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定向钻进技术的发展与应用

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定向 钻进 技术 发展 应用
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收稿日期:2 0 1 2 - 0 7 - 3 1基金项目:国土资源部公益性行业基金课题, “找矿科研基地定向钻进技术应用示范” ( 2 0 1 0 1 1 0 0 2 - 0 9 )作者简介:姚爱国( 1 9 5 5 - ) ,男(汉族) ,河南范县人,中国地质大学(武汉) ,教授,博士生导师。长期从事钻探工程与基础工程相关的教学与科研工作,目前主要研究方向为钻进信息化与智能化。 a . y a o @ c u g . e d u . c 辉,方小红(中国地质大学,湖北武汉4 3 0 0 7 4)摘 要:定向钻进技术已有近百年的历史,随着的资源钻采井孔深度的不断增加,近几年该技术发展很快。讨论定向钻进技术包括基本内涵与最新拓展,对于更好的理解与推广应用这项技术具有重要意义。论文讨论了定向钻进的定义,概述了钻孔设计、测斜技术、测斜数据计算、测斜数据传输,特别是纠斜新技术的发展如自动垂直与自动导向钻进新技术等。简要介绍了目前定向钻进技术的应用领域与钻孔类型。提出了适用于深部地质钻探的定向钻进全孔轨迹主动控制的概念与实施措施。关键词:定向钻进;钻孔测量;随钻测量;导向钻具;钻孔轨迹控制中图分类号:T U 4 4 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 - 7 4 2 8 ( 2 0 1 2 ) S 1 - 0 0 6 2 - 0 4C h i -n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ( W u h a n h ) , 3 8 8 # L u m o R o a d , W u h a n 4 3 0 0 7 4 , C h i n a )T h e h i s t o r y o f d i r e c t i o n a l d r i l l i n g m a y b e m o r e t h a n a d e c a d e t h a t a d v a n c e s f a s t i n r e c e n t y e a r s d u e t o t h eb o r e h o l e s d e e p e r a n d d e e p e r i n t h e r e s o u r c e e x p l o r a t i o n a n d p r o d u c t i o n . T h e f u n d a m e n t a l k n o w l e d g e a n d n e w d e v e l -o p m e n t a r e b r o a d l y d i s c u s s e d i n o r d e r t o b e b e t t e r u n d e r s t a n d i n g a n d w i s e u s e o f t h e t e c h n o l o g y . T h e d e f i n i t i o n o fd i r e c t i o n a l d r i l l i n g , a d v a n c e s o f t h e t e c h n o l o g y i n c l u d i n g b o r e h o l e p l a n n i n g , b o r e h o l e s u r v e y , m e a s u r e d d a t a p r o -c e s s i n g , t e l e m e t r y s y s t e m s , e s p e c i a l l y f o r t h e n e w d e v e l o p m e n t o f d e v i a t i o n c o n t r o l l i k e s t e e r i n g d r i l l i n g t o o l s a r ed e m o n s t r a t e d . T h e a p p l i e d f i e l d s a n d b o r e h o l e t y p e s o f d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a r e e n u m e r a t e d . A n e w c o n c e p t a n d t e c h -n i c a l m e a s u r e s o f a c t i v e c o n t r o l t e c h n i q u e i n t h e e n t i r e b o r e h o l e f o r d e e p g e o l o g i c a l d i r e c t i o n a l d r i l l i n g a r e p r o p o s e d D i r e c t i o n a l d r i l l i n g ; B o r e h o l e s u r v e y ; M e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g ; S t e e r i n g d r i l l i n g t o o l s ; C o n t r o l l i n g o fb o r e h o l e t r a j e c t o r 概述定向钻进技术已有近百年的历史,但最近十几年可能是定向钻进发展、推广最快的时期。梳理定向钻进发展的过程,展望定向钻进未来的应用,可以更好的了解这一技术,更具创造性的利用这一技术。定向钻进这一名词最早出现应该是与直孔钻进相区别,是指使钻孔的方向沿着某种轨迹达到预定靶区的钻进工艺。实际上最初产生定向钻进的想法,是由于直孔钻进意外产生了钻孔偏斜,钻进术语叫钻孔弯曲,而这种弯曲产生了比直孔钻进更好的效果,由此,有创造性的钻进工程师们提出了定向钻进的概念。尽管定向钻进的概念是为了区别于垂直孔钻进,但由于地层、技术等各方面的原因,直孔钻直实际上也绝非易事,往往也需要借用定向钻进技术才能钻出合乎要求的垂直钻孔。定向钻进首先要有一个设计的最终钻达的靶区以及到达靶区的路径也就是钻孔轨迹;其次需要知道钻进方向是否按照设计的路径钻向靶区,也就是要具备合适的钻孔测量技术;再者,发现钻孔轨迹偏离了设计的路径,需要有效的纠斜技术,或者叫钻孔弯曲控制技术。2 定向钻进技术发展2 . 1 定向钻孔设计定向钻进钻孔一般包括以下几个基本的孔段单元,即直孔段、增斜段、稳斜段和降斜段。钻孔上部一般为直孔段;接下来是增斜段也叫造斜段,其形状多为曲率为正的凹弯圆弧;稳斜段的轨迹是一条斜直线,常连接在增斜段或降斜段之后;降斜段是曲率为负的凸弯圆弧。这些孔段单元可以组成各种不同形式的定向钻孔,直孔段+增斜段+稳斜段即构成最常用的三段式定向钻进钻孔。当然定向钻孔轨迹有时也设计成复杂的曲线形状,如悬链线等[ 1 ] 。钻孔设计计算较为复杂,除了考虑钻孔轨迹的26探矿工程(岩土钻掘工程) 2 0 1 2年第3 9卷(增刊1 )几何形状,还要考虑施工时钻具的受力情况。随着计算机技术的发展,现在进行定向钻进钻孔结构设计多用商业软件。为了弥补地质钻探定向钻进计算机设计方面的不足,中国地质大学(武汉)依托国土资源部公益项目专门编写了定向钻进设计软件,该软件不但具有钻孔结构设计的内容,还有钻进过程中孔底钻具可视化显示的功能。经试验证明,不需培训,一般钻探工程师根据软件的说明即可一步一步学会使用。