青梅问情
目前，国内外主要采用的先进钻探方法有金刚石绳索取心钻探、液动锤冲击回转钻探、气动锤反循环钻探和泡沫钻探等。（一）金刚石绳索取心钻探在世界各国地质找矿钻探施工中，应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术主要 是金刚石绳索取心钻探技术。绳索取心钻探技术（Wire-line Coring Drill，简称WL）20世 纪40年代最早诞生于石油钻井业，后来经美国Longyear C改进和开发，被应用于固体矿 产岩心钻探施工中，此后在世界范围内大量推广应用，至今已有近70年的推广应用历史。WL钻探技术的诞生和成功应用实现了不提钻取心，大大提高了钻探效率，因而被称为地 质岩心钻探技术的一次革命［24，25］。国外一直重视和不断开发、完善金刚石WL钻探技术。主要是在钻杆选材、加工精度、热处理及几何尺寸等方面开展研究，使钻杆强度、韧性和连接螺纹的可靠性有了进一步提 高，同时对金刚石钻头进行深入研究，提高了钻头寿命和钻进效率。我国自20世纪70年代中期开始研究并推广应用金刚石WL钻进技术，在地质找矿中发 挥了重要作用，截至1990年，完成钻探工作量达1505万m，钻进速度和台月效率大幅度提 高，取得了显著的经济与社会效益，在全国探矿领域几乎普及了该项技术，并由此获得了 国家科技进步奖一等奖［17］。但自1992年以后的十余年间，由于矿产勘探工作量锐减及钻探 施工单位向建筑基础领域的转产，金刚石WL钻探技术的应用也明显减少，导致了该项技 术的发展非常缓慢，甚至停滞不前，与国外先进国家的差距进一步拉大，WL钻探用钻杆 的使用寿命、可靠性、钻进效率和钻进孔深等多项指标差距明显，利用WL钻探技术完成 的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的1/3［3］。近年来，随着新一轮地质 找矿热潮的兴起，该项技术又重新得到恢复和发展，应用广度和深度进一步拓展，以山 东、河北等为代表的省地勘局将该项技术进一步普及和提高，在“攻深找盲”和提高效率 等方面发挥了突出作用，钻孔深度、钻探效率等多项指标被不断突破，技术水平有了较大 提高。（二）液动锤冲击回转钻探国外一直重视液动冲击回转钻进技术的发展。潜孔式液动冲击器（又称液动潜孔锤，以下简称液动锤）最早起源于欧洲。1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的 专利，技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从 而实现冲击回转钻进。从20世纪50年代开始，在美国、加拿大和前苏联都研制出几种具有 实用意义的液动冲击器。在地质矿产钻探方面，研究最有成效的是前苏联，1900～1905年 开展对液动冲击回转钻进技术的研究，1970年开始逐步在生产实践中得到应用。匈牙利在 20世纪60年代研制了φ48～160mm的5种双作用液动冲击器，将液动冲击钻具组装在一专 用拖车上，并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，搬运灵活方 便，在施工矿区或工地为多台钻机服务。日本对液动冲击器的研究起步于20世纪70年代，比较成功的是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液 作为工作介质［14］。近年来国外在液动锤的研究领域所做的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发 的双作用液动锤，澳大利亚SDS公司的FH系列液动锤，德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀 为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用），工作流体均要 求用清水（过滤在100μm）驱动。