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深孔鉆探鉆孔彎曲及防斜技術

深孔鉆探,目前應用最廣泛且地質效果最佳的鉆探方法是金剛石WL鉆探方法。金剛 石WL鉆探,鉆具與孔壁間隙較小,壹定程度可減少鉆孔彎曲,在地質條件良好的地層可 正常鉆進,但是,在強造斜地層鉆進,地質因素起著決定性作用,該鉆進方法本身不足以 克服地層的影響,鉆孔彎曲是難以避免的。易斜地層深孔鉆探,鉆遇的地層類型多樣,情 況復雜,發生鉆孔彎曲更是壹個常見的問題,也是非常復雜而難以徹底解決的問題,壹旦 發生鉆孔彎曲,很難保證鉆探施工順利進行,不僅影響鉆探工程質量,而且嚴重者會導致 鉆桿折斷,發生孔內事故,不能按設計要求鉆穿礦體,甚至造成鉆孔報廢,造成重大經濟 損失,因此,深孔鉆探防斜是壹個非常重要的問題。

在深孔(井)鉆探防斜技術領域,石油鉆井和科學鉆探防斜技術有了很大發展。

在石油鉆井中,20世紀50年代美國學者魯賓斯基(Lubinski)研究了直井中鉆柱的受 力變形和多次彎曲問題,開創了鉆柱力學研究的新局面,為鐘擺鉆具的使用提供了理論基 礎。20世紀60年代以Hoch為代表,根據鉆柱在井內受到鉆壓縱向作用彎曲後因井壁的限 制而受到井壁的反作用力,提出了雙穩定器防斜鉆具的理論,為滿眼鉆具的發展提供了理 論基礎。目前,石油鉆井常規的防斜糾斜鉆具主要有滿眼鉆具和鐘擺鉆具。滿眼鉆具能夠 控制井斜變化率,但卻不能有效地控制井斜角的大小。鐘擺鉆具有光鉆鋌鉆具、塔式鉆具 和帶穩定器的鐘擺鉆具等。除滿眼鉆具和鐘擺鉆具外,還有方鉆鋌、偏心鉆鋌、扁鉆鋌、HCY抗斜器等鉆具組合。正在發展的防斜技術有偏軸鉆具組合、柔性鉆具組合、剛柔鉆具 組合、反鐘擺鉆具、自動垂直鉆進系統等。近年來,在石油鉆井領域相對於傳統的小鉆壓 與鉆具組合防斜理論出現了動力學防斜理論,基於鉆柱在井內是處於渦動狀態的認識(即 既有繞鉆柱軸線的自傳,又有繞鉆孔軸線公轉的運動),認為壹定組合形式的鉆具在大鉆 壓(通常φ215.9mm牙輪鉆頭施加大於200kN的鉆壓)下發生螺旋屈曲變形,渦動的公轉離 心力通過這種變形可以使鉆頭產生指向井眼下側的側向力,從而獲得防斜、糾斜效果[65]。

在科學鉆探防斜技術中,垂直鉆進有被動垂孔鉆進系統和主動垂孔鉆進系統。被動 垂孔鉆進系統是指在鉆進過程中,井底鉆具組合只有防斜、糾斜和保直功能,鉆具組合中 沒有隨鉆測量儀,不能隨鉆、隨測和隨糾,如鐘擺鉆具和滿眼鉆具等。主動垂孔鉆進系統 是指鉆具組合中配備了隨鉆測量和糾斜系統,鉆進時能實現隨鉆、隨測和隨糾。前蘇聯科 學鉆探主要采用被動垂孔鉆進系統。在早期的科拉C Γ-3井,2100m深以內試用了在渦輪 鉆具上裝壹個特殊穩定器的鉆具組合(鐘擺鉆具)。用兩個或兩個以上渦輪馬達並列組成 的滿眼鉆進系統,從地表以11~15r/min旋轉,獲得在4000m深度只偏斜1° 的好效果。在 鉆進下部孔段采用的仍是常規的鐘擺式被動垂孔鉆進系統。德國KTB主孔采用主動垂孔鉆 進系統、MSS馬達控制系統和配備測量系統的全穩鉆具控制井斜,井深7000m時井斜角基 本保持在1° 以內,水平偏距小於15m。中國大陸科學鉆探科鉆壹井,由於采用孔底動力(液動錘+螺桿馬達)為主的提鉆取心鉆進技術,鉆孔防斜采用帶穩定器的底部鉆具組合,防斜仍以傳統理論為基礎[14]。

金剛石WL鉆探防斜不同於石油鉆井和科學鉆探,壹是鉆孔直徑小,常用公稱口徑有 S95、S76、S60,難以采用復雜的防斜鉆具系統,如主動垂鉆系統等;二是WL鉆具(包 括鉆桿)要求內徑較大,壁厚較薄,無法采用鉆鋌加壓,形不成鐘擺鉆具效應,也無法采 取石油鉆井的偏軸鉆具組合等;三是金剛石鉆頭、擴孔器和巖心管的強度、剛度及垂度均 遠遠小於鉆鋌,其絲扣連接強度更為薄弱,不允許鉆具承受大鉆壓,因此,金剛石WL鉆 探防斜會受到很多條件限制。目前,深孔鉆探防斜,不能單靠某壹種防斜技術,而應因地 制宜,緊密結合實際,從多個方面采取綜合防斜技術,除去技術裝備因素外,主要從鉆進 技術方法和工藝因素方面采取措施,可采用液動錘沖擊回轉鉆進和孔底滿眼鉆具組合以及 防斜鉆頭,優化並嚴格控制鉆進技術參數等進行防斜。

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