钻孔测斜_防斜和纠_造_斜系统

*原地矿部地勘高新技术项目“5000m 钻探工程技术方案研究”中的专题“深孔硬岩钻进用钻孔测斜、防斜和纠(造)斜系统”的内容之一。

项目编号:9505501-6。

课题研究于1997年1月开始,同年12月通过评审。

　樊腊生:男,1964年生,原地矿部探矿工艺研究所高级工程师;1986年毕业于成都地质学院探矿工程系;现从事钻孔防斜、测斜的研究工作。

地址:610081成都市西北桥。

　江天寿:原地矿部探矿工艺研究所教授级高级工程师。

钻孔测斜、防斜和纠(造)斜系统*
樊腊生　江天寿
摘　要　收集和总结了主要科学钻探项目和结晶岩深孔取心钻探项目采用的钻孔测斜、防斜和纠(造)斜系统。

关键词　科学钻探　深孔　测斜　防斜　纠(造)斜
Deviation Surveying ,Preventing and Controlling Systems /Fan L asheng ,J iang T ianshou (Inst itute of Ex plor ation T echnolog y,Cheng du,610081)
Abstract V ar io us devia tion surv eying ,pr eventing and co ntr o lling sy stems used for continental scien-tific dr illing and deep ho le drilling in cry st alline r ock are co llected and summed.
Key words scient ific dr illing,deep ho le,bo re-hole surv eying ,deviatio n contr ol,ho le str aig ht ening (deflect ing)
1　钻孔防斜系统
钻孔弯曲的原因是多方面的,其中地层因素、下部钻具组合的特性及钻压是影响孔斜的3个基本因素。

为此,须采取综合性的防斜工艺技术措施,目前,主要采用合理的下部钻具组合的技术措施,辅以钻压控制来达到防斜的目的。

1.1　俄罗斯(前苏联)和德国科学钻探项目采用的防斜技术
科学钻孔垂直钻进有被动垂孔钻进系统和主动垂孔钻进系统。

被动垂孔钻进系统是指在钻进过程中,井底组合钻具只有防斜、纠斜和保直功能,组合钻具中没有随钻测量仪,不能随钻、随测和随纠,如钟摆钻具和满眼钻具等。

主动垂孔钻进系统是指钻具组合中配备了随钻测量和纠斜系统,钻进时能实现随钻、随测和随纠。

俄罗斯(前苏联)科学钻探采用被动垂孔钻进系统,在早期的科拉C 3井中,2100m 深以内使用了在涡轮钻具上装一个特殊扶正器的钻具组合(钟摆钻具)。

目前用2个或2个以上涡轮马达并列组成的满眼钻进系统,长约12m ,最小直径394mm,从地表以11～15r/min 的转速旋转,获得在4000m 深度只偏斜1°的好效果。

在钻进下部孔段采用的仍是常规的钟摆式被动垂孔钻进系统。

德国K T B 先导孔的上部10濔 in (269.9mm )牙轮取心钻进采用钟摆式被动垂孔钻进系统,6in (152.4mm)绳索取心钻进沿用了地质岩心钻进防斜
方法。

KT B 主孔采用了主动垂孔钻进系统,早期使用的是ZBE 5000定向钻进系统和V DS 317濎 型垂孔钻进系统,钻进效果不够满意,此时在一定孔段采用了满眼钻具和M SS 马达转向系统(导向钻进)。

后在Z BE 和V DS 3的基础上研制了V DS 414濐 型和V DS 512濎 型钻具,使用后取得了令人鼓舞的结果。

V DS 5适用温度200℃,使用到7200m 孔深。

K T B 主孔共使用V DS 主动垂孔钻进系统80多回次,进尺3500m 以上,钻孔顶角基本保持在1°以内,水平偏距<15m 。

V DS 垂孔系统能取得这样好的效果,是因为随钻测量系统随时显示井斜参数,纠斜系统有液压柱塞等部件,一旦井眼垂直方向出现偏斜时,柱塞运动会产生一与偏斜方向相反的侧向力。

