟地層防止巖心脫落） 7、三層管鉆具（襯管為透明管或半合管） 8、提下鉆速度慢而穩(wěn)，減少壓力激動 9、必須回灌,打滑地層問題,1、優(yōu)選鉆頭胎體硬度、金剛石品級、粒度、濃度、水口、唇面形狀等 2、優(yōu)化鉆進參數(shù)定切入量鉆進， 加大鉆壓，減小轉(zhuǎn)速，減小泵量 3、特別強調(diào)，回次鉆進開始時的鉆壓和切入量（鉆速）過低會很快造成鉆頭“拋光” 3、液動錘鉆進技術(shù) 4、孔底投入磨料 5、提鉆處理（噴砂、砂輪打磨、砂子研磨、酸腐蝕等）,孔斜問題,地層造斜特性及其規(guī)律 鉆具組合 鉆進規(guī)程參數(shù) 鉆孔軌跡測量 糾斜方法,鉆進工藝參數(shù)的優(yōu)化,鉆壓 轉(zhuǎn)速 流量,鉆速 扭矩 振動,鉆頭唇面狀態(tài),孔底鉆具狀態(tài),地層孔壁狀態(tài),鉆井液性能,智能化鉆井,Drilling Efficiency Improvements in Extended Wells Presented by Matthias Reich Leader Technical Services, Drilling Systems EH Drilling Engineering Association -Europe Third Quarter Meeting 1999,Eliminating or reducing fishing operations costing from 10 to 50,000 USD per day Improving drilling efficiency: more footage per bit, less trips in and out. measured at a high sampling rate of 10 measurements per second, real time to visually display the “anomalies“ on the drillers control monitor and on the Data Engineers CRT Video.,Real Time Detection of Downhole String Vibrations to Prevent Drilling String Failures and Twist-Off FIELD EXAMPLE FIELD EXAMPLE,During 20 minutes (150 to 1400 seconds) the WOB-Weight on Bit is increased from 6 to 8 tons, causing two serious negative results. （3,800 meters ） the ROP-Rate of Penetration drops from an average of 12m/hr. a severe stick-slip situation develops with an increased risk of twisting-off the pipes. As soon as the WOB is reduced the ROP increases to 12m/hr and the stick-slip disappears.,SDC-String Dynamics Control,Reference SPE paper 28908.,鉆壓的選擇,唇面狀態(tài),影響鉆頭唇面狀態(tài)-金剛石被磨鈍-銳化，鉆壓在一定程度上控制鉆頭的磨鈍和銳化過程。 鉆壓太低，鉆進效率低，金剛石被磨鈍后，難于脫落或破碎，新的金剛石難于出露，最終使鉆頭拋光失去繼續(xù)鉆進能力。 鉆壓太大，鉆頭過度磨損，縮短鉆頭壽命；鉆進扭矩加大，使鉆桿承受過大負(fù)荷，嚴(yán)重時造成斷鉆事故等。,唇面狀態(tài)與鉆速,鉆壓對鉆速、鉆頭唇面狀態(tài)的影響,過度磨損 鉆速過快（切入量大） 鉆壓過大或轉(zhuǎn)速過低 沖洗液流量過小 鉆頭胎體太軟,鉆頭拋光 鉆速過低（切入量?。?鉆壓過小或轉(zhuǎn)速過高 沖洗液流量過大 鉆頭胎體太硬,the minimum value is a constant of 1280 lbs / inch2. 最小比壓 900N/cm2,xxx鉆探規(guī)程 孕鑲鉆頭單位壓力為：400800N/cm2,最大比壓 1500N/cm2,The common recommendation,200 - 250 RPI （轉(zhuǎn)/英寸） 80 -100 RPC（轉(zhuǎn)/厘米） 換算為定切入量 0.1-0.125 毫米/轉(zhuǎn),Boart Longyear,定切入量鉆進,定切入量鉆進可以有效地防止鉆頭拋光，達(dá)到較高的鉆速，減小鉆頭磨損。是比較合理的鉆進方法。,實驗結(jié)果,0.08-0.12 毫米/轉(zhuǎn),0.10-0.125 毫米/轉(zhuǎn),FORDIA,6m/hr,9m/hr,FORDIA,150RPI,250RPI,Hobic Diamond Tools,工況識別-金剛石鉆進,燒鉆-鉆速先后，扭矩；原因：斷水、泵量過小、鉆桿漏失、鉆壓過大、鉆速過快、地層由硬軟等；辦法：？ 