由于冲洗液不能有效护壁，所以使用深度受到限制，最深的应用记录只有590m。我国从1958年年底开始进行研究，到20世纪80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛时期，地质、冶金等部门分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类 型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到30种以上，累计钻探进 尺超过了百万米，取得了良好的技术、经济效果，粗略统计可提高钻进效率30％～50％以 上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段 我国的液动锤研究和应用水平已经居世界先进水平，是继前苏联以后在小口径矿产勘探领 域广泛应用液动锤钻进技术的国家［14，26］。进入20世纪90年代，由于我国的地质勘探工作量大幅下降，小口径液动锤的研究投入几乎中断，这些成果并没有得到很好的应用和提高，对该项技术的研究应用转向主要对 水文水井、油田和工程施工用大口径液动锤的研究。直到1997年，中国地质调查局勘探技 术研究所研制了一种新型的YZX系列液动锤（图1-3），其静密封的可靠性和耐高温性以 及对深孔背压适应性都有了改善和提高。特别是在中国大陆科学钻探工程中，他们研制 的YZX 127液动锤连续钻进了近500个回次，在较为复杂的泥浆环境中创造了单井总进尺 71m、最大应用深度达 2m的世界纪录。另外，勘探技术研究所还为大陆科学钻 探工程研制了KS-1 57绳索取心液动锤、SYZX273液动锤和螺杆马达/液动锤/WL-三合一钻 具，均取得成功，在提高钻进效率，防止岩心堵塞，延长回次进尺，减轻孔斜等方面都发 挥了重要作用［14，27］。图1-3 新型YZX系列液动锤该技术在科钻一井的成功应用，推动了我国钻探技术水平的进步。同时大陆科学钻探 工程也为推动液动锤钻进技术的巨大发展起到了非常重要的促进作用，使我国的深孔液动 锤钻进技术达到了国际领先水平，得到众多国外同行的高度评价。德国、澳大利亚、美国 等公司先后从我国引进该技术进行试验研究。然而，到此为止，国外液动锤取心钻进最大 孔深为2000m，由前苏联创造（无细节资料报道），液动锤全面钻进最大孔深是由澳大利 亚SDS公司与PDVSA公司合作，在PIC26井的03～15m井段对12/4 in液动锤进行 了试验。总的来看，用于深井条件下的液动锤还处于研究试验阶段，都未能够达到大规模 应用的程度。在国内，对深孔条件下液动锤工作性能的理论分析研究也待进一步深入。特 别是在固体矿产小口径钻探普通生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的岩粉自然 沉淀的水平，钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动锤内部零件频繁卡死，工作寿命大 幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，液动锤钻进的优点虽为大家所认识和接 受，但是实际应用还较少［14，28］。（三）气动锤反循环钻探在很多国家，气动潜孔锤（以下简称气动锤）反循环（Reverse Circulation，简称RC） 钻探技术也得到较大发展。该项技术主要有两种类型，一种是由普通气动锤＋交叉通道 接头＋双臂钻杆实现，即RC或中心取样（Center Sample Recovery，简称CSR）钻探技术；另一种是由带RC取心（样）钻头的贯通式气动锤＋双臂钻杆来实现，即贯通式RC钻探技 术。由于气动锤RC钻探技术改变了传统的碎岩和取心方式，其钻探施工效率可提高3～1 0 倍、成本降低1/2～2/3，因此，气动锤RC钻探技术被钻探界称为继WL钻探技术之后的又 一次革命［16，29］。早在20世纪80年代中期，美国、加拿大、澳大利亚等国家就研究发展并 在勘探阶段较广泛地推广应用该项技术。