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2024,51(5):1-11, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.001
Abstract:
随着深部矿产资源的勘探开发与利用的不断发展，孔底环境更加复杂，孕镶金刚石钻头作为地质钻探的专用工具，复杂的深部硬岩地质环境对孕镶金刚石钻头性能也提出更高的要求。孕镶金刚石钻头的碎岩效率及寿命与其碎岩单元性能息息相关，本文对深部硬岩钻进中孕镶金刚石钻头的钻进磨损响应研究现状进行综述，目前研究还不够完善，仍需进一步开展微观深入分析，厘清响应机制。在此基础上，讨论了近年来碎岩单元的创新设计进展，重点从胎体内部结构强化及异形孕镶唇面结构等方面总结分析不同强化方式对切削单元强度、磨损量、钻进效率的影响，研究结果表明确实可以有效提高深部硬岩孕镶钻头的切削效率和工作寿命。从延寿增效的角度讨论了适用于深部硬岩钻进的孕镶金刚石钻头碎岩单元强化方向，为深部地质钻探用孕镶金刚石钻头的设计与制造提供参考。
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刘姝, 李文杰, 李莉佳, 罗永江, 陶瑞, 李晓璇, 杨亚会
2024,51(5):12-23, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.002
Abstract:
天然气水合物是一种储量巨大的固态清洁能源，因此被认为是传统化石燃料的接替能源而备受关注。由于其赋存于低温、高压的海洋及冻土环境中，采用经济、高效的方法将天然气从天然气水合物储层中开采出来是实现天然气水合物商业开采的关键。根据实验室研究、数值模拟和现场试验等方面的研究现状，本文分析了降压法、注热法、注化学抑制剂法、CO2置换法、联合法等方法的开采效果，并对各种方法的优点和局限性进行了论述。已有的开采方法主要受到储层渗透率低、导热性能差等限制，未能实现长期连续产气。针对以上问题，提出储层原位电阻加热法提高热利用率；并认为水力压裂増透技术是提高储层渗透率以辅助降压法等开采方法实现高效产气的一种有效措施；关于水合物开采可能导致储层失稳等问题，认为利用CO2置换法可以加固储层，并且通过超临界CO2喷射技术能够提高CO2置换率。
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高科, 刘正豪, 秦小琳, 闻育民, 张宗正, 李旭, 赵研
2024,51(5):24-35, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.003
Abstract:
随着地下浅层资源的逐渐枯竭，人们逐渐向地下更深部位寻求能源。为应对钻井过程中地下岩层的恶劣环境，提出自平衡钻进系统和仿生自行走钻具给进系统，将压力驱动装置移至地下。本文为解决自行走钻具给进系统中支撑机构的增效问题，通过分析蜣螂头部表面非光滑结构对自行走钻具给进系统增阻机构表面进行仿生设计，并对其增阻性能以及对井壁的损伤进行了模拟仿真分析，同时对其摩擦磨损性能进行了实验测试，研究了不同仿生结构的增阻及减小磨损的效果。结果表明：蜣螂头部凸包间距与直径的比值在1.50左右，中间部位凸包的直径与对应蜣螂头部长度的比值在1∶142~1∶133，且在1∶138附近出现的概率较大，两边凸包的直径与对应蜣螂头部长度的比值在1：173~1∶158之间，且在1∶167附近出现的概率较大，中间部位凸包所占比例在45%左右，两侧所占比例基本相同；仿生结构设计的间距与直径比值在1.50附近时，有良好的增阻效果；相同凸包直径条件下，间距越大，对井壁的损伤越大；正三角形排布为仿生单元增阻效果最佳的排布方式，矩形排布会增大对井壁的损伤，同时降低增阻效果；同心圆形排布对井壁的损伤最大，增阻效果最差。
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陈晓君, 宋刚, 王诗竣, 韩泽龙, 赵明, 张欣, 田英英
2024,51(5):36-43, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.004
Abstract:
针对大洋钻探硬岩取心钻具钻进效率低、取心效率低等问题，本文介绍了中国地质科学院勘探技术研究所研制的?185 mm规格中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的基本研制情况及陆地试验情况。研制过程中，通过理论计算和Ansys Workbench有限元仿真模拟，对中空式螺杆马达螺旋线型的结构进行了优化设计及动力学分析，并对万向节进行了受力安全分析，优选了材质，钻具攻克了多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节等关键技术，通过在陆地开展花岗岩块取心试验，验证了该取心钻具原理样机工作性能的可行性，为该钻具的工程应用提供了工作参数指导及匹配钻头的优选，也可为我国大洋钻探及深地科学钻探提供硬岩取心技术支持。
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2024,51(5):44-51, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.005
Abstract:
