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復(fù)雜地層鉆探因其地層穩(wěn)定性差，鉆孔垮塌、掉塊、縮徑和超徑等鉆進(jìn)故障非常普遍，嚴(yán)重影響著鉆探工程質(zhì)量和鉆探效率。破解這一難題，服務(wù)地調(diào)主戰(zhàn)場(chǎng)，成為了地勘單位尤其是鉆探工藝研究單位苦苦追求的目標(biāo)。 現(xiàn)如今，地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目成果報(bào)告——川東州河流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治示范（原項(xiàng)目名稱：套管鉆進(jìn)技術(shù)在西部地區(qū)成礦帶找礦中的應(yīng)用示范）成果報(bào)告的提交，標(biāo)志著我國(guó)在復(fù)雜地層鉆探技術(shù)方面取得了重大突破，也意味著向深地進(jìn)軍又增加了一把利器。 復(fù)雜地層鉆進(jìn)究竟難在哪？中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所又是如何依靠科技創(chuàng)新來(lái)攻克這一難題的呢？近日，中國(guó)礦業(yè)報(bào)記者專門(mén)趕赴西南重鎮(zhèn)成都，進(jìn)行了實(shí)地采訪。 復(fù)雜地層：鉆進(jìn)的“老大難” 長(zhǎng)期以來(lái)，復(fù)雜地層鉆進(jìn)難問(wèn)題一直困擾著我國(guó)的地質(zhì)勘查工作。 “套管護(hù)壁是緩解復(fù)雜地層鉆進(jìn)的有效措施，但傳統(tǒng)的套管護(hù)壁工藝的有效性是建立在對(duì)地層全面了解的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)復(fù)雜的（多層套管）鉆孔結(jié)構(gòu)。”中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所所長(zhǎng)胡時(shí)友介紹，地質(zhì)鉆探屬于探索性工作，實(shí)際與設(shè)計(jì)往往不相符。施工中，由于復(fù)雜地層的深度和厚度的不可預(yù)見(jiàn)性，裸孔鉆進(jìn)很難有效穿越復(fù)雜地層，即使鉆穿地層，提鉆和下套管過(guò)程中，鉆孔垮塌等故障難免，導(dǎo)致套管難下至有效孔深。 實(shí)際上，在石油鉆井行業(yè)，套管鉆進(jìn)技術(shù)早就開(kāi)始推廣應(yīng)用。早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外石油企業(yè)就有了套管鉆井的設(shè)想，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)裝備條件限制而未能實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代，隨著新技術(shù)、新工藝、新材料、新方法等的大力推廣應(yīng)用，套管鉆井技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，并在國(guó)外石油鉆井工程中廣泛應(yīng)用。 多年來(lái)一直致力于鉆探工藝研究的中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所教授級(jí)高級(jí)工程師吳金生說(shuō)，石油鉆井行業(yè)稱的套管鉆井和地質(zhì)勘探行業(yè)稱的套管鉆進(jìn)其實(shí)是一回事。套管鉆井是石油鉆井行業(yè)現(xiàn)代發(fā)展的一種全新的鉆井技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是采用套管代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆桿柱傳遞機(jī)械能量和水力能量，驅(qū)動(dòng)井底鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。鉆井施工中，無(wú)需起下鉆，而是通過(guò)套管柱的內(nèi)通道，利用鋼繩投撈更換井下鉆具，實(shí)現(xiàn)邊鉆邊下套管。完鉆后提出井底鉆具，套管柱則留在井內(nèi)作為完井套管。
