打滑地层钻进技术

1、1 主讲人主讲人 ： 杨国春杨国春2013.10.13 2打滑地层概述打滑地层概述打滑地层钻进技术打滑地层钻进技术3目录1.打滑地层概述1.1 1.1 地层地层“打滑打滑”1.2 1.2 打滑地层的特点打滑地层的特点1.31.3近年来遇到的复杂地层及打滑地层情况近年来遇到的复杂地层及打滑地层情况1.4 1.4 打滑地层的主要工程问题打滑地层的主要工程问题2 2、打滑地层钻进技术、打滑地层钻进技术2.12.1近年来工程中打滑地层的技术措施近年来工程中打滑地层的技术措施2.2 2.2 金刚石液动冲击回转钻进技术金刚石液动冲击回转钻进技术41、打滑地层概述打滑地层概述 1.1 地层地层“打滑打滑”

2、所谓的“打滑”地层, 地质上称其为弱研磨性岩层,即是岩石的颗粒细小、颗粒间的空隙度小, 胶结物与岩石颗粒的硬度差小, 多为石英脉、硅质岩一类。当使用金刚石钻头在这一类地层钻进一段时间后, 钻进速度往往会急速下降,甚至完全不进尺。这时钻头底唇出刃的金刚石逐渐磨钝, 随之其克取岩石的能力降低。由于这种岩石的硬度高、颗粒致密, 金刚石钻头在孔底作回转运动时, 金刚石磨钝后, 其与岩石的接触面就好象形成了一层光滑的“保护层”, 此时钻头中的金刚石无法及时磨出刃, 岩石与金刚石之间的摩檫系数减小, 导致金刚石钻头不进尺, 故称之为“打滑”。 坚硬致密弱研磨性岩层坚硬致密弱研磨性岩层, , 俗称坚硬致密打

3、滑岩层俗称坚硬致密打滑岩层, 是指其岩石压入硬度 5000MPa, 单轴抗压强度 150MPa, 研磨性 5mg( 钢杆磨损法测定) 的岩层。这类岩层的特点是石英和长石的含量高, 颗粒小且均匀度好, 硅质胶结。因此, 该类岩层的岩石硬度大、强度高、结构致密、研磨性弱。 在该类岩层中钻进效率低的问题, 是长期困扰钻探行业的一大技术难题, 以致影响了金刚石钻探优越性的发挥。1.2 打滑地层的特点 硬度高、强度大、结构致密是打滑地层的客观特征51.2 打滑地层的特点（1）石英含量高: 石英含量均在50 一80 % 以上, 因此岩石硬度高, 钻进困难。（2）矿脉石与矿物的粒度细, 组织致密，因而岩石结

4、构特别致密, 研磨性极弱，造成钻头胎体很难被磨损、金刚石无法出刃而打滑。（3） 岩石抗压强度很高: 如石英镜铁矿(打滑地层) 其抗压强度大于3 3 0 0 公斤/平方厘米。打滑地层的主观因素： 从钻进技术措施的主观因素则是钻头胎体性能( 特别是耐磨性) 和金刚石参数(品级、浓度、粒度等) 与岩石特征不相适应, 在钻进过程中金刚石不能自锐, 相反使金刚石产生崩刃、脱落和抛光。这就是常规钻头在打滑地层中造成“打滑” 的主要原因。 解决打滑地层中金刚石钻进的效率问题既是一个理论问题, 也是一个急待解决的实际问题。因为这涉及到金刚石对岩石的破碎机理这一最根本性问题, 只有很好地解决了金刚石对岩石破碎机

5、理的客观规律性的认识, 才能真正自由地解决钻头打滑问题。 在实际勘探工作中, 这一类地层并不罕见, 如不能得到相对较好的解决, 则会大大影响钻速度, 给工作带来很大损失, 因而这又是一个很突出的实际问题。 61.3 近年来工程项目中遇到的打滑地层问题 近年来的生产实例 ：（1）2009年广西拔贡水电站坚硬花岗岩地层，10小时钻进效率只有24m/10h，小时效率只有0.20.4m/h；（2）2009年2010年长州水利枢纽工程，部分坚硬花岗岩小时效率低于0.30.4m/h；（3）2010年乐滩水电站扩建工程，部分硅质灰岩小时效率也只有0.20.3m/h；（4）云南金平系列水电站，部分花岗岩小时效

