深孔钻探技术方法实践与认识-(朱恒银)

一、概 述
2、国内深部地质岩心钻探现状
2005年由国土资源部中国大陆，科学钻探工程中心完成 的东海大陆科学钻探CCSD-1井，终孔孔深达5158m，创我国 科学钻探孔最深纪录。在地质找矿岩心钻探方面 ，我国现 已完工1000m以深的钻孔数百个，2000m以深的钻孔60余个 （主要由山东、辽宁、河北、安徽、江西、河南等省完成）。 继2010年6月由安徽省地矿局313地质队在安徽霍邱铁矿区勘 探中完成了一口2706.68m孔深钻孔，首创国内小口径绳索取 心钻进最深纪录后，孔深纪录不断被刷新，现全国已完成 3000m以深的超深孔约10余个（含地热井勘探），最深
孔口套管密封装置示意图
2.2 钻孔结构及套管设计
（3）套管固定密封与扶正设计
套管底部密封常采用特殊设计 的套管靴（套管座），套管靴上部 连接套管，下部座落在岩层上，活 动套管一般承托在在套管靴上，固 定式内套管时常也带套管靴，座落 在延伸的下段岩层上。套管底部固 定与密封装置如图所示。
套管底部固定与密封装置示意图
一、概 述
地质岩心钻探小口径绳索取心钻孔为山东省地矿局第三地质 矿产勘察院在山东莱州三山岛西岭金矿完成的ZK96-5孔，终 孔孔深达4006.17m。汶川地震断裂带科学钻探复杂地层中采 取原状样岩心，并取得了瞩目的成果。
安徽省地矿局313地质队从2008年开始，承担了安徽省 重点科技攻关项目《深部矿体勘探钻探技术方法及设备研究》 项目，该项目共分四个子课题，分别是分体塔式全液压动力 头钻机及高强度绳索取心钻杆研制、钻孔摄像及定向取心技 术在地质勘探中的应用研究、钻孔设计与轨迹动态监控技术 研究、深部岩心钻探钻进工艺方法研究，该项目已于2012年 12月通过全面鉴定验收，获国家专利8项（其中已授
2.1 关键装备优化选择与配置
（4）钻塔要求有足够的承载力，原则上钻塔的承载负荷 应≥钻孔设计孔深及孔径所用钻具总重量的2倍，钻塔高 度原则上应≥20m。
（5）深孔钻探设备较多，需要功率较大，在有条件的情 况下，优先选择工业用电作驱动动力；无工业电时，应 采用燃料发电机组提供电动驱动，避免选择柴油机直联 式作动力。
2.2 钻孔结构及套管设计
2.钻孔套管质量要求
（1）材质要求 套管材质选择时，套管接头材质应比套管体钢级要
求高一级。套管柱重量也是选择条件之一，套管下入重 量≤10t时，材质可选择普通低碳钢级；10~20t时，材质 应选择DZ40~DZ50钢级；>20t时，材质选择DZ50以上钢级。 （2）套管连接方式
弹塑性套管扶正器
2.2 钻孔结构及套管设计
2.1 关键装备优化选择与配置
⑨钻孔深度≥2000m，应优先选用四角和A型钻塔，钻塔 高度≥20m，钻探承载负荷≥500KN；山区、施工场地狭 小时，优先选用四角塔，便于装卸；
⑩深部钻探设备动力源，应优先选用工业用电或发电机 组供电，尽量避免采油机直联式动力。选用液压动力头 钻机时，配套设备动力应选择分体式动力，以节约动力 能耗。
2.1 关键装备优化选择与配置
3.设备机具的优化配置
（1）主要设备优化配置 ①在山区、丘陵道路、场地较差的地区施工，应优先选 择立轴式钻机或分体塔式全液压动力头钻机及相配套设 备； ②施工1000~1500m孔深，在道路场地较好条件下，优先 选择全液压动力头桅杆整体式钻机及配套系统； ③施工1500~2500m孔深，应优先选用分体塔式动力头钻 机或立轴式钻机；
2.1 关键装备优化选择与配置
主要机具选择与配置 ①取心机具 ②保直机具 ③纠斜机具 ④事故打捞机具 主要仪器的选择与配置 ①钻孔测斜、定向、随钻测量仪 ②泥浆性能测试仪 ③钻进参数仪表
2.2 钻孔结构及套管设计
在钻探施工之前，都要进行钻孔结构设计，钻孔结 构设计是钻探施工技术设计重要内容之一。钻孔结构是 设计套管程序的依据。钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔， 钻孔剖面中各孔段的深度和口径变化情况。钻孔结构设 计的是否合理、科学，是关系到钻探施工钻孔的安全性、 经济性、施工效率、质量以及施工成败的关键。钻孔结 构设计是钻探工程施工技术设计的重要组成部分。尤其 深孔钻探钻孔结构设计是施工工艺、护壁措施、钻探技 术经济指标、工期和成本预测等技术与参数计算的基础。
