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1、金刚石岩心钻探工艺技术,中国地质大学（北京） 工程技术学院 地质超深钻探技术国家专业实验室 刘宝林 教授 2010年3月6日,关键环节,钻探技术方案设计 安全（设备、孔内、人员） 钻进速度、回次长度 钻井液技术 钻进工艺参数（钻压、转速、流量） 钻头选型及使用 操作经验、岗位责任 认真学习并遵守xxx钻探规程,人为,事故,地层,设备,熟悉钻机、泥浆泵、钻塔、绳取绞车等主要设备的性能、结构特点、工作原理 仪器仪表配备齐全、正常 定期检查维护（润滑油、温升、振动），严禁带病工作,设备,钻机功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力 泥浆泵功率、流量、泵压 钻塔额定载荷、最大载荷、高度等 绳取绞车提升速度
2、、提升力 仪器仪表钻压、泵压、电压、电流等 （最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）,特别对深孔钻机，功率与孔深的匹配问题？,功率配备、功率消耗问题,钻进过程中，总功率都消耗在哪？ 深孔钻机的动力机功率配备大，额定输出扭矩大，浅部钻进时，易造成钻杆超负荷使用 更换动力机,钻头克服水平摩阻力所需功率P1； 钻具在循环泥浆中自转所消耗的功率P2； 钻具反转时克服循环液阻力消耗的功率P3； 钻具克服孔壁摩阻力消耗功率P4； 钻具纵向振动消耗的功率P5； 钻具横向振动消耗功率及其他消耗功率P6。,屈曲,振动,摩阻,机械功率,总功率消耗N= N1+N2+N3,N1钻柱空转功率消耗 取决于钻井深度、钻柱结构参
3、数、井斜状态、井身结构、泥浆性能和转速等。通过理论计算或实际测量而比较容易获得。 N2附加功率消耗 施加钻压后（下部钻柱发生屈曲而接触井壁，产生摩擦阻力并引发各种振动）所造成的。主要由钻压、转速、钻具结构、泥浆性能和井壁状况等因素决定，特别是钻进规程参数和振动规程的强弱对其影响很大。理论计算或实际测量都有一定难度。 N3井底钻头破碎岩石所消耗的功率 主要取决于钻头性能和所钻地层的性质。,实时优化决策,NROP=（N - N1）/ROP =（N2+N3）/ROP 代表了单位进尺所必须消耗的钻进能量（比能） 在一定条件下，通过调节钻进规程参数、钻具组合或泥浆性能，可以使NROP达到极小值 获得最好
4、的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和井壁安全、井眼轨迹偏斜小）,钻头性能评价,NBIT=N3/ROP N3-钻头与岩石之间的相互作用 在某一时段，可以假设钻头的性能和泥浆性能变化很小 应取决于岩石性质和地层压力 当钻遇高压层时NBIT将明显减小 当钻头性能变坏时，NBIT将呈增加趋势,对钻柱和井壁安全进行评价,N1 +N2基本上都消耗在钻柱-井眼部分，对钻柱和井壁构成危险 在一定的条件下，N1 +N2应该存在一个临界值，保证钻柱和井壁的安全。 根据N1可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、泥浆润滑性能等。,钻杆、钻具,钻杆性能（最大扭矩厂家测试数据、经验数据） 钻杆弯曲、钻杆磨损 丝扣油、
5、护丝接头、拧卸操作（浮动、自由钳、上扣扭矩、密封性） 钻具单动性、间隙调节、报信机构 卡簧匹配,钻杆的动扭矩（惯性转矩） 问题,深孔中高速旋转的钻杆在遇到卡钻时，会产生较大的动扭矩，造成钻杆过载或折断。,煤炭地质钻探规程 岩心钻探规程,钻进过程的操作,1、“摸、闻、观”结合，及时发现设备或孔内异常工况 手摸反应最快，了解设备运转时的振动情况、钻进速度变化等 耳闻反应次之，了解设备运转时的振动情况 眼观反应最慢，钻速、钻压、泵压、电流（扭矩、功率）、返水情况等,钻进过程的操作,2、平稳起动、平稳调节 3、顺利下钻距孔底约1.0m左右，送水并轻压慢转扫孔 4、正常钻进时（包括倒杆），严禁中途将钻具
6、提离孔底 5、浅孔倒杆时，防止冲洗液将钻具浮起而造成岩心堵塞 6、严禁在钻头提离孔底时高速旋转钻杆，以防反扣事故,起下钻过程的操作,1、机上余尺的丈量与记录 2、随时观察孔口夹持器工作状态，严禁卸钻杆时孔内钻杆反转，造成脱扣跑钻事故 3、提钻回灌（最好养成习惯） 4、提下钻过程中的阻力变化 5、操作要平稳（提下钻速度、钻杆的摆放等） 6、丝扣油、护丝接头、拧卸操作（浮动、自由钳、上扣扭矩） 7、检查钻杆（丝扣、裂纹、弯曲、磨损、密封）,取心操作,1、卡簧取心卡簧尺寸（每次仔细测量、用上回次岩心试验），卡簧自由内径应比钻头内径小0.30.5mm（岩心、煤炭规程） 2、采用立轴或动力头实现“提卡扭
7、”，严禁取心钻具的内管受力 3、绳索取心钻具组装与调试（单动性、卡簧座间隙、报信机构等）、投放到位、提升速度与阻力（0.5m/s2m/s）、钻杆内壁结垢、干孔投放等,复杂地层问题,松散软、硬脆碎、水敏地层等 怕振动、怕冲刷、怕磨损 孔壁稳定（漏失、缩径扩径、坍塌掉块等） 取心率低（堵心、磨心、脱心） 孔内事故（断钻、卡钻、埋钻）,复杂地层钻进关键技术措施,1、钻井液技术 2、套管程序设计 3、非标钻头（钻头外径适当增大、底喷钻头等） 4、增大卡簧自由内径，防止岩心堵塞 5、液动锤技术（硬脆碎地层防止堵心） 6、压卡取心机构、活塞取心机构等（松软地层防止岩心脱落） 7、三层管钻具（衬管为透明管或
