深孔巖心鉆探問題探討

摘 要：在深孔巖心鉆探的過程中，孔壁穩(wěn)定是其核心問題，鉆探開始前需要進(jìn)行各項預(yù)測，當(dāng)中包括：地層應(yīng)力、破裂壓力、地層孔隙壓力、地層坍塌壓力，這些數(shù)據(jù)是保證深孔巖心鉆探安全、優(yōu)質(zhì)、高效以及低成本的關(guān)鍵所在，也決定了套管強度、套管程序、孔身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度和其流變性能的設(shè)計。在孔壁穩(wěn)定的前提條件下，從孔身結(jié)構(gòu)與套管程序、鉆探設(shè)備、鉆具組合等幾方面探討深孔巖心在工作過程中存在的問題，以及提出相應(yīng)的改善措施。

關(guān)鍵詞：深孔巖心鉆探 孔壁穩(wěn)定 鉆探設(shè)備 鉆具組合

中圖分類號：P634文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0119-01

傳統(tǒng)的巖心鉆探和深孔巖心鉆探存在著很大的區(qū)別，這不僅體現(xiàn)在孔深的增加，還有鉆孔難度與單位鉆進(jìn)成本的增加，這就要求鉆探工程技術(shù)人員必須要變革傳統(tǒng)的思想，必須建立安全第一的觀念，設(shè)計孔身結(jié)構(gòu)與選擇鉆進(jìn)工藝孔壁穩(wěn)定一定要作為前提。以巖心鉆探來講，孔壁穩(wěn)定是一項全新的課題，在鉆探之前預(yù)測涉及到地層應(yīng)力、地層孔隙壓力、破裂壓力、地層坍塌壓力，這綜合了地質(zhì)構(gòu)造、巖石物性、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、鉆探工藝以及孔內(nèi)測井等多種學(xué)科，也是保證深孔巖心鉆探安全、高效、優(yōu)質(zhì)以及低成本的關(guān)鍵所在，決定了套管程序與強度、鉆井液密度、孔身結(jié)構(gòu)與其流變性能的設(shè)計，還有鉆探設(shè)備和鉆進(jìn)工藝的選擇。文章把孔壁穩(wěn)定作為前提基礎(chǔ)，從孔身結(jié)構(gòu)、套管程序與鉆具組合、鉆探設(shè)備幾方面探討深孔巖心鉆探過程中存在的問題以及提出相應(yīng)的改進(jìn)辦法。

1 孔壁穩(wěn)定性

在鉆探工程中普遍存在的問題就是孔壁穩(wěn)定，其包含中基本類型：孔壁坍塌或者縮徑、地層壓裂或者破裂。由于沒有合理的掌握井壁的穩(wěn)定情況很容易造成井噴、井漏、固井不返水泥漿以及粘彈性地層變形等諸多孔內(nèi)問題。在深孔巖心的鉆探過程中，人們一定要對孔壁穩(wěn)定性多加關(guān)注，從而減少經(jīng)濟損失。能夠引起孔壁失去穩(wěn)定性的因素主要有地質(zhì)因素和工程因素兩個方面。地質(zhì)因素主要包括：原地應(yīng)力的大小、地質(zhì)構(gòu)造類型以及地層強度等組多因素。而鉆井液的性能、孔徑的大小、鉆井液的環(huán)空返速等等構(gòu)成了工程的主要因素。孔壁巖石所承受的應(yīng)力超出了他在孔眼狀態(tài)下所能承受的強度，這是發(fā)生孔壁失效的根本原因。在孔內(nèi)鉆井液壓力過低的狀態(tài)下，孔壁周圍的巖石所承受的力量超過了其所能承受巖石的剪切強度，則孔壁的巖石便會發(fā)生不同程度的破壞；當(dāng)孔內(nèi)鉆井液密度過大時，巖石所承受的力超過了本身的拉伸力度，從而發(fā)生了地層的破裂。

2 鉆機的發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國在實際的鉆探施工中，所使用鉆探設(shè)備仍存在許多不足，這就需要設(shè)計人員對這種現(xiàn)象提高警惕，并給予高度的重視。

