超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范.pdf
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1、第 50卷增刊2023年 9月Vol.50 Sup.Sep.2023:211-217钻探工程Drilling Engineering超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范张小平1,石绍云*2,3,梁俊俊1,李正前2,3,何定池1,杨栋2,3,张海锋1,唐治建2(1.中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510600;2.成都华建地质工程科技有限公司,四川 成都 611734;3.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734)摘要:在千米级绳索取心水平孔钻进中,开展水平孔定向纠斜及测井技术研究示范,创新形成超深水平定向钻孔绳索取心纠斜工艺技术,实现了千米级深孔的钻孔轨迹精
2、准控制;采用钻杆内水力投送物探测试设备和钻孔电视设备的工艺,有效解决了超长水平钻孔投送难、测试难、提出难三大难题,形成了小口径超长水平钻孔综合测井技术体系;成功完成孔深 925 m的水平定向钻探孔钻进任务,精准进入地质目标靶区,实现了勘察目的。关键词:超长水平孔;水平定向钻探;绳索取心;定向纠斜;测井技术;水力输送;钻孔电视中图分类号:P634;TE243 文献标识码:B 文章编号:2096-9686(2023)S1-0211-07Research and demonstration of wireline coring directional deviation correction dri
3、lling and logging technology for ultralong horizontal holeZHANG Xiaoping1,SHI Shaoyun*2,3,LIANG Junjun1,LI Zhengqian2,3,HE Dingchi1,YANG Dong2,3,ZHANG Haifeng1,TANG Zhijian2(1.China Water Resources Pearl River Planning,Surveying&Designing Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510600,China;2.Chengdu Huajian G
4、eological Engineering Technology Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 611734,China;3.Institute of Exploration Technology,CAGS,Chengdu Sichuan 611734,China)Abstract:In the drilling of kilometer level wire line coring horizontal holes,the research and demonstration of directional deviation correction and logging
5、technology for horizontal holes are carried out.The technology of full hole wire line coring deviation correction for deep horizontal directional drilling was innovated and formed,and the precise control of the drilling track was realized.Using hydraulic transmission of geophysical testing equipment
6、 and drilling television equipment inside the drill pipe has effectively solved the three major problems of difficulty in delivering,testing,and proposing ultralong horizontal boreholes,forming a comprehensive logging technology system for small caliber and ultralong horizontal boreholes.The drillin
7、g task of 925m deep horizontal directional drilling hole was successfully completed,accurately entering the geological target area and realizing the exploration purpose.Key words:ultralong horizontal hole;horizontal directional drilling;wireline coring technology;directional deviation correction;log
8、ging technology;hydraulic transportation;borehole TV0概述环北部湾广东水资源配置工程是广东省迄今为止投资规模最大、输水线路最长、建设条件最复杂、影响面最广的水利项目,属于国内居前、行业瞩收稿日期:2023-05-22;修回日期:2023-08-13 DOI:10.12143/j.ztgc.2023.S1.031第一作者:张小平,男,汉族,1981年生,高级工程师,工程地质专业,长期从事水利水电勘察工作,广东省广州市天河区沾益直街 19号中水珠江设计大厦,通信作者:石绍云,男,汉族,1966年生,高级工程师,探矿工程专业,长期从事探矿工艺技术研