1.2　其它深孔采用的防斜技术
其它国家和我国在深孔和石油深井中主要采用满眼钻具和钟摆钻具防斜。

钟摆钻具是通过使用大尺寸钻铤加扶正器(稳定器)来增大钟摆纠斜力(qL sin ),以抵抗地层造斜力。

满眼钻具是由几个(3～5个)外径与钻头直径相近的扶正器和一些外径较大的钻铤组成,具有刚性大和填满孔眼2个特点。

扶正器是孔底钻具组合中的重要部分,要求具有小的间隙、较多的支撑面、较高的耐磨性和足够的刚度,同时要有良好的泥浆循环通路。

常用的扶正器按其结构分为可换套螺旋式、整体螺旋式、整体直棱式和滚轮式4种。

瑞士北部N agr a 核废料处理结晶岩深孔Leug gen
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的5濎
in(140mm)绳索取心钻孔的偏斜保持在合理的限度以内。

南非的U niver sal D rills公司在施工5424m深的 76mm绳索取心钻孔时,使用了带稳定器(扶正器)的取心钻具和铝合金钻杆,下部有约1000m的钢质钻杆作为钻铤的技术措施。

俄罗斯地质勘探深孔绳索取心钻进采用了带3个定中器(扶正器)的满眼钻具,取得较好的防斜效果。

此外,在地质勘探中,我国和前苏联曾使用过带扶正器的特殊结构防斜保直器,并取得了一定的效果。

该钻具在钻头上可产生一抵消或削弱孔斜的抗斜力
侧向反偏力。

在石油钻井中,我国和前苏联曾使用过带稳定器的HCY防斜钻具,其外壳不承受轴向压力,只起扶正作用,心管传递轴压。

2　钻孔测斜系统
测斜仪测量顶角的装置基本上都是利用地球重力场的作用性质,按液面水平原理和悬锤原理设计的,目前新发展了利用加速计测量X、Y、Z方向地球重力加速度分量来计算顶角的测斜仪。

方位角的测量原理采用地磁场定向原理和地面定向原理,现新发展了利用磁通门测量X、Y、Z方向的地磁分量来计算方位角的测斜仪和电子陀螺测斜仪。

2.1　俄罗斯(前苏联)和德国科学钻探项目采用的测斜仪
科学钻孔孔内温度高,电测仪器的使用受到限制,俄罗斯(前苏联)研制了机械式测斜仪来测量钻孔顶角。

它靠钢球在一凹球面(材质比钢球稍软)留下的痕迹的位置来确定钻孔的顶角,可耐温200℃。

仪器连接在钻柱中,每次提钻即可获得孔斜数据。

它还被设计成具有在达到一定顶角后报信的功能(极限顶角信号器),可通过在一定顶角下冲洗液压力发生突变来实现。

仪器下孔前,将顶角极限值调到比原钻孔顶角大1°～15°,钻进时顶角超过此极限后,冲洗液压力突然增加4～5M P a,这就是停钻和起钻的信号。

为了同时获得方位角数据,后在原测斜仪基础上加了一个磁性的浮子,该浮子悬浮在液态介质中,能象磁罗盘一样,确定钻孔的磁性方位角,仪器耐温170℃。

德国KT B先导孔6in(152.4mm)绳索取心钻进时,在内管顶部装有一套记忆工具,可记录每次取出岩心时的温度与井斜角,必要时这些数据可回放读出。

K T B主孔主动垂孔钻进系统钻进时采用了泥浆压力脉冲随钻测量(M WD)技术,地面可随时显示钻孔顶角和方位角。

2.2　其它深孔采用的测斜技术
国内外深井钻井中,广泛使用单、多点照相测斜仪,我国油气井中,使用最多的是单点照相测斜仪。

随着技术的发展,出现了加速度计、磁通门组合的电子多点测斜仪和电子陀螺测斜仪。

国内现有的测斜仪基本上能达到国内同类仪器的技术性能指标。

在定向井、水平井的施工中,早期使用单点照相测斜仪,目前发展了采用加速度计和磁通门组合的有缆随钻测斜和无缆随钻测斜技术。

国外有许多公司(如Ea stm an、Sperr y-Sun、Hallibur ton、P reussage)研制了此类产品,国内一些生产单位进口了部分仪器,并在定向井施工中取得了较好效果。