6、率低于0.3m/h;（5）20082009年防城港核电厂料场（娜桐, 娜捻）,坚硬花岗岩钻进效率小于0.5m/h 。（6）2010年缅甸水电站，小时效率0.1米；（7）岩滩水电站扩建，一个钻孔消耗十几个金刚石钻头；小时效率小于0.2米；（8）2013年老挝南涧河1号水电站；花岗岩，1.0米/台班（9）云南云县水库，流纹岩。 打滑的岩石：花岗岩，花岗闪长岩，硅质灰岩，石英岩，片麻岩等71.4 打滑地层的主要工程问题（1）钻进效率低，小时效率0.1米/ 小时到0.5米/小时；工程工期无法按时完成；（2）钻进材料（金刚石钻头）消耗大，钻探成本高；82、打滑地层钻进技术2.1 近年来工程中打滑地层的技

7、术措施现有的解决措施：（1）合理的选择金刚石钻头及钻进工艺参数；对于硬岩打滑地层，我们尽量选择金刚石胎体硬度适合（HRC10HRC15；HRC15HRC20度）的钻头，但钻头的消耗量较大；可以订购专用打滑地层钻头；地质大学的打滑地层钻头，桂林特邦的专用打滑地层钻头；（2）使用浓硫酸及浓盐酸对金刚石钻头的胎体进行浸泡软化（乐滩钻探应用）（3）增大金刚石钻进压力和转速，使用润滑冲洗液；（4）孔底投砂使钻头出刃；（5）上述措施对部分硬岩有效，但效果不明显，且钻头消耗很大，成本过高，小时效率只能提高0.20.3m/h 。（6）使用特殊形状胎面的金刚石钻头，如同心环钻头，齿轮钻头等；（7）人工打磨，钻头

8、胎面上人工凿槽等人工方法；国内有：采用金刚石液动冲击回转钻进技术解决打滑地层问题现有最好的方法9特殊形状打滑地层钻头同心环钻头，齿轮钻头打磨机打磨开槽钻头102.2 金刚石液动冲击回转钻进技术2.2.1、液动锤冲击回转钻进概述 液动潜孔锤钻探是在回转钻探的基础上通过利用现场泥浆泵输出的冲洗液驱动液动潜孔锤（简称液动锤或冲击器）其内部的冲锤对钻头施加一定频率和能量的冲击功，加速碎岩，也就是钻头上带有冲击负荷的回转钻探。钻孔时液动锤安装在钻杆与岩心管或钻头（取心或全面钻进）之间，随钻孔之延深而潜入钻孔中对钻头施加冲击负荷，它是在冲击和回转的共同作用下碎岩，因此可大幅度提高硬岩钻进时效，减轻孔斜，降

9、低成本，提高综合效益。 液动潜孔锤钻探是对现有回转钻探的重大改革，是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点，是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低钻孔质量差的有效钻探技术 11液动潜孔锤122.2.2 液动潜孔锤钻探技术主要特点液动潜孔锤钻探技术主要特点 （1）利用现场常规设备，配套方便，投资少;（2）适用孔深大；(目前最大井深已达5129m)潜孔钻进，能量损失小，对钻具（尤其是钻杆螺纹）损伤低；（3）给钻头施加的载荷是高频脉动载荷，应力集中，瞬时可达极高值，易使岩石产生体积破碎，提高钻效，同时在破碎地层可有效减少岩心堵塞，提高回次长度。（

10、4）与回转相比，钻压和转速较低，切削刃具磨损小，降低井斜强度； （5）在冲击和回转的联合作用下，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击动载和静压回转切削的联合作用碎岩，大幅度提高钻进效率210倍以上；（6）液动潜孔锤钻进所需冲洗液排量大，流速高，可减少重复破碎；高频脉动冲击有利金刚石出刃，减少钻头打滑。132.2.3 液动潜孔锤钻探技术主要应用领域和使用条件液动潜孔锤钻探技术主要应用领域和使用条件 （1）适宜在中硬以上粗颗粒不均质地层；与气动潜孔锤比较，更适合于深孔。（2）使用液动潜孔锤金刚石钻探,可有效钻进坚硬致密“打滑”和容易引起强烈弯曲以及岩石脆碎岩心易堵 ，回次进尺少的地层. （3）

