金刚石岩心钻探工艺

1、金刚石岩心钻探工艺技术金刚石岩心钻探工艺技术中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）工程技术学院工程技术学院地质超深钻探技术国家专业实验室地质超深钻探技术国家专业实验室刘宝林刘宝林 教授教授2010年年3月月6日日关键环节关键环节钻探技术方案设计钻探技术方案设计安全（设备、孔内、人员）安全（设备、孔内、人员）钻进速度、回次长度钻进速度、回次长度钻井液技术钻井液技术钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻头选型及使用钻头选型及使用操作经验、岗位责任操作经验、岗位责任认真学习并遵守认真学习并遵守xxx钻探规程钻探规程人为人为事故事故地层地层设备设备熟悉钻机、泥浆泵、钻塔、

2、绳取绞车熟悉钻机、泥浆泵、钻塔、绳取绞车等主要设备的性能、结构特点、工作等主要设备的性能、结构特点、工作原理原理仪器仪表配备齐全、正常仪器仪表配备齐全、正常定期检查维护（润滑油、温升、振定期检查维护（润滑油、温升、振动），严禁带病工作动），严禁带病工作设备设备钻机钻机功率配备、转速、扭矩、加压力、提升功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力力泥浆泵泥浆泵功率、流量、泵压功率、流量、泵压钻塔钻塔额定载荷、最大载荷、高度等额定载荷、最大载荷、高度等绳取绞车绳取绞车提升速度、提升力提升速度、提升力仪器仪表仪器仪表钻压、泵压、电压、电流等钻压、泵压、电压、电流等（最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）（最好配

3、备钻速、扭矩、流量、转速等）特别对深孔钻机，功率特别对深孔钻机，功率与孔深的匹配问题？与孔深的匹配问题？功率配备、功率消耗问题功率配备、功率消耗问题 钻进过程中，总功率都消耗在哪？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，易造成钻输出扭矩大，浅部钻进时，易造成钻杆超负荷使用杆超负荷使用更换动力机更换动力机钻头克服水平摩阻力所需功率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

4、阻力消耗功率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钻具横向振动消耗功率及其他消耗功率P6。 123221311130.310002/qDmEIRr LArglRrqDLAEI空转功率千瓦摩擦系数钻杆轴单位长度上的压力回转角速度钻杆轴回转半径（钻杆半径或井筒半径）钻杆和孔壁的间隙每米钻杆重量，公斤 米重力加速度 钻杆柱重量井筒直径钻杆长度（钻孔深度），米考虑振动幅值和频率在不同长度上的变化的比例系数钻杆150350柱刚度振动钻柱的长度，一般为米钻头钻头- -岩石岩石钻机钻机RPMRPMWOBWOB冲洗液冲洗液地层情况地

5、层情况井深井深 钻柱钻柱- -井眼井眼井斜井斜屈曲振动摩阻机械功率总功率消耗N= N1+N2+N3N1钻柱空转功率消耗钻柱空转功率消耗 取决于钻井深度、钻柱结构参数、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N

6、ROP=（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）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，可以使浆性能，可以使NROP达到极小值达到极小值获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和井壁安全、井眼轨迹偏斜小）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在某一时段，可以

7、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应取决于岩石性质和地层压力当钻遇高压层时当钻遇高压层时NBIT将明显减小将明显减小当钻头性能变坏时，当钻头性能变坏时，NBIT将呈增加趋势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基本上都消耗在钻柱-井眼部分，对钻井眼部分，对钻柱和井壁构成危险柱和井壁构成危险在一定的条件下，在一定的条件下，N1 +N2应该存在一个临界值，应该存在一个临界值，保证钻柱和井壁的安全。保证钻柱和井壁的安全。根据根据N1可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、泥浆润滑性能等。泥浆润滑性能等。钻杆、钻具钻杆

