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2024,51(6):1-13, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.001
Abstract:
在极地开展中深及深冰芯钻探项目，对获取古气候信息、揭示冰盖运动规律以及预测未来全球环境变化等方面均具有重要意义。从20世纪60年代开始，世界各国已经在极地完成了26个中深冰芯钻探项目和14个深冰芯钻探项目。目前，仍有Dome A、Beyond EPICA、MYIC、Dome Fuji和Hercules Dome等5个深冰芯钻探项目正在实施中，且俄罗斯正在筹划Dome B的深冰芯钻探项目。目前，我国仅实施过1个中深冰芯钻探项目，而深冰芯钻探项目的深度刚突破800 m。与欧洲、美国、日本和俄罗斯相比，我国在中深和深冰芯钻探技术领域施工经验少，装备自主化程度低，技术水平落后。为此，我国应积极研发具有自主知识产权的深冰芯电动机械钻具，加快实施Dome A深冰芯钻探工程，开展中深冰芯钻探及古老蓝冰钻探项目，突破冰层快速钻探和定向取芯钻探等关键技术，从而促进我国极地冰芯钻探技术的发展，提高在极地冰芯科学领域的影响力。
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汤凤林, 赵荣欣, Нескоромных B.B., 李博, 周欣, 段隆臣, Чихоткин В.Ф.
2024,51(6):14-23, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.002
Abstract:
冲击回转钻进是一种重要的钻进方法，在地质钻探中得到了广泛应用。传统上，冲击回转钻进中冲击脉冲是垂直的，不是偏心的。俄罗斯专家提出利用偏心冲击产生的冲击脉冲来破碎岩石，以提高其破碎效果，这是一个新的理念，是一种创新。试验研究证明了偏心冲击回转钻进中，在岩石中不仅产生垂直正应力，还产生切向剪应力，有利于岩石破碎效果和钻进效率的提高。在偏心距E=1~2 mm冲击脉冲钻进粗粒玄武岩和大理岩条件下，机械钻速和钻头每转进尺比E=0 mm时都有大幅度的提高。此外，还研发了与之配套的偏心冲击回转钻进用钻头，并取得了发明专利，使偏心冲击回转钻进在地质勘探中的效果和作用得到了进一步的加强。建议中国对偏心冲击回转钻进进一步研究。
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范存翰, 朱超凡, 刘召, 水浩澈, 董光顺, 李彦伟, 郭威
2024,51(6):24-31, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.003
Abstract:
地下原位转化是油页岩工业化开发的必然趋势，自生热法是实现油页岩地下原位转化的一种复合高效加热方法。为探究预热阶段不同高温载气对油页岩自生热原位转化效果的影响，以我国吉林扶余地区油页岩为例，分别在预热阶段注入氮气、空气、蒸汽、二氧化碳4种高温气体进行数值模拟分析，对比最终油气产量和能量回收率的差异。以预热阶段注高温氮气组作为对照组，结果表明注高温空气、蒸汽和二氧化碳完成开采所需时间分别降低22%、39%、12%，最大能量回收率分别提高55%、86%、23%，总油收量分别降低5%、提高18%和降低11%。从开采完成时间、能量回收率及总油收量角度来看，注蒸汽预热效果最佳。因此，综合对比可得，注蒸汽预热的自生热开采方法可有效增大油收量、降低开采所需时间、提高能量利用率。
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韩泽龙, 李小洋, 赵明, 宋刚, 张欣, 蒋亚峰, 田英英
2024,51(6):32-38, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.004
Abstract:
保压取心技术可以使取出的岩心保持在原位状态下，最大限度地减少岩心重要数据的丢失，进而准确获取地下矿产资源储量和地层参数。本文利用数值模拟研究保压取心钻具的球阀机构，探索其动力学特性，优化球阀机构，增加其密封可靠性。分析结果表明，随着关闭推力的增大，球阀关闭时间缩短，产生的振动增大，易造成密封失效，需选择较小的推力提高密封的可靠性；随着接触面摩擦系数的降低，产生的振动反而增加；翻转到位后球阀在30 MPa条件下，其应力、应变皆在球阀的许可范围内，满足使用需求。该项研究对于指导球阀机构的优化设计及提高其工作可靠性具有重要的意义。
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2024,51(6):39-47, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.005
Abstract:
地质钻探过程中面临着诸多挑战，其中井漏问题尤为突出，特别是在破碎地层中，井漏问题的发生频次更高。因此，研制适用于松散破碎地层的钻井液体系维持破碎地层快速钻进具有重要的实际意义。通过优化实验确定了适用于破碎地层堵漏的惰性材料及配方，采用水溶液聚合法制备了高吸水树脂（Super Absorbent Polymer， SAP），0~100 ℃条件下的吸水倍数在100倍以上；使用无渗透钻井液漏失仪对SAP的粒径及浓度进行了优选，0.3%的4~8目SAP为最优选择，最终优选出破碎地层堵漏钻井液体系配方：水+8%膨润土+0.1％黄原胶+0.6%HV-CMC+2%核桃壳+1%云母片+2%特种纤维+0.3%的4~8目SAP。该钻井液体系能够完全封堵10~20目砂粒充填床，在0.69 MPa压力下漏失量为0 mL，在0~60 ℃范围内具有良好的流变稳定性，表观粘度25~48 mPa·s、动切力6~18 Pa、API滤失量为7~11 mL、润滑系数0.311，在松散破碎地层堵漏中体现出了良好的应用前景。