2.2 钻孔结构及套管设计
1.钻孔结构设计主要内容
（1）.确定钻孔开孔、终孔口径； （2）.确定各孔段钻进口径、扩孔口径及深度； （3）.选择钻孔施工不同地层的护壁方法； （4）.确定套管下入层数、位置及下入安装程序； （5）.选择套管结构形式及各层套管级配关系； （6）.确定钻进用钻头、钻具及钻杆级配形式； （7）.计算钻孔环空液、气体上返速度及流体阻力； （8）.钻孔固孔方法及参数设计； （9）.非常规钻进钻孔（如各类定向孔）轨迹结构设计； （10）.确定套管起拔方法及工艺； （11）.绘制钻孔结构柱状图。
2.2 钻孔结构及套管设计
（2）内套管及活动套管设置 在深孔钻探套管串设计时，往往预留口径较多，开孔
下入外套管直径较大，取心钻进口径较小，在这种情况 下，多采用下入内活动套管的方法。内活动套管，根据 钻进口径可下入多层或单层。在实际施工中，内活动套 管设置一般选择单层活动套管，以扶正措施解决内套管 稳定性问题。
钻探过程中，因地层复杂，其它护壁措施无法解决 的情况下，钻孔需要下入套管护壁，即可把活动套管从 钻孔中提出，扩孔下入下一级套管。活动套管下入的次 数及规格视钻进口径而确定。
2.2 钻孔结构及套管设计
金刚石钻探钻孔内活动套管设置示意图
2.2 钻孔结构及套管设计
（3）套管固定密封与扶正设计
钻探施工中一般第一层孔口 套管（亦称导向管）是用水泥固 牢，并焊接在一块钢板上固定， 为各层套管的承托。其它各层套 管口与法兰盘连接固定，各法兰 盘间设置橡胶密封圈（或胶皮垫） 作为管口密封。在钻进含油气地 层，孔口套管需要安装防喷套管 头。
（6）钻探设备要实现参数可视化，原则上应配齐钻进参 数显示仪表（如钻压、转速、扭矩、泵压、泵量、电流、 电压等显示系统）。
2.1 关键装备优化选择与配置
2.装备性能对钻探工作效率的影响
（1）立轴式钻机与全液压动力头桅杆式钻机对比 （2）钻杆柱人工拧卸与机械拧卸对比分析 （3）钻塔高度 （4）钻塔安装形式 （5）设备驱动方式与传动效率
钻进方法
2.2 钻孔结构及Baidu Nhomakorabea管设计
地质岩心钻探钻进口径与套管级配推荐表
金刚石绳索取心钻探
常规岩心钻探
钻进口径 （mm）
（B） （N） （H）
（P）
（S） 66 76 91 110 130 150
套管直径 （mm）
73
89
（75） （91）
108 （114）
140 （146）
168 （178）
80
89
套管连接方式有直接连接、平接头连接和接箍连接
2.2 钻孔结构及套管设计
直接连接
平接头连接
接箍连接
2.2 钻孔结构及套管设计
3.钻孔套管结构设计
（1）套管级配 浅孔及中深孔钻探，一般情况下，只设计1~2层套管
结构。深孔及特深孔钻探一般设计4~6层套管结构。每层 套管的内外径规格及级配关系原则上应符合《地质岩心 钻探规程》所对应的钻进口径要求。目前我国地质岩心 钻探口径系列及套管级配如下表所示。
一、概 述
和特殊地区的找矿突破，实现地质找矿突破战略目标，不仅 要在找矿理论上有所突破，钻探工艺方法及钻探技术装备的 突破更是关键。所以，进行深部岩心钻探钻进工艺方法研究 可为地质找矿提供技术支撑，对推动钻探技术向纵深发展具 有重要的社会、经济意义。
深部岩心钻探钻进工艺方法研究内容多，涵盖面广，主 要内容包括：关键装备优化选择和配置、钻孔结构与套管设 计、钻进方法与取心技术、钻进冲洗液与护壁堵漏技术、钻 探事故预防与处理、钻孔轨迹控制技术和钻探成本与技术指 标分析。
2.1 关键装备优化选择与配置
（2）钻杆的组合与选择 ①接头丝扣选择 ②钻杆的定尺长度选择 ③连接方式选择 ④钻杆的组合方法选择
2.1 关键装备优化选择与配置
（3）附属设备及机具配置 主要附属设备选择 ①升降工序附属设备及机具 钻杆拧卸装置、孔口夹持装置、钻杆及套管悬吊装置 水龙头、绞车等。 ②泥浆净化及制浆设备 振动筛、旋流除砂器、离心机、泥浆搅拌机等。
