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鉆探技術(shù)

論中國大陸科學(xué)鉆探工程項目實施對我國鉆探技術(shù)的推動作用

  摘要:中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實施既是對我國現(xiàn)有鉆探技術(shù)的一個挑戰(zhàn),同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術(shù)水平的、千載難逢的大好機遇。論述了中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實施對推動我國鉆探技術(shù)如組合式鉆探技術(shù)、取心鉆進技術(shù)、液動錘鉆進技術(shù)、金剛石鉆頭應(yīng)用水平等的發(fā)展的作用。
 
  關(guān)鍵詞:中國大陸科學(xué)鉆探工程;鉆探技術(shù);取心鉆進;液動錘鉆進;金剛石鉆頭
 
  1概述
 
  中國大陸科學(xué)鉆探工程是一項重大科學(xué)工程,是機遇,也是挑戰(zhàn)。 中國大陸科學(xué)鉆探工程是在現(xiàn)代深部鉆探技術(shù)和地球物理遙測技術(shù)等構(gòu)成的綜合反饋系統(tǒng)基礎(chǔ)上,在大別-蘇魯超高壓變質(zhì)結(jié)晶巖地區(qū)實施井深5000m的中國第一口科學(xué)深鉆井,獲取完整的巖心及液、氣態(tài)樣品,取得原位測井數(shù)據(jù),校正地球物理對深部組成與結(jié)構(gòu)的遙測,研究作為建立新地球動力觀窗口的大陸會聚板塊邊緣的深部組成、行為、殼幔作用及其動力學(xué),并為資源、能源及地震發(fā)生機制提供新的科學(xué)依據(jù),推動我國地球科學(xué)在21世紀更好地服務(wù)于國家經(jīng)濟和社會發(fā)展,并在一些重要領(lǐng)域躍居世界前列。這個重大科學(xué)工程完工后,將建成亞洲第一個現(xiàn)代深部地質(zhì)作用長期觀測與實驗基地。
 
  中國第一口大陸科學(xué)深鉆井在獲取地球深部信息方面,將超過世界上同等深度的任何一口科學(xué)鉆井,并將極大地促進我國地球探測技術(shù)發(fā)展。工程的實施將揭示超高壓變質(zhì)巖形成和折返的奧秘,其科研成果將對地球科學(xué)發(fā)展起關(guān)鍵作用,其技術(shù)成果將使眾多的鉆探應(yīng)用領(lǐng)域迅速趕上世界先進水平,帶動鉆探、實驗測試、機械工藝及超硬材料等技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展。
 
  通過工程實施可培養(yǎng)造就一批跨世紀的地學(xué)研究與管理人才,促進地球科學(xué)與物理學(xué)、化學(xué)、生物 學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和管理科學(xué)的聯(lián)合與交叉,為發(fā)展新學(xué)科生長點提供機遇,從而為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來巨大效益。 中國大陸科學(xué)鉆探工程將要獲得新的地學(xué)基礎(chǔ)理論和鉆探技術(shù)知識,將為建立地球科學(xué)知識創(chuàng)新 系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)、知識傳播系統(tǒng)和知識應(yīng)用系統(tǒng)做出重大貢獻。 鉆探子工程是該項目的核心與關(guān)鍵,是其它工程及研究項目賴以進行的基礎(chǔ)和前提,能否順利完成5000m科學(xué)鉆孔的施工,將直接影響中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的進度及眾多科學(xué)目標的實現(xiàn)。
 
  中國大陸科學(xué)鉆探工程的科學(xué)目標
 
  (1)揭示超高壓變質(zhì)巖的形成與折返機理;
 
  (2)再造大陸板塊匯聚邊界的深部物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu);
 
  (3)建立結(jié)晶巖地區(qū)地球物理理論模型和解釋標尺;
 
  (4)研究板塊匯聚邊緣的地球動力學(xué)過程和殼-幔相互作用;
 
  (5)揭示超高壓變質(zhì)成礦機理,發(fā)現(xiàn)來自地幔深處的新礦物和新物質(zhì);
 
  (6)探索現(xiàn)代地殼流體-巖石相互作用與成礦機理;
 
  (7)研究地殼中微生物類型和潛育條件;
 