西安石油仪器厂研制了SCZ93A(泥浆压力脉冲)随钻测斜仪,北京石油开发研究院钻井所研制了45型有线随钻测斜仪,北京派特罗尔公司生产了有缆随钻测斜仪。

3　钻孔纠(造)斜系统
早期的造斜器是槽式变向器,随着工艺技术的发展,出现了循环造斜器、永久性造斜器、机械式连续造斜器和配造斜件的孔底动力钻具。

3.1　俄罗斯(前苏联)和德国科学钻探项目采用的纠(造)斜技术
俄罗斯(前苏联)在 3井中采用带遥测装置(CT T)的涡轮纠斜器(OT)纠(造)斜100多回次,使井筒垂直;在深部采用灌铅加重钻铤的涡轮组合钻具;在超径、拉槽孔段使用了带活动铰链的钻具组合。

德国K T B先导孔6in(152.4m m)孔段采用纳维螺杆钻具共进行了3次纠斜。

此外,在孔深3893m处,孔底钻具组合掉入孔内,打捞失败后,在孔内落物之上放置裸孔封堵器,然后用在套管内定向开窗侧钻装置进行了侧钻。

K T B主孔采用主动垂孔钻进系统防斜钻进,纠(造)斜次数明显减少,在7300m处用M SS马达定向系统(导向钻进)在水泥人工孔底中进行了侧钻,获得了成功。

另下了预先铣有一个造斜窗口的7濔
in (193.68mm)尾管,在8630m处用常规的造斜钻具和有缆随钻测量仪器,由此窗口偏斜钻进,获得了成功。

3.2　其它深孔采用的纠(造)斜技术
在国内和前苏联地质勘探2000m孔深以内包括绳索取心钻进,曾采用过机械式连续造斜器(L Z型、T33型、 ! 型)纠斜和施工定向孔,取得了一定的效果,同时,我国还采用小直径螺杆钻配造斜件在地质勘探中纠斜和施工定向孔、分支孔,取得了较为突出的效果。

如安徽冬瓜山铜矿床(1个主孔6个分支孔)。

在石油钻井中,国内外普遍采用井底动力钻具配造斜件施工定向井、水平井,最先进的是带随钻测斜的导向钻
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具(造斜和打直井可在孔内直接转换),独联体国家侧重于使用涡轮钻具,国内和西方国家普遍选用螺杆钻具。

国内在用转盘扭方位时,曾用变向器(套筒型和液力型)来纠方位。

在一些特殊情况下,也使用偏心楔来纠(造)斜。

南非U niv ersal Dr iller s公司5424m的 76mm 绳索取心钻孔时下过4个可回收的偏心楔,纠正了钻进过程中出现的较小的偏斜。

在无磁钻杆内用单点照相测斜仪定向,用小口径表镶金刚石钻头先钻导孔,然后再用表镶金刚石钻头扩孔。

4　参考文献
1　H.Risch miiller.德国大陆深钻计划的先进钻探工艺.张蛮
庆译.探矿工程译丛,1992,(4).
2　王达,张伟.俄罗斯科学深钻技术概况和特点.探矿工程, 1995,(1).
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7　C.Ch ur.KT B钻探技术的成就.张伟译.探矿工程译丛,1995,(3).
收稿日期:1998-11-06　
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　1999年第4期探　矿　工　程。