11、倾角较大强造斜钻孔易偏斜，导致不能钻穿设计层位的地层。采用硬质合金液动锤钻探后，可以有效减小孔斜，达到地质目的；（4）在由于其他原因（如回转扭矩不够、井壁不稳定等）不能开高转速或加不上应有的钻压时。（5）廊道、涵洞等使用气动潜孔锤会出现噪音和灰尘污染的环境时。（6）小口径地质取心钻探 全面钻探（7）水文水井钻探（8）地质灾害治理钻探（9）石油.天然气牙轮钻头全面钻井(正在进一步做工作)142.2.4 液动潜孔锤钻探主要配套设备液动潜孔锤钻探主要配套设备 一、钻机： 要求钻机具有一定的回转速度范围，以适应冲击回转钻进相对较低转速（要有50150rpm）减少钻头的磨损；我们现有钻机都可进行。 二、

12、泥浆泵： 是进行液动锤钻探的主要动力源，应在条件允许时配备标称上限值，并留有余地；泥浆泵的泵压： 应承受大于设计井深在常规钻进条件下循环压力2-5MPa以上的能力，以满足液动潜孔锤冲击回转钻进的泵压需要；并应配备具有抗震性能的压力表，以便及时掌握液动潜孔锤在孔内工作情况。 泥浆泵的流量： 应该尽量平稳，且泵量范围可以调节，以适应各种工况条件下对泵量的需求；大于100升每分钟以上。泥浆循环管路（地表的管线及井下钻具） 应该具有足够的承压能力和密封性能，送水胶管应采取二层钢丝编织，耐压大于8Mpa，并用螺纹连接；泥浆的类型： 通过泥浆粘度试验证明不会对液动潜孔锤的工作性能产生太大的影响，但是原则上

13、只要钻井的其它条件允许，应该尽量采用清水或粘度较低且具有较好的润滑性的泥浆，必要时可添加润滑剂；配套高效的泥浆净化系统： 在使用液动潜孔锤时泥浆中的固相颗粒会对液动潜孔锤内部的各个密封运动部位产生磨损和卡阻，固相含量过高会导致液动潜孔锤活塞寿命的大幅度降低，同时还容易导致运动部件的卡死而不工作。 152.2.5 液动潜孔锤钻探配套钻头液动潜孔锤钻探配套钻头 液动锤钻探由于是在回转钻探的基础发展及完善，因此大部分回转所用的钻头也可用于液动锤钻探。金刚石取心钻头基本与普通回转钻进钻头相同：（1）、多为孕镶，金刚石最好JR4级，6080目。 （2）、胎体硬度较回转用高HRC5（可高5度），胎体高度可

14、以到2025mm；（3）、水口通流面积可大于30%以上，如直径94mm水口可以有12个； （4）、推荐唇面形状 平底、圆弧、同心圆尖齿 （5）、钻头体材质屈服点590640N/ mm 162.2.6 钻进参数的选择钻进参数的选择 一、钻压的选择：满足液动潜孔锤工作的基本条件确保钻进状态时液动锤的花键轴与花键套端面闭合，使液动潜孔锤处于有效工作状态。配套金刚石取心钻进则基本与纯回转相同或略低。 二、转速的选择 当液动潜孔锤与取心钻进或普通提钻取心结合使用时的回转速度比常规回转钻进时的转速降低20%左右 。三、流量和泵压的选择 通常来说在液动潜孔锤内部参数一定的条件下，流量越大泵压越高，液动潜孔锤

15、的冲击功和冲击频率也越高。但是在实际使用中，如果液动潜孔锤的泵压过高超过了钻具的安全使用要求，就会导致孔内事故或造成地表设备因负荷过重而经常维修。一般流量要超过100l/min;YZX系列液动潜孔锤的泵量适用范围可以进行调节，其泵压适用范围为1.0-5.0MPa。 因而，可以通过在适应孔内其它钻进因素要求的情况下，随着井深的增加，同样的地层钻进所需的冲击功也会增加，所以在进行深部井段的施工中应该尽量使液动潜孔锤的泵压保持在推荐工作范围的上限。常用液动潜孔锤 的工作参数参见表2-1 17型号型号钻具钻具外径外径mm钻孔直径钻孔直径mm工作排量工作排量L/min工作压力工作压力Mpa冲击功冲击功J