8、半合管） 8、提下钻速度慢而稳，减少压力激动 9、必须回灌,打滑地层问题,1、优选钻头胎体硬度、金刚石品级、粒度、浓度、水口、唇面形状等 2、优化钻进参数定切入量钻进， 加大钻压，减小转速，减小泵量 3、特别强调，回次钻进开始时的钻压和切入量（钻速）过低会很快造成钻头“抛光” 3、液动锤钻进技术 4、孔底投入磨料 5、提钻处理（喷砂、砂轮打磨、砂子研磨、酸腐蚀等）,孔斜问题,地层造斜特性及其规律 钻具组合 钻进规程参数 钻孔轨迹测量 纠斜方法,钻进工艺参数的优化,钻压 转速 流量,钻速 扭矩 振动,钻头唇面状态,孔底钻具状态,地层孔壁状态,钻井液性能,智能化钻井,Drilling Effici
9、ency Improvements in Extended Wells Presented by Matthias Reich Leader Technical Services, Drilling Systems EH Drilling Engineering Association -Europe Third Quarter Meeting 1999,Eliminating or reducing fishing operations costing from 10 to 50,000 USD per day Improving drilling efficiency: more foot
10、age per bit, less trips in and out. measured at a high sampling rate of 10 measurements per second, real time to visually display the “anomalies“ on the drillers control monitor and on the Data Engineers CRT Video.,Real Time Detection of Downhole String Vibrations to Prevent Drilling String Failures
11、 and Twist-Off FIELD EXAMPLE FIELD EXAMPLE,During 20 minutes (150 to 1400 seconds) the WOB-Weight on Bit is increased from 6 to 8 tons, causing two serious negative results. （3,800 meters ） the ROP-Rate of Penetration drops from an average of 12m/hr. a severe stick-slip situation develops with an in
12、creased risk of twisting-off the pipes. As soon as the WOB is reduced the ROP increases to 12m/hr and the stick-slip disappears.,SDC-String Dynamics Control,Reference SPE paper 28908.,钻压的选择,唇面状态,影响钻头唇面状态-金刚石被磨钝-锐化，钻压在一定程度上控制钻头的磨钝和锐化过程。 钻压太低，钻进效率低，金刚石被磨钝后，难于脱落或破碎，新的金刚石难于出露，最终使钻头抛光失去继续钻进能力。 钻压太大，钻头过度磨
13、损，缩短钻头寿命；钻进扭矩加大，使钻杆承受过大负荷，严重时造成断钻事故等。,唇面状态与钻速,钻压对钻速、钻头唇面状态的影响,过度磨损 钻速过快（切入量大） 钻压过大或转速过低 冲洗液流量过小 钻头胎体太软,钻头抛光 钻速过低（切入量小） 钻压过小或转速过高 冲洗液流量过大 钻头胎体太硬,the minimum value is a constant of 1280 lbs / inch2. 最小比压 900N/cm2,xxx钻探规程 孕镶钻头单位压力为：400800N/cm2,最大比压 1500N/cm2,The common recommendation,200 - 250 RPI （转/英
14、寸） 80 -100 RPC（转/厘米） 换算为定切入量 0.1-0.125 毫米/转,Boart Longyear,定切入量钻进,定切入量钻进可以有效地防止钻头抛光，达到较高的钻速，减小钻头磨损。是比较合理的钻进方法。,实验结果,0.08-0.12 毫米/转,0.10-0.125 毫米/转,FORDIA,6m/hr,9m/hr,FORDIA,150RPI,250RPI,Hobic Diamond Tools,工况识别-金刚石钻进,烧钻-钻速先后，扭矩；原因：断水、泵量过小、钻杆漏失、钻压过大、钻速过快、地层由硬软等；办法：？ 钻头抛光-钻速逐渐 ，钻压逐渐，扭矩一般逐渐；原因：地层致密坚硬、
15、回次开始钻压过低（钻速低）、钻头不合适、水量过大等；解决办法：？,工况识别-金刚石钻进,卡钻-钻速 ，钻压 ，扭矩 ；原因：地层破碎、缩径？孔内清洗不干净？钻孔弯曲过大？；解决办法：？ 断钻-钻速 ，泵压 ，扭矩 ；原因：扭矩（钻压）过大？钻孔弯曲过大？钻杆有缺陷？ 解决办法：？ 岩心堵塞-钻速 ，钻压 ，扭矩；原因：地层破碎？岩心管满？钻头内径磨损？孔底清洗不干净？卡黄不合适？；解决办法：？,转速的确定,孕镶钻头-微切削-高钻速 钻速与转速成正比增加 钻头的磨损则比较复杂，转速太高由于摩擦、发热等可能会加快钻头磨损。 转速-避开设备和钻杆的共振频率区，保证设备和钻杆能平稳运转。 钻压和转速应
