山地地震勘探取芯钻具设计及钻井方法

２０１２年４月　物　探　装　备　第２２卷第２期　山地地震勘探取芯钻具设计及钻井方法　杨凤申　王艳明　胡　博　粱廷风　（东方地球物理公司装备服务处装备研究中心，河北涿州０７２７５０）　

摘　要　杨凤申，王艳明，胡博，梁廷风．山地地震勘探取芯钻具设计及钻井方法．物探装备，２０１２，２２（２）：８３４８４，８９　根据油气勘探的地质地理条件设计合理的钻井方法，并根据不同的钻井方法配置合适的钻机具，可提高钻井　效率、节约成本。本文详细地介绍了石油勘探使用的两种山地取芯钻具的结构及钻井方法，通过新钻井工艺的推　广应用，不仅能减少破岩过程中的能量消耗、降低动力配备、减轻整套钻机的重量，也可降低粉尘污染，提高施工人　员的健康安全系数。　

关键词　山地钻机取芯钻具　积粉管　负压钻井　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｙａｎｇ　Ｆｅｎｇｓｈｅｎ，Ｗａｎｇ　Ｙａｎｍｉｎｇ，Ｈｕ　１３ｏ　ａｎｄ　Ｌｉａｎｇ　Ｔｉｎｇｆｅｎｇ．Ｃｏｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘ’　ｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ａｒｅａｓ．ＥＧＰ，２０１２，２２（２）：８３～８　４．８９　．　

Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｕｔ　ｄｏｗｎ　ｂｙ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｅ＊ｌ，ｗｉｔｈ　ｓｕｉｔｅｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｒｉｇ　ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｆｏｒ　ｏｉｌ　ｅｘｐｌｏ—　ｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ａｒｅａｓ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃｒａｆｔｓ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｒｏｃｋ　ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｐｏｗｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｌｏｗｅｒｅｄ，ｔｈｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｗｈｏｌｅ　ｒｉｇ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ｈｕｔ　ａｌｓｏ　ｄｕｓｔ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｌｔｈ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｏｒｋｅｒｓ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｍｏｕｎｔａｉｎ　ｒｉｇ，ｃｏｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｐｌｏｔ　ｐｏｌｌｅｎ　ｔｕｂｅ，ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　

石油钻具是石油及天然气钻采设备重要的部　件，是石油勘探施工中不可或缺的重要组成部分，是　决定钻井效率的关键。钻井方法与施工环境密切相　关，并直接影响到钻井效率、钻井成本。根据油气勘　探、开发的地质地理条件和工程需要，设计合理的钻　井方法，根据钻井方法配置合适的钻机具及技术参　数，可实现快速钻井、节约成本的目的。　１　山地取芯钻具技术背景及设计要求　１．１技术背景　目前，山地地震勘探钻井的主要钻具为潜孑Ｌ冲　击器，如图１所示。钻井方法是通过压缩空气实现　全面冲击破岩钻进，并通过压缩空气循环将破碎岩　屑返到地面。这种钻井方式需要空气源，且钻井能　量消耗较大，一般钻３０ｍ井深要配备６０ｋＷ动力左　右。除燃料消耗过大之外，也给山地搬迁造成较大　负担，同时搬迁过重也给陡峭山地施工人员带来了　安全隐患。　

图１潜孔冲击器　卜转换接头；２－外管；３－下接头；４－钎头；５－活塞；　６一进气座；７－逆止阀；８－密封圈　

黄土塬地区干旱缺水、山高坡陡，冲沟遍布，　地质结构复杂，机动钻井设备无法上山。空气循环　全面破碎钻井的特点，使得该类地区勘探钻井较为　困难。目前地震勘探施工多采用人工洛阳铲，靠人　