大洋钻探是从事海洋能源资源勘探开发和地壳构造演化研究的主要手段，常面临复杂海况扰动大、海底地层不确定性强等问题。本文提出一种大洋钻探过程钻速在线区间预测方法，以微型钻探船室内模拟实验为例开展方法的验证工作，为工程化应用奠定重要基础。首先，运用数据重采样、数据时深匹配、数据滤波等方法对多源大洋钻探数据进行预处理。其次，引入极限学习机、粒子群优化等方法建立钻速点预测模型。再者，利用非参数估计方法构造置信区间，建立钻速区间预测模型，并开展钻速区间预测。最后，通过滑动窗口方法在线更新区间预测模型参数，实现模型的在线学习和优化。微型钻探船室内模拟实验的对比结果验证了所提方法具有很强的钻速预测能力和鲁棒性，为大洋钻探过程钻速优化控制提供了新的工程解决方案。
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秦如雷, 陈浩文, 李云军, 高洁云, 和国磊, 许本冲, 殷国乐, 梁楠, 宿向辉, 刘欣, 秦博文
2024,51(5):52-57, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.006
Abstract:
深海钻探泥浆举升系统在无隔水管泥浆循环钻井（RMR）工艺中具有关键作用。为了提升举升系统的安全余量和适应性，本文对多泵串并联机制进行了深入研究，详细描述了泥浆举升泵的串并联结构设计和工作原理，探讨了串联和并联运行时流量与扬程的关系以及泵组串并联工况点的数解法和图解法步骤。进一步地，利用模型泵实测特性曲线，使用图解法获取了双泵串并联工况下的Q-H特性曲线和工况点，并提出了双泵协同控制的建议。
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2024,51(5):58-66, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.007
Abstract:
在极地开展冰下基岩取心钻探，对研究冰下地质构造、揭示冰盖演化历史、评估未来气候变化等均有重要的意义。在极地冰下基岩钻探过程中，钻井液在孔底循环后温度可能升高至0 ℃以上，进而在上返过程中融化冰孔孔壁，导致井壁失稳，甚至引发卡钻事故。为此，有必要研发极地钻井液冷却系统，在地表将钻井液冷却至较低的温度后再注入孔内，进而使钻井液在循环过程中始终保持在0 ℃以下。换热器是钻井液冷却系统的核心部件。本文选用板式换热器做为钻井液的换热部件，采用平均温差法确定了板式换热器的换热面积和基本参数，然后使用COMSOL Multiphysics 6.0软件对板式换热器的换热性能进行了数值模拟。研究结果表明，该换热器可将钻井液冷却至-4~-3 ℃；此外，模拟结果表明，钻井液的出口温度随载冷剂注入温度的降低和载冷剂流量的增大而降低；钻井液的类型对换热器的换热性能有较大影响，而换热板片的材质对换热器的换热效果影响不大。
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邓盈盈, 孙平贺, 夏余宏烨, 徐勇, 蒲英杰, 张鑫鑫, 张晨, 张航盛, 张绍和
2024,51(5):67-76, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.008
Abstract:
裂隙性地层存在的裂缝型漏失通道通常具有多尺度特性和不确定性，钻井液漏失问题在裂隙性地层进行地质钻探施工中尤为突出。剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid， STF）作为一种新型智能材料，具备自感知、自适应和自修复等优良特性，目前已在多领域得到广泛应用。本研究将剪切增稠流体作为一种堵漏材料，通过API堵漏仪单缝管封堵试验，探究了剪切增稠流体在不同分散相浓度（56.9vol%、59.2vol%和61.7vol%）、缝宽（1、2、3、4、5 mm）和压力条件下对裂缝的封堵特性。封堵试验结果表明：漏失量会随着缝宽和时间的增加而增加；纳米SiO2浓度在56.9%~61.7%范围内增加时，会降低漏失速率并减弱缝宽对漏失速率的影响程度；当漏失压力为0 MPa时，剪切增稠流体不产生增稠效应，以液态形式从缝内漏失，压力小幅度增加时会激发其增稠效应，产生团聚状颗粒对缝管进行封堵降低漏失速率；当压力进一步增大超过封堵层承压能力时，剪切增稠流体以板状形态被挤出裂缝。研究剪切增稠流体在堵漏领域的应用，有望为裂隙性地层堵漏提供创新解决方案。
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2024,51(5):77-84, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.009
Abstract:
在钻探施工条件的极端化和新一代信息技术发展引起的产业变革的双重影响下，钻探技术的智能化成为了钻探技术发展的必然趋势。文章聚焦于基于随钻关键参数的岩体智能识别这个最为关键的智能钻探难题，对基于钻进过程的不取心原位岩体测试技术进行综合阐述，最后对钻探工程的智能化发展进行展望。通过综述目前在该领域的最新技术和研究进展，提出了随钻过程-物理多模态信息深度融合的全新识别体系，以期实现钻探过程的岩土体智能识别能力，提高重大基础设施工程勘察质量和效率。
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2024,51(5):85-92, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.010
Abstract:
干热岩储层水力压裂形成复杂缝网对于建设增强型地热系统（EGS）至关重要。为了深入认识干热岩储层水力裂缝扩展机制，揭示工程参数和地质参数对水力裂缝扩展的影响规律，本文以青海共和盆地某干热岩储层为研究对象，基于扩展有限元（XFEM）数值模拟软件ABAQUS展开研究，建立现场尺度的干热岩储层模型，实现热流固耦合分析水力裂缝的扩展机制。结果显示：正断型应力状态下，裂缝发生了很明显的朝向Z轴的转向，走滑型应力状态下，裂缝扩展主要沿水平方向，有轻微倾向于Z轴转向的趋势，逆冲型应力状态下，裂缝沿水平方向扩展；随着弹性模量的增大，裂缝的起裂压力减小，裂缝延伸的注水压力也减小，弹性模量越大裂缝起裂的时间越早，泊松比越大水力裂缝的破裂压力越大，破裂压力整体呈现出正断型>走滑型>逆冲型；随着温度的升高，水力裂缝破裂压力减小，大约降低2~3 MPa左右，3个应力状态下都呈现出相同的趋势。本文丰富了干热岩水力裂缝扩展的数值模拟手段，相关研究成果可为干热岩储层中水力压裂扩展预测与不同参数对其的影响分析提供技术支撑。
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叶辉兵, 张所邦, 胡胜华, 洪毅, 刘航铭, 陈维保, 梁五宝, 万宇航
2024,51(5):93-100, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.011
Abstract:
地热井开采过程中井筒热流体造成的瞬时高温条件下，对套管的力学性能有较大的影响。本文基于套管-水泥环-地层岩石稳态热传导数学模型计算井筒温压场，建立中深层地热开采放热与套管相互作用力学评价的数学模型，并对地热开采放热对套损的影响进行有限元计算和试验模拟，得到以下结论：在地热开采井筒放热作用下，使套管产生了较大的椭圆度，削弱了套管的抗挤强度。当内压达到90 MPa、套管内温度为30 ℃时，在地层径向压力不等的情况下，内壁面应力分布极不均匀，应力最大差值为560 MPa，应力沿周向分层分布，受到地层径向压力大的一侧出现大范围的应力集中区域。随着温度的升高，套管的位移云图变化不大，最大位移值略有增加。当温度达到120 ℃后，套管处于较为恶劣的热力环境，热应力的变大导致套管塑性变形严重，同时内压增大到120 MPa时，套管内壁整体呈高应力状态，更易导致壁面出现塑性破坏。研究成果对研究地热开采放热对套损的影响规律，对评估套管的受力环境、水泥环强度、水泥环微间隙宽度等参数提供指导意义。
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2024,51(5):101-107, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.012
Abstract:
新一轮找矿突破战略行动对钻探技术提出更高要求，利用浅钻技术在浅覆盖区进行快速查证是重要的技术手段。多工艺钻探可以为复杂地层钻探施工提供绿色高效的钻探技术支撑。围绕这一需求研制了TGQ-200RC型多工艺自动化钻机，制定了钻机的总体方案，研制了多工艺动力头、夹持拧卸装置、6自由度移摆管机构、车装集成式液压储杆库、电液控制及参数监测系统等钻机主要部件，规划了自动加减钻杆过程中多机构协同动作控制流程。实钻试验表明，TGQ-200RC型钻机钻进效率高，取样质量好，具有多工艺、机动化、自动化、数字化等特点，单次自动加减钻杆平均用时约90 s，配合无线遥控可实现孔口无人操作，有效降低劳动强度，提高施工安全性。TGQ-200RC型多工艺自动化钻机可以为构建绿色、高效、经济的快速查证钻探技术体系提供坚实支撑，为推动国内浅层钻探装备自动化升级提供有益借鉴。
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2024,51(5):108-114, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.013
Abstract:
随着近年来矿产资源勘查要求的提高，岩心钻孔的深度及地层复杂性也不断加大，为能精准的钻遇靶区矿体以实现地质目的，对钻孔轨迹控制的要求越来越高。雪峰弧构造带部分工作区地层倾角大、软硬交替频繁、地层破碎，实际施工中地层造斜情况严重，随着孔深增加导致终孔轨迹与靶区矿体偏差较大，影响矿产资源勘查的精度和质量。通过对该工作区地层造斜情况的深入分析，在ZK1001钻孔绳索取心钻进施工中采用初级定向孔技术和满眼钻具工艺，大幅度提高了钻孔孔身质量，较好地实现钻孔轨迹控制。并通过试验不同的岩心钻具组合，提出了满眼钻具组合的优化意见和建议，为工作区岩心钻孔轨迹控制提供技术参考。
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王鹏飞, 郭曜欣, 翟育峰, 王鲁朝, 杨芳, 宋宝杰, 王修晖
2024,51(5):115-121, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.014
Abstract:
小秦岭金矿田3500 m特深孔（ZK001孔）位于河南省灵宝市，是小秦岭构造带上深部探测的第一口全孔连续取心特深钻孔，该钻孔地层岩性十分复杂，软、硬、碎地层交互出现，护壁极其困难，钻进中伴随孔壁坍塌、掉块、水化分解造浆、高地应力断层泥缩径和微裂隙失水等多种复杂工况。本文针对地层变化调整冲洗液体系，上部采用低固相冲洗液，下部采用低固相聚合物防塌冲洗液体系，不断优化冲洗液配方，及时维护调整性能参数，有效解决了孔内各种难题。为小秦岭地区提供了一种可靠的深孔岩心钻探冲洗液技术。