由于软件是公益项目的成果,使用该软件是免费的。2 . 2 钻孔弯曲测量2 . 2 . 1 常规钻孔测斜技术的发展钻孔弯曲测量可分为常规测量以及随钻测量技术。常规测量技术是在钻进一定深度后,提出钻具,专门进行钻孔测斜。测量顶角较早较简陋的工具可能是氢氟酸刻痕的方法,利用钻具倾斜时在瓶子上的刻痕判断测点的顶角。现在常用的是重力加速度计,由垂直分量与向下的重力间的相互关系计算出顶角或石油钻井中常称谓的井斜角。常用的方位角测量方法大致分为两种,在无磁性地区采用磁传感器与地磁的关系求出方位角;在磁性地区利用陀螺仪的定向原理测定钻孔弯曲相对方位角。随着航空与导弹技术的发展,陀螺仪技术发展迅速。三轴机械转子陀螺是早期的产品,后来发展了液浮速率积分陀螺、动力调谐式陀螺、光学陀螺、静电陀螺与微机电陀螺等[ 2 ] 。钻孔测斜用的测斜装置有时比航空与导弹领域要求的还要苛刻。要求体积小、累计误差小、抗震性能好,还要经济。所以,航空导弹技术的发展可以促进钻孔测斜技术的发展,但钻孔测斜技术的发展可能要受到更多的限制。测斜数据只有顶角(或井斜角) 、方位角和测量深度。在不知道真实弯曲状态的情况下,由这三组数据计算出真实的三维坐标绝非易事。因此,根据不同的弯曲状态假设,就会推导出不同的计算公式,据统计,这类公式有2 0多种。最常用的可能是平均角法和最小曲率法。前者多用于手工计算,后者多用于计算机计算。2 . 2 . 2 随钻测量技术深孔钻进中提钻后测斜占用太多的时间,发现孔斜后再纠斜,更在很大程度上降低了钻进效率,增加了生产成本。在钻进过程中不提钻测斜,也就是随钻测量关键是要解决把井下传感器测出的孔斜信号实时传输到地面的问题。采用电缆传输井下信号称为有线随钻测量,可以传输信号量较大,但有电缆在孔内给钻进工作带来不便。无线随钻测量比较成熟的技术有两种,一是泥浆脉冲式,二是电磁遥测式。利用特制的阀的关闭或开启产生泥浆压力脉冲,把井下测斜信号编码转换成泥浆脉冲,在地面再对泥浆脉冲解码还原成孔斜的信息。利用这种方法不但可以传输孔斜信息,在孔底安装上探测地层的传感器,同样也可以把地层信息传输到地面,通常这叫做随钻录井。由于阀的关闭与开启这种机械动作不可能太快,而随钻录井需要传递的数据量又较大,于是需要新的孔底信号传输技术。利用极低频电磁波可以传输较大的数据量,也可以实现地面与井下信号的双向传输。在泥浆中含气量超高2 0 %时,难以采用泥浆脉冲传输信号,而电磁随钻测量可以在空气钻进中正常进行信号传输。因而,在欠平衡钻进中电磁随钻测量具有独特的优越性。另外,还有智能钻杆与声波随钻测量,不过这些技术仍处于研究阶段[ 3 ] 。2 . 3 钻孔弯曲控制技术发现孔斜后需要进行纠斜,较早的纠斜方法是采用所谓偏心楔纠斜。它是利用偏心楔的倾斜面(导斜槽)迫使钻具改变钻进方向,从而钻出新斜度的钻孔。下一次偏心楔只能进行一次角度的改变,最大全弯曲角也受楔顶角的限制,且偏斜孔段易出现急弯。机械式连续造斜器以切向切削造斜或者不对称孔底破碎以及两者结合的方式连续定向造斜,克服了偏心楔的缺点,在地质钻探等领域得到较广的应用。螺杆钻具是以泥浆为动力的造斜钻具,较早用于石油钻井。螺杆造斜钻具分为弯接头+直螺杆钻具和直接头+弯外管螺杆钻具两种。弯外管螺杆钻具,内有万向联轴器连接不同轴心的转子运动。其弯曲部位靠近钻头,钻具在孔内的横向偏斜量较小,造斜强度较大,在地质钻探部门广为采用。螺杆钻具进行造斜时,与随钻测量系统联合使用,可实时监测井底钻具的造斜情况,必要时可立即调整造斜钻具的姿态,这种组合钻具也常称为滑动导向钻具。这种组合钻具的优点在于可以及时纠斜防斜,但由于螺杆钻具外管不转动,在顶角较大,岩粉较多时不利于孔底排除岩粉。旋转导向钻具在纠斜的过程中钻具是旋转的,比较容易搅动岩粉并将其排出孔外。自动垂直钻具防斜纠斜的原理与旋转导向钻具实际上是相同的,即在需要纠斜的时候输出一个横向力或横向位移,迫使钻头向钻孔的一侧偏斜。这种钻具最初使用于362 0 1 2年第3 9卷(增刊1 ) 探矿工程(岩土钻掘工程)德国的煤田钻进。