鉆頭拋光-鉆速逐漸 ，鉆壓逐漸，扭矩一般逐漸；原因：地層致密堅硬、回次開始鉆壓過低（鉆速低）、鉆頭不合適、水量過大等；解決辦法：？,工況識別-金剛石鉆進,卡鉆-鉆速 ，鉆壓 ，扭矩 ；原因：地層破碎、縮徑？孔內(nèi)清洗不干凈？鉆孔彎曲過大？；解決辦法：？ 斷鉆-鉆速 ，泵壓 ，扭矩 ；原因：扭矩（鉆壓）過大？鉆孔彎曲過大？鉆桿有缺陷？ 解決辦法：？ 巖心堵塞-鉆速 ，鉆壓 ，扭矩；原因：地層破碎？巖心管滿？鉆頭內(nèi)徑磨損？孔底清洗不干凈？卡黃不合適？；解決辦法：？,轉(zhuǎn)速的確定,孕鑲鉆頭-微切削-高鉆速 鉆速與轉(zhuǎn)速成正比增加 鉆頭的磨損則比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)速太高由于摩擦、發(fā)熱等可能會加快鉆頭磨損。 轉(zhuǎn)速-避開設(shè)備和鉆桿的共振頻率區(qū)，保證設(shè)備和鉆桿能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。 鉆壓和轉(zhuǎn)速應(yīng)綜合考慮設(shè)備能力、鉆桿能力、孔內(nèi)條件和泥漿潤滑狀況等其它許多因素。,THE PROFESSIONAL DIAMOND DRILLER,轉(zhuǎn)速,孕鑲金剛石鉆頭底唇面的線速度范圍為1.53.0米/秒。 正常鉆進時，應(yīng)在機械能力、管材強度允許的前提下，盡可能提高轉(zhuǎn)速。 在孔深、鉆孔彎曲、超徑的情況下或鉆進強研磨性、破碎巖層時，轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)降低 考慮慣性扭矩的作用，深孔適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速,沖洗液量的確定,沖洗液流量充分冷卻鉆頭、清除孔底巖粉并攜帶巖粉至地表 沖洗液流量太小鉆頭冷卻不好，巖粉堆積在孔底，會造成鉆頭微燒或燒鉆事故 沖洗液量過大，環(huán)狀間隙較小，沖洗液流動阻力大，會抵消鉆壓、沖刷巖心和孔壁 可以通過調(diào)節(jié)沖洗液流量，使孔底保留少量的巖粉來加快鉆頭胎體的磨損，使鉆頭胎體中的金剛石出露，輔助控制鉆頭的唇面狀態(tài)，減緩鉆頭“拋光”,沖洗液上返速度,通常巖粉上返速度0.1m / s（Generally, cuttings should always have an upward velocity of 4 inch / sec） 通常沖洗液的上返速度： 金剛石雙管鉆進應(yīng)為0.4 m/s0.6m/s 繩索取心鉆進應(yīng)為0.5 m/s1.5m/s,地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程,鉆頭選擇與使用,鉆頭的選擇（胎體性能與巖性的匹配） 鉆頭的使用 高效長壽（高胎體）,BAORT LONGYEAR,軟,硬,表鑲鉆頭,孕鑲鉆頭,BAORT LONGYEAR,破碎,完整,完整性,研磨性,耐磨損,鉆速快,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,外錐：流量過低、鉆桿泄露,內(nèi)錐：鉆速過快（切入量過大、鉆壓過大）,外徑磨損：流量過小、鉆桿泄露、擴孔器外徑磨損、振動大（降低轉(zhuǎn)速）,過度磨損：切入量過大，減小鉆壓和轉(zhuǎn)速，更換硬胎體鉆頭,鉆頭拋光：切入量過小，更換軟胎體鉆頭,胎塊破裂：鉆壓過大、跑鉆、干孔投放內(nèi)管、管鉗夾持器等、鉆孔直徑小（擴孔器磨損）,燒鉆：鉆井液缺失（檢查泥漿泵、鉆桿密封）、鉆壓過高、檢查內(nèi)管與鉆頭內(nèi)臺階間隙,BAORT LONGYEARS STAGE3,Outside Diameter Gauge Loss 外徑磨損,Possible causes and solutions: Vibration - Lower the rotational speed. Lack of in-hole fluid circulation - Increase the pump rate. The bit is reaming an undersized drill hole - Check the gauge diameter of the reaming shell in use and replace if found to be undersized.,可能原因、技術(shù)措施: 振動大降低轉(zhuǎn)速 流量過低增加流量 鉆孔直徑?。⊕呖祝z查擴孔器外徑,Inside Diameter Gauge Loss 內(nèi)徑磨損,Possible causes and solutions: Overfeeding the bit - Reduce the penetration rate. Damage from drilling into highly unconsolidated material - Cement the drill hole or change to a harder (lower number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type. Drilling over lost core - Examine the core tube contents. Lack of fluid circulation - Check the inner tube length adjustment to ensure that there are no fluid restrictions within the core barrel assembly. Also check the in-hole circulation pump rate and the drill rod string for leaks,可能原因、技術(shù)措施: 切入量過大 降低鉆速. 