2.1 驅(qū)動方式落后

在動力頭鉆機沒有產(chǎn)生之前，人們主要應(yīng)用的是立軸式巖心鉆機以及轉(zhuǎn)盤式石油鉆機。但是經(jīng)過長期的實踐，兩種鉆機均顯現(xiàn)了不同的缺陷，在20世紀(jì)70年代，國外發(fā)明了動力頭鉆機，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是我國自主研發(fā)的全液壓動力頭鉆機發(fā)展十分緩慢，目前國內(nèi)所生產(chǎn)的全液壓動力頭鉆機并沒有達(dá)到所需的程度。結(jié)合我國深孔巖心鉆探的特點，筆者認(rèn)為，應(yīng)該將如何能夠在石油鉆塔上進(jìn)行全液壓動力頭鉆機工作作為深孔巖心鉆機的發(fā)展方向，即使用轉(zhuǎn)盤+高速頂驅(qū)的驅(qū)動方式，頂驅(qū)的最高轉(zhuǎn)速要達(dá)到500r/min以上，最低轉(zhuǎn)速要與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有部分的交叉，大概在80r/min左右，在進(jìn)行全面鉆孔和擴孔時使用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，高速頂驅(qū)則用于取心鉆進(jìn)。

2.2 鉆塔高度低

在深孔鉆探作業(yè)中，回次進(jìn)尺長度以及起下鉆的時間是影響取心鉆進(jìn)成本的主要因素。設(shè)備成本的高低影響著巖心鉆機的好評度，我們以KZ3000型巖心鉆機所配鉆塔為例，選用有效高度為31m的鉆塔和43m的鉆塔，兩者的差價不到40萬元，如果把鉆塔運費計算在內(nèi)，價格差也是一口鉆孔的起下鉆的成本差，但是起下鉆的勞動強度確有明顯的降低。由于以上情況，筆者認(rèn)為，深孔巖心鉆機的鉆塔應(yīng)選擇有效高度為43m的鉆塔，鉆塔的地盤高速要不小于4米。

3 設(shè)備及加壓方式

3.1 固相控制設(shè)備

鉆探技術(shù)在不斷取得進(jìn)步的同時，鉆井液也引起了廣大鉆探技術(shù)人員的重視。目前對鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整的最有效方式是將鉆井液中的巖屑和劣質(zhì)粘土進(jìn)行清除。鉆井液固控技術(shù)的發(fā)展為調(diào)控鉆井液性能提供了有效地方法。固控設(shè)備主要包括除砂器、以及除泥器、振動篩和離心機，這些固控設(shè)備都能夠?qū)@井液中的無用固相有效的清理掉，保持優(yōu)質(zhì)的粘土含量，以達(dá)到調(diào)整鉆井液性能的目的。

3.2 加壓方式

深孔取心鉆探所采用的加壓方式應(yīng)該為鉆鋌加壓方式，該方式能夠有效控制鉆孔的“狗腿”度，確保套管能夠準(zhǔn)確的到達(dá)所設(shè)計的深度。人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，鉆體第一次彎曲的鉆壓P為：

P

在公式中：E——鋼的彈性模量；I——鉆柱的截面慣性矩；qa——鉆柱在空氣中的重力；Kb——浮力系數(shù)。

從計算公式中可以看出，鉆鋌出現(xiàn)第一次彎曲的鉆壓要比鉆桿大得多，這就是為什么選擇鉆鋌加壓的重要原因之一。在使用鉆鋌設(shè)計時，需將以下因素考慮在內(nèi)：鉆鋌組合的剛度要比所下套管的剛度大；至少有一柱鉆鋌的外徑尺寸足夠大，這樣才能確保套管順利的下入孔內(nèi)；在進(jìn)行打撈作業(yè)時，最大的鉆鋌外徑要足夠大，確保能夠?qū)ζ溥M(jìn)行套銑。

4 結(jié)語

深孔巖心鉆探與以往的巖心鉆探相比較，其具有自身的規(guī)律性，鉆探工程技術(shù)人員要尊重深孔巖心鉆探的規(guī)律性，樹立起鉆探設(shè)備服從于鉆探工藝需求的觀念。本文主要從孔壁穩(wěn)定入手進(jìn)過細(xì)致的分析和研究，對能夠引起孔壁失去穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素進(jìn)行了解析，之后就孔取心鉆探所采用的加壓方式進(jìn)行了探討，最后針對實際情況就鉆探設(shè)備給出了一些建議和意見。

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