（2）根据地质岩心钻探特点，应优先选择液压立轴式和 动力头式钻机，钻机需提升能力强，变速范围宽，扭矩 大，主动钻杆通孔大，适用不同口径钻进。钻机工作能 力选择应为实际施工孔深、孔径能力的1.3~1.5倍。 （3）钻探用泥浆泵流量需≥300L/min，允许泵压 ≥10MPa；钻进时冲洗液上返流速要满足≥0.4m/s。
一、概 述
权发明专利2项）、计算机软件著作权1项。该成果通过安 徽省科技厅技术鉴定，总体达到国际先进、国内领先水平。 该项目其中一个子项目于2013年获得安徽省科技进步奖二 等奖。该项目在研究过程中在不同矿区、不同地层、不同 口径完成深部钻探工作量3万余米，尤其在科学钻探方面完 成了4个钻孔（霍邱铁矿深部钻探方法研究ZK1725孔，孔深 2706.68m；汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔，孔深 1502.30m；安徽庐枞科学钻探LZSD-1孔，孔深3008.29m； 江西赣州科学钻探NLSD-1孔，孔深2967.83m），研究成果 在深部找矿及科学钻探中进行了广泛应用，取得了良好的 效果。
二、深孔钻探关键技术问题
1.关键装备优化选择与配置 2.钻孔结构及套管设计 3.特殊地层钻进取心技术 4.泥浆与护壁技术 5.钻孔轨迹控制技术 6.特殊事故的处理技术
2.1 关键装备优化选择与配置
1.关键装备选择原则
（1）深孔钻探设备选择提倡“大马拉小车” 理念，有 利于孔内异常情况的处理，减少因设备能力不足造成孔 内事故；
2.1 关键装备优化选择与配置
④施工≥2500m孔深，优先选用顶驱钻机（液压或电动）， 其次选用立轴式钻机；
⑤施工区域工业用电容量不足或无工业用电情况下，应 优先选用立轴式钻机；
⑥孔深无岩心钻探施工，优先选用顶驱钻机和全液压动 力头钻机；
⑦复杂地层采用常规提钻取心钻探，应优先选用立轴式 钻机；
⑧深孔钻探用泥浆泵选择必须为变量泵，流量上限值应 ≥300L/min，泵压≥10MPa，钻孔结构复杂情况下，泥浆 泵流量上限值应≥600L/min；
108 127 146
168
2.2 钻孔结构及套管设计
在实际施工中，应根据地层的复杂程度，可将上部 套管直径加大，可增加套管预留层数。套管层间级配一 般是上一层套管最小内径要比下一层套管串最大外径 ≥5mm；为了施工中减少扩孔次数，上一级钻进孔径应满 足下一级套管下入孔径要求；若套管下入后，需要水泥 固井，套管外径与孔壁环状间隙应不小于20mm；套管内 径与钻具之间级配关系原则上环状间隙应小于10mm（金 刚石钻进钻孔环状间隙应在3~5mm之间较好），以保证钻 具回转过程中的稳定性。
深孔钻探技术方法实践与认识
朱恒银 安徽省地矿局313地质队
主要内容
概述
主
深孔钻探关键技术问题
要
实践与认识
内
容
深部钻探技术展望
结语
一、概 述
1、深孔钻探研究内容及意义
由于国家对于能源和重要矿产资源地质工作的高度重视， 2006年初颁布了《国务院关于加强地质工作的决定》，给地 质工作的发展指明了方向，提出了地质工作中长期的战略方 针。我国新的一轮地质矿产勘查工作主要以攻深找盲、探边 摸底为重点。地质找矿的深度已从过去浅部、中深部转向深 部勘探（1000m以深），寻找隐伏矿与深部矿的“第二找矿 空间”为主要目标。钻探工程是矿产勘查的重要的和不可缺 少的技术方法之一，是能够直接从地下岩层获取实物样品的 唯一手段，只有拿到实物样品才能验证矿藏的存在，只有通 过大量的钻探工作量才能获得可信的储量。实现攻深找盲
2.2 钻孔结构及套管设计
（3）套管固定密封与扶正设计
套管扶正器主要类型有：弹性扶正 器、刚性扶正器、弹塑性扶正器等。金 刚石地质岩心钻探，由于选用的套管壁 厚较薄，变形量较大，根据实践经验， 一般情况下安装套管扶正器间距为：外 套管（固井套管）30~40m，活动套管 6~9m。基岩段套管与孔壁环状间隙小于 30mm固井时，一般可不设扶正器。