复杂地层取心技术课件.ppt

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1、交交流流内内容容一、概述一、概述二、国、内外研究二、国、内外研究现状状三、松散与松三、松散与松软地地层取心取心钻具具四、松科一井四、松科一井(北井北井)取心技取心技术概概述述复杂地层定义复杂地层定义 复复杂杂地地层层，是是指指在在受受成成因因、构构造造运运动动及及风风化化、地地下下水水侵侵蚀蚀等等多多种种地地质质作作用用影影响响下下，形形成成岩岩石石节节理理、片片理理、裂裂隙隙发发育育，破破碎碎、软软硬硬互互层层，胶胶结结性性、稳稳定定性性、强强度度极极差差,或或是是遇水膨胀、溶解的地层。遇水膨胀、溶解的地层。概概述述 某铝土矿勘探实例某铝土矿勘探实例-1 CSR补勘补勘ZK333ZK334Z

2、K335概概述述 某铝土矿勘探实例某铝土矿勘探实例-2 ZK334CSR补勘补勘概概述述 科学钻探对岩心的质量要求科学钻探对岩心的质量要求采取率指标高采取率指标高大陆科学钻探不低于大陆科学钻探不低于80%环境科学钻探不低于环境科学钻探不低于90%（1cm厚的地厚的地层能承载数千至数万年的地质信息层能承载数千至数万年的地质信息)岩心质量要求高岩心质量要求高反映地层原生结构反映地层原生结构表面均匀、光滑表面均匀、光滑(岩心扫描成像要求岩心扫描成像要求)概概述述 岩心扫描仪岩心扫描仪概概述述 科学钻探对岩心的质量要求科学钻探对岩心的质量要求 CCSD的研究成果的研究成果绳绳/冲二合一、绳冲二合一、绳

3、/螺二合一、绳螺二合一、绳/冲冲/螺三合一的螺三合一的成果，反映了我国取心钻具研究的最高水平成果，反映了我国取心钻具研究的最高水平该批钻具设计依据是科钻一井的地层条件，护该批钻具设计依据是科钻一井的地层条件，护心、卡心、托心手段均还不适应复杂地层取心心、卡心、托心手段均还不适应复杂地层取心 科科 学学 钻钻 探探国国内内研研究究状状况况 钻具形式钻具形式无泵钻具无泵钻具喷反式单动双管钻具喷反式单动双管钻具半合衬管式三层管钻具半合衬管式三层管钻具冲击回转钻进提高破碎地层回次进尺冲击回转钻进提高破碎地层回次进尺 地地 质质 勘勘 探探国内研究状况 问题问题隔水、保形措施不力隔水、保形措施不力岩心卡

4、取或承托不可靠岩心卡取或承托不可靠岩心出管对岩心外观造成伤害岩心出管对岩心外观造成伤害绳绳取取钻钻具具结结构构简简单单，无无法法运运用用于于弱弱胶胶结结与与无胶结的松散地层无胶结的松散地层 地地 质质 勘勘 探探国国内内研研究究状状况况 空气反循环中心取样空气反循环中心取样(CSR)地地 质质 勘勘 探探国国内内研研究究状状况况空气旋流器双壁钻杆双通道水龙头压缩空气动力头样品空空气气反反循循环环中中心心取取样样 地地 质质 勘勘 探探 空气反循环中心取样空气反循环中心取样(CSR)样品为钻屑样品为钻屑钻效高，样量大钻效高，样量大反映层位准确，品位代表性好反映层位准确，品位代表性好只可用于地质工

5、作程度较深的矿区只可用于地质工作程度较深的矿区国内未制订地质工作规范，较难推广国内未制订地质工作规范，较难推广 地地 质质 勘勘 探探国国内内研研究究状状况况 岩心爪钻具岩心爪钻具 石石 油油 钻钻 井井 岩心爪钻具岩心爪钻具 石石 油油 钻钻 井井国国内内研研究究状状况况 岩心爪钻具岩心爪钻具 对岩心爪施力方式对岩心爪施力方式 石石 油油 钻钻 井井国国内内研研究究状状况况机械加压式机械加压式销钉联接内、外总成销钉联接内、外总成提动钻具让开空间提动钻具让开空间投球加压剪断销钉投球加压剪断销钉续对岩心爪加压续对岩心爪加压国国内内研研究究状状况况液力加压式液力加压式销钉联接内、外总成销钉联接内、