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2024,51(5):122-129, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.015
Abstract:
川马页1井为部署在四川省马边地区的一口页岩气参数井，该井在钻进至3437.58 m时出现井内复杂，在第一阶段处理无果后对其进行了注水泥封井。针对川马页1井的复杂情况，提出了三开裸眼段侧钻方案。在分析了近钻头位置侧向力影响因素的基础上，结合实际情况优选了侧钻点、侧钻方式和侧钻钻具组合，确定了侧钻技术措施。经过2次侧钻施工，克服了邻井资料缺乏、侧钻深度大、地层复杂易垮塌、侧钻井段井温高、地层强度高、原井眼井斜小、侧钻方位限制等施工难点，最终侧钻出新井眼并钻达预定井深。为该地区后续钻井施工与复杂处理提供了借鉴。
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2024,51(5):130-137, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.016
Abstract:
井筒岩屑床堆积是制约水平井安全高效钻井的主要因素之一，研究表明环空钻井液螺旋流动能够有效提升岩屑清除效率。为此，应用CFD数值模拟与实验的方法设计了一种能够产生环空螺旋流的岩屑床清除工具并进行了现场应用，结果表明：V形叶片对岩屑运移的促进效果及对岩屑床的扰动能力均要强于螺旋形和直棱形叶片，是产生环空螺旋流的首选结构形式；V形叶片的叶片长度存在最优区间，叶片高度越大效果越好，叶片数量影响较弱；现场应用表明岩屑床清除工具在强度、硬度及叶片耐磨性均满足页岩气水平井现场作业要求，工具可随钻破坏并清除岩屑床，结合起钻过程中对岩屑床堆积重点井段进划眼作业，可将顽固性大颗粒岩屑床破坏清除，有效改善井眼清洁效果。
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2024,51(5):138-144, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.017
Abstract:
煤矿定向钻杆在孔内受弯曲、扭转、振动及拉压等各种载荷作用，施工过程中经常出现钻杆断裂事故，应力集中是造成钻杆断裂的重要原因之一，研究钻杆接头螺纹的应力分布对预防钻杆断裂具有重要的意义。本文以电阻应变测量为基础，搭建定向钻杆全尺寸实物应力测试实验平台，对钻杆接头进行了拉伸应力实验，并将各个实验数据绘制成应力分布曲线。研究结果表明：钻杆公接头应力大于母接头应力，公接头和母接头的最大应力均在齿3的位置。通过应力分布趋势和各齿应力值的方式验证了仿真模型的正确性，提供了一种验证钻杆仿真模型正确性的方法。本研究的实验数据和应力分布曲线为钻杆有限元仿真提供了可靠的数据支撑。
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童召军, 刘恒, 栾宝琨, 乔洪国, 姜珊, 张海, 韩海亮
2024,51(5):145-153, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.018
Abstract:
随着我国对深部地质资源勘探开发的不断深入，深部矿藏已成为地质找矿工作的重点。在深部找矿钻探过程中，高陡构造地层直井段保直问题，是一直困扰钻井技术人员的一个主要难题，严重影响深部矿藏的勘探效率。在易发生井斜段，单弯双稳螺杆钻具是最常用的防斜纠斜钻具组合。本文基于纵横弯曲梁法和平衡趋势原理建立底部钻具组合力学模型，通过模型分析各个因素对纠斜能力的影响规律，结合正交试验设计方法，确定主控因素；最后，基于多目标优化理论，建立防斜打快钻井控制参数多目标优化方法，获取最优参数组合。基于上述研究，形成一套防斜打直优化设计方法，提高高陡构造地层直井段钻探效率，推动深部矿藏的高效、低成本钻探和开发。
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2024,51(5):154-162, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.019
Abstract:
广西苗儿山地区铀矿找矿潜力巨大，但局部地区地层复杂，存在大厚度水敏性地层及破碎地层，钻探施工中频繁遇到孔壁坍塌及钻孔超径等难题，导致孔内事故频发，严重影响施工进度。因此，对该地区水敏性岩心进行了矿物成分和微观特征分析，分析结果表明水敏性地层含有大量蒙脱石、高岭石、水云母等粘土矿物，且微裂隙发育，水化膨胀严重。针对以上问题，通过室内实验评价，优选了新型成膜护壁材料，进一步研制了护壁性良好的成膜护壁冲洗液体系，其最优配方为：5%成膜A剂+3%成膜B剂+1.5%改性沥青+1%随钻堵漏剂+1%封堵剂+0.6%增粘剂+0.2%包被剂。该冲洗液API滤失量为5~8 mL，相对膨胀降低率达到87%以上，可有效抑制水敏性岩心水化膨胀，护壁效果明显。该技术在苗儿山地区3个试验钻孔成功应用，顺利钻穿水敏性地层，未发生岩心分散、孔壁坍塌等问题，取得了良好的应用效果，初步形成了针对该地区水敏性地层的成膜护壁冲洗液技术。
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2024,51(5):163-168, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.05.020
Abstract:
华北平原某地铁区间风井盾构接收端头所处地层从上到下主要为粉质粘土、粘质粉土、粉细砂，且地下水位高，流动性强。接收端头经高压旋喷注浆加固后水平探孔发现仍然存在涌水涌砂风险，盾构机刀盘在破除洞门时极易发生洞门间隙处涌水涌砂。为保证盾构机顺利贯通出洞，采取地表袖阀管注浆的方式，采用GX改性硅灌浆料固结粉细砂，对区间风井接收端头富水粉细砂地层进行针对性的补强注浆加固。经过处理后盾构顺利出洞，未发生涌水涌砂。
2024年第51卷第5期
综述
支撑新一轮找矿突破战略行动专题
钻探技术与装备
工程实践与应用
地学科普
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绳索取心近钻头随钻测量系统设计与试验
Abstract:
传统的随钻测量方法应用于取心钻探时,受限于岩心管对泥浆脉冲传输通道的堵塞,随钻仪器安装于取心钻具后方,导致测量仪器与钻头之间存在较大距离,造成测量的轨迹及工况数据存在滞后性,影响钻探工艺及轨迹的精确控制。本文针对此问题,提出了适用于绳索取心的近钻头随钻测量系统,利用近钻头发射端实时采集工况及轨迹数据,采集到的数据经甚低频电磁波发送到与取心钻具内管总成相连接的接收端进行存储,待取心完毕打捞岩心管时将仪器提出进行数据读取。文中介绍了系统的整体方案及电路设计,详细的试验结果表明系统可在井下进行跨取心钻具的近钻头信息传输,且无线短传距离可达8 m。研究成果可为近钻头随钻测量系统的相关研究人员提供一定的借鉴。
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油页岩储层改造技术研究进展
Abstract:
油页岩储层是一种富含有机物的沉积岩，我国已探明的油页岩资源储量位居世界第三位，实现油页岩资源的商业化开发是保证我国能源安全的重要举措之一。油页岩原位转化法具有绿色环保、占地面积小、可开发深部油页岩资源的优点，是实现中深层油页岩资源高效开发的重要技术手段。文章介绍了水力压裂技术、超临界二氧化碳压裂技术、酸化压裂技术、清水压裂技术在油页岩原位开采过程中的应用情况和研究成果，并对比了四种储层改造技术的优缺点。同时，重点阐述了目前油页岩水力压裂技术在实验研究、数值模拟及先导试验研究方面的应用及进展。最后,论述了目前油页岩储层改造技术的不足与未来发展方向。
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基于快速堵漏阀的多漏层不起钻堵漏技术研究及应用
Abstract:
川渝地区裂缝、断层、不整合接触的弱面结构及多压力体系等复杂地层因素,导致同一裸眼段多层、多机理漏失频发。为了解决传统更换组合堵漏模式下大粒径堵漏材料泵送通道建立慢,堵漏耗时长,以及现有堵漏工具稳定性差,现场应用受限等难题,以地面投球切换流道,快速建立堵漏通道的工作原理,研制出一种允许大粒径堵漏材料通过的可重复开关快速堵漏阀。通过工具尺寸、滑套结构、球座结构、球篮及工作球组结构特异性优化设计,增强工具结构稳定性同时匹配井漏高风险段井眼尺寸及堵漏材料性能需求,允许通过堵漏材料粒径≤10mm,允许堵漏浆浓度≤40%。基于长裸眼段不同井漏特点,以钻具组合中配置快速堵漏阀为核心,形成了单趟钻分次钻遇不同漏点多次堵漏、多漏点同时漏失分段堵漏方法,可实现不起钻最多5个漏层堵漏。现场试验提高堵漏作业时效74%,降低了堵漏成本。
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定向钻进连续取心钻具设计及取心参数仿真分析
韩泽龙, 李小洋, 施山山, 王瑛俪, 周庆权, 马银龙, 田英英
Abstract:
在战略性矿产资源勘探取样过程中,传统的垂直孔面临着单孔投资高、获取地质信息有限等难题,无法满足高效增储勘探的需求。为此,基于绳索取心和定向钻井技术,设计了一种定向钻进连续取心钻具,能够高效精准的获取地下三维空间的地质岩心。针对该技术在硬岩中钻进效率低、钻具易折断、岩心难以连续获取等技术难点,采用仿真模拟的方法分别研究了钻压、转速、造斜率对定向取心钻进的影响。仿真分析结果表明,钻压、转速与钻进速度、造斜率和弯接头应力成正比,当钻压大于30 kN、转速大于230 r/min时即可满足6°/30 m的造斜需求。综合考虑钻具使用寿命,优选钻压为25~30 kN,转速为230~300 r/min。随着造斜率增大,岩心与岩心管之间的接触应力也随之变大,但最终的接触应力会保持在稳定范围内。当造斜率为9°/30 m时,最大的接触应力为514.7 MPa,均小于岩心管材质的屈服强度。上述仿真模拟为定向钻进连续取心钻具的钻进参数与造斜能力协调优化提供理论支撑。
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岩溶地貌区浅层孔隙压力剖面的构建与钻探工艺探讨
孟祥龙, 李大勇, 王胜建, 迟焕鹏, 朱迪斯, 岳伟民, 张家政
Abstract:
摘 要：岩溶地貌区浅部地层钻探过程中发生大量漏失、涌水等复杂情况，地层中广泛发育的缝洞网络形成了流体运移通道，而钻井液和地层水之间的压差也是重要的影响因素，常规孔隙压力预测方法无法对浅层孔隙压力实现有效表征。为探索岩溶地貌区浅层孔隙压力的实际分布情况，基于水文地质学和流体力学原理，构建了基于地下水实际分布的浅部地层孔隙压力剖面，并利用黔西探井钻探实例验证了剖面的有效性，结果表明岩溶地貌区浅层存在多个压力分区且与地下水的分布密切相关：地下水位以上为无孔隙压力；潜水层孔隙压力的计算应以地下水面为基线，是典型的低压区；承压水层的孔隙压力取决于补给区与排泄区位置差异，可能表现为高压、低压或常压。分析了堵漏材料、清水钻进及空气潜孔锤钻井在岩溶地貌区的适应性，建议在钻井设计中充分利用水文地质资料构建浅层压力剖面，据此选择钻井工艺或钻井工艺组合并确定一开次钻井深度，以避免钻井复杂情况，提高钻探效率。本研究能够为岩溶地貌区钻探工程设计与实施提供参考。