直到2007年，我國(guó)吉林油田、大慶油田、大港油田、中國(guó)石油集團(tuán)公司鉆井研究院和管材研究所5個(gè)單位聯(lián)合開(kāi)展國(guó)家863項(xiàng)目 “套管鉆井技術(shù)”的研究，成功研究了“轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井驅(qū)動(dòng)方式的淺開(kāi)發(fā)井套管鉆井工具配套系統(tǒng)”，完成了46口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，最大鉆進(jìn)井深1000米。 “該術(shù)將鉆進(jìn)和下套管兩道工序合并成一個(gè)作業(yè)工序，無(wú)需起下鉆作業(yè)，采用隨鉆下套管方法把井下復(fù)雜問(wèn)題減小到最低程度。與傳統(tǒng)鉆井方法相比，套管鉆井具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是鉆井工程的一次技術(shù)性革命，能為油田經(jīng)營(yíng)者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。”吳金生介紹。 然而，這些國(guó)內(nèi)外套管鉆井，均屬于石油鉆井行業(yè)領(lǐng)域的套管鉆井技術(shù)，普遍不具備連續(xù)采取巖心能力，而且鉆具（鉆井）直徑較大，在套管直徑小于某一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，難以實(shí)現(xiàn)不提鉆更換井底鉆具，不適用于地質(zhì)勘探領(lǐng)域的巖心鉆探。 “而地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)是借鑒石油鉆井行業(yè)的套管鉆井技術(shù)，結(jié)合巖心鉆探特點(diǎn)，例如地層較復(fù)雜且軟硬懸殊、全孔采集巖心、鉆孔直徑較小、鉆頭壽命較短、起下鉆頻繁等，在繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的平臺(tái)上，提出的一種鉆探新方法，其目的是采用隨鉆下套管工藝，有效鉆穿地層，為下部鉆孔施工創(chuàng)造良好條件。”川東州河流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治示范項(xiàng)目負(fù)責(zé)人錢鋒說(shuō)。 事實(shí)上，對(duì)小直徑鉆孔的套管鉆進(jìn)技術(shù)，國(guó)外也早就有所研究，但并沒(méi)有取得成功。 “與套管鉆進(jìn)技術(shù)的核心技術(shù)相關(guān)的不提鉆換鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)，澳大利亞、俄羅斯、美國(guó)等國(guó)曾進(jìn)行大量研究，但普遍屬于探索性研究，大多處于室內(nèi)研究試驗(yàn)階段。其中，澳大利亞Mindrill Limite，上世紀(jì)70年代中期研究的楔頂式不提鉆換鉆頭鉆具，曾在進(jìn)行試鉆，總進(jìn)尺約17000米，但因擴(kuò)孔翼部位漏水量較大、收縮機(jī)構(gòu)容易卡死、瞄向定位不完善、鉆進(jìn)可靠性差等結(jié)構(gòu)缺陷，鉆具進(jìn)一步試鉆中斷。”吳金生說(shuō)。 該技術(shù)在我國(guó)的研究推廣也是一波三折。早在上世紀(jì)80年代，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所研究的BH-75不提鉆換鉆頭鉆具，在國(guó)內(nèi)鉆探中實(shí)現(xiàn)了不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)。該技術(shù)在數(shù)十個(gè)地勘單位推廣應(yīng)用，取得了較好的鉆進(jìn)效果和經(jīng)濟(jì)效益。但由于鉆具關(guān)鍵部位存在結(jié)構(gòu)缺陷，僅局限于較完整的地層中使用，其換鉆頭性能在復(fù)雜地層中不穩(wěn)定，加之鉆探成本較高，影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。 到上世紀(jì)90年代初，該所與內(nèi)蒙古地礦局合作，采用不提鉆換鉆頭鉆具，在“內(nèi)蒙白音若復(fù)雜地層綜合治理”中，曾進(jìn)行套管取心鉆進(jìn)的探索，初步證明原理可行，后因經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，探索工作中斷。