美国1989年研制的一种无阀贯通式气动锤—— SAMPLEX-500型被MAJOR钻探公司配在CSR钻机上使用［30］。目前仅美国西部地区就有 150多台气动锤RC钻探设备用于各种地质矿产钻探，其中包括砂金和岩金矿床勘探。据报 道，澳大利亚采用气动锤RC钻探技术完成地质钻探工作量的比例已超过总工作量的80％，美国接近80％，东南亚接近60％，非洲达到30％。有些矿区几乎完全采用气动锤RC连续取 样钻探方法，或者按照采用气动锤RC连续取样钻探与采用WL钻探工作量20：1的比例布 置。澳大利亚气动锤RC钻探最大孔深已超过700m［16］。我国自20世纪80年代开始对该技术进行研究。勘探技术研究所等单位对普通浅孔锤 RC或CSR钻探技术进行了研究，1987年引进加拿大钻机进行CSR钻探试验，还相继开发 了专用设备、不同规格的双壁钻杆以及辅助器具等，并在个别矿区进行应用。原长春地质 学院对贯通式潜孔锤RC钻探技术进行研究，并相继研发了GQ系列贯通式潜孔锤和相应的 RC取心（样）钻头等，特别对RC取心（样）钻头的RC机理和引射器原理及内部流场等 方面做了大量研究工作，并取得了多项研究成果。但是，由于国内地质界对以岩屑代替传 统柱状岩心来评价矿产资源还不认可，目前还无相应规范可依，在地质钻探设计时还不能 采用该技术，因此，该项技术一直未得到推广应用。只有当矿区地层特别复杂无法成孔取 心时才进行试验应用，如河南栾川县三道庄钼矿、河南嵩县金矿、新疆白干湖钨锡矿等复 杂地层地质勘探中均采用了贯通式气动锤RC钻探技术。另外，由国外矿业公司出资勘探 的部分矿区，如澳大利亚瑞翔公司在黑龙江嫩江争光岩金矿勘探中，要求采用RC钻探技 术，采用后取得了较显著的技术效果和经济效益，钻探施工效率提高3～10倍，成本降低 1/2～2/3［29］。（四）泡沫钻探泡沫用于钻探工程始于20世纪50年代中期。当时美国为在干旱缺水、且稳定性较差的 地层中钻井，首先在内华达州使用了泡沫钻井液。因泡沫钻进时上返速度仅为空气钻进上 返速度的1/10～1/20，有效地保证了孔壁稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐水、油 层、永冻层钻进的泡沫流体的研究，扩大了泡沫钻进的应用范围，取得了很好的经济效 益，成为低压油田开发的一种有效手段。前苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的实验研究。到70年代，开始利用泡沫进 行小口径金刚石岩心钻进，并且在泡沫流变学、泡沫钻进过程中的温度、压力等方面进行 了深入的理论研究。在十多年的初步研究中，证明在8～10级岩层中，与使用常规冲洗液 相比，钻进机械钻速提高了30％，回次进尺提高了5％，钻进效率提高了25％，金刚石 消耗降低了28％，功率消耗降低了23％，综合经济效益提高了34％。到1984年，前苏联采 用泡沫钻进技术的钻探工作量近10×104m，各种泡沫剂供应也在60～70t［31，32］在美国、加拿大、德国、英国等国家，泡沫钻进技术也得到了快速的发展，并被列为 今后新技术开发的方向。美国在20世纪80年代初期已基本完成泡沫钻进的各种研究工作。Sandia Nation公司1980年研制推出了100多种阳离子、阴离子、复合型及非离子型的泡沫 剂，以适应各种复杂地层条件下的泡沫钻进的需要；泡沫钻进设备已达到系列化；钻进工 艺水平达到了计算机控制化的水平。我国对该项技术的研究起步较晚，20世纪80年代中期，首先在石油系统利用泡沫进行 洗井、钻井工作，研制了F873、TAS等泡沫剂。此后，地矿、煤炭系统也进行了这方面的 研究工作，先后研制出了KZF123、CD-1、CDT-812、CDT-813、DF-1、ADF-1等类型的泡 沫剂，同时还开展了泡沫钻进工艺的技术研究，经过对不同环境条件及机具的试验研究，总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程，推动了泡沫钻进技术的发展。