9、究和探矿科研成果转化工作,四川省成都市郫都区现代工业港(北区)港华路 139号,。引用格式:张小平,石绍云,梁俊俊,等.超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范 J.钻探工程,2023,50(S1):211-217.ZHANG Xiaoping,SHI Shaoyun,LIANG Junjun,et al.Research and demonstration of wireline coring directional deviation correction drilling and logging technology for ultralong horizontal hole J
10、.Drilling Engineering,2023,50(S1):211-217.2023年 9月钻探工程目的国家重大水利工程;整个线路要穿越复杂地质条件下长距离深埋隧洞,在前期勘查过程中,为了减少钻探设备运输搬迁、钻进施工造成对生态环境的破坏,沿隧道方向设计了一个千米级的超长定向取心水平孔,要求精准查明隧道沿线以及地下厂房的地质情况,实现高效、绿色钻探的环保理念,为工程建设提供可靠的地质资料1。钻孔设计孔深 960 m,顶角 82,近似水平孔,将穿越多条断层和破碎带,施工地点植被茂盛、山路狭窄,运输车辆无法到达现场,采用轻便模块化钻机和水平绳索取心定向钻进的技术方案,在钻进过程中,进行了
11、12次定向纠斜,成功地使钻孔进入了设计靶区;该孔还实现了水力输送测井仪器和孔内电视到达孔底,利用内置的存储式测井仪器,通过匀速提钻方式测井,圆满完成各项测试任务。1工程概况1.1地层情况地层以变质砂岩为主,中粗颗粒,夹杂石英和氧化铁,呈淡褐色和灰色;钻孔要钻遇多个断层。地层陡倾,倾角 6070,岩石软硬互层,以硬地层居多,岩石可钻性 8 级以上,钻孔需穿越多条含水量高的水沟;地层裂隙发育,岩石破碎,会遇到涌水的情况。1.2孔身结构在设计超长水平孔的孔身结构时,首先要考虑的是在钻机能力允许的情况下,每一级口径的深度尽量钻进到设备的极限,确保任务的顺利实施。根据厂家提供的钻机技术指标和地层情况,该
12、钻孔设计的孔身结构为:150 mm 孔口管钻进 15 m,122 mm 口径钻进 200 m,96 mm 口径钻进至 600 m,76 mm 口径钻进至终孔960 m。钻孔孔身结构设计见图1。1.3设备、仪器、钻具配置钻孔的地理位置在山区,考虑搬迁方便,选择1000 型便携全液压模块式钻机,钻机动力由 4 台柴油机提供,总功率 132 kW;泥浆泵除了钻机配备的小功率泥浆泵外,还配备了 1 台 BW300/16 型泥浆泵,以便在造斜钻进时使用;此外还配备绳索取心钻杆和钻具、螺杆钻具、测井仪器、定向仪器等。详见表 1所示。2水平钻孔定向纠斜钻进2.1水平孔钻孔偏斜原因分析当钻进到 570 m 处
13、时,测斜发现钻孔孔底单点顶角已经达到 97,孔口至孔底的顶角为 88.17,与设计偏斜 6.17,方位角无变化。顶角虽然满足 地质岩心钻探规程(DZ/T02272010)16.1.2.2 条的要求:“通常情况下,在直孔施工中每 100 m 顶角偏斜不应超过 2,在斜孔施工中顶角不应超过 3”2。但与设计孔斜方向发生了变化,往上偏斜的趋势越来越明显,测斜数据如表 2 所示,钻孔轨迹图如图 2图 1设计钻孔孔身结构表 1设备、仪器、钻具配置序号123456789名称钻机泥浆泵测斜仪定向仪物探测井仪孔内电视螺杆钻具水平绳索取心钻具钻杆型 号1000BW300/16CAV-1存储式测斜仪KXT-CG-
14、1型轨迹测量仪LHE-2115有缆随钻测斜仪(MWD)钻孔多参数存储式综合测井仪(I型)存储式全方位智能钻孔电视5LZ73*7.0/1.25DW5LZ73*7.0/0.75DW5LZ73*7.0直螺杆PQHTWNTWPQHTWNTW数量1台1台1套1套1套1套1套1套1套1套2套2套2套200 m600 m1000 m212第 50卷增刊张小平等:超长水平孔绳索取心定向纠斜钻进及测井技术研究示范所示。为了更为精准地达到勘察目的,决定采取纠斜技术措施。在水平孔钻进中,钻机通过钻杆向钻头施加钻压,钻杆一直处于压应力状态,这是造成钻孔偏斜的主要原因,相对来说,水平孔比垂直孔钻进更容易偏斜;据不完全统
15、计,岩心钻探水平孔钻进中的方位角变化很小,但大多数的钻孔顶角要往上翘3。钻杆在孔内的运动状态是受钻孔孔身结构、钻杆钻具的组合形式、地层的稳定性、钻进的工艺技术参数(包括泥浆泵压力、流量、流速,钻的机压力、转速)等相互作用的结果。水平孔钻进中,钻具除承受重力外,还承受回转扭矩、压力、弯曲应力、离心力、涡动力、孔壁的摩擦力、孔底的碎岩阻力、岩屑偏心力、摩擦力、反作用力和反扭矩、冲洗液的压力等4。2.2水平孔定向钻进架桥灌浆技术从图 2 可以看出,钻孔偏斜出现拐点的位置在280300 m 孔段,因此确定造斜起点在 280 m 处,水泥架桥封孔段为 250330 m。使用 NTW 钻杆对钻孔进行灌浆,
16、建造人工孔底。2.2.1灌浆前的准备工作涌水水平孔的架桥灌浆难度大,将会出现的问题有以下几方面:一是水泥浆容易被涌水稀释,造成水泥强度不够;二是钻孔的上半圆灌浆不饱满;三是替浆不彻底,钻杆里的浆液不会像垂直孔那样靠水泥浆的自重全部流出钻杆;四是上漂的钻孔灌浆后浆液会回流到低处。必须充分做好准备工作,精确计算水泥量和替浆量,严格按照规程操作,保证灌浆架桥质量。(1)测斜。采用 KXT-CG-1型陀螺钻孔轨迹测量仪精确测量钻孔顶角和方位角。(2)提出孔内钻杆和套管。灌浆前提出孔内HTW 钻杆和 PQ套管,并清洗钻孔。(3)加工木楔子。木楔子外径比钻孔尺寸小 1 mm,如果尺寸过大,木楔子下放过程中
17、遇阻,将下不到指定位置,如果尺寸过小,木楔子会受涌水压力影响而不能固定。(4)盛水容器准备。准备 3 m3和 5 m3的两个塑料水桶,在桶的外沿做好刻度线,便于准确掌握搅拌水泥浆的用水量和顶替水的用量。(5)连接泥浆泵管路。连接好 BW300/16 型泥浆泵的高压管和吸水管并运行试机,确认设备正常。(6)计算水泥量和用水量水泥浆量计算:HTW钻孔灌浆长度 80 m 的体积为 580 L,孔内损失和孔内涌水的稀释损耗按经验数据 1.2 倍计算,因此一共要配置 696 L的水泥浆。采用 P.O42.5 水泥,水灰比为 0.5(质量比),按图 2钻孔偏斜轨迹表 2纠斜前测斜数据序号123456789
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