国际深部大陆科学钻探装备研究进展

大陆科学钻探是获取地下实物信息的唯一手段, 具有钻进地层条件复杂、取芯要求特殊、对钻探工具及装备要求高等特点。美国和德国的先进钻探装备代表了国际深部钻探装备的发展方向; 近十年来, 国内深井和超深井钻机研制取得了较快发展; 本文着重分析了美国NOV理想钻机、德国海瑞克TI-350全液压钻机、中国“地壳一号”万米钻机。国际大陆科学钻探装备关键技术包括顶部驱动钻井技术、钻探装备自动化技术、钻探装备信息化技术。顶部驱动钻井技术利用顶驱装置取代孔口转盘驱动钻杆回转, 钻井作业的能力和效率得到显著提高; 钻探装备自动化技术以实现安全、可靠、高效地运移及拧卸钻具为目的, 主要包括自动猫道、自动摆排管装置和自动上卸扣装置; 钻探装备信息化技术是伴随着现代机电液一体化控制技术和随钻测量技术发展起来的, 通过对地面与井下数据的联合分析, 实现数据综合解释和自主钻进。未来深部大陆科学钻探装备的研制应秉承安全、可靠、高效、节能、舒适的设计理念, 以实现自动化、智能化、信息化钻井为发展目标。     

绿色勘查中以钻代槽技术应用前景浅析

近年来,浅层取样(心)钻探技术与地表基岩水平钻探技术作为新时期地质找矿工作手段,受到越来越多地勘单位的关注与试用。本文通过对浅层取样(心)钻探技术与地表基岩水平钻探技术在槽(井)探工程上的应用分析,从设备工艺、布孔要求、产状测量、样品规划及测试成效上探讨这两种技术替代槽(井)探工程的可行性和特点。笔者认为浅层取样(心)钻探技术通过合理布孔在一定范围内可以实现部分替代槽(井)探工程的功能,从而达到减少布设槽探工作量的目的;地表基岩水平钻探技术在异常查证及厘定标志层产状、矿(化)体深部延伸情况上成效显著,可较好替代槽(井)探工程。作为技术可行、经济可控、社会效益显著的新型矿产勘查方法,合理选用上述方法将势必成为新时期地质找矿工作行之有效的绿色山地工程手段。     

论提高我国地质找矿钻探综合效益的措施

概述了我国矿产资源状况及我国当前与未来地质找矿钻探市场的形势,分析了对现有钻探技术及设备进行革新和完善并大力推广应用的方法,论述了采用先进取芯取样综合钻探技术对提高钻探效率的作用,并提出了中国地质找矿钻探设备的发展建议。     

一种用于非饱和黄土钻探的双管螺旋钻

为了满足非饱和黄土连续原状取芯的要求,参考美国已成熟的螺旋空心钻技术,设计了一种双管螺旋钻具。该钻具结合双管单动岩芯钻和螺旋钻的双重功能,通过螺旋叶片旋进土中,外围土体顺叶片上涌,贴在叶片间的外壁上;里面的空心部分则可以套取土样,使其免受扰动。钻具提出后,清除掉外壁上的土体,卸下钻头,取出里面的土样,不仅可用于土的鉴定,也可用于室内试验。试验表明其钻探取样效果良好,但对钻机动力和工艺要求较高。该钻探技术主要用于黄土滑坡钻探,通过连续取得原状土芯,从中识别和鉴定滑动带。     

污染调查中的水、土样品采集技术

地下水污染日益严重。钻探是地下水污染勘察方法中最直接、最准确的技术方法,是地下水污染调查的重要手段之一。通过取心、取样,可以获得地下污染信息。取心、取样质量的好坏对取得的地下水污染调查资料真实性至关重要。在地下水污染调查中,要根据调查场地的条件和调查目的选择合适的采样方法,并严格按照操作规程进行采样,以取得真实、有代表性的样品。     

长年Q系列绳索取芯器的最新改进

美国长年公司在固体矿产钻探工业中,率先发展绳索取芯钻探器具与工艺,已有三十多年的历史.在过去十五年里,Q系列绳索取芯器已成为资本主义国家默认的工业标准系列,而且为许多钻探公司所仿制,甚至有的钻探制造商索性买来专利,进行批量生产.长年公司曾不断地进行过多次改进,以提高绳索取芯器的生产效率和可靠性. 1982年1月1日长年公司公布了绳索取芯器的最新改进资料,并正式纳入工业生产. 这次改进的着眼点是:为钻探工人在操作工序中提供更安全的保证;提高生产效果;并注意     