但由于正值地 质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻 进技术高，导致其推广应用处于停滞状态。直到90年代中后期，长春科技大学又在原地质 矿产部立项，进行了水泵泡沫增压装置的研究，取得了泡沫增压泵的容积效率达到90％的 效果。2000年，为配合西部大开发，在上述研究的基础上专门研制了大型的水泵再增压泡 沫灌注系统，经在宁夏西海固地区的实际施工试验，取得了水泵的增压能力达到5MPa令 人可喜的效果［31，32］。此外，还在吉林省科委立项进行专门的泡沫潜孔锤的研究，已取得了 突破性进展，但目前用于生产还需要进一步试验研究和完善。 
随着我国石油勘探开发的深入，钻井工程越来越多地面临井深、高温高压等地质条件复杂的情况，使钻井工程风险更加突出。针对这些问题，石油钻井技术的研究与应用也在不断深化。针对复杂地质条件下深井超深井技术发展，国内外都开展了钻井地质环境因素描述技术研究，并在此基础上进行钻井工程的优化设计与施工。钻井地质环境因素是钻井工程的基础数据，主要包括岩石力学参数、地应力参数、地层压力参数及岩石可钻性参数等。准确掌握这些基础数据对钻井工程设计及施工具有重要意义。对于岩石力学参数的求取，通常采用实验室对岩心试验，以及利用地球物理测井资料解释岩石力学特性参数。地层压力检测与预测研究主要是针对碎屑岩层系，对于海相碳酸盐岩地层压力预测，尚未取得成熟有效的方法，碳酸盐岩剖面中地层压力的准确预测难度较大。1 钻井地质环境因素描述技术钻井地质环境因素是钻井工程所面对的需要尽力去认识与掌握的客观影响力，主要包括地质构造因素、地层力学特征、地层可钻性以及钻井工具与地层相互作用耦合规律等。对钻井地质环境因素的研究与准确描述，可以提高钻井效率，降低钻井风险，对进行科学化钻井具有重要意义。（1）岩石力学参数求取岩石力学参数是反映岩石综合性质的基础数据，包括弹性参数和力学强度参数。岩石的弹性参数分为静态弹性参数和动态弹性参数。静态弹性参数一般通过室内对岩心进行直接加载测试换算求取，动态弹性参数则是通过测定声波在岩样中波速转换得到。岩石静态弹性参数可在室内应用三轴应力测试装置实测应力、应变曲线，并应用下列公式计算得出：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：μs为静态泊松比，无因次；Δεθ为径向应变，mm；ΔL为轴向应变，mm；Es为动态杨氏模量，MPa；Δσ为应力，N/mm；Δε为应变，mm。根据岩石弹性参数之间的关系，可导出计算岩石动态弹性参数的公式：中国海相油气勘探理论技术与实践静态弹性参数和动态弹性参数之间存在明显的差别。一般情况下，动态弹性参数大于静态弹性参数（Ed＞Es，μd＞μs）。为了从测井资料中获得静态弹性参数，需要把动态弹性参数转换成静态弹性参数，国内外在动静弹性参数转换方面提出了多个的转换模式。岩石力学强度参数包括：岩石硬度Hd、单轴抗压强度Sc、初始剪切强度C和内摩擦角Φ、抗拉强度St和三轴抗压强度Sp，均可在实验室通过实际岩心测试求出，也可以利用测井资料进行计算，岩石强度的方法和有关模式：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：Hd为史氏硬度，MPa；Vs为横波速度，km/s单轴抗压强度：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：C为内聚力，MPa；ρ为岩石密度，g/cm3；Vp为纵波速度，km/s；Vcl为泥质含量，小数；μd为泊松比。中国海相油气勘探理论技术与实践其中：M=93-785C中国海相油气勘探理论技术与实践式中：Sp为围压下的岩石抗压强度，MPa；Sc为单轴抗压强度，MPa；P为围压，MPa；a、b为经验系数；a=10（1948+4009dr）；b=10-（7452+56126dr）；dr为岩石平均颗粒直径，mm。