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1、地质勘查与科学钻探的 螺杆钻定向钻进技术,中国地质科学院技术研究所 朱 永 宜 zyywfsd.org， 13931641235,教 程,一、概述 二、钻孔轨迹设计的必要性 三、冬瓜山矿床定向钻探工程 四、CCSD-1井定向钻探技术,概 述,1. 定向钻探的用途 单孔底L形孔 命中靶区 钻孔纠偏 绕开地障,概 述,1. 定向钻探的用途 单孔底S 形孔 多矿层控制 多靶点控制,概 述,1. 定向钻探的用途 多孔底 羽状孔 单层陡峭矿体控制 鱼剌孔 多层陡峭矿体控制,概 述,1. 定向钻探的用途 多孔底 集束孔,概 述,2. 定向钻探的定义 利用可对钻头施加侧向力的造斜钻具及配套的定向钻进工艺，根
2、据对钻孔轨迹与钻具孔内状态的测量结果，按设计的几何曲线调控钻孔轨迹并使之到达预定目标的钻探技术。,概 述,2. 定向钻探的定义 测量技术 内容：孔斜测量，工具面测量 仪器 测斜仪 定向仪 随钻监测仪(兼具测斜与定向功能),概 述,2. 定向钻探的定义 MWD在地勘钻探中意义不大 回次进尺短，仪器一般未进入造斜段即需提钻 回次进尺短，轨迹调整余地大 孔深浅，反扭转角规律易掌握 综上所述，MWD在地勘中的作用仅起监测反扭转角的作用 MWD投资大 MWD随钻服务量大,概 述,2. 定向钻探的定义,概 述,2. 定向钻探的定义,概 述,2. 定向钻探的定义 造斜工具 螺杆钻 涡轮钻 连续造斜器 孔底电
3、钻,概 述,2. 定向钻探的定义 造斜钻具 涡轮钻基本结构,概 述,2. 定向钻探的定义 造斜钻具 涡轮钻机械特性,空转,概 述,2. 定向钻探的定义 造斜钻具 涡轮钻具评价 转速高，运行平衡，适于金刚石钻进 可加减涡轮节调节输出功率大小 寿命长，耐高温 造价高，外形尺寸长 空转时转速太高不利于扫孔 压降与转速无关，不利于判断孔内工况,2. 定向钻探的定义 造斜钻具 连续造斜器结构,概 述,3. 定向钻探的发展,4. 操作精要 钻进异常判断与排除,概 述,4. 操作精要 特别注意事项 分级施压(50100kg)。加压后最少维持1min后泵压无变化才可加下一级压力 长时间钻进后应窜动钻柱消除静摩
4、擦 测斜必须在稳斜段进行。造斜后如需测斜，应稳斜23m 定向时仪器中点必须置于设计造斜点位置，连续两回次定向尤需如此 计算定向读数时一定要辨明各装合差值的符号,轨迹设计的必要性,简要图解法的局限性 示例 已知造斜点孔斜和目标孔斜时,N,E,0,1,轨迹设计的必要性,简要图解法的局限性 解法的局限性 将原本是直-弧曲线做为折线处理 曲率半径越大误差越大,螺杆钻定向钻探技术,4. 操作精要 定向分枝技术 人工孔底架设 选择完整岩层 可钻性级 水泥塞长度有充分余地 水泥标号不低于425 一天后扫清塞顶浮灰 大泵量冲孔,螺杆钻定向钻探技术,4. 操作精要 定向分枝技术 操作要点 选择45或1弯外管 初
5、始小钻压甚至0钻压切削孔壁 注意观察泵压对钻压的敏感度 注意观察上返钻屑 判断钻出新孔底后即提 短管稳斜钻进23m后测斜,螺杆钻定向钻探技术,4. 操作精要 定向分枝技术 新老孔底面积比,螺杆钻定向钻探技术,4. 操作精要 定向分枝技术 钻屑组份镜下观察,4. 操作精要 钻进异常判断与排除,螺杆钻定向钻探技术,4. 操作精要 特别注意事项 分级施压(50100kg)。加压后最少维持1min后泵压无变化才可加下一级压力 长时间钻进后应窜动钻柱消除静摩擦 测斜必须在稳斜段进行。造斜后如需测斜，应稳斜23m 定向时仪器中点必须置于设计造斜点位置，连续两回次定向尤需如此 计算定向读数时一定要辨明各装合