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2024,51(6):48-58, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.006
Abstract:
随着以“慧磁”钻井中靶导向系统为代表的主动磁测技术的不断提升和应用范围的不断扩展，未来将更多应用在地热开发井、深部矿产资源勘探井等高温井中，高温会成为限制仪器在上述领域应用的“瓶颈”问题。为进一步提升“慧磁”系统的耐温性能，提出采用被动热管理方式，通过使用有限元方法对保温筒相变储热特性进行仿真计算，探究了吸热体最佳耦合长度并横向对比控温能力最佳的相变材料，分析了保温筒内部轴向温度和吸热体相态随时间变化情况。结果表明，上吸热体长度400 mm和下吸热体长度250 mm为最佳耦合长度，保温筒在150 ℃下工作6 h后，上吸热体相变潜热利用率96.7%，下吸热体相变潜热利用率70.5%，电路板最低温度63.48 ℃，低熔石蜡控温效果最佳。
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2024,51(6):59-66, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.007
Abstract:
四川灯影组已成为中国石化在四川盆地天然气增储上产、提升国家能源安全保障力度的重要层系。由于对超深层高温灯影组白云岩力学特性认识尚不清楚，常导致白云岩井壁失稳问题。通过开展25（室温）、100、150、180、200和220 ℃条件下白云岩的单轴抗压强度实验，揭示了白云岩单轴力学强度特征和变形特征。灯影组白云岩在一定温度范围内（100~220 ℃）将随着温度升高而表现出明显的脆性增强，认为这是灯影组白云岩峰值强度随温度升高而降低的原因。基于应变等效原理，建立了高温后灯影组白云岩损伤变形本构模型。对比研究表明：由本构模型绘出的应力-应变曲线与实验实测曲线对比，模型结果与实际情况吻合较好，模型能够充分反映不同温度下的灯影组白云岩损伤过程；该模型能够很准确地表征白云岩在不同温度下其强度参数和变形参数，可以为井筒稳定性分析提供更科学、更严格的模型，提高了重点区域超深—特深复杂地层地质认识及钻完井复杂故障防控能力。
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2024,51(6):67-76, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.008
Abstract:
套管下入过程中大钩载荷的预测是成功的关键因素之一，水平井由于其特殊的井眼轨迹，在下套管的过程中摩阻比常规井大。因此，准确地预测套管下入摩阻对水平井固井的设计和施工具有重要的指导作用。目前业界开发出了许多摩阻预测分析模型，并开展了相关理论研究及案例分析，常用的分析方法有软杆模型、刚杆模型和有限元法。后续学者使用各种理论方法在这3种方法的基础上建立了考虑套管多种受力情况下的摩阻分析模型，但是目前还没有相关研究针对现有模型算法进行汇总及优缺点分析，无法在具体应用时进行模型优选。因此，本文根据基础理论的不同，对目前下套管摩阻模型进行了归类分析，并探讨了下套管摩阻研究与预测存在的技术“瓶颈”与下步发展方向，以期为后续固井三维下套管摩阻分析深度融合发展提供指导和帮助。
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秦如雷, 高洁云, 于彦江, 陈浩文, 李强, 和国磊, 宿向辉, 许本冲
2024,51(6):77-84, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.009
Abstract:
泥浆举升离心泵作为无隔水管泥浆循环钻井的核心功能单元，作用是驱动储存在吸入模块中的泥浆携带岩屑沿上返管线回流至钻井平台。以往的无隔水管泥浆循环系统以圆盘泵作为举升单元，围绕圆盘泵做了具体的结构设计和理论分析，对于水力性能更好的多级离心泵研究较少。以多级离心泵作为研究对象，介绍其设计的理论依据及具体的参数，采用CFD-DEM耦合计算的方法构建离心泵的计算模型，进行了全尺度流场模拟，对离心泵的叶轮设计、流场和内颗粒分布规律、泥浆携岩运移规律进行了探讨。计算结果验证了离心泵在设计工况下具有较好的颗粒通过性。基于泥浆举升试验台，对离心泵样机进行了水力性能试验，测试结果表明该泵具有较好的工作特性，其水力性能达到设计要求，可以应用于深海无隔水管钻井作业。
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2024,51(6):85-90, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.010
Abstract:
针对水平定向钻进坚硬地层效率低的问题，通过利用FeCoCu预合金胎体的硬脆性以及硬质颗粒碳化硅弱化胎体的特点，提高钻头的自锐性。采用分层结构设计，将高、低耐磨性胎体层沿钻头径向方向交替排布，其中高、低耐磨性胎体层厚度分别为2.5~3.5 mm和1.0~1.5 mm，可实现高、低耐磨性胎体层同步磨损，提高钻进效率。将FeCoCu预合金胎体和分层式胎体结构相结合，研制的孕镶金刚石钻头成功应用于水平定向钻进勘察工程坚硬钾长花岗岩地层，平均机械钻速0.8~1.5 m/h，钻头使用寿命为30~40 m。与普通同心圆尖齿钻头相比，机械钻速提高约1倍，寿命提高30%以上。