直到2011年~2012年，該所承擔(dān)“地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)研究”項(xiàng)目，研究的114毫米套管鉆進(jìn)技術(shù)，在龍巖馬坑鐵礦區(qū)石巖坑ZK9501孔進(jìn)行了試驗(yàn)，首次在鉆探工程中實(shí)現(xiàn)套管鉆進(jìn)，取得了較好的套管鉆進(jìn)效果。 “尤其是近年來(lái)，隨著找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)一批地勘單位在巖心鉆探工程中，由于經(jīng)常遇到復(fù)雜地層，成孔非常困難，先后多次到我所咨詢關(guān)于用不提鉆換鉆頭技術(shù)進(jìn)行套管鉆進(jìn)的相關(guān)事宜，使我們下定決心，一定要啃下這塊‘硬骨頭’！”胡時(shí)友說(shuō)。 科研先行：打通最后“一公里” 國(guó)內(nèi)外石油企業(yè)套管鉆井技術(shù)的成功應(yīng)用，以及多年來(lái)自身對(duì)小直徑套管鉆進(jìn)技術(shù)的持續(xù)研究，使該所對(duì)此技術(shù)有著更深刻的認(rèn)識(shí)：依托地調(diào)項(xiàng)目，依靠科技創(chuàng)新，加強(qiáng)科技攻關(guān)，突破關(guān)鍵障礙，打通最后“一公里”！ “地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)的實(shí)質(zhì)是，采用套管代替繩索鉆桿傳遞機(jī)械能，帶動(dòng)孔底套管取心鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),同時(shí)作為輸送泥漿的通道；采用繩索取心基本原理，進(jìn)行不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)，鉆至預(yù)定孔深，打撈出孔底取心鉆具，將套管柱留在孔內(nèi)保護(hù)孔壁，完成套管鉆進(jìn)作業(yè)。”吳金生介紹，地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)同時(shí)具備了套管鉆井的優(yōu)越性，通過(guò)不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)技術(shù)途徑，擺脫傳統(tǒng)的起下鉆工序，實(shí)現(xiàn)隨鉆下套管，可提高純鉆進(jìn)時(shí)間比例，避免因頻繁起下鉆導(dǎo)致的孔內(nèi)事故及其事故隱患，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善鉆探施工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)快速、有效穿越復(fù)雜地層。 “為實(shí)現(xiàn)套管鉆進(jìn)，需要在繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的平臺(tái)上，研究開(kāi)發(fā)可代替繩索鉆桿的套管，研究可實(shí)現(xiàn)不提鉆換鉆頭的繩索取心鉆具—套管取心鉆具，研究完善配套器具，集成研究套管鉆進(jìn)工藝，形成完善的套管鉆進(jìn)技術(shù)體系。”吳金生說(shuō)。 2013年~2015年，該所的套管鉆進(jìn)技術(shù)在四川若爾蓋鈾礦整裝勘查區(qū)進(jìn)行了3次生產(chǎn)試驗(yàn)和應(yīng)用，經(jīng)受了“五毒俱全”（孔壁易垮塌和掉塊、堅(jiān)硬與軟地層頻繁換層、裂隙發(fā)育、漏失、易斜、取心困難等）復(fù)雜地層、斜孔、濃泥漿等惡劣鉆進(jìn)工藝條件的考驗(yàn)，滿足但不限于復(fù)雜地層套管鉆進(jìn)的要求，具備巖心鉆探實(shí)用性。2013年在zk3-1孔創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)復(fù)雜地層巖心鉆探106米（10天）不提鉆的紀(jì)錄；2015年在zk12-1孔，又打破上述紀(jì)錄，將復(fù)雜地層巖心鉆探不提鉆紀(jì)錄提高至126米（17天），試驗(yàn)和應(yīng)用的鉆探效率、取心質(zhì)量、孔斜指標(biāo)等綜合鉆進(jìn)效果良好，獲得施工單位的高度評(píng)價(jià)。 “項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)的114毫米和91毫米套管鉆進(jìn)技術(shù)，基本覆蓋我國(guó)套管護(hù)壁的常用口徑規(guī)格。