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中国矿业大学2013级硕士研究生课程考试试卷考试科目：《现代钻探技术》考试时间：2014.6学生姓名：林子晔学号：TS13010126所在院系：资源与地球科学学院任课教师：李巨龙副教授中国矿业大学研究生院培养管理处印制成绩现代地质钻探工艺的新发展钻探工程应用领城的分支如今,钻探工程应用领域已明显分为三个分支。一是勘查领域,以探为主,包括科学钻探(大陆和大洋科学钻探)在内的有目的地勘查地下或海底地质结构组分、地壳活动变迁、各类矿产、能源和地下水资源等;二是生产领域,以生产为主,包括各类生产井孔和观侧井孔,开采油气、地热、地下水、盐类矿产和其它矿产,处理污水,观测地震、地面沉降与地下水污染;三是施工领域,用钻探技术进行各项岩土工程施工和处理,包括各类桩墙基础、井孔隧捆、管线铺埋、钻孔爆破和注浆处理等。十分明显,所有以上各种不同用途的井孔桩墙等应用领域,往往要求采用不同的钻探工艺,而且互相渗透。这就大大促进了现代钻探工艺的不断创新与进步,包括常规钻探工艺的再开发,从而形成现代钻探多工艺的格局。地质勘查钻探工艺的发展如上所述,随着钻探工程应用领域的分支,钻探工艺已在形成多工艺格局,日新月异。本文限于篇幅,暂不论述用于生产和施工领域的钻探工艺方面的发展,只是着重阐述地质勘查领域的近若干年来国内外钻探工艺的发展和趋势,特别是若干常规钻探工艺的不断完善和再开发的前景与效果。金刚石绳索取心钻进金刚石绳素取心钻进仍然是世界范围内地质勘查取心钻探的主要钻进工艺。除用于矿产勘查外,已发展用于水电、交通、建设等部门的工程地质勘查与工程质量抽样,坑道内水平孔钻探、指导采掘和探侧险情;特别是发展用于浅层石油、天然气和地热勘查,效益十分显著;再就是成功地用于大陆科学钻探和大洋科学钻探取样。液动冲击回转钻进矿产勘查用液动冲击回转钻进,在前苏联和我国已很普遍.技术成熟,各有特色。前苏联用阀式冲击器,我国已有无阀冲击器。用液动冲击回转钻进已肯定的优点如:提高硬岩钻速;增长钻头寿命;减小孔斜;减少堵心;提高回次进尺长度;减少钻柱磨损;可以在深孔作业,前苏联用小76mm孔径钻深达120。二,结合冲击波反射器孔深已超过2000m。在国外已在220一250℃高温下和模拟万米孔深压力下作了实验,以期用于科学钻探。液动冲击器钻探孔径已达150mm,并向300mm或更大孔径发展。其应用范围正向水井、工程钻孔扩展;并有希望用于牙轮钻头和打油气井。此外,在国内若干单位正在研究开发反循环取心钻进用贯通式液动冲击器,以及能用于泥桨和多种介质的冲击器。气动潜孔锤钻进气动潜孔锤早期用于矿山工程爆破孔,现今已广泛用于矿产勘查和砂矿钻探,实现孔底全面钻进和反循环中心取样钻进,亦用于基岩水井、锚固孔和注浆孔施工.气动潜孔锤钻孔直径从的mm到762mm已成系列,组合式潜孔锤达1。以上。前苏联科学院西伯利亚分院矿业研究所研制的孔径59功m和76二m(p一59、P一76)小直径潜孔锤钻深达goom,在花岗岩中钻速为15一35m/h。类似小直径潜孔锤在我国、日本和德、美等国家亦有。近若千年新的发展尚。有当钻头遇卡可反击式潜孔锤、取心潜孔锤(在岩心管上部加冲击器)、扩孔潜孔锤(配专用偏心钻头或扩孔钻头)和在地质勘查中很有发展前景的贯通式潜孔锤,在钻进时可以采取小直径岩心。潜孔锤钻进的最主要优点有:钻速大幅度提高;保持钻孔垂直;潜孔锤寿命长;和双壁钻杆结合进行反循环中心取样钻进,被视为现代矿产勘查重要发展方向之一;而国外有提倡贯通式潜孔锤和绳索取心相结合使用亦是很有意义的。反循环钻进钻进时理想孔底工作状态是岩屑形成后立即输离L底,很少重复破碎。反循环钻进具有这一特点。反循环钻进包括水力和空气反循环两类。迄今公认的优点是:孔底清洁;钻速高;增长钻头寿命;易于建立孔内输移岩样的流速,及时将岩样输至地表。定向钻进随着电子计算机技术、孔内测量技术和孔底动力钻具的技术进步,促进了定向钻进由以往初级阶段进入了可控阶段,要求越来越高。