德国大陆科学钻探经过改进,研制出5种型号的自动垂直钻具。被誉为定向钻进技术的一个里程碑[ 4 ] 。美国的石油钻井公司1 9 9 8年试验成功旋转导向钻具,有时也称为闭环旋转导向钻具。十几年来这种技术发展很快,除了有推靠式、指向式还有所谓调制式的导向钻具。推靠式导向钻具利用支撑块输出一个横向推力,推动钻具向一侧倾斜;而指向式则往往是输出一个横向位移,使钻具向井孔的一侧倾斜;所谓调制式则指斯伦贝谢公司的导向钻具,通过电子控制使钻具的任一个支撑块位于钻孔纠斜方向时钻井液给支撑块一个较大的冲击力,推动支撑块短时间击打孔壁,在反力的作用下推动钻具向需纠斜的一侧倾斜,从而完成导向的任务[ 5 ] 。如果能根据地层特性,控制钻具沿着成矿层如含油层或者含气层进行钻进,则称为地质导向钻进。当然地质导向钻具必须有随钻测量、随钻录井、随钻地层评价与导向钻进的功能[ 6 ] 。3 定向钻进的应用定向钻进较早的应用多为侧钻绕过事故钻具,或者救援井处理井喷。直到研制出高精度的钻孔斜测仪,才开始真正的定向孔设计与施工。现在,定向钻进更多的用于下列场合:( 1 )地面有障碍物,难进入地点,环境保护区下的资源勘探与开采[ 7 ] [ 8 ] ;( 2 )探采较薄的或低渗透性地层中油气层,采用水平定向井,使井孔与矿层接触面积加大,增加开采量[ 9 ] ;( 3 )煤田开采前为通风、排除煤层气以及排水等进行定向钻井[ 1 0 ] ;( 4 )深孔钻进为了节约成本,钻进多分支井或丛式井[ 1 1 ] ;( 5 )为了地下铺管进行水平定向钻进[ 1 2 ] ;( 6 )可液态化或气态化矿床开采连通定向孔钻进,包括盐矿、硫的热融开采、地热开采、煤层气以及固体矿床原位浸出开采等[ 1 3 ] ;( 7 )各类高精度垂直井孔的钻进等。4 在地质勘探深孔钻进中的应用展望由上面的介绍与分析,近年来定向钻进技术有了长足的进步。其应用领域也有很大的扩展。随着深部找矿钻探任务的增加,如何更好的利用定向钻进技术提高深部钻进的精度和效率是当前摆在地质钻探工作者面前的重要课题。本文作者认为在地质深孔钻探中应尽量采用定向钻孔,进行定向孔钻进时尽可能采取全孔轨迹主动控制技术,如此作业,上述目标则不难实现。对于2 0 0 0 孔段常为直孔段,孔径多为2 1 6 ~ 3 1 1 m m 。终孔直径为7 6~ 9 6 m m 。直孔段采用自动垂直钻具,即便在高强造斜地层也可以快速钻进垂直孔段。下部小直径造斜、稳斜或降斜段采用电磁随钻遥测式滑动导向钻具钻进,亦可控制钻进轨迹,钻出符合要求的孔段,此即全孔轨迹主动控制技术。图1为相应的钻孔结构示意图。这里采用滑动导向钻具的理由是由于钻孔直径小,研制适用的旋转导向钻具难度太大。再者,地质勘探钻孔多为顶角较小的斜孔,且钻出的岩粉颗粒较小,不存在排粉的问题。选择电磁波随钻信号传输通道是因为电磁波随钻测量系统容易制成小口径,且价格比泥浆脉冲随钻测量系统低的多。另外,由于地质钻探所钻地层电阻率相对较高,钻孔深度相对较浅。电磁波随钻测量足以满足地质深孔钻探的要求。(m)03006009001 2 001 5 001 8 002 1 002 4 002 7 003 0 00216 m m6 m 型深孔钻进孔身结构示意图中国地质大学(武汉)在自动垂直钻具与电磁波滑动导向钻具的研制方面已做了许多工作,完全适用于地质深孔全孔轨迹主动控制技术的钻具不久就会面市。5 结论随着深部、贫薄矿层、难进入地区以及环境保护区勘探开发任务增加,定向钻进技术近年来发展很快。计算机辅助设计技术使定向钻进设计变得简单轻松。测量仪器的改进提高了测斜精度,特别是孔底数据传输与孔斜控制技术如自动导向钻进技术的巨大进步,为进一步推广应用定向钻进提供了技术支持。在深部地质定向钻中可以引入这些技术,形46探矿工程(岩土钻掘工程) 2 0 1 2年第3 9卷(增刊1 )成定向钻孔全孔轨迹主动控制技术。运用这项技术会使深部定向钻探中靶精度更高,钻进成本更低。