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谢小荣, 陈晓斌, 董晓斌, 唐禄博, 林凡通, 罗嘉瑞, 苏定立
2024,51(6):91-98, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.011
Abstract:
大位移井钻进技术为大幅提高页岩气等非常规能源的开采效率提供了可能。然而，大位移井钻进过程中钻杆与井壁间的摩阻高，降低了钻进效率。解决当前大位移井或水平井钻井施工过程中摩阻大、托压严重技术难题的有效办法之一是在井下钻具组合中增加可产生振荡功能的减阻工具。但目前此类工具种类少，且普遍存在工作机理复杂、结构设计困难、工具压力过高的问题。因此，本文提出了一种压力低、无运动零部件的逆反馈式振荡射流压力脉冲减阻工具。对该工具开展了可视化实验与数值模拟研究，通过监测工具内部流场的演化阐明了射流振荡器的工作机理，结果显示压力脉冲的产生是由射流的附壁切换、工具内部涡流的生长与消散等共同组成；开展了工具脉冲性能研究，揭示了本工具在不同流量、钻井液密度、粘度等条件下的工作性能。并针对小钻进流量的工况进行了结构优化，拓展了该工具的工作范围。本文可对大位移井钻进工具的设计提供新的参考。
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2024,51(6):99-105, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.012
Abstract:
钻井过程中螺杆钻具断落事故时有发生，对于螺杆钻具外筒壳体脱扣、转子断裂抽芯等事故形成的轻质“落鱼”，使用常规卡瓦打捞筒作业时的适用性不足、打捞成功率低。基于此，设计了螺杆钻具三卡瓦偏心打捞筒，通过打捞筒的锥形导向面驱动上卡瓦、中卡瓦和下卡瓦共轭环空收缩卡紧，实现对该类“落鱼”的有效打捞。三卡瓦的偏心排布结构设计，增加了有效夹持面积，提高了打捞筒对螺杆钻具的综合打捞力。结合打捞筒的工作原理，建立了卡瓦常规夹持力和挤压夹持力的计算公式，对比得出三卡瓦偏心打捞筒所需的卡瓦常规夹持应力可减少50.46%，捞牙咬深可减少13.92%。试制的打捞筒在施工现场进行了打捞实践，表明其结构设计合理，打捞性能可靠。
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2024,51(6):106-110, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.013
Abstract:
岩心填充率自动监测系统的研制是用以填补取心过程中缺少取心状态监测的不足。岩心填充率自动监测系统由主控制器、预留温度压力监测模块、霍尔传感器模块、数据储存模块、串口调试模块组成，其中实现取心状态监测的原理是基于霍尔效应。该系统可监测的取心速度范围为：0~30 mm/s，监测精度约为1%，系统选用STM32系列单片机、大容量存储器、高速USB接口等器件或模块，具备在线调试、编程、升级功能。采用研制的样机进行了海上试验，结果表明该系统可在水深3000 m的环境下（0~35 MPa的孔底压力）自动监测岩心贯入岩心管的过程，可为深海取样现场取样器类型的选择和取样器工作参数优化提供理论指导，具有广阔的应用前景。
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赵洪波, 张龙, 沈立娜, 张交东, 刘旭锋, 王丹丹, 孟祥龙, 胡浩, 朱迪斯
2024,51(6):111-118, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.014
Abstract:
南华北三门峡盆地古近系沉积厚度大且分布连续，暗黑色泥岩发育，通过部署钻探工程，有望实现中小盆地油气调查取得新发现。但该类油藏钻井地质环境复杂，砂泥岩互层频现，易引起钻头泥包、井壁坍塌、掉块、涌漏风险并存和难钻进等工程难点。通过钻具组合与井身结构优化、不同井段钻井液技术研究、个性化PDC异形齿钻头研发以及“低转速+中钻压+螺杆+高效PDC钻头”钻井工艺研究，有效解决了井壁稳定性和钻头选型难题，在豫峡地1井实钻中，全面钻进平均机械钻速达到5.67 m/h，实现提高机械钻速30%以上，相比设计钻井周期缩短10 d。创新形成了防泥包钻井液技术体系、长裸眼井壁保护钻井液技术体系、砂泥岩互层高效PDC异形齿钻头提速技术、“两低一高”变密度水泥浆固井技术等可推广的三门峡盆地砂泥岩互层“新优快”钻完井技术体系，可为同类地区钻井工程设计和施工提供有益借鉴。
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陈浩东, 吴艳辉, 马传华, 黄洪林, 罗鸣, 李文拓, 代锐, 廖高龙
2024,51(6):119-124, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.015
Abstract:
超深水超浅层（简称“双超”）储层钻井取心作业难度大，成功率低，作业费用高，可供参考经验少。对此，开展了无隔水管条件下的“双超”储层钻井取心难点分析，并提出了相应技术对策，形成了一套“双超”储层高效取心方案。研究结果表明，在“双超”环境下，储层以未胶结、松散泥质-粉砂岩为主，地层疏松，钻井取心作业面对着取心筒“堵心”、排量和钻压控制难度大、超深水作业费用高等难题与挑战。优选Rb-8100型全封闭式保形取心工具和HSC043-8100型取心钻头，配合小排量（200 L/min）、低转速（15~40 r/min）、阶梯式钻压（2~10 t）的小参数模式，自制网兜将钻头处海水进行分流并保护底部岩心。在南海“双超”气田开展了无隔水管钻井取心先导试验，取心收获率达100%。实现了“双超”储层高效钻井取心，同时为“双超”气田的后期开发奠定了重要的基础。
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王勇军, 聂德久, 袁宝宏, 袁宝新, 赵长亮, 张涛, 刘振新
2024,51(6):125-131, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.016
Abstract:
在天阳盆地高温地热钻探施工中，受变质岩系硬岩地层岩性和高温的影响，牙轮钻头机械钻速低、磨损严重、使用寿命短，严重影响钻探施工。对PDC钻头的应用进行了探索研究，针对地层岩性特征，对钻头体、刀翼、剖面轮廓及复合片的选择和布设等关键技术进行了探索，并在钻探实践中优化改进，研究出了一种抗冲击性能较好、适宜于变质岩系硬岩地层的PDC钻头。有效地提高了机械钻速、降低了钻井成本，为天阳盆地高温地热钻探项目的顺利实施提供了技术支撑。
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2024,51(6):132-140, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.017
Abstract:
川西新场构造带须家河组二段致密砂岩储层受限于钻井成本与开发收益的不匹配，长期未能形成规模化商业开发。本文根据工区地质特征，通过以必封点、井眼尺寸和井眼轨道优化为核心进行井身结构设计优化，以旋锤钻具、低成本旋转导向工具、预弯曲钻具组合钻井、基于最小机械比能的实时钻井参数优化为核心进行系列提速关键工艺研究，形成了川西新场构造带须二段致密气藏定向井优快钻井关键技术。该技术在区块全面应用，最短钻井周期由231.1 d缩短到95.7 d，取得了良好的运用效果，实现了区块的效益开发。
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2024,51(6):141-151, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.018
Abstract:
以武汉市某基坑工程实例为背景，基于承压层坑内外水位降深及坑外地表沉降两大观测指标，采用有限元软件ABAQUS建立群井降水三维数值计算模型进行了数值模拟分析，通过设置多组计算工况，对在悬挂式止水帷幕不同插入比λ条件下，降水井不同滤管长度L及滤管埋深H对承压层坑内外水位降深及坑外地表沉降的影响规律进行了研究。研究结果表明：插入比λ对承压层坑内外水降深及坑外地表沉降的影响要远大于降水井滤管长度L及滤管埋深H的影响。在止水帷幕插入比λ=0.4~0.6时，通过改变滤管长度L及滤管埋深H来提高承压层坑内水位降深或降低承压层坑外水位降深具有较大的空间。止水帷幕插入比λ0.6后起到较好的隔水效果，滤管埋深H宜位于承压含水层顶部，滤管长度L不宜超过0.4倍的承压含水层厚度M。
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2024,51(6):152-159, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.019
Abstract:
本文主要研究了金属丝电爆炸产生的压力冲击波作用在土层孔壁上，在桩底部挤压土体形成扩底桩。建立了金属丝爆炸能量与冲击波压力之间的关系函数与仿真模型，分析了放电参数与冲击波强度的关系；建立了冲击波压力与土体变形之间的关系，计算出粘性土体变形量所需要的压力大小；制作扩底桩、直桩模型，验证金属丝电爆炸荷载作用下土体受力变形特性，并对两种桩型承载力及抗拔力性能进行对比分析。利用高压脉冲扩底技术模型试验中的电学参数及工艺参数，构建国内首根直径0.8 m的高压脉冲扩底桩，完成“灌-扩”一体高压脉冲扩底工法的开发。
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闫家, 王文, 张恒春, 曹龙龙, 薛倩冰, 梁楠, 施山山, 王志刚, 汪凯丽
2024,51(6):160-167, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.020
Abstract:
钻井是能源矿产勘探开发最直接的工程技术手段，井下动力钻具作为破碎地层岩土的有利器具，或直接驱动钻头形成滑动钻进，或与顶驱（或转盘）的回转共同组合驱动钻头形成复合钻进，具有降耗增速、减小井下事故风险等优点。为促使井下动力钻具被更多技术人员了解和认识，物尽其用充分发挥其钻井优势并利用技术特点开发新功能、新器具，本文从科普的角度介绍了井下动力钻具的用途、主要种类、工作原理及发展历程，并综合对比不同井下动力钻具的优劣势。最后，结合深井、超深井等钻井新形势对钻探器具、工艺等的新要求，以及材料、测控、智能化等新科技的在钻井工程中的应用趋势，指出了当前主流井下动力钻具的更新换代、技术革新的发展方向。
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2024,51(6):168-174, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.06.021