以不提鉆換鉆桿取心鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)隨鉆下套管，有效穿越復(fù)雜地層。并具備隨時(shí)針對(duì)具體地層優(yōu)化鉆頭使用方案、鉆孔防斜、改善鉆探施工環(huán)境和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)有效保證巖心鉆探質(zhì)量和提高鉆探效率，為復(fù)雜地層巖心鉆探提供快速有效的套管鉆進(jìn)技術(shù)。”吳金生表示。 與此同時(shí)，在2013年~2015年間，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)資金資助的川東州河流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治示范（原項(xiàng)目名稱：套管鉆進(jìn)技術(shù)在西部地區(qū)成礦帶找礦中的應(yīng)用示范）項(xiàng)目，又為該所進(jìn)一步完善提高套管鉆進(jìn)技術(shù)提供了平臺(tái)。 該項(xiàng)目的總體目標(biāo)是，開(kāi)展套管鉆進(jìn)技術(shù)研究，形成一套實(shí)用的地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)體系。主要任務(wù)是，研究完善114毫米套管鉆進(jìn)技術(shù)，提高其可靠性和鉆探實(shí)用性；開(kāi)展91毫米套管鉆進(jìn)技術(shù)研究，包括取心鉆桿、高強(qiáng)度套管、配套器具和系統(tǒng)配套集成研究；研究地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)工藝，編制套管鉆進(jìn)工藝規(guī)程；開(kāi)展套管鉆進(jìn)生產(chǎn)試驗(yàn)和應(yīng)用示范；套管鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析研究。 “該項(xiàng)目是我們所在已結(jié)題地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目‘地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)研究’成果技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)復(fù)雜地層鉆探的客觀影響因素、鉆進(jìn)故障特征和傳統(tǒng)套管護(hù)壁技術(shù)的工藝缺陷，開(kāi)展套管鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究，主要用于（但不限于）解決復(fù)雜地層巖心鉆探長(zhǎng)期、普遍存在的鉆探效率低、鉆探成本高等技術(shù)難題。”胡時(shí)友說(shuō)。 據(jù)了解，該所通過(guò)3年的工作，獲得了一種系統(tǒng)完善、實(shí)用的地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的套管取心鉆進(jìn)方法；主要口徑規(guī)格有114毫米和91毫米兩種，基本覆蓋和滿足巖心鉆探的常用套管（護(hù)壁）口徑規(guī)格；通過(guò)復(fù)雜地層和惡劣鉆進(jìn)工藝條件的考驗(yàn)，套管鉆進(jìn)技術(shù)滿足地質(zhì)勘探復(fù)雜地層套管鉆進(jìn)工藝技術(shù)要求；為復(fù)雜地層巖心鉆探提供了有效的鉆進(jìn)方法。 “該技術(shù)的核心是在復(fù)雜地層和惡劣鉆探工藝條件下，如何實(shí)現(xiàn)不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)。圍繞這一技術(shù)思路，我們主要圍繞不提鉆取心鉆進(jìn)的專用套管取心鉆具、滿足鉆進(jìn)用的高強(qiáng)度套管等關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)科技攻關(guān)，并結(jié)合復(fù)雜地層開(kāi)展套管鉆進(jìn)生產(chǎn)試驗(yàn)和應(yīng)用示范，研究制定地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)工藝規(guī)程。”錢鋒說(shuō)。 