8、、钻具钻杆性能（最大扭矩钻杆性能（最大扭矩厂家测试数据、经验数据）厂家测试数据、经验数据）钻杆弯曲、钻杆磨损钻杆弯曲、钻杆磨损丝扣油、护丝接头、拧卸操作（浮动、自由钳、上扣扭矩、密封性）丝扣油、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、报信机构钻具单动性、间隙调节、报信机构卡簧匹配卡簧匹配钻杆的动扭矩（惯钻杆的动扭矩（惯性转矩）性转矩） 问题问题深孔中高速旋转的钻杆在遇到卡钻时，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，造成钻杆过载会产生较大的动扭矩，造成钻杆过载或折断。或折断。dtdnGDTTj3752dtdJTTj60n24gGDmJ22煤炭地质

9、钻探规程煤炭地质钻探规程岩心钻探规程岩心钻探规程钻进过程的操作钻进过程的操作1、“摸、闻、观摸、闻、观”结合，及时发现设备或孔内异结合，及时发现设备或孔内异常工况常工况手摸手摸反应最快，了解设备运转时的振动情况、反应最快，了解设备运转时的振动情况、钻进速度变化等钻进速度变化等耳闻耳闻反应次之，了解设备运转时的振动情况反应次之，了解设备运转时的振动情况眼观眼观反应最慢，钻速、钻压、泵压、电流反应最慢，钻速、钻压、泵压、电流（扭矩、功率）、返水情况等（扭矩、功率）、返水情况等钻进过程的操作钻进过程的操作2、平稳起动、平稳调节、平稳起动、平稳调节3、顺利下钻距孔底约、顺利下钻距孔底约1.0m左右，送

10、水左右，送水并轻压慢转扫孔并轻压慢转扫孔4、正常钻进时（包括倒杆），严禁中、正常钻进时（包括倒杆），严禁中途将钻具提离孔底途将钻具提离孔底5、浅孔倒杆时，防止冲洗液将钻具浮、浅孔倒杆时，防止冲洗液将钻具浮起而造成岩心堵塞起而造成岩心堵塞6、严禁在钻头提离孔底时高速旋转钻、严禁在钻头提离孔底时高速旋转钻杆，以防反扣事故杆，以防反扣事故起下钻过程的操作起下钻过程的操作1、机上余尺的丈量与记录、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、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）、提钻回灌（最

11、好养成习惯）4、提下钻过程中的阻力变化、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）、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、丝扣油、护丝接头、拧卸操作（浮动、自由钳、上扣扭矩）上扣扭矩）7、检查钻杆（丝扣、裂纹、弯曲、磨损、密封）、检查钻杆（丝扣、裂纹、弯曲、磨损、密封）取心操作取心操作1、卡簧取心、卡簧取心卡簧尺寸（每次仔细测量、用上回卡簧尺寸（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）（岩心、煤炭规程）2、采用立轴或动力头实现、采用立

12、轴或动力头实现“提提卡卡扭扭”，严禁，严禁取心钻具的内管受力取心钻具的内管受力3、绳索取心、绳索取心钻具组装与调试（单动性、卡簧座钻具组装与调试（单动性、卡簧座间隙、报信机构等）、投放到位、提升速度与阻间隙、报信机构等）、投放到位、提升速度与阻力（力（0.5m/s2m/s）、钻杆内壁结垢、干孔投放）、钻杆内壁结垢、干孔投放等等复杂地层问题复杂地层问题松散软、硬脆碎、水敏地层等松散软、硬脆碎、水敏地层等怕振动、怕冲刷、怕磨损怕振动、怕冲刷、怕磨损孔壁稳定（漏失、缩径扩径、坍塌掉块等）孔壁稳定（漏失、缩径扩径、坍塌掉块等）取心率低（取心率低（堵心、磨心、脱心）堵心、磨心、脱心）孔内事故（断钻、卡钻

13、、埋钻）孔内事故（断钻、卡钻、埋钻）复杂地层钻进关键技术措施复杂地层钻进关键技术措施1、钻井液技术、钻井液技术2、套管程序设计、套管程序设计3、非标钻头（钻头外径适当增大、底喷钻头等）、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、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）、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、压卡取心机构、活塞取心机构等（松软地层防止岩心脱落）落）7、三层管钻具（衬管为透明管或半合管）、三层管钻具（衬管为透明管或半合管）8、提下钻速度慢而稳，减少压力激动、提下钻速度慢而稳，