Abstract:
《钻探工程》2024年第51卷总目次
2024年第51卷第6期
综述
钻探理论与方法
钻探技术与装备
工程实践与应用
地学科普
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φ96口径无绳索液力举升取心钻具研制及试验研究
Abstract:
绳索取心是目前广泛应用的不提钻取心技术，对于大深度直孔取心钻探，绳索取心的打捞器下入是一个比较耗时的过程，孔深越大，效率越低；对于水平孔或近水平孔，绳索取心的打捞器下入更是一个难度大、耗时长的过程。本文在绳索取心钻进技术的基础上，研制出一种靠液力举升回收内管总成及岩心的取心钻具，并通过模拟实验和下井实验充分验证了该钻具方案的可行性！无绳索液力举升取心钻具的研制及应用可以取代现有绳索取心钻具需专用绞车投送/打捞内管总成的方法，简化取心钻探设备和取心工艺流程，有效提高取心效率，为大深度直孔及水平孔取心钻探工艺开拓了新思路。
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冻融循环作用下裂隙岩体注浆加固机理—在露天矿边坡工程中的应用
陶学伟, 张凯恒, 郎振威, 黄顺, 冯建业, 江杰, 周昌
Abstract:
在矿山、水利等工程中,通过注浆加固提高裂隙岩体工程性质、加强其强度的施工工艺得到了广泛应用。为研究注浆加固中各种注浆因素和注浆方法对裂隙岩体强度的相关影响,以及裂隙岩体注浆加固后冻融作用对其工程性质的影响,使用水泥砂浆等材料按一定相似比制作可以模拟裂隙原岩力学特性的相似材料,通过对浆液水灰比、注浆流速(注浆压力)、浆液温度等因素进行相关变量的控制,分别用无机材料、无机复合材料以及有机材料对裂隙岩体进行注浆加固。通过模拟该地区的气候等环境条件下,对各类因素进行相关试验,进而分析各类因素对注浆加固的影响；最后根据试验结果,对注浆参数进行优化设计,根据新疆准东西黑山矿区中联润世露天煤矿边坡的工程地质条件和地质环境进行注浆加固方案设计及监测,对该地区和其他地质特性及区域特征相似的露天矿边坡灾害防治具有一定借鉴意义。
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极地深层热水钻回水腔结构及热特性研究
Abstract:
热水钻被认为是开展极地冰下湖探测最高效、最安全和最清洁的钻探装备。利用热水钻开展冰下湖钻探时需要建造回水腔，但目前回水腔的结构及热特性尚不清楚。为此，本文首先梳理了深层热水钻回水腔的主要结构形式。然后，以上覆冰层对冰下湖水的压力为基础，建立了回水腔建造深度计算方法，并确定了回水腔的初始形状及主要尺寸的计算方法。接着，通过建立回水腔周围冰层温度场的物理模型和数学模型，提出了回水腔临界回水温度和临界注热流量的计算方法，并系统分析了各因素对这两个参数的影响规律。研究结果表明：当深层热水钻用于冰下湖钻探时，回水腔应优先选用双层主/副孔结构，主孔和副孔之间的距离应该小于1 m，主/副孔直径应在0.3~0.6 m之间且回水腔的高度应比潜水泵大2~3 m；回水腔的建造深度主要由冰盖厚度决定，在实际工程中，回水腔的建造深度应比理论计算值大15~30 m；回水腔的临界回水温度和临界注热流量随时间的增大而减小；正常工况下，回水腔的临界回水温度不超过2~3℃，而临界注热流量不超过12 L/min。
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PDC钻头V形齿的磨损对岩石接触面积的影响
Abstract:
With the increasing demand for deep-sea and deep-earth drilling, the downhole drilling tools using traditional PDC bits are severely worn out and cannot fully meet the drilling requirements of deep wells in hard formation. Therefore, special-shaped cutter PDC bit, especially V-shaped cutter PDC bit, has become the focus of research. There are fewer studies on the effect of wear on contact area of V-shaped cutter PDC bit. The contact area affects contact pressure of cutter, which in turn affects the depth of penetration into the rock and drilling efficiency, so it is of great significance to study the change rule of contact area of V-shaped cutter. In order to calculate the contact area of V-shaped cutter with the rock during the wear, the expressions for contact area as a function of the wear height and the geometric parameters of V-shaped cutter, such as chord length and tangent angle, were derived using the