16、冲击频率冲击频率Hz配套钻头配套钻头重量重量Kg长度长度mmYZ-545456-5960-1201.0-2.010-2020-30金刚石取心或牙轮钻头 17 1300YZ-57575960-1201.0-2.010-2020-30金刚石取心或牙轮钻头 19 1300YZ737375-76120-2001.0-2.015-3020-30金刚石取心或牙轮钻头301300YZ-898991-95150-2001.5-2.030-5015-25金刚石取心或牙轮钻头 501300YZX545456-6560-900.5-2.010-5020-45金刚石取心或牙轮钻头12860YZX737375-8590

17、-1500.8-3.015-7020-45金刚石取心或80球齿 251000YZX898991-10590-1901.0-3.020-9020-40金刚石取心或100球齿 351000YZX9898110-120150-3002.0-4.080-12015-25金刚石取心或112球齿 721600YZX108108115-130200-3502.0-4.0100-20015-20金刚石取心或牙轮钻头 1152200YZX127127132-158300-4002.0-5.0120-2507-15金刚石取心或158球齿 1201950YZX146146165-190500-8002.0-5.01

18、30-3007-10取心或牙轮钻头 1602175YZX165165190-215600-10003.0-5.0180-3505-10牙轮钻头 5002800YZX178178215-245800-12004.0-5.0450-6005-8牙轮钻头 6003200YZX273260311-375600-15004.0-6.0500-12004-6牙轮钻头 9503250表2-1:YZ及YZX系列液动潜孔锤性能参数 182.2.7 对冲洗液的基本要求 液动锤是在含有固相及微粒钻削的泥浆环境下高频往复运动，因此采用高质量泥浆、并且用好则显得十分重要。否则会加剧液动锤零件磨损、影响使用寿命，还可能阻

19、卡使液动锤不工作。因此有必要对泥浆提出较为严格的要求：润滑性能好、含砂量低、黏度低，黏度一般不大于30秒，含砂量不大于0.5%，密度1.1g/cm；在条件许可时推荐使用泥浆润滑剂（GLUB）将更能提高液动潜孔锤性能并延长使用寿命。泥浆材料推荐具有四低(低粘、低切、低密、低失水）一高（高润滑性）的LBM。条件允许的情况下：尽量有清水钻进，可加入润滑剂。 192.2.8 使用与维修使用与维修 一、下孔前的准备工作：对钻具的组装进行严格的检查，确保零件的正确组装；在下井前对钻具各部分的连接螺纹按照要求上紧，防止螺纹上扣扭矩不足导致钻具螺纹断裂事故；进行深孔钻进时，在液动潜孔锤与钻铤之间必须加上扶正器

20、，以防孔壁对液动潜孔锤外管的磨损；下井前应对液动潜孔锤进行孔口试冲试验，确保液动潜孔锤工作状态良好。（孔口试冲试验就是在机台上将液动潜孔锤与主动钻杆接好，在液动潜孔锤上施加适量的钻压，然后开泵送入推荐下限需泵量，这时液动潜孔锤的工作应该正常启动工作，然后逐步加大泵量并保证泵压在正常范围之内，同时还应该在此状态下将钻具上提和下放2次以上，以试验液动潜孔锤的启动性能和防空打机构的灵活性）202.2.7 使用与维修二、下孔时的操作：避免钻具长期处于悬吊状态冲孔，防止岩粉在活塞间隙的沉积而形成阻卡；扫孔操作时，应该尽量减小钻压，防止液动潜孔锤冲击工作对孔壁造成伤害和孔内事故；同时可采用较小的泵量，让破碎下来的岩屑落入井底。21三、钻进中的操作钻进过程中的操作：每次下钻后，在钻头磨合阶段，应该确保此时的钻压小于液动潜孔锤启动工作所需钻压，使液动潜孔锤处于不工作状态，防止冲击导致钻头的损伤；钻头磨合时间应该尽量短，以防止钻具内部活塞部位积砂；开始进行正常钻进时，对钻压的加载速度应该尽量地快，以便液动潜孔锤启动；液动潜孔锤启动后，泵压将指向正常示值，否则说明钻具没有启动，应将钻具提离井底后，再次放到井底加压到正常值；如果反复多次仍然无法确保液动潜孔锤的启动工作，应及时起钻检查；在钻进过程中的各项参数应保持在要求范围之内；为了了