深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨

深井复合钻柱技术是解决特深科学钻探超长钻杆柱可靠性问题的重要途径,其与设备能力、材料性能、钻进条件及管柱力学等息息相关。本文系统总结了复合钻柱技术在我国深部钻探中的发展和应用情况,在复合钻柱强度理论的基础上,探讨了不同复合钻柱的组合方案及其极限下深。研究结果表明,若以?216 mm直径终孔,仅依靠钢质钻柱已无法满足特深钻探13000 m的下深要求,而采用V150钢级?127 mm钻杆配合?127 mm钛合金钻杆及S135钢级?127 mm钻杆配合?129 mm铝合金钻杆可分别满足最大13484 m和18783 m的下深要求,钻柱总重分别仅有360.5 t和324.3 t,均具备可靠的安全性保障。本文对特深科学钻探用复合钻柱的设计和选择具有参考意义。     

大口径深孔钻具选用原则及建议

为了适应深孔钻探的需要,减少孔内事故的发生,阐述了深孔钻具的选用原则,对钻铤、钻杆、转换接头、方钻杆的选用方法进行了具体介绍,并就经常遇到的钻柱切口问题、临界钻压和转速问题提出了建议,为施工单位进行合理的钻具选用和组合提供了参考。     

特深孔地质岩心钻探钻孔口径及管柱规格研究

针对5000 m地质岩心钻探基础准则与依据缺失,油气钻井与岩心钻探工艺及装备差异大等问题,本文梳理分析了国内外深部地质岩心钻探口径系列及管柱规格,厘定了基本外界条件及相互关联要求,开展了特深孔岩心钻探环空水力学计算与绳索取心钻杆的等强度设计,初步构建了以绳索取心钻进工艺为主体的5000 m特深孔钻探口径系列与钻（套）管柱规格。     

地质特深孔绳索取心钻杆机械性能研究

地质特深孔绳索取心钻杆结构区别于API石油钻杆,其机械性能计算不可直接引用API石油钻杆的相关理论公式。针对这一理论依据与计算方法缺失,本文对地质特深孔双台肩钻杆接头进行了受力分析,开展了钻杆接头拉伸载荷与扭转载荷计算理论研究,构建了绳索取心钻杆机械性能计算的理论方法。同时,通过有限元分析和台架试验,确定了H-5000规格双台肩绳索取心钻杆的机械性能,验证了计算方法的准确性,并提出了钻杆结构改进建议与下一步研究方向,为高性能薄壁绳索取心钻杆“服役”于5000 m地质岩心钻探工程提供了技术支撑。     

高强耐热铝合金钻杆材料优选

铝合金钻杆的使用性能是制约深部钻探技术发展的“瓶颈”。本文综合考虑孔内工况因素和钻杆性能因素,以钻柱组合设计为基础准则,从特深孔钻探工程技术需求出发,开展了高强耐温铝合金钻杆材质选择和评价的试验研究。试验结果表明：2219铝合金固溶时效制度分别为535 ℃/1 h、165 ℃/20 h,2618铝合金固溶时效制度分别为530 ℃/1 h、200 ℃/20 h;2219铝合金在高温长时间暴露后的室温力学性能优于2618铝合金,在高温瞬时条件下的力学性能劣于2618铝合金;2219铝合金中含有Zr,该元素在热暴露过程中起到减缓溶质扩散速率的作用,这对提高热暴露后的剩余强度是有利的。     

地质钻探高强度铝合金钻杆研制及其应用

铝合金钻杆的设计制造技术属高新技术范畴,世界上只有俄罗斯、美国等少数发达国家能够批量生产。简要介绍了我国地质钻探用铝合金管材研制、铝合金钻杆制造关键技术及野外试验情况,并对今后铝合金钻杆的研发和应用方向提出了建议。项目工作成果对今后我国开发特深孔铝合金绳索取心钻杆和超深孔铝合金钻杆具有重要价值。安徽彭桥煤矿区的铝合金钻杆钻探试验最大孔深超过1000 m,应用效果良好,开辟了我国地质钻探铝合金钻杆在中深孔应用的先河。     

深孔用高钢级绳索取心钻杆分区热处理工艺试验研究

为改善绳索取心钻杆受力工况,延长钻杆使用寿命,满足深孔及特深孔钻探施工要求,开展了对绳索取心钻杆体进行分区热处理工艺的试验研究。试验选用高钢级薄壁管材,通过对钻杆两端300 mm左右的区间内进行盐浴淬火及高温回火处理,保证了调质区域的机械性能,硬度和金相组织均匀性良好,同时热处理过渡带影响区域小。试制加工的特深孔绳索取心钻杆具有两端部螺纹连接段刚性强、杆体中部韧性好的特点。该钻杆在山东莱州西岭村矿区完成了2845.55 m深孔的钻进施工,使用情况良好。     