参考文献:[ 1 ] 韩志勇,悬链线剖面的实用设计方法,石油钻采工艺, 1 9 8 7 ( 6 ) :1 1 - 1 7 .[ 2 ] 刘智平,吴丽丽,陀螺发展简史,电子设计工程, 2 0 ( 7 ) : 6 6 - 6 9 ,2 0 1 2 - 9 - 1 2 .[ 3 ] 苏义脑,窦修荣,随钻测量、随钻测井与录井工具,石油钻采工艺, 2 7 ( 1 ) : 7 4 - 7 8 , 2 0 0 5 .[ 4 ] C l a u s C h u r , N L f B - K T B P r o j e c t G r o u p , a n d J o a c h i m O p p e l t ,E a s t m a n , V e r t i c a l D r i l l i n g T e c h n o l o g y : A M i l e s t o n e i n D i r e c -t i o n a l D r i l l i n g S P E / l A D C 2 5 7 5 9 , 1 9 9 3 .[ 5 ] 熊继有,温杰文,荣继光,李宬晓,旋转导向钻井技术研究新进展,钻井工程, 3 0 ( 4 ) : 8 7 - 9 0 , 1 4 7 , 2 0 1 0 .[ 6 ] 苏义脑,地质导向钻井技术概况及其在我国的研究进展,石油勘探与开发, 2 2 ( 1 ) : 9 2 - 9 5 , 2 0 0 5 .[ 7 ] R a y m o n d d e V e r t e u i l a n d I a i n M c C o u r t , I n t r o d u c t i o n t o D i r e c -t i o n a l D r i l l i n g , S u g a r L a n d L e a r n i n g C e n t e r . S c h l u m b e r g e r ,1 9 9 8 , r e v i s e d 2 0 0 1 .[ 8 ] M o l v a r , E . M . D r i l l i n g s m a r t e r : U s i n g m i n i m u m - f o o t p r i n t d i -r e c t i o n a l d r i l l i n g t o r e d u c e o i l a n d g a s i m p a c t s i n t h e I n t e r -m o u n t a i n W e s t . L a r a m i e , W Y : B i o d i v e r s i t y C o n s e r v a t i o n A l -l i a n c e , 2 0 0 3 .[ 9 ] 王旸,张海霞,水平井技术:上游快速发展的推进器,中国石化,2 0 1 2 ( 7 ) : 7 - 8 .[ 1 0 ]康园园,邵先杰,石磊,单宇,王萍,煤层气开发技术综述,中国煤炭地质, 2 2 ( s u p ) : 4 3 - 4 6 , 1 7 7 , 2 0 1 0 .[ 1 1 ]杨进,曹式敬,深水石油钻井技术现状及发展趋势,石油钻采工艺, 3 0 ( 2 ) : 1 0 - 1 3 , 2 0 0 8 .[ 1 2 ] D a v i d A . W i l l o u g h b y H o r i z o n t a l D i r e c t i o n a l D r i l l i n g : U t i l i t ya n d P i p e l i n e A p p l i c a t i o n s , T h e M c G r a w - H i l l C o m p a n i e s , I n c ,2 0 0 5 1 2年第3 9卷(增刊1 ) 探矿工程(岩土钻掘工程)
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