（2）地应力参数求取地应力室内测试方面有多种测量技术，通常分岩心测试和矿场测试两种。岩心测试主要有：差应变分析（DSA）、滞弹性应变分析（ASR）、波速各向异性分析、声发射（Kaiser效应）等。矿场测试以水力压裂（水压致裂）为主。对深层地应力的求测，水力压裂测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位。其他技术多为间接测定方法，需采用多种方法对比使用，才能给出比较可靠的数据。根据地应力与地质环境、岩石力学特性的关系，分析研究地应力分布规律和影响地应力诸多因素，建立地应力模型。利用测井资料计算模式中的各参数，并计算得到地层的地应力数据。该方法可以得到沿纵向的地应力剖面，得到了广泛应用。在水平应力求取方面，国内外发展了多种计算模型。如莫尔-库仑模式、金尼克模型、Mattews＆Kelly模型、Terzaghi模型、Anderson模型、Newberry模型等。中国石油大学黄荣樽教授提出的地应力预测模式如下：中国海相油气勘探理论技术与实践（3）地层可钻性参数求取国内采用微钻头可钻性法进行地层可钻性的分级标准划分，将地层可钻性分为10级，定量表示地层的可钻性。利用测井资料与岩石可钻性关系分析得出规律：声波时差ΔT和岩石密度ρ与岩石可钻性kd存在显著的相关性，在一定的条件下，ΔT和ρ可反映岩石的可钻性，但是由于地层的复杂性和测井技术的限制，单一的参数有时不能全面反映岩石的抗破碎能力，为了更准确地找出测井变量与可钻性的关系，采用多元回归方法以建立多因素测井参量与可钻性的关系模型。中国海相油气勘探理论技术与实践2 深井超深井井身结构设计技术（1）井身结构设计原则1）有利于安全钻井，缩短钻井周期，减小钻井成本，避免漏、喷、塌、卡等复杂情况的发生，满足封隔不同压力体系的需要。2）能有效封隔目的层，满足环空间隙和提高固井质量的需要。3）考虑地质加深的要求和满足完井作业要求。4）符合API和国内常规钻井套管、套管头系列，特别是国内完井井口的要求。5）能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受钻井液的伤害，减少钻井液对油气层的浸泡时间。6）打开下部高压层时，高密度的钻井液不会引起压差卡钻和压漏套管鞋处裸露的薄弱地层井段。7）井口有一定的控压能力，能满足压井及憋压堵漏等特殊施工措施的需要。（2）超深井井身结构设计基础数据1）地层层序预测、岩性剖面与地质故障提示。2）地层压力系统。3）抽吸压力与激动压力系数。4）井涌允量值。5）压差卡钻允值。6）地层破裂压力安全系数。（3）井眼与套管尺寸的匹配1）复杂地层、深探井、超深探井的井身结构设计时应留有余地，满足地质加深、取心及工程方面的要求。2）完井套管尺寸应满足采油、增产措施、井下作业等要求。3）应考虑钻井施工队伍的技术素质。4）根据国内外的钻井实践，一般由内向外的井身结构尺寸设计步骤，套管与井眼尺寸的间隙最好为19mm（3/4″），最小不低于5mm（3/8″）。（4）深井超深井井身结构设计套管下深1）导管的下深：既要考虑地表层的深度，又要考虑国家的环保法规。2）表层套管的下深：表层套管承受的压力与磨损比技术套管与尾管苛刻，在考虑岩性变化的同时，应以能承受合理的井涌压力为原则。3）技术套管下深：技术套管数量大，层次多，设计原则是让钻井液密度能控制地层压力而不至压漏上部地层。4）油层套管尺寸与下深：取决于完钻井深、储层深度、采油等后续作业措施。（5）深井超深井井身结构设计方法1）自下而上设计法。对于深探井超深探井设计，一般参考资料很少或者没有，仅仅依靠预测的地层压力剖面来设计井身结构是很不完善的，比较理想的方法是采取倒推法设计必封点，确定套管鞋位置的最大承压能力，确定最小的完井尺寸，从下到上一级一级设计，进而确定开孔尺寸，同时考虑预留一级或两级套管层序调整尺寸，以便解决工程地质设计中的变化；当套管层序确定后，以最大钻井液密度为计算依据，压差卡钻临界值为基础，井壁稳定为前提，确定各个套管层次的下入深度（特别是主要技术套管）。