宇宙探索与钻探技术

钻探技术已成为人类探索宇宙的首批技术之一。以月球钻探为例,论述了外星球钻探的特点和难点;介绍了美国、前苏联钻探专家与航天专家合作研制的轻便、高可靠性、全自动月表取样钻机及其钻进工艺的现状;分析了各种钻进方案的优缺点;结合我国将要实施的“嫦娥3期”工程,就月球自动采样并返回技术提出了设想。     

达里湖冬季环境取样钻探技术研究

以内蒙古达里湖环境取样钻探为例,针对环境科学钻探中精确取样、原位取样、原状取样及钻进效率问题,介绍了钻探器具的选择及优化改进,对活塞式钻具静压法、锤击法和顿钻法进行分析、探讨和评价。根据活塞式钻具钻进、取样特点,综合优选顿钻成孔法与双钻孔交替取样技术。结合施工技术实践应用情况,进一步优化和改进活塞钻具施工技术,确保了取样质量满足地质科研要求,提高了钻进效率,降低了钻探成本。     

电测井在无岩芯水文钻井中的应用

采用水文测井方法代替钻探取芯和分层抽水取样分析,可以较准确的确定含水层岩性、位置和矿化度,有利于降低成本。     

钻探技术在地下水污染调查中的应用研究

在地下水污染调查中,钻探技术起着至关重要的作用。近年来,我们在地下水污染调查中,对不同类型监测井的钻进成井、直接推进取样等钻探技术进行应用研究,取得了一些进展。本文对此进行简单介绍。     

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4孔钻探施工概况和关键技术

介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4孔钻探施工概况及采用的关键技术,包括螺杆马达-液动锤-长半合管取心钻进技术、偏心扩孔取心技术、防冲蚀取心钻头技术、大斜度定向钻进技术、活动套管技术、新型钻井液体系和新型深孔取心钻机等。     

Let Me Drill a Coring Hole for You,and I will Return You a Telescope Inserted into the Earth

There was a famous saying by Sage Archimedes over 2,000 years ago that giving him a long enough lever and a fulcrum, he would tilt the entire earth. As an old driller, I propose another non‐famous saying that giving me a chance to drill a coring hole, and I will create a telescope to insert the deepest earth for you. Nowadays, drilling is one of most significant methods to collect samples from the deep earth. Those samples are extremely important for geoscientists to focus on the dynamic evolution of deep earth. Therefore, drilling engineering is thought to be inseparable for the geosciences. Unfortunately, some young geologists, especially students majoring on geology, have no meanings of what the drilling is, and of the importance for their geological researches. In this case, education popularization drilling knowledge should be strengthened in future. And we hope that sufficient attention of drilling engineering will be taken by geologists in the world. Moreover, in order to obtain high‐quality cores by various coring drilling methods. Drilling techniques and special coring tools must be continuously developed to successfully perform with regard to a variety of complex geological conditions. We have developed coring tools these years as follows: Splitted core barrel Triple tube coring drill tool, Advanced tube coring tool, Vacuum suction coring tool, Shock‐type coring tool, Long core barrel coring tool, WL‐drilling system with hydro‐hammer, WL‐drilling system with mud motor. These new coring tools have played a very important role in China's scientific drilling program. All in all, without advanced drilling technology, pickup of high quality samples from the deep Earth and geological research on the dynamic evolution will be restricted.     

大陆科学深孔取心钻进技术述评

文章介绍了目前世界上大陆科学深钻项目中采用的典型的取心钻进技术及其应用效果,提出了评价科学深钻取心技术的准则,即施工安全性、取心效果、施工效率和施工成本。根据这些准则对目前世界上主要的科学深钻取心技术进行了评价并得出结论：孔底马达/液动锤/金刚石钻进/提钻取心方法是最好的深孔取心钻进方法。     

水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用

水平孔绳索取心钻进时, 钻具回转轴线与自身重力方向不在一条直线上, 地面孔口加压, 受地层软硬或岩层产状作用下, 钻孔轨迹都会发生偏斜, 目前暂无有效办法实现随钻定向纠斜。针对此问题, 开展了小直径水平绳索随钻定向仪器的推送、固定、打捞机构研究, 创新形成一套水平绳索定向钻进器具和定向技术, 并在川藏铁路多吉隧道水平钻孔进行随钻定向纠斜, 成功抑制钻孔上漂趋势, 并降斜3°, 为地质勘查水平绳索取心定向钻进轨迹控制提供支撑。      