當(dāng)談到該項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)時(shí)，胡時(shí)友如數(shù)家珍地說(shuō)，提出和研究了一種全新的巖心鉆探方法——地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)，填補(bǔ)了該技術(shù)領(lǐng)域的空白，為有效穿越復(fù)雜地層提供了一種實(shí)用、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)境友好（改善施工環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度）的鉆探新方法；研究出了一種實(shí)施套管鉆進(jìn)的孔內(nèi)鉆進(jìn)裝置——套管取心鉆具，使鉆具能在復(fù)雜地層和惡劣鉆進(jìn)工藝條件下，保持穩(wěn)定的不提鉆換鉆頭取心鉆進(jìn)功能；研究出來(lái)一種具有雙重使用功能的套管。該項(xiàng)目獲得實(shí)用性專利1項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，發(fā)表論文2篇。 突破瓶頸：應(yīng)用前景廣闊 眾所周知，地質(zhì)勘探鉆進(jìn)經(jīng)常遭遇復(fù)雜地層，我國(guó)西部地區(qū)尤為突出。這類地層穩(wěn)定性差，采用普通的鉆進(jìn)方法，鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)故障，進(jìn)而容易導(dǎo)致卡鉆、埋鉆、斷鉆桿等孔內(nèi)事故，鉆探施工非常困難，普遍存在巖心質(zhì)量差和鉆進(jìn)效率低的問(wèn)題，影響地質(zhì)勘探進(jìn)度。 “目前許多地勘單位仍然普遍使用傳統(tǒng)的‘先鉆裸孔，再下套管’隔離鉆孔的方法保護(hù)孔壁。鉆裸孔就比較困難，鉆穿難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)深度和厚度的復(fù)雜地層更是難上加難。即使裸孔達(dá)到預(yù)定孔深，由于提鉆產(chǎn)生的抽吸和下套管對(duì)孔壁的擦刮作用，鉆孔孔壁坍塌、掉塊、縮徑等孔內(nèi)故障難免。所以，也難保套管能下到預(yù)定孔深或穿過(guò)預(yù)定復(fù)雜地層，裸孔穿過(guò)而套管難以穿過(guò)復(fù)雜地層的情況仍然非常普遍。”錢鋒分析說(shuō)，國(guó)內(nèi)數(shù)百家地質(zhì)勘探單位，在地質(zhì)勘探中，均不同程度地鉆遇復(fù)雜地層，上述鉆進(jìn)技術(shù)難題均普遍存在而至今尚未有效解決。國(guó)內(nèi)復(fù)雜地層巖心工作量較大，巖心鉆探界一直期盼在鉆探工程中實(shí)現(xiàn)套管取心鉆進(jìn)，以解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)難題。 2013年，該所的套管鉆進(jìn)技術(shù)在復(fù)雜地層試驗(yàn)成功，立即引起了業(yè)內(nèi)的極大關(guān)注，許多地勘單位慕名前來(lái)取經(jīng)學(xué)習(xí)。 “套管鉆進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：適用于復(fù)雜地層和惡劣工藝條件；擺脫頻繁的起下鉆輔助工藝，提高純鉆時(shí)間利用率，提高鉆探效率；維護(hù)鉆孔安全施工，可快速、有效穿越復(fù)雜地層；及時(shí)優(yōu)化鉆頭使用方案，提高鉆頭使用效果；避免工程因素丟失巖心，提高巖心采取率。”錢鋒說(shuō)。 然而，作為一種新的勘探鉆進(jìn)技術(shù)，套管鉆進(jìn)技術(shù)還存在諸多完善提高的地方。錢鋒舉例說(shuō)，由于泥漿在套管內(nèi)壁結(jié)泥皮，對(duì)打撈取心鉆具有一定影響。而該問(wèn)題單從鉆具結(jié)構(gòu)上只能減緩，不能從根本上解決，需要結(jié)合泥漿工藝、設(shè)計(jì)專門(mén)的除泥皮工具解決。同時(shí)，采用的專用套管，必須具備繩索鉆桿的能力，而當(dāng)前的套管不能滿足鉆進(jìn)要求，必須制造和采用專用套管，這必將影響推廣使用。今后在開(kāi)發(fā)中，將基于普通繩索鉆桿，開(kāi)展套管鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用研究。 但不管怎樣，該所研發(fā)的套管鉆進(jìn)技術(shù)，在開(kāi)始向復(fù)雜地層進(jìn)軍的同時(shí)，也拉開(kāi)了向深地拓展的序幕。套管鉆進(jìn)技術(shù)，前景可期！ |
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