＊杨凤申，男・１９６５年出生，高级工程师，东方地球物理公司专家。１９８７年毕业于西南石油学院，现主要从事物探装备的开发与研制　工作。　

乙　Ｚ　三　８４　物　探　装　备　力击人实现钻进，以保证施工进度。但遇到料浆石　或老地层则施工困难，无法保证钻井深度。因而影　响地震勘探采集成像的精度，同时施工效率低、成　本高。　取芯的主要目的是保持岩芯完整、提高采芯率。　地矿钻探取芯钻井工艺一般采用双管单动取芯钻具　（见图２），需要空气或泥浆循环将岩粉返出井口，取　芯时需要拆开外管与外管接头；然后取出内管，卸下　岩芯。这种方法钻井速度较低，辅助取芯时间较长。　【ｉ　Ｉ　Ｉｌ　Ｉ　１　Ｉ　、ＪＩ——————　』・＿－・＿＿ｕ＿＿＿＿＿＿１＿－ｎ＿－＾　－—１　ｌ————————　・‘＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ｎ＿’、—１—　——　——ｕ＿　ｕ・＿ｕ＿＿＿＿＿＿。一——・＿Ｊ＿＿＿＿＿＿ｉ＿＿＿－１—ｒ＇　————ｒ——Ｉ——　—Ｊ＿＿＿＿＿＿ｕ＿＿＿＿－　图２单动双管钻具总体结构　１一上接头；２－耐磨稳定环；３－外管接头；４一单动部分；５－外管；　６一锁紧螺母；７调节螺杆；８一内管接头；９－内管；１Ｏ－扩孔器；　１１－短节；１２－卡簧；１３一卡簧座；１４一钻头　１．２　设计要求　结合山地及黄土塬地区复杂的地质结构、地形　特点，对钻机具及钻井方法的设计要求主要有以下　两方面。　（１）取芯钻具　钻进速度快，取芯方便。　（２）钻井方法　减少钻井过程中的能量消耗，降低动力配备，减　轻整套钻机重量；降低粉尘污染，提高施工人员的健　康安全系数。　２钻具设计及钻井方法　２．１　取芯钻具结构设计　为保证钻井效率，同时适应西部山地及黄土塬　干旱缺水地区的钻井需求，钻井过程中，钻具取芯不　需任何介质，且取芯方便快捷。因此设计了塑性土　层钻具，如图３所示。　在图３的塑性土层钻具结构中，连接头都有与　取芯管连接的铰接机构，其主要目的是使取芯管能　沿钻具中心线翻转９０。，便于清理岩屑。　取芯管由一上接头和管体两部分焊接而成，为　便于翻转，上接头铰接孔为沿轴线方向的长圆孑Ｌ。　管体部分上开有侧窗，侧窗径向方向的大小可略比　岩芯直径小些，侧窗长度方向的大小可根据岩屑成　图３塑性土层钻具结构　卜钻杆；２一连接头；３一销轴；４一取芯管；５一扩　孔器；６一卡簧；７一岩芯钻头　型程度确定。岩芯特别松散时，岩屑易脱落，侧窗则　设计成多个不连续的小窗。　钻头与扩孔器之间采用螺纹连接，钻井过程中，　岩芯钻头根据地层情况可随时更换合金钻头、复合　片钻头或金刚石钻头。而且，遇到不同地层时更换　取芯管也非常方便，只需拔掉销轴。卡簧的作用是　切断岩芯，并阻止提钻时岩芯坠落，松散地层设计了　提篮结构。　钻杆采用公母接头和中间杆焊接结构，外径基　本相同，两端接头都铣有垫叉扁。为便于拆卸，连接　螺纹采用锥形结构，整体进行热处理。　设计的取芯钻具的结构无需空气冲击钻井，而　且取芯效率高。　２．２钻井方法分析　石油钻井是一项复杂的系统工程，涉及到地质、　化学、力学、机械、石油工程等多学科的现代化技术　和应用。钻井的实质就是要设法解决破碎岩石和取　出岩屑、保护井壁、不断增加钻进深度等。　钻井的方法主要有两种：顿钻钻井法和旋转钻　井法。　（１）顿钻钻井法的基本原理　顿钻钻井是周期地将钻头提到一定的高度向下　冲击井底，破碎岩石；在不断冲击的同时，向井内注　水，将岩屑、泥土混成泥浆，等井底泥浆碎块积到一　定数量时，便停止冲击，下入捞砂筒捞出岩屑；然后　再开始冲击作业。如此交替进行，加深井眼，直至钻　到预定深度为止。使用顿钻法钻井，破碎岩石、取出　岩屑的作业都是不连续的，钻头功率小、效率低、速　度慢，远不能适应现代石油钻井中优质、快速打深井　的要求。　（２）旋转钻井法　旋转钻井是利用驱动设备驱动钻头旋转并给钻　头施加钻压破碎岩石，利用钻井液或压缩空气取出　岩粉，使井眼连续不断地加深的钻井方式。钻杆代　替了顿钻中的钢丝绳，钻头加压旋转代替了冲击。　（下转第８９页）　第２２卷第２期　李同等：运用Ｍａｋａｉｌａｙ软件提高深海地震勘探放缆精度　８９　工区内非常普遍。　放缆过程中我们就运用了上文提到的更改沿测　线方向偏移量的方法来提高放缆精度。在进入深水　区域后，下坡过程中Ｄ　已经积累到了２００ｍ左右。　我们重新设置了沿测线方向的偏移量，Ｄ　逐步变小，　尤其在后面的平坦区域内，Ｄａ可以控制在ｌＯｒｅ以内。　Ｄ。受海底洋流的影响很大。我们首先通过　Ｇａｔｏｒ导航软件对电缆的偏移进行实时监控，粗略　地判断出不同水深的洋流方向，再根据放缆时对地　形的总结，随时调节船舶的航向，在人为可控的前提　下最大限度地提高了Ｄ　的精度。　３结束语　由于节点的释放很容易受到海底地形、洋流等　外界因素的影响，我们只能在人为可控的范围内，尽　可能地提高放缆的精度。运用Ｍａｋａｉｌａｙ软件事先　模拟放缆，再结合各种影响因素，可以尽可能地提高　放缆精度。我们一直在努力了解、认识、熟悉外界因　素对放缆精度的影响并且加以利用，通过长期的不　断学习和经验积累，在提高放缆精度上取得了长足　的进步，也找到了一套在收放缆过程中维护设备的　方法，并随着知识和经验的积累，可以更加充分地应　用这套深海节点收放体系。　