6、差值的符号,冬瓜山定向钻探工程,1. 定向钻探的必要充分性 矿体特征与勘探要求 埋深750950m，背斜产出，两翼倾角1035，最大厚度100余米，平均32m 勘探网度 B级块段 40604060m C、D级块段 8012080120m 命靶要求 1/5网距 矿区勘探的急迫性 以往的勘探方案,冬瓜山定向钻探工程,1. 定向钻探的必要充分性 以往孔斜指标 详查钻孔58个，20个金刚石钻孔孔斜如表 矿区钻孔自然弯曲梯度不强烈 仅2个终孔顶角0.51的钻孔满足10m中靶要求 深孔累积位移使网度超标,冬瓜山定向钻探工程,1. 定向钻探的必要充分性 矿区地表设施与地下构筑 涵括了5千余职工的铜陵有色狮矿
7、 地表永久性工民用建筑密集 空中架设有多条输变电线路 矿体在“五层楼”狮子山矿田最底层 地下采场密布，平巷纵横 广寒宫人防改造的地下娱乐场 详查时已有数个钻孔贯入老窿,冬瓜山定向钻探工程,1. 定向钻探的必要充分性 定向钻探攻关试验 1987年开展“铜陵冬瓜山铜矿床应用定向钻探技术进行深部矿体勘探的方法研究”攻关试验，完成了我国首组“1主6枝”集束形定向钻孔群 7孔累计延深5888.30m，中靶精度1.357.17m，节约工作量2835.24m，控制范围100100m,冬瓜山定向钻探工程,1. 定向钻探的必要充分性 勘探对技术手段的要求 钻孔准确命靶 现场避开地表与空中设施 孔身绕过地下隐蔽工
8、程 能尽快进入勘探，并缩短施工周期 获得更好的经济效益 矿床勘探必须采用且只有采用定向钻探,冬瓜山定向钻探工程,2. 矿区总体设计 工程布置 首勘地段3458线设计钻孔43个 探矿孔39个(B级孔5个，C、D级孔34个)终孔口径59mm 水文孔3个，水文探矿兼用孔1个，终孔口径91mm 2年完成探矿工程，3年提交勘探报告,冬瓜山定向钻探工程,2. 矿区总体设计 钻孔编组原则 一主多枝 孔口布置 充分利用主孔 运用钻孔自然弯曲规律 钻孔编组依据,冬瓜山定向钻探工程,2. 矿区总体设计 矿区工作量预算 单孔与主孔工作量 分枝孔工作量 造斜工作量 稳斜工作量 节约工作量,2. 矿区总体设计 矿区工作
9、量估算 造斜工作量 主干孔绝对垂直 所有钻孔均为垂直平面型钻孔 分枝点深度与造斜强度已选定 分枝孔的分枝与造斜一次完成,2. 矿区总体设计 单工程控制原则 矿区地层分布,冬瓜山定向钻探工程,2. 矿区总体设计 单工程控制原则 分枝点深度 B级孔在栖霞组上段分枝 C级孔在龙潭组中段分枝 少数跨距特别大的钻孔在小凉亭组中段大理岩中分枝,冬瓜山定向钻探工程,2. 矿区总体设计 单工程控制原则 钻孔轨迹监测与施控 进小凉亭首次监测, 预测轨迹将进入编组内哪个钻孔的靶区 进龙潭组二次监测，为后续钻孔提供设计数据，并确定量否调整钻孔轨迹 进栖霞顶部三次监测，精确调整轨迹 出栖霞前最后监测，钻孔入矿前轨迹仍
10、有调整余地 主孔孔号进龙潭组监测后确定,冬瓜山定向钻探工程,3. 工程施工成果 勘探经济效益(含攻关试验的一组孔) 33个钻孔分9组施工，共完成进尺19243m，24个分枝孔节约工作量9299m。编组钻孔节约工作量30%以上、节约地勘投资超350万元、节约钻探时间2.5近个台年 勘探中因B+C级储量比例达到，49线上3个孔裁减，矿区痛失在编组创“1主8枝”的机会 当时的地勘费管理办法、部文明机台评比办法、钻探指标统计方法、机台经济责任制形式、没有对技术人员的激励机制等影响了效益的扩大,冬瓜山定向钻探工程,3. 工程施工成果 钻孔中靶精度,3. 工程施工成果 最优单项记录,冬瓜山定向钻探工程,4