  (8)為資源的開發(fā)及地震發(fā)生機制的探索提供新的科學(xué)依據(jù)。
 
  中國大陸科學(xué)鉆探工程的技術(shù)目標
 
  (1)形成一套完整的硬巖深孔(5000m)大直徑(終孔直徑152mm)金剛石繩索取心鉆進技術(shù)體系。
 
  (2)使具有中國特色的液動錘鉆進技術(shù)更加完善,進一步提高我國液動錘技術(shù)應(yīng)用效果,擴大包括孔深與孔徑在內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域。
 
  (3)研究與開發(fā)新型的以繩索取心為基礎(chǔ)的組合式取心鉆進系統(tǒng),如孔底馬達/繩索取心二合一鉆具、液動錘/繩索取心二合一鉆具及其相應(yīng)的鉆進工藝,其成果將居國際領(lǐng)先地位。
 
  (4)帶動我國鉆探器具和鉆探材料生產(chǎn)制造技術(shù)與使用技術(shù)的進一步發(fā)展,使其趕超世界先進水平。
 
  (5)建立一個地球物理測井新儀器、新方法、新技術(shù)的試驗基地,推動我國測井技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
 
  很顯然,中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實施既是對我國現(xiàn)有鉆探技術(shù)的一個挑戰(zhàn),同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術(shù)水平的、千載難逢的大好機遇。
 
  項目的實施有助于打破我國鉆井行業(yè)內(nèi)部門間的門戶之見,發(fā)展組合式鉆探技術(shù) 經(jīng)過幾代鉆探工作者的努力,我國鉆探技術(shù)整體上已達國際先進水平。特別是由于我國地大物博、地質(zhì)現(xiàn)象豐富,幾乎在世界各地所能遇到的不同地質(zhì)條件下的鉆探技術(shù)難題在我國不同地區(qū)、不同礦區(qū)都有所存在,并通過采取不同技術(shù)措施而得到解決,積累了豐富的寶貴經(jīng)驗。但在高硬度、強研磨性的結(jié)晶巖中施工5000m深度的連續(xù)取心科學(xué)鉆孔還是首次。大陸科學(xué)鉆探既不同于常規(guī)地質(zhì)礦產(chǎn)鉆探,又與常規(guī)油氣鉆探有較大區(qū)別,這無疑是對我國鉆探技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。
 
  雖然我國在結(jié)晶巖中進行過相當(dāng)多的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探鉆進,但由于我國采礦現(xiàn)實技術(shù)水平的限制,勘探鉆進深度一般在2000m以內(nèi),且多采用小口徑鉆探技術(shù),即鉆孔口徑通常為59~76mm,而這樣的鉆孔口徑是無法滿足科學(xué)鉆探要求的,特別是無法滿足多種測井儀器對孔徑的要求。5000m孔深對于常規(guī)油氣勘探鉆進來說雖然是常規(guī)深度,但通常油氣鉆進是在各種沉積巖中進行且多為非取心鉆進。在結(jié)晶巖中連續(xù)取心鉆進5000m孔深,顯然對常規(guī)油氣鉆進技術(shù)來說也是新課題。
 
  然而,由于長期以來我國鉆井行業(yè)內(nèi)各部門間 缺乏必要的溝通與交流,一些先進的鉆進技術(shù)雖在各部門的工作領(lǐng)域被證明為行之有效且取得了顯著的經(jīng)濟效益與社會效益,但不能在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮效益,甚至由于存在不同程度的門戶之見,還導(dǎo)致不同部門間的技術(shù)封鎖或抵制。而本項目的實施,由于其施工的特殊性,給我國鉆井行業(yè)提供了一個打破門戶之見、充分交流、彼此借鑒、共同提高的大舞臺,因此,將現(xiàn)有各種鉆探技術(shù)的優(yōu)點通過技術(shù)改造而融合成一全新的鉆探技術(shù)體系 組合式 鉆探技術(shù),不僅有利于順利完成本項目的鉆探工程施工,更有利于將在項目實施過程中得到不斷提高與完善的全新鉆探技術(shù)體系應(yīng)用于我國整個鉆井行業(yè),使其發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。
 
  項目的實施有助于進一步提高與完善取心鉆進技術(shù)
 
