定向钻探技术培训交流会材料11326.docx

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1、定向钻探技术培训交流会材料主办方：中国地质调查局承办方：中国地质科学院勘探技术研究所协办方：中中国地质质大学（武武汉）湖南煤田地地质局湖南省地质质矿产勘勘查开发发局四OO 五队队2011 年11 月目录一、定向钻钻探技术术应用现现状及发发展趋势势 . 111、定向钻钻探技术术应用 . 12、定向钻钻探技术术应用现现状 . 73、定向钻钻探技术术发展趋趋势 . 244二、定向钻钻进轨迹迹控制技技术. 3111、井眼轨轨迹的基基本概念念 . 3112、定向井井的相关关概念及及井眼轨轨道 . 3383、定向井井井眼轨轨迹控制制 . 4004、水平井井井眼轨轨迹控制制 . 511三、螺杆钻钻具的应应用

2、现状状 . 5591、螺杆钻钻具的结结构 . 5592、螺杆钻钻具的使使用 . 6643、螺杆钻钻具的发发展方向向 . 688四、地质勘勘查与科科学钻探探螺杆钻钻深部定定向钻探探技术 . 7701、螺杆钻钻定向钻钻进原理理 . 7222、螺杆钻钻定向钻钻进操作作技术条条例 . 8853、深部定定向钻探探工程实实例 . 9114、附录 . 1118五、连续造造斜器定定向孔施施工技术术与工艺艺 . 12991、LZ 型连续续造斜器器及使用用方法 . 12992、LZ 型造斜斜器孔内内定向方方法及安安装角计计算 . 13353、定向孔孔孔身轨轨迹设计计及钻孔孔空间位位置计算算 . 13994、定向钻

3、钻探案例例分析 . 1455六、定向钻钻进计算算机设计计与钻进进过程三三维可视视化 . 15661、基本概概念回顾顾 . 15562、受控定定向钻孔孔轨迹设设计 . 11583、钻孔测测量及轴轴线空间间位置计计算 . 16444、定向钻钻进设计计及三维维可视化化软件. 11685、随钻测测量及钻钻进过程程三维可可视化. 1171七、“慧磁磁”定向钻钻井中靶靶导向系系统研究究 . 17731、基本概概念 . 11732、磁中靶靶系统的的基本方方法及其其创新性性 . 11743、人工磁磁导航中中靶系统统的应用用范围. 11784、“慧磁磁”定向钻钻进中靶靶引导系系统. 17795.结语 . 188

4、3八、随钻测测量与导导向钻进进系统 . 11841、随钻测测量 . 11842、自动垂垂直钻进进系统 . 19553、旋转导导向钻进进系统 . 1999九、定向钻钻探技术术规程 . 20051、前言 . 20052、工作简简况 . 22053、规程修修订原则则 . 20064、新规程程主要技技术内容容和确定定依据. 22075、新规程程与旧规规程的对对比 . 22076、纳入的的基本概概念 . 20997、规程适适用范围围 . 2110十、土耳其其贝帕扎扎里天然然碱项目目钻井工工程 . 22111、工程背背景 . 22112、项目前前期工作作 . 21143、一期试试验井 . 21154、二期

5、工工程 . 22175、三期工工程 . 22216、结语 . 2233前言作为钻探技技术的最最重要的的技术内内容之一一，定向向钻探技技术在钻钻探工程程技术中中占有举足轻重重的地位位。近年来，随随着定向向钻探技技术的迅迅猛发展展和定向向钻探仪仪器设备备的更新新改造与与提高，定向钻钻探技术术越来越越广泛地地被应用用于各个个领域。特特别是近近二十年年内，石石油、煤、金属矿矿产等市市场需求求不断地地在扩大大，定向向钻探技技术也逐逐渐地成成为我国国地质找找矿和矿产开开采的一一种重要要技术方方法。为为贯彻落落实地质质找矿新新机制和和支撑找找矿突破破战略行动目目标、进进一步促促进我国国定向钻钻探技术术可持续

6、续发展、提提高定向向钻探技技术水平、全面推推广定向向钻探技技术在地地质找矿矿中的应应用，中中国地质质调查局局主办了了这次定定向钻探技术术培训交交流会。会会议由中中国地质质科学院院勘探技技术研究究所承办办，由中中国地质大学（武武汉）、湖湖南煤田田地质局局和湖南南省地质质矿产勘勘查开发发局四OO 五队队协办。经历数十年年的发展展，在各各级领导导的大力力支持下下，在我我国钻探探工程技技术人员员的努力下，定定向钻进进技术得得到了较较高的提提升，在在小直径径螺杆马马达纠斜斜技术、定定向取芯技术术、人工工磁中靶靶导航技技术、自自动垂钻钻系统、电电磁波随随钻测量量技术、液液动孔底马达达研发、定定向钻进进技术

