复杂地层取心技术.pptx

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1、交流内容一、概述二、国、内外研究现状三、松散与松软地层取心钻具四、松科一井(北井)取心技术第1页/共63页概述复杂地层定义 复杂地层，是指在受成因、构造运动及风化、地下水侵蚀等多种地质作用影响下，形成岩石节理、片理、裂隙发育，破碎、软硬互层，胶结性、稳定性、强度极差,或是遇水膨胀、溶解的地层。第2页/共63页概述 某铝土矿勘探实例-1 CSR补勘补勘ZK333ZK334ZK335第3页/共63页概述 某铝土矿勘探实例-2 ZK334CSR补勘补勘第4页/共63页概述 科学钻探对岩心的质量要求采取率指标高大陆科学钻探不低于80%环境科学钻探不低于90%（1cm厚的地层能承载数千至数万年的地质信息

2、)岩心质量要求高反映地层原生结构表面均匀、光滑(岩心扫描成像要求)第5页/共63页概述 岩心扫描仪第6页/共63页概述 科学钻探对岩心的质量要求第7页/共63页 CCSD的研究成果绳/冲二合一、绳/螺二合一、绳/冲/螺三合一的成果，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 探探国内研究状况第8页/共63页 钻具形式无泵钻具喷反式单动双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 地地 质质 勘勘 探探国内研究状况第9页/共63页 问题隔水、保形措施不力岩心卡取或承托不可靠岩心出管对岩心外观造

3、成伤害绳取钻具结构简单，无法运用于弱胶结与无胶结的松散地层 地地 质质 勘勘 探探国内研究状况第10页/共63页 空气反循环中心取样(CSR)地地 质质 勘勘 探探国内研究状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第11页/共63页空气反循环中心取样 地地 质质 勘勘 探探第12页/共63页 空气反循环中心取样(CSR)样品为钻屑钻效高，样量大反映层位准确，品位代表性好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 地地 质质 勘勘 探探国内研究状况第13页/共63页 岩心爪钻具 石石 油油 钻钻 井井第14页/共63页 岩心爪钻具 石石 油油 钻钻 井井国内研究状况

4、第15页/共63页 岩心爪钻具 对岩心爪施力方式 石石 油油 钻钻 井井国内研究状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第16页/共63页国内研究状况液力加压式液力加压式销钉联接内、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-内挂套内挂套第17页/共63页 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

5、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 岩心爪岩心爪外套外套 4内管内管 5弹簧弹簧 6全封闭蛤全封闭蛤壳壳 7卡簧卡簧第18页/共63页 钻具特点现场调试复杂,工作量大,钻进中不能接单根,钻进时内管可能上顶 液力举升解锁，液力与弹簧力割心并实现全封闭，卡簧与蛤壳双保险卡心国外研究状况第19页/共63页 Security DBS 公司Posiclose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

6、 7-弹簧弹簧 8-弹簧座弹簧座第20页/共63页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(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.

7、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2003.002003.0010.3010.306.306.3061.1661.16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第21页/共63页 工况分析常规钻具的配合 产生径向流冲蚀岩心，酥松地层打空管现象

8、常见 钻具设计总体思路钻具设计总体思路复杂地层取心钻具第22页/共63页 工况分析喷反钻具反循环强度受管内心样状态的影响，酥松破碎地层采取率一般都 不高松软地层中双动双管隔液钻进、干钻烧心，采取率有保证两种钻具都对岩心的原生结构有破坏作用，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杂地层取心钻具第23页/共63页 总体思路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对强塑、高粘地层的钻头，采用大排水、排屑空间设计设计兼备双动双管与单动双管特点的三层管双钻头钻具(SS型)。根据地层松散破碎程度，第三层管(衬管)可选完整管或半合管。对完全无胶结的地层，衬管选

9、有机透明材料，出心时心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杂地层取心钻具第24页/共63页 总体思路对酥松但可成形的地层，内管直接设计成半合形式绳索取心SS型钻具内钻头超前于外钻头，且可与内总成同时打捞出管绳索取心SS型钻具外总成双层、三层管通用，无需提大钻即可根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杂地层取心钻具第25页/共63页 钻具结构 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具第26页/共63页 钻具结构 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具第27页/共63页 使用效果 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具第28页/共63页 使用效果 NQ隔液绳取钻具隔液绳取钻具第29页