深部钻探复合钻杆的研究与应用

绳索取心钻杆在深孔钻探中占重要的地位。本文分析了目前国内钻杆在深孔钻探中的使用情况,同时还对钻杆柱的失效及绳索取心钻杆在钻井内的受力情况进行了简要的分析。设计出了两种复合钻杆：一种是塔式复合钻杆,另一种是同径复合钻杆。将其应用在“中国岩金勘查第一深钻”山东莱州三山岛矿区ZK96-5孔4000m钻孔中,取得了良好的效果。     

JD直连式深孔绳索取心钻杆的研制与应用

根据深部找矿的需要,立足于我国目前钻探设备现状和材料冶炼及机械加工水平,通过对钻杆选材、结构、制造工艺的创新,研制了一种两端镦粗后整体热处理再车螺纹的新型深孔绳索取心钻杆及配套钻具,经使用,效果达到了设计要求。     

绳索取心钻杆管材的模糊综合评价

从国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看,科学超深井先导孔的设计工作具有重要的意义,在此项工作中,绳索取心钻柱的研究更显其重要性,主要涉及钻杆管材的选择及高强度钻柱的设计。本文针对国内四种绳索取心钻杆用冷拔无缝钻探管材,进行了室内力学性能测试;同时,采用模糊数学方法对其进行了评价与选用方法的初步探讨。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

自动化智能化地质岩芯钻探技术装备研发与应用

为解决5000 m地质岩芯钻探基础准则与依据缺失问题，提高钻探装备的自动化、智能化水平，启动了5000 m智能地质钻探技术装备研发工作，通过钻机装备、钻探器具研制，钻探工艺技术研究并经试验示范验证，取得多项创新成果，形成了5000 m地质岩芯钻探技术体系。通过特深孔钻孔口径与管柱规格优化研究、钻杆规格设计、装备性能参数选配，形成了5000 m地质岩芯钻探技术规范体系；基于5000 m特深孔地质岩芯钻机、孔口自动化作业装置等关键设备研制，实现了绳索取芯钻进的孔口作业全流程自动化，形成了轻量化钻机孔口管柱柔顺控制技术；基于复杂地层孔内工况判别、钻进参数优化与轨迹优化控制等技术问题研究，形成了多源信息融合的地面与孔底一体化钻进过程智能控制技术；基于高性能薄壁绳索取芯钻杆和系列小口径高效钻具研制，形成了大深度绳索取芯系列钻杆钻具技术；研发了耐高温环保型冲洗液、生物破胶废浆处理技术、“广谱型”双浆堵漏技术，形成了绿色环保型冲洗液体系与护壁堵漏技术。     

动力水头对钻具轴向力的影响

在冲洗液循环条件下,动力水头对钻具轴向力的影响不容忽视。从流体动力学入手,定性和定量分析了深孔钻进条件下,动力水头对钻压的影响。举离力是钻具轴向力的重要组成部分,工程实例证明,在深井中举离力对轴向力的影响更大。因此,准确计算循环钻井液动力水头产生的举离力,对于正确分析钻具轴向力、估算实际钻压具有重要的意义。      

湖南保靖区块海相页岩气快速钻探技术

湖南保靖页岩气勘查区块黑色页岩沉积发育,是页岩气勘探开发的有利区带。由于储层埋藏深、地层高陡、地层倾角变化大、岩石可钻性差,导致钻井周期长、成本高等问题。钻前对已有的地震、测井、岩心实验等资料的处理和分析,通过优化井身结构、钻头选型、钻具组合优选和中长筒取心等,实现了保靖区块海相页岩气快速钻探。     

顺煤层超长定向钻孔复合钻进摩阻规律研究

煤矿井下超长孔定向钻进中孔内摩阻是限制其成孔率及成孔效率的主要因素, 为适应大盘区瓦斯抽采模式的客观需求, 研究实钻过程中摩阻及其影响规律。为顺煤层超长定向钻孔复合钻进减摩阻工艺参数选取提供依据, 对煤矿井下顺煤层近水平复合钻进工况下钻柱的钻具运动特性及受力状态进行分析。通过一定的条件假设, 建立复合钻进轴向摩擦阻力和旋转摩擦扭矩力学模型, 通过数值计算, 针对常用?89 mm定向钻具组合, 在不同孔深及钻进工艺参数匹配下的摩阻规律特性进行分析。结果表明:机械钻速、钻具转速、钻孔深度是滑动摩擦阻力和旋转摩擦扭矩的主控影响因素, 与超长定向钻孔实钻参数统计分析对比, 推进阻力和旋转扭矩变化规律与模型计算结果吻合, 该结果对于指导近水平钻孔复合定向钻进工艺参数选取、钻进工况判断具有重要的现实意义, 同时, 对于煤矿井下自动化、智能化定向钻进控制系统设计开发具有借鉴意义。      