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双聚防塌冲洗液在覆盖层钻探中的应用
Abstract:
在河南驻马店地区覆盖层钻探过程中，钻遇第四系粘土层、砂质泥岩、松散砂砾岩和泥岩不等厚互层，钻孔护壁难度大，容易发生掉块卡钻、塌孔埋钻等事故，取心困难。根据地质地层情况及区内钻孔施工资料，采用双聚防塌冲洗液。通过双聚防塌冲洗液的现场试验应用，在长孔段裸眼提钻取心钻进过程中，孔壁稳定性较好，未发生掉块、坍塌等现象，岩心采取率满足地质设计要求，减少了套管下入深度，节约了施工成本。
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CDH-125型无阀气动潜孔锤冲击系统动力学特性分析
Abstract:
本文针对CDH-125型气动潜孔锤冲击动力学过程进行研究，对无阀配气活塞运动过程中的受力状态进行了准确的分析，进而基于有限差分方法，对潜孔锤工作过程中的热力学以及动力学微分方程组进行迭代求解，得到潜孔锤活塞以及气室的动态工作特性，如：活塞位移和速度之间的相对关系，前、后气室的压力、温度交换关系等；应用多物理场仿真软件SimulationX对有限差分法求解结果进行对比验证，活塞冲程最大速度相差3%，回程最大速度相差19%，工作频率相差2%。基于上述结果，进一步对活塞与内缸之间气体黏性摩擦力进行计算与分析，结果可知：与无黏流体理想情况下进行对比，单一工作周期内黏性摩擦力使潜孔锤工作频率降低0.18%，使活塞的冲程最大能耗增加0.05-1.34J/次，黏性摩擦力对潜孔锤动态性能的影响不可忽略。
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潜孔锤钻头PDC球形切削齿失效分析
Abstract:
空气潜孔锤钻井技术作为地热资源勘探与开发的关键技术之一，其效率和效果在很大程度上取决于潜孔锤钻头的性能，尤其是PDC球形切削齿的质量和寿命。针对目前空气潜孔锤钻头钻进中切削齿出现断裂、脱落以及磨损严重导致的钻进效率低、使用寿命短等问题，本文对PDC球形切削齿进行宏观和微观分析，探究其失效原因和失效机理，并针对性地提出相应改善措施。研究结果显示：PDC球形切削齿的主要失效形式为齿的断裂、磨损及脱落。切削齿失效的主要原因是由于冲击破岩过程中切削齿同时受到切向冲击压缩和法向拉伸应力而造成损伤，同时切削齿材料本身的性能较差、金刚石层与硬质合金基体两相结合强度不高也是失效的重要原因。为了提高PDC球形切削齿的性能和使用寿命，可以通过优化钻井参数和调整外部作业条件来减轻切削齿的应力负担。此外，对PDC球形切削齿的材料配方、结构设计和制造工艺进行创新和改进，也是提升其抗冲击能力和耐磨性的有效途径。通过这些综合性能的改进措施，可以有效提升PDC球形切削齿的可靠性，进而提高潜孔钻井的作业效率和钻头的使用寿命。
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连续循环短节结构设计与分析
崔淑英, 陈晓君, 陈根龙, 赵明, 田英英, 张欣, 韩泽龙
Abstract:
连续循环短节可在停钻时保持钻井液连续循环,能有效解决孔底沉渣、井底压力波动等,尤其适合海域油气水平钻井工程。本文设计了一种连续循环短节,介绍了短节结构及工作原理,并对极限工况下的短节本体强度进行了受力分析和结构优化设计,优选了本体安全系数大于1.5倍的旁通阀侧开孔；对旁通阀进行了有限元受力分析,从应力分布和密封比压两方面综合分析,得到了密封副半锥角和阀芯板厚度变化对旁通阀受力和密封效果的影响规律,优选出了密封副半锥角和阀芯板厚度,并对优选结构参数的连续循环短节进行了旁通阀密封测试和本体强度测试,证明短节强度和密封性能均满足实际使用需求。
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地热储层类型与损害机理研究
Abstract:
常规油气储层损害机理研究比较成熟,而地热储层类型划分与损害机理研究至今尚未引起人们的关注和重视。目前,在地热资源勘查开发中仅出现砂岩热储和岩溶热储2种类型的概念。由于储层概念和类型的含糊不清,从而造成了钻井方法、钻井液选择不当和资源评价失真现象。在热储层损害机理和损害程度评估方面,更是没有规范要求,使地热完井工序缺失,最终导致水量小、温度低,甚至报废等问题。本文在大量地热资源勘查工程基础上,针对目前存在的突出问题,借鉴常规油气储层研究成果,着重从地热储层类型划分和热储层损害机理2方面进行了分析研究。研究表明：①地热储层按照孔隙型、裂隙型、溶洞型和复合型4种模式划分,可以使钻井方法、钻井液选择和资源评价更加合理和精准。②热储层损害表现方式主要是空隙堵塞或储层结构破坏。其中,钻井液侵入和井内压力液柱静、动压力是热储层损害的主要因素,也是不可避免普遍存在的问题。
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超长水平定向预注浆钻孔施工技术探讨
王义红, 杨增智, 邵东梅, 王朝阳, 李龙标, 常喜顺, 陈晓君
Abstract:
水利工程的长大、深埋隧洞沿隧洞轴线往往存在大范围破碎带及富水区域，采用地面超千米水平定向钻孔进行预注浆超前治理，达到了良好的围岩加固和涌水封堵效果，使该项技术在水利行业得到了成功应用。本文介绍了某项目使用螺杆钻具钻进超长水平定向预注浆钻孔的成功经验，探讨了超长水平钻孔排粉困难、应对“托压”问题、强磁场干扰随钻测量系统、绿色勘探的措施，以及作业中钻机适应性不够、硬岩钻进效率低、注浆影响钻进等问题及解决措施。项目施工4个主孔、6个分支孔，最长钻孔1427m，钻探工作量8737.89m。项目的实施证明，目前定向钻进技术具有长距离精准钻进能力，能为超长隧洞复杂地层预注浆超前处理和相关钻探工程提供保障。
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基于粒子群优化的融合特征选择钻速预测模型研究
Abstract:
传统的钻速预测模型经常受到数据维度过高和特征相关性等问题的制约,导致钻速预测效率和精度受限。为了解决这些问题,本文提出了一种基于粒子群优化(PSO)的融合特征选择钻速预测算法模型。在数据预处理的基础上,首先以三个关键参数threshold_1、threshold_2和threshold_3为优化目标,通过结合历史数据和粒子群优化算法构建适应度函数,从而建立钻速预测模型。接着,使用实际钻井数据对所提出的钻速预测方法进行验证,并与传统的机器学习算法模型进行对比实验。实验结果表明,所提出的粒子群优化融合特征选择算法在特征选择方面具有更高的效率和准确性,使用优化后的融合特征优选结果所训练的4个机器学习钻速预测模型精度相较于优化前分别提升了59%、1%、3%和1%,相较于使用全部特征所训练的模型分别提升了24%、2%、4%和3%。本文为钻井工程中提取到的特征参数过多时提供了一种有效的特征选择方法,并对特征选择算法在工程领域的实际应用具有一定的指导意义。
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PVA改性PLA纤维复合地热暂堵水泥的研制及性能表征
Abstract:
裂隙发育地层更易获得较好的地热水源补给，钻探中的严重漏失需要采用水泥进行封堵，但这容易造成储层损害问题。本文基于可降解纤维研制了地热暂堵水泥，该材料在钻井过程中渗透率较低，起到护壁堵漏作用，完井后部分降解为地热流体产出提供通道。在PVA覆膜PLA纤维（PVA-PLA）的制备、改性及表征的基础上，探究了改性纤维对水泥浆性能及高温热水浸泡前后固结水泥石性能的影响规律及机理。结果表明：通过覆膜、热处理和硅烷改性的方式，可实现对聚合物纤维降解性能的调控；PVA-PLA纤维水泥石的60℃抗压强度最大为19.8MPa、90℃浸泡后的孔隙率最高为28.88%，最符合低温堵漏、高温解堵的要求；60℃下PVA覆膜减少了PLA与水泥基质接触，90℃热水浸泡过程中PVA膜溶解、PLA暴露在水泥碱性环境下被水解消耗，从而在水泥石中形成较多>200nm的孔隙。低温下PVA-PLA纤维保持完整与水泥石共同堵漏，高温下纤维降解在水泥石内部形成通道而解堵，可在支撑破碎孔壁的同时，实现高温水热条件下对地热井的部分解堵。
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基于截齿切削试验的旋挖钻具布齿规律研究
Abstract:
旋挖钻机施工过程中，岩石钻进效率与筒钻布齿方式密切相关。采用截齿切削试验系统，对筒钻关键布齿参数进行研究。采集试验过程的三向荷载、破碎体积、变形位移、破碎形态等数据。从破碎比功、切削阻力、荷载波动及截齿自旋等多个维度，应用控制变量法进行截齿切削试验，定量评价切削角、齿偏角、切削顺序、齿尖高度差和齿尖轨迹间距等参数对岩石切削的影响。研究表明：存在与地层性质匹配的最优布齿参数组合，以钻进花岗岩地层为例确定了最优布齿参数范围，分别为：切削角68~72°，齿偏角5~15°、跳跃式切削、齿尖高度差3 mm左右、齿尖轨迹间距30 mm左右。根据试验结果进行了筒钻设计和工程验证，钻进效率比普通筒钻提升13.64%，单位进尺成本降低39.13%。研究成果对指导截齿筒钻布置、降低钻齿损耗、提高岩层钻进效率具有重要意义。
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深部含层理弱面储层井壁失稳力学研究进展
Abstract:
深部储层气藏资源储量丰富,但由于复杂的地质条件,如孔裂隙以及裂缝发育,层理弱面的存在等因素致使井壁失稳一直阻碍深部油气藏安全高效开采,井壁失稳导致的卡钻,井塌,井漏等一系列问题会给工程带来巨大损失,因此全面了解井壁失稳机理及研究进展十分重要,本文从井壁稳定性出发,从力学机理及发展历程进行总结。研究发现：层理弱面发育,多因素地应力,岩石物理力学参数,孔隙裂缝存在等因素是导致的力学强度弱化,深部储层井壁失稳的主要影响因素。对于含层理弱面地层,井壁失稳更加明显,不同倾角下的岩石力学强度存在巨大差异,沿层理面间岩石更容易发生水化膨胀,需合理优化钻井工程参数以及钻井液密度。本文较为系统对井壁稳定性力学及相关方面的研究进行了归纳,以便更好的深了解深部储层井壁稳定性力学机制,为实际生产与工程实际提供参考。
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基于组态王与PLC的深水压力模拟测试系统的设计
Abstract:
在深海钻探中,深水仪器在下水前通常需要进行压力模拟测试以验证水密性与耐压性,因此经常用到深水压力模拟测试系统。本文对传统的深水压力模拟测试系统进行了改进,改进后的系统电控部分主要由组态王与PLC组成。PLC作为下位机,通过其内置的A/D模块,配合压力传感器可实现对压力信号的采集,用户可以设置参数与预设程序,通过开关量输出点、接触器等实现试压泵的启停和阀门开关控制；系统支持手动、自动两种工作模式；通过PLC串口配合蓝牙串口透传模块,可实现蓝牙设备端数据显示。组态王作为上位机通过串口以Modbus RTU协议方式与下位机通信,组态编程开发人机交互界面,实现用户对压力模拟测试全过程的加压、保压、卸荷设置,以及实现监控测试过程、显示压力曲线、显示报表等功能。深水压力模拟测试系统具有人机界面友好、模拟监控形象直观、功能齐全、性能可靠、操作方便、安全和具备可扩展性等优点。
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柔性马达载荷传递中挠轴力学特性研究
Abstract:
挠轴是超短半径柔性马达单元节间扭矩传递的关键部件。针对超短半径柔性马达钻进过程中存在挠轴断裂等失效现象，本文对柔性马达内部挠轴进行了力学建模和设计强度校核，采用有限元仿真对柔性马达单元节间扭矩传递过程中挠轴的力学特性进行应力分析，并通过室内试验测试柔性马达 的机械性能进而分析挠轴的力学特性。结果表明，挠轴在传递扭矩中，其根部及花键接触面是扭矩传递中的应力集中区域，且挠轴疲劳寿命可满足井下连续作业需求。有限元分析和室内测试均表明挠轴可传递扭矩500N·m，可实现交变弯扭应力下柔性马达内部扭矩载荷传递。这为超短半径柔性马达在水平井开发中的钻进工艺提供了重要的理论依据，对提高超短半径水平井水平段的钻进长度和钻进效率提供了新型的技术手段。
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深水油气含水合物地层固井过程数值模拟分析及工艺参数优化研究
Abstract:
南海地区被证实富含油气资源和天然气水合物资源，然而在油气钻井过程中常钻遇水合物地层。固井作业是油气开发的重要环节，然而在深水钻井中，固井过程中水泥水化放热可能引发水合物的分解，降低地层稳定性，甚至影响固井质量。本研究采用数值模拟方法，以南海神狐海域GMGS-1工程SH7站位水合物地层为对象，建立了固井数值模型，分析了固井过程中水泥浆侵入水合物地层所引发的问题及固井工艺参数的影响。研究发现，水泥水化放热速率的增加会显著提前反侵现象的发生时间，增加反侵量；固井压差对反侵现象影响较小，但超过一定阈值后会抑制反侵；延长保压时间会显著推迟反侵的起始时间，减少反侵量。因此，在实际工程中，建议采用低水化热水泥，适当延长保压时间，并在早期阶段避免过高的固井压差，以减少水合物的分解，降低反侵现象的发生。本研究为水合物地层的固井作业提供了理论基础，对提高固井作业的安全性和效率具有重要意义。
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基于封隔器式膨胀管的有限元数值模拟分析
李运鹏, 尹飞, 孙肖, 冯建月, 刘义, 陈志昂, 张云飞
Abstract:
封隔器式膨胀管技术被研发用于水文地质勘探护壁和破损井井管补贴修复，具有成本低、工艺简单的特点。为了使封隔器能满足膨胀管的要求，对封隔器膨胀机构进行了改进，利用封隔器对不同性能的管材进行了试验，根据试验结果决定选择316L不锈钢作为膨胀管管材。为了研究封隔器式膨胀管两次膨胀过程中膨胀压力与膨胀管长度和厚度变化的关系，通过Abaqus软件对Φ219 mm，壁厚为4 mm的膨胀管膨胀过程进行数值模拟，以获得膨胀过程中的应力和应变变化情况，并对同样规格的膨胀管进行野外试验，然后把模拟结果与试验结果对比，得出结论是模拟结果与实际示范结果基本相同，说明数值模拟结果可以作为实际施工的参考。
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金刚石取心钻头干钻热特性试验研究
Abstract:
干式钻进对环境的影响很小，在没有冷却介质的情况下，对于钻进一些遇水或钻井液发生反应或者产生新的污染等情况而言，可有效解决钻孔取心问题，因此，该方法是地外天体采样的重要手段之一。然而以往地外天体钻头多为合金钻头，对于钻进坚硬岩层具有一定局限性。金刚石钻进是一种比较先进的回转钻进技术，在油气勘探和地质勘查中应用广泛，是钻进坚硬岩层的利器。本文针对坚硬花岗岩开展了金刚石钻头的干式钻进试验研究，探讨了钻进参数及钻头种类等对钻进过程热特性的影响。研究结果显示：（1）PDC钻头的升温速率较常规表、孕镶取心钻头更低，约为常规孕镶钻头的1/2；（2）PDC取心钻头在适宜的工艺参数下，可实现花岗岩的干式钻进；（3）干式钻进中转速对金刚石钻头升温的影响较大，且呈现非线性增长趋势；（4）钻头在空气中的降温曲线整体呈现指数下降趋势。在300℃降温至100℃过程中，降温速率≥60℃/min。该研究成果可为科学设计与合理使用干式钻进钻头提供依据。
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基于触变性浆体的双液法堵漏研究
Abstract:
针对钻井过程中裂缝型、溶洞型等严重漏失问题，提出双液法堵漏。具体是将两种或多种不同性质的流体同时注入井筒，利用混合后流体产生的触变性达到封堵漏层的一种新型堵漏技术。为了研究混合流体的堵漏性能，从而获得最佳堵漏配方，室内采用有机凝胶溶液配置水泥浆，并与坂土浆按不同比例混合，采用滞后环法测得混合浆体的触变性能以评价其堵漏性能。结果表明：有机凝胶加量为0.08%bwoc时，有机凝胶溶液制备的水泥浆与0.25%浓度坂土浆以10:1.8的比例混合后，浆体具有最好的堵漏性能，且固化后的抗压强度能满足现场施工要求。现场应用表明利用有机凝胶溶液制备的水泥浆与坂土浆组合堵漏效果良好。
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