14、减少压力激动9、必须回灌、必须回灌打滑地层问题打滑地层问题1、优选钻头、优选钻头胎体硬度、金刚石品级、粒度、浓胎体硬度、金刚石品级、粒度、浓度、水口、唇面形状等度、水口、唇面形状等2、优化钻进参数、优化钻进参数定切入量钻进，定切入量钻进， 加大钻压，减加大钻压，减小转速，减小泵量小转速，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（钻速）过低会很快造成钻头“抛光抛光”3、液动锤钻进技术、液动锤钻进技术4、孔底投入磨料、孔底投入磨料5、提钻处理（喷砂、砂轮打磨、砂子研磨、酸腐、提钻处理（喷砂、砂轮打磨、砂子研磨、酸腐蚀等）蚀等

15、）孔斜问题孔斜问题地层造斜特性及其规律地层造斜特性及其规律钻具组合钻具组合钻进规程参数钻进规程参数钻孔轨迹测量钻孔轨迹测量纠斜方法纠斜方法钻进工艺参数的优化钻进工艺参数的优化钻压转速流量钻速钻速扭矩扭矩振动振动钻头唇面状态钻头唇面状态孔底钻具状态孔底钻具状态地层孔壁状态地层孔壁状态钻井液性能钻井液性能智能化钻井Drilling Efficiency Improvementsin Extended WellsPresented by Matthias ReichLeader Technical Services, Drilling Systems EHDrilling Engineering A

16、ssociation -EuropeThird Quarter Meeting 1999Eliminating or reducing fishing operations costing from 10 to 50,000 USD per day Improving drilling efficiency: more footage per bit, less trips in and out. measured at a high sampling rate of 10 measurements per second, real time to visually display the a

17、nomalies on the drillers control monitor and on the Data Engineers CRT Video. Real Time Detection of Downhole String Vibrationsto Prevent Drilling String Failures 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, ca

18、using 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 increased 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-Strin

19、g Dynamics Control Reference SPE paper 28908. 钻压的选择钻压的选择钻 压钻 速钻 头 磨 损最 优钻 压0图 2 .3 -6 钻 速 、 钻 头 磨 损与 钻 压 的 关 系唇面状态唇面状态 影响钻头唇面状态影响钻头唇面状态-金刚石被磨钝金刚石被磨钝-锐化，钻压在一定程度上控制钻头锐化，钻压在一定程度上控制钻头的磨钝和锐化过程。的磨钝和锐化过程。 钻压太低，钻进效率低，金刚石被钻压太低，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，最终使钻头抛光失刚石难于出露，最终使钻头抛光失去继续钻进能力。去继续钻

20、进能力。 钻压太大，钻头过度磨损，缩短钻钻压太大，钻头过度磨损，缩短钻头寿命；钻进扭矩加大，使钻杆承头寿命；钻进扭矩加大，使钻杆承受过大负荷，严重时造成断钻事故受过大负荷，严重时造成断钻事故等。等。唇面状态与钻速唇面状态与钻速时间钻速唇面状态钻压适中0时间钻速唇面状态钻压过小0钻压对钻速、钻头唇面状态的影响钻压对钻速、钻头唇面状态的影响the minimum value is a constant of 1280 lbs / inch2. 最小比压最小比压 900N/cm2xxx钻探规程钻探规程孕镶钻头单位压力为：孕镶钻头单位压力为：400800N/cm2最大比压最大比压 0.1m / s（G

21、enerally, cuttings should always have an upward velocity of 4 inch / sec） 通常冲洗液的上返速度：通常冲洗液的上返速度：金刚石双管钻进应为金刚石双管钻进应为0.4 m/s0.6m/s绳索取心钻进应为绳索取心钻进应为0.5 m/s1.5m/smmdmmmin/2 .21:/22/钻杆直径钻孔直径流量秒）环状间隙上返流速（米DlQdDQVsm地质岩心钻探规程地质岩心钻探规程钻头选择与使用钻头选择与使用钻头的选择（胎体性能与岩性的匹配）钻头的选择（胎体性能与岩性的匹配）钻头的使用钻头的使用高效长寿（高胎体）高效长寿（高胎体）BA