破碎地層水泥固孔或更換硬胎體鉆頭 殘留巖心檢查取心鉆具 沖洗不充分檢查內(nèi)管長度（間隙）、泥漿泵、鉆桿密封,Cracked Waterways 胎塊破裂,原因: 鉆壓過大。An excessive bit load was applied. 跑鉆。The bit, core barrel and drill rod string were accidentally dropped in the drill hole. 干孔投放。The wireline inner tube assembly was accidentally allowed to free fall through the drill rod string in a dry hole. 夾壞。The bit was accidentally crushed by the rod holder or foot clamp,Concave Face Wear 內(nèi)錐,切入量過大。This wear pattern frequently results from the use of a penetration rate that is too high for the rotational speed being used (overfeeding). This wear pattern is also caused by “grinding core”.,Convex Face Wear 外錐,Possible causes and solutions: 沖洗不充分。Insufficient fluid circulation across the bit face - Check the circulation pump and drill rod string for leaks; increase the pump rate. 在孔內(nèi)反復(fù)投料研磨出刃更換軟胎體鉆頭。Repeated in-hole “dry-stripping” in hard, non-abrasive formations - Change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type,Excessive Diamond Exposure 過度出刃,切入量過大。The penetration rate is too high for the rotational speed in use (overfeeding) 降低鉆速或增加轉(zhuǎn)速。 Reduce the penetration rate or increase the rotational speed. 胎體太軟。The matrix type is too soft for the ground conditions - Change to a harder (lower number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type,Glazed Bit Face 拋光,降低轉(zhuǎn)速或減少流量。Try drilling with a slower rotational speed and/or a lower in-hole fluid circulation rate in an effort to cause the metal-bond matrix to abrade at a higher rate that will cause the diamond crystals to become exposed more readily. 更換軟胎體鉆頭。 If the bit face glazes repeatedly, change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type.,Burnt Bit Crown 燒鉆,斷水。The operational failure of the fluid circulation pump. 鉆桿、水龍頭嚴(yán)重泄漏。Excessive circulation fluid leaks in the drill rod string, water swivel or hoses. 內(nèi)管與鉆頭間隙不合適。Internal core barrel fluid restrictions resulting from the incorrect adjustment of the wireline i