7、规规范修订订等方面面已取得得了一批批突出的的成果。本本次培训班旨旨在宣传传、推广广这一批批新工艺艺和新技技术，让让定向钻钻探工程程技术人人员在以后的工作作中积极极应用定定向钻探探技术，服服务于国国民经济济建设。定向钻探探技术培培训交流流会材料料汇集集了到会会交流的的所有内内容。内内容全面面丰富，包括定定向钻探探技术方方面的施施工设计计、施工工工艺、仪仪器设备备及测量量控制技技术及等，还包括括具体造造斜器具具和仪器器的使用用，并对对当前定定向钻探探技术的的应用和和发展趋趋势进行了详详细分析析和展望望。充分分体现了了现代科科学技术术和钻井井技术相相结合的的发展水水平，具有一一定的科科学性、系系统性

8、和和较强的的针对性性和实用用性。希望通过这这次培训训交流会会，钻探探界的广广大技术术工程人人员能有有所收获获，使定定向钻探技术得得到进一一步推广广应用。同同时希望望更多同同行致力力于这方方面的研研究，把把定向钻探技术方方面的仪仪器设备备及工艺艺发展水水平推上上一个新新台阶。由于时间仓仓促，材材料编写写人员水水平有限限，难免免有疏漏漏之处，敬敬请批评评指正。1一、定向钻钻探技术术应用现现状及发发展趋势势中国地质科科学院勘勘探技术术研究所所向军文文所谓定向钻钻探技术术就是指指为满足足地质勘勘探目的的，采取取一定的的技术手手段，使使钻孔具有井斜斜角、方方位角，钻钻孔按预预定轨迹迹钻达目目标。1、定向

9、钻钻探技术术应用定向钻探技技术自220 世世纪300 年代代初，在在海边向向海里打打定向井井开采海海上油田田的尝试成功之之后，定定向井得得到了广广泛的应应用，其其应用领领域大体体有以下下六种情情况。1.1 地地面环境境条件的的限制地面上是高高山，湖湖泊，沼沼泽，河河流，沟沟塑，海海洋，农农田或重重要的建建筑物等等，难以安装钻钻机进行行钻井作作业时，或或者安装装钻机和和钻井作作业费用用很高时时，为了了勘探和开发它们们下面的的矿产资资源，最最好是钻钻定向井井。图1 受地地面限制制勘探1.2 地地下地质质条件的的要求􀁺对于断断层遮挡挡矿藏，定定向井比比直井可可发现和和钻穿更更多的矿

10、矿层；2􀁺对于薄薄矿层，定定向井和和水平井井比直井井的矿层层裸露面面积要大大得多；􀁺对于垂垂直裂缝缝的构造造带，打打直井很很难钻遇遇裂缝，若若钻定向向井或水水平井，则钻遇裂缝缝的机会会就大得得多；􀁺另外，侧侧钻井，多多底井，分分支井，大大位移井井，侧钻钻水平井井，径向向水平井井，等等定向井井的新种种类，显显著地扩扩大了勘勘探效果果，增加加了开矿矿量，提提高了矿藏的采收收率；􀁺用钻井井方法提提高矿藏藏采收率率。3图2 定向向钻探用用途1.3 处处理井下下事故的的要求􀁺当井下下落物或或断钻事事故最终终无法捞捞

11、出时，可可从上部部井段侧侧钻打定定向井；􀁺特别是是遇到井井喷着火火常规方方法难以以处理时时，在事事故井附附近打定定向井(称作救援井)，与与事故井井贯通，进进行引流流或压并并，从而而可处理理井喷着着火事故故。4图3 处理理事故随着定向井井钻井技技术的发发展，定定向井建建井周期期和总成成本已接接近钻直直径的水水平，定向钻钻井已成成为资源源勘探开开发的极极为重要要的手段段。1.4 在在矿产勘勘探开发发中的应应用采用钻井进进行水溶溶采矿已已广泛应应用于盐盐、碱、芒芒硝等可可溶性矿矿产开采采中，利利用盐碱类矿矿易溶于于水的特特点，通通过向井井下注入入淡水（或或溶剂）进进行溶解解地下矿矿