小秦岭金矿田2000m深孔钻探技术

本文以小秦岭金矿田深部探矿项目ZK8302为背景,从钻孔结构、钻探设备(钻机、泥浆泵、钻具组合及钻头等)优选、深孔钻进规程参数、冲洗液和新技术新机具等方面对钻探技术进行了介绍。该钻孔积极探索了绳索取心液动潜孔锤技术,同时采用绳索取心钻杆液压钳、塔上塔下视频监控和多个起钻接头等新技术,大大降低工人的劳动强度,提高了钻探效率。该钻孔实现了河南省小口径岩心钻探金矿勘查孔深2000 m的突破,取得了良好的经济效益和社会效益。     

松辽盆地松南油页岩地质调查井绳索取心钻进技术

松辽盆地松南油页岩地层水敏性强,钻探施工过程中极易水化、剥落,甚至垮塌。2018年中国地质调查局在扶余-长春岭矿区布置了8口油页岩地质调查井,岩矿心采取率、终孔直径和岩心直径、孔斜率等的要求均较高。通过采用S95+5绳索取心钻进工艺,对钻孔结构、钻头选型、钻井液、钻进参数进行优化,成功地解决了油页岩地层护壁难问题,并且高质量地达到了工程质量要求。总结了油页岩地层绳索取心钻进关键技术。     

基于技术经济评价的取心钻进方法设计

提出了一种进行取心钻进设计的新方法,其特点是将技术经济学的思想引入钻探工程设计中,从而实现取心钻进方法的优选。该方法具有通用性,可用于任何钻探项目取心钻进方法的选择。在研究中,建立了评价取心钻进施工的技术经济评价指标体系;推导了钻进时间和成本的计算公式,并以一个5000m取心钻进项目的设计为例,对CCSD科钻一井的取心钻进方法进行了评价,证明由中国大陆科学钻探工程中心发明和研制成功的螺杆马达-液动锤-提钻取心法是一种高效、优质、低成本和安全的取心钻进方法。     

涡轮取芯钻进工艺在干热岩钻井中的应用

我国干热岩勘探刚刚起步。为准确评价干热岩型地热资源的资源量,需要钻获高质量的干热岩岩心,但目前针对高温、高硬度、高研磨工况下的干热岩取芯钻进工艺研究较少,严重制约了干热岩型地热资源的准确评价。为此,自主研发了Φ127 mm涡轮钻具,在福建漳州HDR-1井和青海共和GR1井进行了干热岩钻井取芯应用研究,研究验证了研发的涡轮钻具与KT-140取芯钻具的适配性、涡轮钻具与金刚石取芯钻头的匹配性,揭示了高温和硬岩井况下涡轮钻具工作特性,经受住了孔底236 ℃高温考验,钻获了高质量岩心,取得了涡轮钻具现场测试应用的各项参数;涡轮取芯钻进工艺与常规取芯钻进工艺相比,既充分发挥了涡轮钻具高转速的性能,也发挥了其耐高温、耐研磨、耐高地应力、使用寿命长和现场劳动强度低的特性,干热岩取芯钻速和质量大大提高。该工艺是高温深孔干热岩井下动力回转钻具驱动取芯钻头进行取芯钻进的首次成功尝试,为干热岩涡轮钻具复合取芯钻井技术的进一步科研攻关、现场试验与推广应用提供了宝贵的施工应用经验和借鉴,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。     

科学超深井硬岩取心关键技术

科学超深井是人类观测深部地球的“望远镜”。获取典型区块的原状岩心,建立高分辨率的地层剖面及其物、化性剖面,是科学钻探的最主要的目的之一。在深部钻探中,钻头驱动方式和岩心提取方法,是影响工程能源消耗、施工周期和工程经费的关键因素,从多方面阐述了科学超深井取心钻进多项关键技术和难点,并提出了针对性的解决方案和研究方向。     

KT178型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

共和干热岩资源富集于花岗岩地层,硬度高,研磨性强,部分层段裂隙发育,取心困难。针对干热岩地层和取心需求特点,研制一套KT178取心钻具,并配套设计了孕镶金刚石取心钻头。该钻具为单动双管取心钻具,可配套井底动力钻具使用,设计中注重对钻具外管、卡簧等关键部件的强度校核。在GH-01井和GH-02井中,经过两轮实验和优化,钻具逐渐成熟,获取了较完整的岩心样本,满足干热岩勘探取心要求,具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件。