method of planar oblique intersection of the cylindrical surface on which the cutter is located, and the effects of the geometric parameters of V-shaped cutter and wear height on contact area and contact pressure were analyzed. The results show that: the cylindrical cutter and V-shaped cutter have the same contact area in the early stage of wear, when the cutter is worn to a certain stage, the contact area of the V-shaped cutter is smaller than that of the cylindrical cutter. The smaller the chord length and tangent angle are, the smaller the contact area is. Under the same load and the wear height of the cutters, the contact pressure between the V-shaped cutter and rock is larger than that of the cylindrical cutter, so the V-shaped cutter has the ability to penetrate deeper into the rock. For wellsite applications, the driller can measure and record the wear height and the corresponding ROP of a batch of the same type bits after lifting. The statistical relationship between the wear height and ROP can be obtained for this type of bit, and then the contact area can be estimated from the wear height. This method makes it easy to adjust the weight on bit in time to maintain a high ROP, or to optimize the V-shaped cutter geometry parameters during design, which also helps to improve drilling efficiency.
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大洋科学钻探井下长期观测装置研究进展及展望
Abstract:
大洋科学钻探是一项对海洋底部进行科学探测和研究的重要手段，在地球科学、生命科学、资源勘探等诸多领域具有极其重要的意义。CORK（井下长期观测装置）是大洋科学钻探的重要补充，大洋科学钻探主要是获取岩心样本，而CORK则侧重于对钻探后的钻孔进行长期原位观测，可以充分利用钻探后的钻孔资源，实现对海底环境从短期取样到长期动态观测的转变。过去几十年间，研制海底观测设备的技术手段也在此过程中不断提升，CORK已在初始CORK研发的基础上衍生出了另外4个新的版本，从最初的单一地层取样，发展为多个地层取样，同时还可以进行原位测试。由我国主导的新一轮大洋钻探计划将要开始实施，亟需加大CORK技术的攻关力度，利用我国自己的资源和人材构建海底CORK观测系统，为尽快跻身世界海洋强国行列奠定坚实基础。
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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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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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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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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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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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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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