10、/共63页KZ型钻具是为我国科学钻探工程设计的具有集成化功能的提钻取心钻具，在外总成与单动机构统一的的基础上，配置不同的内总成，可分别完成坚硬致密地层、胶结松散地层、破碎与裂隙充填发育地层，以及强塑高粘地层的提钻取心钻进。KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复杂地层取心钻具第30页/共63页 技术参数双管钻头唇面：150156mm/95mm三管钻头唇面：150156mm/76mm容纳岩心长度：双管912m，三管36m，半合管1.5m、3m外总成螺纹上扣扭矩：810kNm最大工作钻压：50kN KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复杂地层取心钻具第31页/共63页 单动与普通单动双管结构较完整地层 KZ

11、型提钻取心钻具型提钻取心钻具复杂地层取心钻具用于完整、较完整地层用于完整、较完整地层第32页/共63页 半合管结构 KZ型提钻取心钻具型提钻取心钻具复杂地层取心钻具单钻头双层管式，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第33页/共63页 隔液、保形结构无胶结松散地层必要性防冲蚀保护地层原生结构构造可行性钻具内腔压力恒大于或等于内、外腔连通处液压力衬管选透明材料，隔管观察描述，样品随管入库 KZ型提钻取心钻具复杂地层取心钻具第34页/共63页 双钻头三

12、层管绳取钻具复杂地层取心钻具第35页/共63页松科一井是国家973计划项目“白垩系地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”，在中国东北部松辽盆地布置的环境科学钻探工程，也是全球首例陆相白垩系科学钻探工程。工程由相距100余公里的南井与北井(主井)两个子工程组成。北井设计完钻井深1810m，要求于井深164.77m1792m内连续取心，岩心直径不小于90mm、平均岩心采取率不低于90%。勘探所通过招、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科一井取心技术第36页/共63页 地地 层层 分分 布布松科一井取心技术0211m，流砂层211750m，松软泥岩，夹少量薄层泥岩、砂岩750

13、950m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9501250m井段，红色泥岩造浆性陡增，砾岩胶结微弱，泥页岩、砂岩硬度不高但发脆，提钻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，1500m至完钻全为黑色坚硬致密泥岩。第37页/共63页松科一井取心技术第38页/共63页松科一井取心技术砂层取样砂层砂层试试取样钻进统计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.

14、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第39页/共63页松科一井取心技术砂层取样第40页/共63页松科一井取心技术第41页/共63页松科一井取心技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取取心心率率/%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.

15、563228.42 84.680.641.05第42页/共63页松科一井取心技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第43页/共63页松科一井取心技术嵌块式钻头第44页/共63页嵌块式钻头第45页/共63页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942.7018992.861.394.9

16、9第46页/共63页松科一井取心技术卡 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大段岩心与卡簧均需专门捞取。的大段岩心与卡簧均需专门捞取。第47页/共63页松科一井取心技术卡 簧 设 计 第48页/共63页松科一井取心技术卡 簧 设 计 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技术参数：1.01.2mm内径负公差、1215mm缺口、3、5斜角第49页/共63页卡

17、 簧 设 计 第50页/共63页松科一井取心技术卡 簧 设 计 第51页/共63页松科一井取心技术地 面 水 力 出 心 第52页/共63页松科一井取心技术泥浆固相控制 第53页/共63页松科一井取心技术南、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8个工程月，完钻井深1811m，取心进尺1630m，岩心采取率95%南井使用石油钻井设备与工艺，历时3个工程月，完钻井深1915m，取心进尺965m，岩心采取率98%北井取心工作量大、取心难度大、钻遇地层复杂，且存在500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北井采用了运行成本低廉的钻探技术，工程总

18、费用仅为北井的1/3第54页/共63页松科一井取心技术南、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不容否认，石油钻井装备钻进效率远高于水源钻探装备同样不容否认，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，是有效压缩科研费用的可行之路第55页/共63页WFSD-3岩心丢失情况第56页/共63页隔液钻头在WFSD-3的取心效果第57页/共63页隔液钻头在WFSD-3的取心效果第58页/共63页隔液钻头在WFSD-3的取心效果第59页/共63页隔液钻头在WFSD-3的取心效果第60页/共63页隔液钻头在WFSD-3的取心效果第61页/共63页谢谢！请指正谢谢！请指正第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页