双钻头自平衡钻进系统用多通道连续缆管设计

为解决矿山灾害钻孔救援过程中地面钻机对地下钻头“长臂管辖”式驱动导致的钻进效率低、对孔壁扰动大和起下钻辅助时间长等问题,提出了无钻机双钻头仿生自平衡连续缆管钻进技术,而多功能连续缆管设计是该技术的重点和难点之一。为此,根据自平衡钻进系统的需求,从功能、结构、参数三大方面对多通道连续缆管进行设计。为实现连续钻进,多通道缆管需要同时具备泥浆循环、电能与信号传输和电磁屏蔽等功能,此外,还要具有足够强度和良好的弹性。对缆管的铠装缆线外径、内管与外管内外径参数进行设计并计算钻井液环空上返流速,计算结果表明缆管内外管直径参数设计满足最低上返流速要求。采用理论计算与数值模拟相结合的方法对缆管的关键部件进行受力分析,对外管抗拉压弯强度及外管壁抗挤压强度等进行强度校核。结果表明：多通道连续缆管结构设计合理,性能可靠,能够满足无钻机双钻头仿生自平衡钻进系统的技术要求,为矿山灾害无钻机双钻头仿生自平衡钻孔救援工作提供一种安全可靠、快速机动的多通道连续缆管技术和方法。     

深部地质钻探钻柱失效行为分析

国家的“三深一土”规划确定全面开展深地探测,而在深地探测中钻柱是最重要的连接纽带,其长期在充满钻井液的井眼内工作,受力十分复杂,且受腐蚀、磨损、温度等影响,极易发生钻柱失效事故,造成重大经济损失。研究发现,振动是引起钻柱失效的主要原因,但是深部地质钻探中除了振动引起钻柱失效外,还包括钻柱质量因素、人为因素、钻井质量、套管下入因素、测斜因素以及钻井液因素引起的钻柱失效,本文针对这些影响因素提出了对应的预防措施。同时随着地质钻探井深的不断加深,地质钻探钻柱动力学研究会变得越来越重要,这就需要地质钻探人员在充分考虑地质钻探钻柱失效影响因素的前提下,加大对地质钻探钻柱动力学的研究,以更好地保证深部地质钻探的顺利进行。     

煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术

为解决煤矿井下硬岩深孔滑动定向钻进过程中因钻柱托压效应引起的给进压力大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题,提出了采用孔底水力加压方式提高钻头钻压的技术思路。通过借鉴石油钻井领域水力加压器结构并结合煤矿井下近水平孔钻进工况进行了孔底水力加压器结构设计,运用理论计算和数值模拟方法进行了水力参数设计。对样机进行了室内测试,测试结果表明,采用φ12 mm、φ13 mm、φ14 mm活塞水眼在流量200~450 L/min范围内输出轴向压力2~10 kN。在淮南张集矿进行了现场试验,并总结出了一套孔底水力加压和水力辅助加压工艺,试验结果表明,滑动定向钻进方式下钻孔深度由464 m顺利延伸至578 m,深孔钻进时最大钻效由之前托压孔段的1 m/h以下提高至3 m/h以上,试验进尺内平均给进表压较托压孔段降低了23.8%、平均钻效提高了137%。      

海洋钻井钻柱升沉补偿系统分析

随着海洋资源勘探开发由浅海到深海逐渐增多,深水钻井面临的难题也不同于陆地与浅水,如何在随着波浪起伏的钻井平台上保持钻压稳定,钻柱升沉补偿系统应运而生。钻柱升沉补偿系统应用于浮式钻井平台或钻井船,在船受风浪影响起伏颠簸时可以使钻柱保持相对静止,使钻头与孔底保持持续接触,钻压保持基本恒定,起到保护钻具,提高钻进效率的作用。本文介绍了升沉补偿系统的发展阶段和常用升沉补偿系统结构及优缺点,通过示意图说明了主动补偿系统、被动补偿系统和主被动一体式补偿系统的工作原理。同时通过实例与数据说明升沉补偿系统在提高钻速和岩心采收率方面的积极作用。