  繩索取心技術(shù)在地質(zhì)勘探鉆進領(lǐng)域早已是成熟技術(shù)并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用,但在石油鉆井行業(yè)中,由于取心鉆進比率低、孔深大而很少采用該項技術(shù)。然而一些石油鉆井單位應(yīng)用繩索取心鉆探技術(shù)所取得的成功經(jīng)驗表明,將繩索取心鉆探技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井行業(yè),不僅是可行的,而且其經(jīng)濟效益將由于采用該項技術(shù)后鉆探效率和取心質(zhì)量的提高而更為巨大,特別是隨著我國石油天然氣資源勘探開發(fā)區(qū)域的不斷擴大,勘探開發(fā)難度亦越來越大,現(xiàn)石油系統(tǒng)長期以來沿用的取心方法雖經(jīng)過不斷提高與完善,但從取心技術(shù)本身來講,并沒有根本的突破性創(chuàng)新與進展?？梢灶A(yù)見,在今后的油氣資源以及煤層氣勘探開發(fā)中,取心鉆進比例將越來越大,地質(zhì)條件也不可避免地會越來越復(fù)雜,使得如何高效率、高質(zhì)量地獲取地層深部巖心成為亟待解決的重大課題。而天然氣水合物的勘探開發(fā)利用,對取得高質(zhì)量地下實物資料提出了更高要求。
 
  面臨的新問題
 
  然而,僅僅憑借傳統(tǒng)的繩索取心鉆探技術(shù)是無法全面滿足未來各種礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)要求的。就本項目而言,可以肯定的是,盡管本項目也是取心鉆進,但由于工作條件的巨大差異,在堅硬的純結(jié)晶巖地層完成孔徑156mm、深度達5000m的連續(xù)取心鉆孔,在世界上還是第一次(德國KTB先導(dǎo)孔孔徑152mm,終孔孔深40001m),必將面臨一系列前所未有的新問題,如:
 
  (1)深孔小環(huán)隙鉆井水力學(xué)研究;
 
  (2)深孔高溫高壓條件下結(jié)晶巖鉆孔穩(wěn)定性研究;
 
  (3)深孔高溫高壓條件下的巖石力學(xué)和巖石破碎機理研究;
 
  (4)防斜糾斜技術(shù)方法研究;
 
  (5)孔底工程、地質(zhì)信息實時檢測、處理、傳送與反饋控制問題研究等;
 
  (6)高強度、高質(zhì)量繩索取心鉆桿、鉆具的設(shè)計、加工和制造等;
 
  (7)高效率、長壽命金剛石鉆頭的研發(fā)(超硬材料、制造工藝)等。
 
  預(yù)研項目重點
 
  在聽取了本行業(yè)權(quán)威專家的意見并經(jīng)反復(fù)論證之后,中國大陸科學(xué)鉆探工程中心為確保本項目高質(zhì)量取心鉆進得以順利完成,并進一步發(fā)展與完善以繩索取心為基礎(chǔ)的取心方法,在開展的預(yù)研項目中重點考慮了取心鉆具,如:
 
  (1)大直徑繩索取心系統(tǒng);
 
  (2)繩索取心式液動錘鉆進系統(tǒng);
 
  (3)繩索打撈式螺桿馬達取心鉆進系統(tǒng);
 
  (4)繩索打撈式渦輪馬達取心鉆進系統(tǒng)等。這些項目立項的出發(fā)點是將繩索取心技術(shù)與其它先進的取心、鉆進和孔底驅(qū)動方法有機結(jié)合,形成以繩索取心為基礎(chǔ)的組合式取心鉆進技術(shù),在為本項目實施提供經(jīng)濟、有效的取心技術(shù)手段之外,更希望以中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實施為契機,使我國的取心鉆進技術(shù)水平有一個長足的進步。
 
  項目的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術(shù)的推廣應(yīng)用
 
  液動錘鉆進是獨具我國特色的一種優(yōu)質(zhì)、高效的鉆進方法,目前該技術(shù)已得到了國際鉆探界的高度重視,包括美國、德國、澳大利亞等工業(yè)發(fā)達國家均從我國引進了該項技術(shù),并希望將其應(yīng)用于大洋鉆探(ODP)、大陸科學(xué)鉆探和石油鉆井。實踐結(jié)果表明:液動錘鉆進在中硬~堅硬巖層中的技術(shù)經(jīng)濟指標均優(yōu)于常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進,且有利于防止孔斜及減輕巖心卡堵。
 