6、外总成提动钻具让开空间提动钻具让开空间投球加压剪断销钉投球加压剪断销钉续对岩心爪加压续对岩心爪加压2-外管外管3-悬挂轴悬挂轴4-劈槽滑套劈槽滑套5-钢球钢球6-投球投球7-内挂套内挂套 贝克休斯液力举升全封闭钻具贝克休斯液力举升全封闭钻具1提升轴提升轴 2旁通套旁通套 3外管外管 4提升套提升套 5锁套锁套 6钢球钢球 7滑套滑套 8锁块锁块 9弹簧弹簧 10弹簧座弹簧座1岩心爪内壳岩心爪内壳 2外管外管 3 岩心爪外岩心爪外套套 4内管内管 5弹簧弹簧 6全封闭蛤壳全封闭蛤壳 7卡簧卡簧 钻具特点钻具特点现场调试复杂现场调试复杂,工作量大工作量大,钻进中钻进中不能接单根不能接单根,钻进时内

7、管可能上顶钻进时内管可能上顶 液力举升解锁，液力与弹簧力割心液力举升解锁，液力与弹簧力割心并实现全封闭，卡簧与蛤壳双保险并实现全封闭，卡簧与蛤壳双保险卡心卡心国国外外研研究究状状况况 Security DBS 公司公司Posiclose钻具钻具1-提升接头提升接头 2-投球投球 3-外管外管 4-锁块锁块 5-滑套滑套1-接头接头 2-外管外管 3-投球投球 4-滑套滑套 5-悬挂套悬挂套 6-钢球钢球 7-弹簧弹簧 8-弹簧座弹簧座极复杂地层取心现状依然严峻极复杂地层取心现状依然严峻南海南海PY4-2-2井井取心数据表取心数据表公司公司起始井深起始井深(m)(m)进尺进尺(m)(m)心长心长

8、(m)(m)采取率采取率(%)(%)岩性岩性胜利油田胜利油田取心公司取心公司1673.801673.8013.2013.200.820.826.206.20松散软泥砂和钙质泥岩松散软泥砂和钙质泥岩1843.001843.009.509.504.524.5247.5047.50极疏松砂岩和泥质粉砂岩极疏松砂岩和泥质粉砂岩Baker Baker Hughes Hughes INTEQ INTEQ 公公司司1987.801987.8014.4014.403.803.8026.3926.39松散软泥砂和泥质粉砂岩松散软泥砂和泥质粉砂岩2003.002003.0010.3010.306.306.3061

9、.1661.16成岩和成柱性砂泥岩成岩和成柱性砂泥岩2155.392155.3910.2410.246.106.1059.6359.63较硬成岩和成柱砂泥岩较硬成岩和成柱砂泥岩胜利油田钻具：国产机械加压式胜利油田钻具：国产机械加压式贝克休斯钻具：贝克休斯钻具：Hydro-Lift Full Closure Core Catcher 工况分析工况分析常常规规钻钻具具的的配配合合 产产生生径径向向流流冲冲蚀蚀岩岩心心，酥酥松松地地层层打空管现象常见打空管现象常见 钻具设计总体思路钻具设计总体思路复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 工况分析工况分析喷喷反反钻钻具具反反循循环环强强度度受受管管内内心心样

10、样状状态态的的影响，酥松破碎地层采取率一般都影响，酥松破碎地层采取率一般都 不高不高松松软软地地层层中中双双动动双双管管隔隔液液钻钻进进、干干钻钻烧烧心，采取率有保证心，采取率有保证两两种种钻钻具具都都对对岩岩心心的的原原生生结结构构有有破破坏坏作作用，不能用于科学钻探用，不能用于科学钻探 钻具设计总体思路钻具设计总体思路复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 总体思路总体思路通过钻头与卡簧座配合关系的设计，改变岩心通过钻头与卡簧座配合关系的设计，改变岩心根部液流流向、屏敝液流对岩心的冲蚀根部液流流向、屏敝液流对岩心的冲蚀对强塑、高粘地层的钻头，采用大排水、排屑对强塑、高粘地层的钻头，采用大排水、排

11、屑空间设计空间设计设计兼备双动双管与单动双管特点的三层管双设计兼备双动双管与单动双管特点的三层管双钻头钻具钻头钻具(SS型型)。根据地层松散破碎程度，第。根据地层松散破碎程度，第三层管三层管(衬管衬管)可选完整管或半合管。对完全无可选完整管或半合管。对完全无胶结的地层，衬管选有机透明材料，出心时心胶结的地层，衬管选有机透明材料，出心时心样与衬管同时入库保存样与衬管同时入库保存 钻具设计总体思路钻具设计总体思路复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 总体思路总体思路对酥松但可成形的地层，内管直对酥松但可成形的地层，内管直接设计成半合形式接设计成半合形式绳绳索索取取心心SS型型钻钻具具内内钻钻头头超超前

12、前于于外外钻钻头头，且且可可与与内内总总成成同同时时打打捞捞出管出管绳绳索索取取心心SS型型钻钻具具外外总总成成双双层层、三三层层管管通通用用，无无需需提提大大钻钻即即可可根根据地层变化选择不同钻具结构据地层变化选择不同钻具结构 钻具设计总体思路钻具设计总体思路复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 钻具结构钻具结构 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具 钻具结构钻具结构 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具 使用效果使用效果 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具 使用效果使用效果 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具KZ型型钻钻具具是是为为我我国国科科学学钻钻探探工工程程设设计计的的具具有有集集成成化化功功能能的的提提钻钻取取心