16、综合考虑设备能力、钻杆能力、孔内条件和泥浆润滑状况等其它许多因素。,THE PROFESSIONAL DIAMOND DRILLER,转速,孕镶金刚石钻头底唇面的线速度范围为1.53.0米/秒。 正常钻进时，应在机械能力、管材强度允许的前提下，尽可能提高转速。 在孔深、钻孔弯曲、超径的情况下或钻进强研磨性、破碎岩层时，转速应适当降低 考虑惯性扭矩的作用，深孔适当降低转速,转速,冲洗液量的确定,冲洗液流量充分冷却钻头、清除孔底岩粉并携带岩粉至地表 冲洗液流量太小钻头冷却不好，岩粉堆积在孔底，会造成钻头微烧或烧钻事故 冲洗液量过大，环状间隙较小，冲洗液流动阻力大，会抵消钻压、冲刷岩心和孔壁 可以通
17、过调节冲洗液流量，使孔底保留少量的岩粉来加快钻头胎体的磨损，使钻头胎体中的金刚石出露，辅助控制钻头的唇面状态，减缓钻头“抛光”,冲洗液上返速度,通常岩粉上返速度0.1m / s（Generally, cuttings should always have an upward velocity of 4 inch / sec） 通常冲洗液的上返速度： 金刚石双管钻进应为0.4 m/s0.6m/s 绳索取心钻进应为0.5 m/s1.5m/s,地质岩心钻探规程,钻头选择与使用,钻头的选择（胎体性能与岩性的匹配） 钻头的使用 高效长寿（高胎体）,BAORT LONGYEAR,软,硬,表镶钻头,孕镶钻头
18、,BAORT LONGYEAR,破碎,完整,完整性,研磨性,耐磨损,钻速快,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,BAORT LONGYEAR,外锥：流量过低、钻杆泄露,内锥：钻速过快（切入量过大、钻压过大）,外径磨损：流量过小、钻杆泄露、扩孔器外径磨损、振动大（降低转速）,过度磨损：切入量过大，减小钻压和转速，更换硬胎体钻头,钻头抛光：切入量过小，更换软胎体钻头,胎块破裂：钻压过大、跑钻、干孔投放内管、管钳夹持器等、钻孔直径小（扩孔器磨损）,烧钻：钻井液缺失（检查泥浆泵、钻杆密封）、钻压过高、检查内管与钻头内台阶间隙,BAORT LONGY
19、EARS STAGE3,Outside Diameter Gauge Loss 外径磨损,Possible causes and solutions: Vibration - Lower the rotational speed. Lack of in-hole fluid circulation - Increase the pump rate. The bit is reaming an undersized drill hole - Check the gauge diameter of the reaming shell in use and replace if found to b
20、e undersized.,可能原因、技术措施: 振动大降低转速 流量过低增加流量 钻孔直径小（扫孔）检查扩孔器外径,Inside Diameter Gauge Loss 内径磨损,Possible causes and solutions: Overfeeding the bit - Reduce the penetration rate. Damage from drilling into highly unconsolidated material - Cement the drill hole or change to a harder (lower number) Dimatec “
21、D-Series” or “HR-Series” matrix type. Drilling over lost core - Examine the core tube contents. Lack of fluid circulation - Check the inner tube length adjustment to ensure that there are no fluid restrictions within the core barrel assembly. Also check the in-hole circulation pump rate and the dril
22、l rod string for leaks,可能原因、技术措施: 切入量过大 降低钻速. 破碎地层水泥固孔或更换硬胎体钻头 残留岩心检查取心钻具 冲洗不充分检查内管长度（间隙）、泥浆泵、钻杆密封,Cracked Waterways 胎块破裂,原因: 钻压过大。An excessive bit load was applied. 跑钻。The bit, core barrel and drill rod string were accidentally dropped in the drill hole. 干孔投放。The wireline inner tube assembly was ac
23、cidentally allowed to free fall through the drill rod string in a dry hole. 夹坏。The bit was accidentally crushed by the rod holder or foot clamp,Concave Face Wear 内锥,切入量过大。This wear pattern frequently results from the use of a penetration rate that is too high for the rotational speed being used (ove