参　考　文　献　１　Ｍａｋａｉｌａｙ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｃ．Ｍａｋａｉｌａｙ　ｕｓｅｒ　ｓ　ｍａｎｕａ１．　２Ｏ１Ｏ　２　Ａｎｄｒｅｓ　Ｊ　Ｍ．Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｏｃｅａｎ　ｃａｂｌｅ　ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ．１９９３　

收稿日期：２０１１—１０—１８　

（上接第８４页）　因此，旋转钻井法破碎岩石和取出岩屑都是连续的，　克服了冲击钻井的缺点，提高了钻井效率。　空气冲击钻井和本案取芯钻具钻井均为旋转钻　井法，不同的是冲击钻井是全面破碎岩石，能量消耗　较大。取芯钻井将地震勘探钻井方法从全面破碎变　成环形破碎，降低了破碎岩石所需动力消耗，减少了　能源消耗；由于能耗的降低使整套钻井设备重量降　低，减少了钻井人员的搬迁负担，降低了搬迁的安全　风险；同时，取芯钻井的工艺方法大大减少了因全面　破碎使井场钻屑尘土飞扬的场面，减轻了对钻井人　员及设备的污染，有利于减少影响人体健康的因素　和延长设备使用寿命。　３结束语　２０１１年１１月１８～２８日在长庆经理部２８４队　协助下，轻型电驱山地钻机在甘肃境内进行了野外　试验。该地区是典型的黄土塬地层，干土、老地层与　黏性的淤泥层交替出现。试验结果验证了本取芯钻　具具有接换方便、快捷，取芯容易的特点，可有效地　提高钻井速度。　取芯钻井方法使钻井动力配备从６０ｋＷ左右减　至２０ｋＷ以内，钻机整机重量减轻，可推广到陕甘宁　黄土塬、新疆及西南的风化岩山地等地区的地震勘　探钻井　由于该类地区范围较大，国内石油及其它矿藏　勘探处于加快发展的阶段，因此本取芯钻具及其钻　井方法具有较好的应用前景。