13、心钻钻具具，在在外外总总成成与与单单动动机机构构统统一一的的的的基基础础上上，配配置置不不同同的的内内总总成成，可可分分别别完完成成坚坚硬硬致致密密地地层层、胶胶结结松松散散地地层层、破破碎碎与与裂裂隙隙充充填填发发育育地地层层，以以及及强强塑塑高高粘粘地地层层的提钻取心钻进。的提钻取心钻进。KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 技术参数技术参数双管钻头唇面：双管钻头唇面：150156mm/95mm三管钻头唇面：三管钻头唇面：150156mm/76mm容纳岩心长度：双管容纳岩心长度：双管912m，三管，三管36m，半，半合管合管1.5m、3m外总成螺纹上扣扭矩：外总

14、成螺纹上扣扭矩：810kNm最大工作钻压：最大工作钻压：50kN KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 单动与普通单动双管结构单动与普通单动双管结构较完整地层较完整地层 KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具用于完整、较完整地层用于完整、较完整地层 半合管结构半合管结构 KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具单钻头双层管式，用于弱胶结地层单钻头双层管式，用于弱胶结地层单钻头三层管式，用于裂隙充填发育地层单钻头三层管式，用于裂隙充填发育地层双钻头三层管式，用于无胶结松散地层双钻头三层管式，用于无胶结松散地层 隔液、保

15、形结构隔液、保形结构无胶结松散地层无胶结松散地层必要性必要性防冲蚀防冲蚀保护地层原生结构构造保护地层原生结构构造可行性可行性钻具内腔压力恒大于或等于内、外腔连钻具内腔压力恒大于或等于内、外腔连通处液压力通处液压力衬管选透明材料，隔管观察描述，样品衬管选透明材料，隔管观察描述，样品随管入库随管入库 KZ型提钻取心钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具 双钻头三层管绳取钻具复复杂杂地地层层取取心心钻钻具具松松科科一一井井是是国国家家973973计计划划项项目目“白白垩垩系系地地球球表表层层系系统统重重大大地地质质事事件件与与温温室室气气候候变变化化”，在在中中国国东东北北部部松松辽辽盆盆地地布布置置

16、的的环环境境科科学学钻钻探探工工程程，也是全球首例陆相白垩系科学钻探工程。也是全球首例陆相白垩系科学钻探工程。工工程程由由相相距距100余余公公里里的的南南井井与与北北井井(主主井井)两两个个子子工工程程组组成成。北北井井设设计计完完钻钻井井深深1810m，要要求求于于井井深深164.77m1792m内内连连续续取取心心，岩岩心心直直径径不不小小于于 90mm、平平均均岩岩心心采采取取率率不不低低于于90%。勘勘探探所通过招、投标程序承担施工。所通过招、投标程序承担施工。工程背景与技术要求工程背景与技术要求松松科科一一井井取取心心技技术术 地地 层层 分分 布布松松科科一一井井取取心心技技术术

17、0211m，流砂层，流砂层211750m，松软泥岩，夹少量薄层泥岩、砂岩，松软泥岩，夹少量薄层泥岩、砂岩750950m井段为松软泥岩与泥页岩、砂岩、砾井段为松软泥岩与泥页岩、砂岩、砾岩交替出现的井段，地层软硬变化频繁岩交替出现的井段，地层软硬变化频繁9501250m井井段段，红红色色泥泥岩岩造造浆浆性性陡陡增增，砾砾岩岩胶胶结结微微弱弱，泥泥页页岩岩、砂砂岩岩硬硬度度不不高高但但发发脆脆，提提钻钻时的抽吸作用下引发频繁掉块时的抽吸作用下引发频繁掉块1250m以深出现黑色坚硬致密泥岩，以深出现黑色坚硬致密泥岩，1500m至完至完钻全为黑色坚硬致密泥岩。钻全为黑色坚硬致密泥岩。松松科科一一井井取取

18、心心技技术术松科一井取心技术松科一井取心技术砂层取样砂层取样砂层试取样钻进统计砂层试取样钻进统计钻具类型钻具类型进尺进尺/m回次数回次数样品样品量量/m采集率采集率/%时效时效/m/h回次进回次进尺尺/m单动双管单动双管12.6452.5520.174.082.53双动双管双动双管3.0141.5551.503.900.75单动压刀单动压刀1.2951.0077.520.520.26合合 计计16.94145.1030.002.691.21说说 明明 试取心井段：试取心井段：102.77m 162.77m松科一井取心技术松科一井取心技术砂层取样砂层取样松松科科一一井井取取心心技技术术松松科科一