例如:在急倾斜矿体施工羽状分支孔;在坑道内施工沿层脉水平孔和分支孔,在煤田和可溶性盐类矿床打对接孔;在复杂矿体或深部矿体打全方位分支孔;在管线工程埋设中打地下或水下穿越孔,在地下水、地热和油气储层中打大斜度和长距离水平孔。现代定向钻进轨迹要求不仅精确打中靶点,同时要求精确穿过按设计直径的立体靶筒(区)。凡此等等,要依赖先进的造斜、纠斜、稳斜与测斜技术;依赖微机设计与随钻监控技术;依靠孔底动力钻具(螺杆钻和涡轮钻,俄罗斯已设计长1.4m二涡轮钻)、连续造斜器和优质造斜钻头等。这方面引入了不少石油钻井技术和经验。国内各部门近几年成功地在江西、安徽、山西、福建等地开展了定向钻探,取得了巨大技术经济效益与社会效益。孔底全面钻进又称无岩心钻进,实应称孔底全面钻进,在油气和煤田等许多矿产勘查以及工程钻孔施工中允许以岩屑代岩心,免除了取心工序时间,大幅度提高了钻探生产效率与效益。前苏联开发的与常规岩心钻探口径相吻合的小直径牙轮钻头(功46、价59、价76m)很值得借鉴,有资料介绍用价59牙轮钻头在8.5级岩石中钻速可达3.6m压,最佳寿命达72一80m。如今,从传统的刮刀、牙轮和金刚石钻头孔底回转全面钻进,已发展到包括空气潜孔锤、各类反循环取样钻进。在松软地层采用螺旋钻进、高压空气和水射流钻进,从广义上讲都属于孔底全面钻进。煤层气水平井钻井轨迹设计1.水平井的基本内容水平井指最大井斜角保持在90度左右，同时在目的层相对水平地维持一定井段长度的特殊井。水平井钻井技术：指在钻井过程中，通过控制钻头钻进的轨迹，使之沿目标层的走向钻进，以最大限度地增加泄油面积，提高油田采收率和勘探效果。按水平井垂直井身剖面弯曲程度分类，水平井可以分为三种类型：长曲率半径水平井（即常规水平井）、中曲率半径水平井、短曲率半径水平井。其造斜段的造斜率分别为：长曲率半径水平井造斜率小于6°/30m、中曲率半径水平井为6～20°/30m、短曲率半径水平井造斜率为15～300°/30m。在石油钻探领域，水平井除具有一般定向井功能外，还有其他的用途;开发底水油（气）藏、气质油藏、底水气顶油藏、天然裂缝油藏、低渗透和高渗透油藏、砂体延伸长连通性好的砂岩油藏、断层或地层遮挡的高角度多层油气藏。目前主要的水平井完方式有：裸眼完井、固井射孔完井、尾管射孔完井、割缝筛管完井、割缝管加管外分割器完井、充填砾石防砂完井。这5种主要的完井方式可分为：1）非选择性完井，2）选择性完井方式。裸眼、钻孔/割缝衬管、砾石预充填完井都属于非选择性完井。当水平井只横穿一个油层，只有一种流体通过，只遇到一种流体压力且地层坚硬，井眼比较规则时，则可以采用非选择性的完井方式。当水平井开采的目的层具有非均质性，岩性可变且有断层，具有气顶或底水，有天然裂缝或要进行油层改造措施时，就可采用选择性的完井方式。一种完井方法的确定需要考虑以下各方面：1）地质构造；2）储层物性、3）钻井目的；4）人工举升方法；6）测井方法和能力；7）井下作业；8）油层伤害情况；9）增产效果；10）水平井的曲率半径；11）投资灰色量化决策。2水平井开发煤层气的优缺点及适用条件在所有煤层气人及钻井工作者的努力下，目前随着钻井三大新技术（随钻测量仪、钻头聚晶金刚石复合片钻头、高效螺杆导向钻具）的突破，水平井技术已逐步应用与煤层气开采领域。与以往常规的直井钻井、射孔、压裂开采煤层气相比，水平井技术规避了常规直井开采的地质局限性，具有以下主要优点：（1）提高了导流能力。对直井而言，压裂的裂缝无论多长，其流通的阻力都很大，水平井直接垂直走向裂缝，可以大大的减少地层流体流通的阻力。（2）单井的产量高，资本回收效率高，经济效益明显。采用水平井开采，单井成本虽然高于直井，但在一个固定的区块中，可以减少钻井数量，同时节省钻井场地等钻前工程，钻井材料等，综合成本低，而且其产量高，采收率高，可以迅速的回笼资本，经济效益明显。（3）增大煤层气解析面积，沟通更多的节理裂缝，从而增大煤层气井的供气面积。