24、rfeeding). This wear pattern is also caused by “grinding core”.,Convex Face Wear 外锥,Possible causes and solutions: 冲洗不充分。Insufficient fluid circulation across the bit face - Check the circulation pump and drill rod string for leaks; increase the pump rate. 在孔内反复投料研磨出刃更换软胎体钻头。Repeated in-hole “dry-st
25、ripping” in hard, non-abrasive formations - Change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type,Excessive Diamond Exposure 过度出刃,切入量过大。The penetration rate is too high for the rotational speed in use (overfeeding) 降低钻速或增加转速。 Reduce the penetration rate or increase the rot
26、ational speed. 胎体太软。The matrix type is too soft for the ground conditions - Change to a harder (lower number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type,Glazed Bit Face 抛光,降低转速或减少流量。Try drilling with a slower rotational speed and/or a lower in-hole fluid circulation rate in an effort to cause the
27、 metal-bond matrix to abrade at a higher rate that will cause the diamond crystals to become exposed more readily. 更换软胎体钻头。 If the bit face glazes repeatedly, change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type.,Burnt Bit Crown 烧钻,断水。The operational failure of the fluid
28、circulation pump. 钻杆、水龙头严重泄漏。Excessive circulation fluid leaks in the drill rod string, water swivel or hoses. 内管与钻头间隙不合适。Internal core barrel fluid restrictions resulting from the incorrect adjustment of the wireline inner tube assembly. 水口堵塞。One or more waterway canals on the bit crown are blocked
29、 by pebbles or other debris.,FORDIA,FORDIA,FORDIAS VULCAN,Mercier Drilling, working the James Bay site in Northern Quebec, held informal drilling tests with the Vulcan bits. In two separate tests, the Vulcan 16mm significantly outperformed the 380 metres offered by a drill bit. The first driller rea
30、ched 698 metres with the Vulcan 16mm. In a second exceptional test, the Vulcan 16mm reached 1012 metres!,12mm，380m 16mm，698m 16mm,1012m,MATRIX WEAR PROFILE ANALYSIS,ATLAS COPCO,Craelius,ATLAS COPCOS JET BIT,国内金刚石钻头,表12 人造金刚石按单颗粒抗压强度分级标准,单位为牛顿,地质岩心钻探规范,表13 金刚石钻头和扩孔器选用参考表（地质钻探）,金刚石粒度的选择,金刚石浓度的选择,金刚石浓度,C-金刚石浓度（%） M-每个钻头实际使用的金刚石质量（克拉） V-每个钻头工作层的体积（cm3）,胎体硬度,金刚石钻头的合理使用,排序使用，与扩孔器及卡簧间要合理配合。扩孔器的外径大0.30.5mm，卡簧的自由内径小0.10.3（上回次岩心测试） 新钻头 “初磨” （轻压慢转、浅孔强研磨性地层预磨） “五不扫”缩径、残留岩心、脱落岩心、掉块、探头石 “三必提”下钻受阻、岩心堵塞、钻速骤降 严禁使用有缺陷钻头 优化钻进参数，随时监视工况 仔细如实填写使用卡片,Thank You,