12、产，矿液返回地地面再进进行加工工。与普普通坑道道开采比比，本法法的主要要优点为为投资少少，见效效快；管理成成本低；设备和和工艺简简单；生生产费用用及能耗耗低；可可开采埋埋藏较深深及品位位较低的矿床床；劳动动条件好好、安全全；有利利于环保保；环境境污染不不严重等等。图4 定向向对接连连通井技技术水平定向对对接井连连通技术术水溶采采矿方法法与传统统的单井井水溶采采卤相比比，对接接井5占地面积仅仅为前者者1/22，而且且生产效效率提高高了近44 倍。以以采卤对对接井为为例：矿矿石采收率可增增加一倍倍，达440以以上；年年采卤量量比两口口单井采采卤量增增加3.54.55 倍；卤水平均浓浓度提高高了20

13、0g/LL25gg/L,能达到到3000g/LL 以上上；直接接建井成成本可节节省约40%。水平定向对对接井连连通技术术就是采采用定向向钻进及及水平钻钻进技术术，使地地面相距距数百米的两井井或多井井，在地地下数百百米甚至至上千米米的开采采层处，通通过钻井井方法，使使井组在目标矿矿层水平平对接连连通，从从而完成成从一井井注水，另另外井组组采出高高浓度矿矿液。水平定向对对接井技技术在国国内的应应用研究究始于119911 年。由由原地矿矿部勘探探技术研究所、湖湖南省地地矿局4417 队和湖湖南省湘湘衡盐矿矿合作，从从19991 年年11 月至19993年12 月月，在湖湖南省湘湘衡盐矿矿共完成成了三

14、对对对接井井，主要要井距2227.22333.6mm，井深约5000m，其其中直井井段38804000m，造造斜段22102500m，造造斜强度度0.330.445/m。该项项成果于于19995 年年获原地地矿部科科技成果果一等奖奖，攻克克了我国国探矿工工程界和和岩盐采矿系系统多年年来希望望攻克的的一个技技术难题题，是一一项重大大科技成成果，技技术处于于国际领先水水平。截截止20010 年底，国国内采用用该技术术已在全全国所有有井矿盐盐区采用用，每年采用该该技术完完成的采采卤对接接井达220 余余对。为为使用厂厂矿节约约大量成成本，创创造良好的经济济及社会会效益。2003 年1 月，中中国地质

15、质科学院院勘探技技术研究究所又率率先在湖湖北沙市市沙隆达达盐矿完成一对井井深达228500m 盐盐矿对接接井工程程，创下下盐矿定定向对接接井之最最。2004 年9 月至至20005 年年4 月，中中国地质质科学院院勘探技技术研究究所首次次将用于于盐矿和芒硝矿矿的对接接井技术术引入天天然碱矿矿中，完完成了河河南桐柏柏海晶55 对天天然碱对对接井工程。220033 年10 月至20010 年10 月，中中国地质质科学院院勘探技技术研究究所又承承担了土耳其贝贝帕扎里里天然碱碱矿采集集卤工程程中，共共完成了了53 对对接接井的施施工任务务，实现了一井井与一井井连通，一一井与多多井连通通，完成成了目前前

16、世界上上最大规规模的、采采用对接井水溶溶开采方方法的钻钻井工程程，实现现了1000%连连通率。该该工程总总钻进进进尺达600000 余m，使水水平定向向对接井井技术的的应用达达到了顶顶峰。水平定向对对接井技技术除可可用于开开采盐矿矿和芒硝硝矿这样样的可溶溶性矿藏藏之外，还还可用于许多多其它领领域，如如钻孔采采矿、煤煤层气勘勘查与开开采、煤煤炭地下下气化工工程、油油气井灭火工工程、地地下热能能开采以以及长距距离穿越越工程等等。61.5 在在非开挖挖技术（HDD）中的应用非开挖技术术(HDDD)是是利用岩岩土钻掘掘的各种种技术手手段，在在地表以以最少的的开挖量量或不需开挖挖的条件件下铺设设、更换换

17、或修复复各种地地下管线线的一种种施工新新技术。它它将传统的“挖槽槽铺管与与修复”施工方方式改为为“钻孔铺铺管与修修复”。与传统的挖挖槽施工工法相比比，非开开挖技术术避免了了地面“开膛破破肚”和“马路拉拉锁”现象，具具有不影影响交通通、不破破坏环境境、施工工周期短短、综合合成本低低、社会会效益显著等优点点，可广广泛用于于穿越公公路、铁铁路、建建筑物、河河流、湖湖泊，以以及在闹闹市区、古迹或植被被保护区区等进行行市政、供供水、煤煤气、电电力、电电讯、石石油、天天然气等等管线的铺设、更更新和修修复。此此外，非非开挖技技术还可可用于各各种降水水工程、隧隧道工程程、基础工程和环环境治理理工程。自1984