22、ORT LONGYEAR软软硬硬表镶钻头表镶钻头孕镶钻头孕镶钻头BAORT LONGYEAR破碎破碎完整完整完整性完整性研磨性研磨性耐磨损耐磨损钻速快钻速快BAORT LONGYEARBAORT LONGYEARBAORT LONGYEARBAORT LONGYEAR外锥：流量过低、钻杆泄露外锥：流量过低、钻杆泄露内锥：钻速过快（切入量过大、钻内锥：钻速过快（切入量过大、钻压过大）压过大）外径磨损：流量过小、钻杆泄露、扩外径磨损：流量过小、钻杆泄露、扩孔器外径磨损、振动大（降低转速）孔器外径磨损、振动大（降低转速）过度磨损：切入量过大，减小钻压过度磨损：切入量过大，减小钻压和转速，更换硬胎体钻

23、头和转速，更换硬胎体钻头钻头抛光：切入量过小，更换软胎体钻头抛光：切入量过小，更换软胎体钻头钻头胎块破裂：钻压过大、跑钻、干孔投放内胎块破裂：钻压过大、跑钻、干孔投放内管、管钳夹持器等、钻孔直径小（扩孔器管、管钳夹持器等、钻孔直径小（扩孔器磨损）磨损）烧钻：钻井液缺失（检查泥浆泵、钻杆密烧钻：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封）、钻压过高、检查内管与钻头内台阶间隙间隙BAORT LONGYEARS STAGE3Outside Diameter Gauge Loss外径磨损外径磨损Possible causes and solutions:Vibration -

24、 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 be undersized.可能原因、技术措施可能原因、技术措施:振动大振动大降低转速降低转速流量过低流量过低增加流量增加流量钻孔直径小（扫孔）钻孔直径小（扫孔）检查扩孔器外检查扩

25、孔器外径径Inside Diameter Gauge Loss内径磨损内径磨损 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 “D-Series” or “HR-Series” matrix type.Drilling over lo

26、st 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 drill rod string for leaks可能原因、技术措施可能原因、技术措施:切入量过大切入量过大 降低钻

27、速降低钻速.破碎地层破碎地层水泥固孔或更换硬胎体钻水泥固孔或更换硬胎体钻头头 残留岩心残留岩心检查取心钻具检查取心钻具冲洗不充分冲洗不充分检查内管长度（间隙）、检查内管长度（间隙）、泥浆泵、钻杆密封泥浆泵、钻杆密封Cracked Waterways胎块破裂胎块破裂原因原因:钻压过大钻压过大。An excessive bit load was applied.跑钻。跑钻。The bit, core barrel and drill rod string were accidentally dropped in the drill hole.干孔投放。干孔投放。The wireline inner

28、 tube assembly was accidentally allowed to free fall through the drill rod string in a dry hole. 夹坏。夹坏。The bit was accidentally crushed by the rod holder or foot clamp Concave Face Wear内锥内锥切入量过大。切入量过大。This wear pattern frequently results from the use of a penetration rate that is too high for the ro

29、tational speed being used (overfeeding). This wear pattern is also caused by “grinding core”.Convex Face Wear外锥外锥Possible causes and solutions:冲洗不充分。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

30、刃在孔内反复投料研磨出刃更更换软胎体钻头。换软胎体钻头。Repeated in-hole “dry-stripping” in hard, non-abrasive formations - Change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type Excessive Diamond Exposure过度出刃过度出刃切入量过大。切入量过大。The penetration rate is too high for the rotational speed in use (overfeeding

31、) 降低钻速或增加转速。降低钻速或增加转速。 Reduce the penetration rate or increase the rotational speed.胎体太软。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 typeGlazed Bit Face抛光抛光 降低转速或减少流量。降低转速或减少流量。Try drilling with a slower rota

32、tional speed and/or a lower in-hole fluid circulation rate in an effort to cause the 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。更换软胎体钻头。 If the bit face glazes repeatedly, change to a softer (higher number) Dimatec “D-Seri

33、es” or “HR-Series” matrix type.Burnt Bit Crown烧钻烧钻断水。断水。The operational failure of the fluid circulation pump.钻杆、水龙头严重泄漏。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。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。水口堵塞。One or more waterway canals on the bit crown are blocked by pebbles or other debris