  需做的研發(fā)工作
 
  由于行業(yè)內(nèi)部門間缺乏必要的交流與溝通,有時甚至是部門間技術(shù)封鎖或相互排斥,液動錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)在油氣勘探與開發(fā)鉆進中尚未得到廣泛應(yīng)用。近年來,隨著油氣井鉆進條件越來越復(fù)雜,如地層堅硬導(dǎo)致機械鉆速極低,高陡構(gòu)造使得井斜
 
  控制非常困難等,所有這些都直接導(dǎo)致效率低、材耗 大、事故頻繁,而液動錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)的特點恰恰最有利于解決這些難題。當(dāng)然,要把這一技術(shù)成熟地應(yīng)用于油氣鉆進領(lǐng)域,還有大量研發(fā)工作要做, 如:
 
  (1)液動錘在大密度、高粘度條件下的工作性能及工作壽命;
 
  (2)液動錘在深孔高背壓條件下的工作性能;
 
  (3)高溫高壓條件下液動錘運動機構(gòu)的設(shè)計;
 
  (4)沖擊功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關(guān)系;
 
  (5)適合液動錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發(fā)等。
 
  眾所周知,地質(zhì)礦產(chǎn)勘探鉆進與油氣勘探鉆進相比,不僅鉆孔直徑小,孔深也淺,且使用無固相或低固相沖洗液,有關(guān)研發(fā)單位早就想把液動錘技術(shù)應(yīng)用于油氣勘探鉆井領(lǐng)域,但由于缺乏必要的試驗條件(如大排量泥漿泵、大直徑深孔實鉆等)而只能停留在技術(shù)方案階段或初步試驗階段,然而只有在上述一系列問題均得到有效解決后才能真正把該項技術(shù)推向石油鉆井行業(yè)。
 
  液動錘鉆進試驗
 
  1999年6~7月,中國大陸科學(xué)鉆探工程中心曾在江蘇東海縣毛北組織進行了液動錘鉆進試驗。試驗鉆孔距中國大陸科學(xué)鉆探工程預(yù)先導(dǎo)孔- 約20m,設(shè)計孔深100m,液動錘鉆進孔段的鉆孔直徑分別為158mm(上部固定式鉆頭鉆進段)和152mm(下部牙輪鉆頭鉆進段)。鉆進時不取巖心。
 
  試驗?zāi)繕?/div>
 
  此次試驗是為中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的正式實施做準備。試驗欲達到的具體目標如下:
 
  (1)評價在硬巖中進行液動錘全面鉆進的有效性;
 
  (2)采用不同鉆頭對液動錘鉆進效果的影響;
 
  (3)不同的液動錘使用效果對比;
 
  (4)液動錘鉆進減輕孔斜的效果;
 
  (5)現(xiàn)有液動錘系統(tǒng)用于硬巖全面鉆進存在的主要問題。
 
  試驗所得結(jié)論
 
  試驗中采用了我國液動錘研究成果最顯著的2家單位(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院和中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所)的液動錘。試驗鉆孔由江蘇地質(zhì)六隊施工。 通過此次試驗,得出以下結(jié)論:
 
  (1)液動錘鉆進是在硬巖中進行大直徑全面鉆進的有效方法。該孔的試驗結(jié)果表明:在較軟的片麻巖中,液動錘鉆進的鉆速達到了5m/h;在堅硬的片麻巖中,液動錘鉆進的鉆速接近于3m/h,遠遠高于在同一鉆孔中和相距20m的預(yù)先導(dǎo)孔- 的相同孔段采取任何其它鉆進方法獲得的鉆速。
 
  (2)牙輪鉆頭配合采用液動錘在硬巖中進行大直徑全面鉆進可取得良好效果。 在鉆進的第二階段,由于巖石突然變硬,采用固定式鉆頭鉆進時液動錘提供的沖擊能量不足以在巖石中產(chǎn)生體積破碎,碎巖形式是疲勞破碎,鉆進效率和鉆頭壽命都很低。在第三階段,換用牙輪鉆頭后,鉆進速度明顯改善(從083m/h提高到294m/h),鉆頭硬質(zhì)合金齒磨損輕微,屬于正常范圍。對于液動錘與牙輪鉆頭配合使用,人們普遍擔(dān)心的是,牙輪鉆頭能否承受高能量的沖擊作用,使這一鉆進系統(tǒng)在高效工作的同時,還具有較長的壽命。最主要的擔(dān)心是鉆頭的軸承,對于小直徑鉆頭尤其如此,因為小鉆頭的軸承更小、更弱。試驗結(jié)果表明,牙輪鉆頭能夠承受高能量的沖擊作用。
 