19、一井井取取心心技技术术嵌块式钻头一开泥岩钻进统计一开泥岩钻进统计钻具类型钻具类型进尺进尺/m回次回次数数心长心长/m取心取心率率/%时效时效/m/h回次进回次进尺尺/m单动双管单动双管 15.001714.66 97.730.510.88单动三管单动三管 18.561513.76 74.140.821.24合合 计计33.563228.42 84.680.641.05松松科科一一井井取取心心技技术术嵌块式钻头钻头泥包形成强烈的提钻活塞效应钻头泥包形成强烈的提钻活塞效应松松科科一一井井取取心心技技术术嵌块式钻头嵌块式钻头嵌块式钻头二开嵌块式钻头钻进效果二开嵌块式钻头钻进效果地层地层进尺进尺/m回

20、次回次数数取心率取心率/%时效时效/m/h回次进回次进尺尺/m松软层与软弱松软层与软弱岩层穿插岩层穿插624.1712593.291.694.99酥松砂岩与中酥松砂岩与中硬泥岩互层硬泥岩互层318.536492.031.044.97合合 计计942.7018992.861.394.99松松科科一一井井取取心心技技术术卡 簧 设 计 泥泥、页页岩岩塑塑性性大大，岩岩心心受受力力后后变变形形大大，卡卡簧簧卡卡取取岩岩心心或或不不牢牢固固，或或因因收收缩缩过过度度被被拉拉出出卡卡簧簧座座，残残留留井井底底的的大段岩心与卡簧均需专门捞取。大段岩心与卡簧均需专门捞取。松松科科一一井井取取心心技技术术卡

21、簧 设 计 松松科科一一井井取取心心技技术术卡 簧 设 计 大公差：允许卡簧更紧地抱住岩心大公差：允许卡簧更紧地抱住岩心大行程：允许卡簧在上死点时顺利通过岩心大行程：允许卡簧在上死点时顺利通过岩心大缺口：允许卡簧产生更大的径向收缩大缺口：允许卡簧产生更大的径向收缩大壁厚：保证卡簧不被拉出卡簧座大壁厚：保证卡簧不被拉出卡簧座技术参数：技术参数：1.01.2mm内径负公差、内径负公差、1215mm缺缺口、口、3、5 斜角斜角卡 簧 设 计 松松科科一一井井取取心心技技术术卡 簧 设 计 松松科科一一井井取取心心技技术术地 面 水 力 出 心 松松科科一一井井取取心心技技术术泥浆固相控制 松松科科一

22、一井井取取心心技技术术南、北两井的技术经济对比北井运用水源钻探设备与岩心钻探工艺，历时北井运用水源钻探设备与岩心钻探工艺，历时8 8个工程个工程月，完钻井深月，完钻井深1811m1811m，取心进尺，取心进尺1630m1630m，岩心采取率，岩心采取率95%95%南井使用石油钻井设备与工艺，历时南井使用石油钻井设备与工艺，历时3 3个工程月，完钻个工程月，完钻井深井深1915m1915m，取心进尺，取心进尺965m965m，岩心采取率，岩心采取率98%98%北井取心工作量大、取心难度大、钻遇地层复杂，且存北井取心工作量大、取心难度大、钻遇地层复杂，且存在在500500余米极致密的泥岩。客观因素

23、在一定程度上降低余米极致密的泥岩。客观因素在一定程度上降低了北井的岩心采取率与钻进效率了北井的岩心采取率与钻进效率北井采用了运行成本低廉的钻探技术，工程总费用仅为北井采用了运行成本低廉的钻探技术，工程总费用仅为北井的北井的1/31/3松松科科一一井井取取心心技技术术南、北两井的技术经济评估两种方法的岩心采取率均满足地学研究要求两种方法的岩心采取率均满足地学研究要求不容否认，石油钻井装备钻进效率远高于水源不容否认，石油钻井装备钻进效率远高于水源钻探装备钻探装备同样不容否认，石油取心钻井成本远大于组合同样不容否认，石油取心钻井成本远大于组合钻探技术成本钻探技术成本在工程进度满足科研进度的前提下，选用组合在工程进度满足科研进度的前提下，选用组合钻探技术实施环境科学钻探工程，是有效压缩钻探技术实施环境科学钻探工程，是有效压缩科研费用的可行之路科研费用的可行之路WFSD-3岩心丢失情况岩心丢失情况隔液钻头在隔液钻头在WFSD-3的取心效果的取心效果隔液钻头在隔液钻头在WFSD-3的取心效果的取心效果隔液钻头在隔液钻头在WFSD-3的取心效果的取心效果隔液钻头在隔液钻头在WFSD-3的取心效果的取心效果隔液钻头在隔液钻头在WFSD-3的取心效果的取心效果谢谢！请指正谢谢！请指正