18、4 年第第一套小小口径的的导向钻钻进工具具诞生至至今，导导向系统统的性能能已大大大地进行了改改进提高高。目前前非开挖挖技术的的定位系系统可以以提供地地底211m 处处的转角角、倾角、方位位、电量量、温度度等参数数，以及及过热报报警、远远端显示示、钻进进记录等等功能。发射器工作作时间也也从以前前的几个个小时，发发展到现现在的近近十天。典典型的导导向定位位系统由三部分分组成：地下随随钻测量量探头、地地面手持持式定位位跟踪仪仪和远端端监控装装置（地地面司钻显示示仪）。随随钻测量量探头安安装在地地下钻具具中，一一方面通通过其内内部的传传感器在钻进的同同时测量量出姿态态参数（如如倾角、面面向角和和方位角

19、角）和钻钻进参数数（如温温度、电量等），另另一方面面将这些些测量结结果调制制在甚低低频电磁磁波上以以无线的的方式传传输到地表，供地地面仪器器接收。地地面上的的定位跟跟踪仪一一方面接接收从孔孔底随钻钻测量探探头发来的测量数数据，另另一方面面则根据据电磁信信号的强强弱和相相位等信信息对其其进行定定位定深，在定位位的基础础上保持持对探头头的跟踪踪，实时时测出钻钻进的轨轨迹（见见图5 示）。地地面定位仪还还将所有有的测量量参数以以高频无无线通讯讯的方式式发到远远端的监监控装置置，监控控装置安装在在钻机处处，主要要是向司司钻人员员和控制制装置提提供各测测量参数数，实现现人为的的调整或自动动钻进。图5 非

20、开开挖定向向钻进示示意图71.6 在在煤层气气勘探开开发中的的应用多分支水平平井是指指在主水水平井眼眼的两侧侧不同位位置分别别侧钻出出多个水水平分支支井眼，也可可以在分分支上继继续钻二二级分支支，因其其形状像像羽毛，国国外也将将其称为为羽状水平井等。多多分支水水平井集集钻井、完完井和增增产措施施于一体体，是开开发低压压、低渗渗煤层的主要手手段。煤煤层气多多分支水水平井工工艺集成成了煤层层造洞穴穴、两井井对接、随随钻地质导向、钻钻水平分分支井眼眼、欠平平衡等多多项先进进的钻井井技术，具具有技术术含量高高和钻井风险大的的特点。目目前美国国、加拿拿大、澳澳大利亚亚等国应应用多分分支水平平井开采采煤层

21、气已取得了了非常好好的效益益，而我我国处于于刚刚起起步阶段段。20005 年廊坊坊分院组组织施工的武M111 羽状状水平井井顺利完完钻，该该井垂深深达9000m，是是世界最最深的一一口煤层层气羽状水平平井。220055 年底底山西晋晋城大宁宁煤矿完完成DNNP011、DNPP02 两口羽羽状水平平井，每口井井的日产产气量约约为23 万方方。与此此同时，华华北与CCDX、长长庆、辽辽河、远东能源等等国内外外企业都都已启动动了羽状状水平井井开发煤煤层气的的项目。多多分支水水平井是煤层气高高效开发发方式的的发展趋趋势，该该技术的的普遍应应用必将将为煤层层气的勘勘探开发发带来突破性性进展，在在我国掀掀

22、起开发发煤层气气的热潮潮。图6 煤层层气施工工示意图图2、定向钻钻探技术术应用现现状定向钻探技技术已广广泛应用用于固体体矿产勘勘探与开开发、石石油天然然气勘探探与开发发、8煤矿勘探与与煤层气气开发、矿矿产的溶溶采等领领域中。其其应用现现状可概概述如下下：2.1 定定向钻头头根据不同地地层及勘勘探情况况，有取取心式的的定向钻钻探钻头头和非取取心式的的。定向向钻探钻头类型型分为牙牙轮钻头头、金刚刚石钻头头、合金金钻头及及复合片片造斜钻钻头。其其底面轮轮廓有平面和和凸面等等两种。共共同的特特点就是是避开造造斜钻头头的中心心死点，防防止钻头头中心进入岩心心而产生生烧钻。（1）平面面型平面钻头具具有较高高的机械械钻速，而而且能够够防止钻钻头本体体磨损。在在大多数数情况下，提高碳碳化钨的的硬度就就可以提提高钻速速或钻头头耐用性性，但因因平面钻钻头牙齿齿的耐磨磨性优于钻头头本体，当当钻头本本体开始始磨损时时，钻头头牙齿开开始露出出或进一一步暴露露，增加了牙齿破破坏和碎碎裂的机机会。（2）凸面面型主要的定向向钻探钻钻头类型型，凸面面钻头本本身具有有导向作作用，但但如果胎胎体选择择不当，易造成成定向后后的扩孔孔工作量量。2.2 定定向造斜斜工具目前的定向向造斜工工具主要要有机械械连续造