  (3)試驗中采用的2種液動錘皆適用于淺孔和硬巖條件下進行的大直徑全面鉆進。 此次試驗采用了2種液動錘,即吉林大學(xué)的SC-127型射流式雙作用液動錘和勘探技術(shù)研究所的YZX-127型閥式雙作用液動錘?？偟膩碚f,2種液動錘皆能在試驗條件(淺孔、硬巖、大直徑鉆孔、全面鉆進)下進行有效鉆進。
 
  本項目的實施,為多年來得不到深孔試驗條件的液動錘研發(fā)單位提供了一個千載難逢的試驗機遇,為液動錘在油氣鉆探領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個向國內(nèi)外充分展示其優(yōu)越性的舞臺。中國大陸科學(xué)鉆探工程中心亦在預(yù)研項目中重點支持了2家單位不同類型的液動錘應(yīng)用于本項目的研究課題,并計劃在2000m先導(dǎo)孔中采用繩索取心液動錘,在5000m主孔上部311mm(12in)孔段全面鉆進中采用大直徑液動錘,下部156mm孔段鉆進采用繩索取心液動錘。
 
  項目的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應(yīng)用水平的提高
 
  曾經(jīng)較普遍地認為,我國金剛石鉆頭研制與應(yīng)用已達國際先進水平。但實際上,無論是在人造金剛石質(zhì)量、胎體材料、加工精度、加工質(zhì)量等以及實 際應(yīng)用水平等方面,與國外先進水平相比都還存在一定的差距。只不過由于國內(nèi)金剛石制品與國外相同產(chǎn)品在價格上相差懸殊,故在固體礦產(chǎn)勘探鉆進領(lǐng)域,使用國內(nèi)金剛石鉆頭(擴孔器)與使用同規(guī)格國外產(chǎn)品相比,綜合性能價格比顯然是國內(nèi)產(chǎn)品占優(yōu),但就產(chǎn)品質(zhì)量本身來說,尚不能說國內(nèi)金剛石鉆頭(擴孔器)已經(jīng)達到國際先進水平。 本項目的實施,既有從國外引進的、代表了國際先進水平的金剛石鉆頭,也有國內(nèi)諸多生產(chǎn)廠家專為本項目加工制作的、充分反映了我國金剛石鉆頭(擴孔器)實際制造水平的各類產(chǎn)品,所有的產(chǎn)品均在同一個機臺、同樣的操作人員、同樣的鉆進參數(shù)、同樣的鉆孔、同樣的地層中使用,這本身就是名副其實的擂臺賽,是以最相近的施工條件來比較和檢驗我國金剛石鉆頭(擴孔器)實際水平的最佳場所。 參與本項目金剛石鉆頭(擴孔器)競賽(競標)的既有生產(chǎn)單位,也有大專院校、科研院所;既有國有企業(yè),也有合資公司、民營企業(yè);既有油田系統(tǒng)單位,也有地勘部門單位;既有熱壓鉆頭,也有電鍍鉆頭。八仙過海,各顯神通的共同目標只有一個,那就是:為中國大陸科學(xué)鉆探提供當(dāng)代先進水平的鉆頭,保證工程順利完成,并力爭名列前茅。 我國金剛石鉆頭(擴孔器)的真正技術(shù)水平將毫無疑問地由于各個參與單位在超硬材料、金剛石處理、胎體配方、保徑措施、唇面形狀、水口結(jié)構(gòu)、制作工藝等方面采取科技攻關(guān)措施而充分展現(xiàn)出來,并一定能夠獲得長足的進步。
 
  結(jié)論
 
  (1)中國大陸科學(xué)鉆探工程項目的實施既是對我國現(xiàn)有鉆探技術(shù)的一個挑戰(zhàn),同時,更是一個全面提高我國整體鉆探技術(shù)水平的、千載難逢的大好機遇;
 
  (2)項目的實施有助于打破我國鉆井行業(yè)內(nèi)部門間的門戶之見,發(fā)展組合式鉆探技術(shù);
 
  (3)項目的實施有助于進一步提高與完善取心鉆進技術(shù);
 
  (4)項目的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術(shù)的推廣應(yīng)用;
 
  (5)項目的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應(yīng)用水平的提高。