（4）不受场地限制，由于水平井具有定向井的特点，所以开采场地不受限制，可在山地湖泊下开采，也可在高大建筑物下开采。通过大量的煤层气水平井钻井实践证明，其并不适合所有的煤层。对各项异性明显、厚度大、高煤阶、低渗透、高含气量和强度高的煤层气藏，适合使用煤层气水平井技术。而对构造煤发育，各项异性不明显、强度低、不稳定的薄煤层，目前情况下，不适合采用水平井技术进行开采[16]。3煤层气水平井钻井工艺技术关于煤层气水平井，前人在这方面已经做过大量理论研究，关于煤层气水平井钻井工艺主要包括以下各方面：3.1井身结构的设计井身类型的选择不但关系到施工的成败，更关系到一口井施工的耗材和经济效益。井身结构的选择尽量选择简单的，并且能适应钻井工程需要的井身结构。每多固一层套管，井径就会相应变小，这样不但会增加套管等成本，同时随着套管层数的增多，必然要选择直径更小的钻杆等钻进设备，这样深层钻进的压力和冲洗液量等就很难控制，增加了钻井的风险。目前主要采用的井身结构为二开（一开钻进到稳定基岩部分，下表层套管固井；二开钻进到目的层以下40m左右，留有一定深度的沉砂袋，然后采用裸眼完井或套管完井后射孔）、三开（一开钻到稳定基岩部分，下表层套管固井；二开钻到煤层以上10m左右，下技术套管固井；三开钻到煤层底板40m完钻；下生产套管或玻璃钢管固井）。3.2井眼轨迹的设计借鉴以往在本区的施工经验，以沁水盆地某煤层气定向羽状水平井为例来简单介绍井眼轨迹的设计。沁水煤田阳泉矿区韩庄区块位于寿阳区的中部，基本构造形态为走向近东西，向南倾斜的单斜，倾角4°～21°，一般小于10°，本定向羽状水平井设计的目标煤层为山西组3#。其井眼轨迹设计包括以下三方面：（1）洞穴井设计在钻孔轨迹设计之前建立一个三维坐标系，这样可以使设计简化和各种数据表示更加清晰，如图1。以Q1井的开孔点为坐标原点，竖直向下为Z轴正方向，水平主井筒延伸方向为X正方向。由于钻孔总体孔深为722.30m，选择综合造斜强度为iθ=0.5°m，用公式R1=57.3iθ可求得曲率半径R1为114.6m。进而推出羽状水平井的主井筒的造斜点垂深为607.70m。洞穴井为垂直井，井身轨迹结构较为简单，开孔点于A（120、0、0）处，在点B（120、0、722.30）处于水平井相交汇，终孔C(120、0、794.05)，GC段为钻孔口袋。图3-1坐标建立（2）水平井设计选取水平井剖面类型为直-弯-直型，在三维坐标空间中处于Y=0的平面上，建立XZ坐标平面如图2。OD段为垂直井段，DE段为造斜段，EF段为水平井段，长度为1216.4，OJ确定为722.30m，弧DE长为0.5πR=0.5×3.14×114.6=180m。（3）羽状分支设计羽状分支井的设计，主要根据当地的设计先例进行，选择造斜强度为iθ=0.5°/m。用公式R1=57.3iθ，可求得曲率半径R为114.6m。羽状分支孔水平间距300m，交错布置。羽状分支井直井段长从1#～8#井分别为800，700，…，200，100m。羽状分支井直井段与水平主井筒的连接为弯曲造斜井段弯强iθ=0.5°/m，羽状分支井直井段与主水平井筒的夹角为45°。4.钻具组合优化设计技术在充分认识地层特点、准确预测钻具造斜能力的前提下，满足快速侧钻、井眼轨迹控制以及主井眼钻具或完井管柱下入时摩阻力适中的要求：①根据轨迹数据和钻井参数，优化设计合理的倒装钻具组合，使钻具不产生自锁和弯曲②通过钻具组合与完井管柱的刚性分析对比，保持导向钻具的刚性大于完井管柱的刚性，以保证完井管柱顺利下入主井眼。[1]黄洪春，卢明，申瑞臣.煤层气定向羽状水平井钻井技术研究[J].天然气工业，2004,24（5）:76～78.[2]张宏伟.水平井产量计算公式[C].国外水平井技术专题研讨系列，东营胜利石油管理局地质科学研究所，1992[3]曲德赋.水平井与直井联合面积布井的开发理论研究[J].石油勘探与开发，1995,22（1）：35～38.[4]王德民.求解水平井与直井联合面积布井产量的等值渗流阻力法