这个深度对于一口具体的探井，是一个深度区间，而不是一个具体的深度位置，即可根据录井结果调整套管的下入深度。2）自上而下设计法。自下而上设计法要求对下部地层情况资料有很好的掌握，设计结果的可靠性是以对下部地层的岩性特征、地层压力特性的充分了解为前提条件。这种以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为目标的设计方法，非常适用于已探明地区开发井的井身结构设计。在对所钻地区深层的地质情况不清楚的情况下，深层钻井的井身结构设计不应以每层套管下入深度最浅、套管费用最低为首要目标，而应以确保钻井成功率、顺利钻达目的层为首选设计目标。要提高成功率，就必须有足够的套管层次储备，以便一旦钻遇未预料到的复杂层位时能够及时封隔，并继续钻进。目前国内现行套管钻头系列所提供的套管层次有限，只有2～3层技术套管，只能封隔钻井过程中的2～3个复杂层位。在这种情况下，希望每一层套管都能尽量发挥最大作用，即希望上部裸眼尽量长些，上部大尺寸套管下入深度尽量大一些，以便在下部地层的钻进中有一定的套管层次储备，且不至于小井眼完井。根据深探井钻井条件及要求，可以采用自上而下的设计方法。依据求取的地层特性剖面、地层三个压力剖面、地区井身结构设计系数等。条件关系式：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：ρcmax为裸眼井段钻遇的最大井壁坍塌压力的当量钻井液密度。3）综合方法。将上述两种方法结合应用，并将两个设计结果进行比较，确定出每层套管的合理下入深度区间。3 井眼稳定技术从岩石力学的角度进行分析，造成井壁坍塌的原因主要是由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的，井壁岩石的破坏，对于软而塑性大的泥岩表现为塑性变形而缩径。对于硬脆性的泥页岩一般表现为剪切破坏而坍塌扩径。剪切破坏剪切面的法向和σ1的夹角等于β，法向正应力为σ，剪应力为τ。根据库仑-莫尔准则，岩石破坏时剪切面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度C值（称为黏聚力），加上作用于剪切面上的内摩擦阻力μσ，即：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：μ为岩石的内摩擦系数，μ=tanψ；ψ为岩石的内摩擦角。利用两个以上不同围压的三轴压缩强度试验可以求取岩石的内聚力与内摩擦角参数。（3-95）式也可用σ1和σ3坐标图上的直线来表示，主应力σ1和σ3改写成：中国海相油气勘探理论技术与实践或中国海相油气勘探理论技术与实践式中：σC为单轴抗压强度。当岩石孔隙中有孔隙压力Pp时，库仑-莫尔准则应用有效应力表示为：中国海相油气勘探理论技术与实践内聚力和内摩擦角是表征岩石是否破坏的两个主要参数，也是井壁稳定计算中的重要参数。岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大、最小主应力控制，σ3与σ1的差值越大，井壁越易坍塌，从井壁岩石受力状态分析中，可以发现岩石的最大、最小主应力分别为周向应力和径向应力，这说明导致井壁失稳的关键是井壁岩石所受的周向应力σθ和径向应力σr的差值，即σθ-σr的大小。差值越大，井壁越易坍塌。通常水平地应力是非均匀的，即σH≠σh，所以井壁上的周向应力是随井周角而变化的（井周角为井壁上点的矢径与最大地应力方向的夹角）。井周角在θ=90°和θ=270°处，σθ值最大。因此，该两处的差应力值达到最大（因为r在井壁各处为常数，与θ无关），是井壁发生失稳坍塌的位置。采用库仑-摩尔强度准则进行分析，可求得保持井壁稳定所需的钻井液密度计算公式为：中国海相油气勘探理论技术与实践式中：H为井深，m；ρm为当量钻井液密度，g/cm3；C为岩石的黏聚力，MPa；η为应力非线性修正系数；σH，σh分别为最大、最小水平地应力，MPa。