11、. 钻孔定位精度验证 中靶精度与定位精度 中靶精度是工程控制问题 定位精度误差的产生 仪器精度 测程方法 计算模型,4. 钻孔定位精度验证 定位精度验证,冬瓜山定向钻探工程,5. 技术管理 技术数据搜集、整理与提交，旬报、季报和年报编写与提交，定向钻进器材管理、维护与操作，钻孔轨迹设计、监测与控制，孔口及专用器材安排与调度，矿区科技项目管理与技术革新 在严格的要求和艰苦的实践训练中，321队形成了一个技术员上山，即可在机台协助下完成一个回次定向钻进操作全过程的全能型工作风格，这也是321队以甚为有限的技术人力资源，优质、高效地完成了冬瓜山大型勘探的根本条件。,科钻一井定向钻进技术,1. 地层的
12、造斜强度 江苏局在该区域的孔斜验收指标为57/100m CCSD-PP2孔在625、700m两次填孔定向纠斜，终孔时顶角14.3,科钻一井定向钻进技术,2. 科钻一井孔斜要求 先导孔 01000 m，顶角5，狗腿度1/30m 10002000 m，顶角14，狗腿度1/30m 主 孔 02000 m，顶角5，狗腿度2/30m 20005000 m，顶角18，狗腿度1/30m,科钻一井定向钻进技术,3. 先导孔防斜 2045m终孔顶角4.1 ,科钻一井定向钻进技术,科钻一井定向钻进技术,4. 侧钻技术设计 目标：以合适的造斜强度尽可能地降低顶角 合适的造斜强度： 井段岩石坚硬，不会发生拉槽和吸附卡
13、钻 全井采用螺杆马达+液动锤井底驱动钻进至完钻，钻柱在孔内可以保持不转或低转 “合适的造斜强度”，就是钻孔形态允许固井前可以顺利下入套管柱的造斜强度。,科钻一井定向钻进技术,4. 侧钻技术设计 套管允许弯曲半径 7-5/8” ： R=140m，imax= 0.4/m； 5” ：R=93m，imax= 0.6/m 造斜强度确定： 侧钻：i =0.30.4/m 一般：i=0.10.2/m,科钻一井定向钻进技术,4. 侧钻技术设计 侧钻点选择 地层造斜趋势：所处孔段的孔斜基本稳定，或地层造斜力方向与纠斜方向基本一致,a. MH孔段 b. MH-1C孔段,4. 侧钻技术设计 侧钻点选择 地层基本完整，
14、岩石可钻性级别相对较低,2750m附近岩性,3400m附近岩性,4. 侧钻技术设计 超径孔段利用 地层基本完整，岩石可钻性级别相对较低 侧钻点选择 MH-1C：2450m MH-2C：3400m,科钻一井定向钻进技术,4. 侧钻技术设计 造斜钻头选择 侧钻：天表钻头，孕镶钻头,科钻一井定向钻进技术,4. 侧钻技术设计 造斜钻头选择 侧钻：天表钻头，孕镶钻头 一般：牙轮钻头,4. 侧钻技术设计 近钻头稳定器安装,科钻一井定向钻探技术,4. 侧钻技术设计 分枝段理论长度推导,5. 侧钻技术 异径造斜 钻具组合,a、b造斜钻具组合 c扩孔钻具组合 d修孔钻具组合,5. 侧钻技术 异径造斜 钻具组合,a、b造斜钻具组合 c扩孔钻具组合 d修孔钻具组合,5. 侧钻技术 随钻定向（MWD）,5. 侧钻技术 钻前工作 检查侧钻点水泥结石,5. 侧钻技术 侧钻钻速控制,科钻一井定向钻探技术,6. 总体技术效果,孔底纠斜技术要点 保证工具面向角读数控制在设计允许范围内； 钻进一定时间后，需停泵窜动钻具，将孔壁摩阻消除后再继续钻进； 牙轮钻头钻进一定时间后侧刃被磨平，造斜能力也因此大大削弱甚至丧失。,技术效果与分析,科钻一井深部侧钻,技术效果与分析,科钻一井深部侧钻,技术效果与分析,科钻一井深部侧钻,技术效果与分析,科钻一井深部侧钻,谢谢！请指正,