鑽井模擬實驗裝置

『壹』 虛擬模擬實訓設備有哪些

虛擬模擬實訓設備有以下這些的呢：

1、金工實訓虛擬模擬系統

金工實訓虛擬模擬系統主要包括：VR黑板套裝、VR機房系統、桌面全息立體交互套裝、AR全息圖板、工程訓練AR圖冊、VR頭盔互動實訓平台以及全工種虛擬模擬實訓軟體、VR教學資源快速開發平台等，能夠完成金工實習項目的虛擬教學實訓。

2、海洋裝備虛擬模擬系統

海洋裝備虛擬模擬系統包括：藍鯨一號VR教學系統、深水半潛式鑽井平台虛擬模擬教學系統、360度全息影像。

3、虛擬焊接模擬系統

虛擬焊接模擬系統包括：手工電弧焊模擬訓練、CO2氣體保護焊模擬訓練和氬弧焊模擬訓練。焊接虛擬模擬配備有2台WM-WS/D型雙工位焊接虛擬模擬訓練設備。

虛擬模擬系統包含金工實訓虛擬模擬系統、海洋裝備虛擬模擬系統、虛擬焊接模擬系統。

虛擬模擬實訓教學具有交互性、多樣性、個別性、靈活性、重復性等特點，加大了知識的傳授量，有利於學生創新思維和創新技能的培養，提高學生在實訓中的動手能力，同時還可以解決高檔設備儀器缺乏，實訓室管理困難等問題。

『貳』 低煤階煤層氣的成藏模擬實驗研究

劉洪林 王紅岩 李景明 李貴中 王勃 楊泳 劉萍

（中國石油勘探開發科學研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）

作者簡介：劉洪林，男，江蘇徐州人，1973年生，漢族，2005年畢業於中國石油勘探開發研究院，獲博士學位，主要從事煤層氣勘探開發方面的研究工作。通訊地址：065007河北廊坊市萬庄44號信箱煤層氣E-mail：[email protected]。

本研究受到國家973煤層氣項目（編號：2002CB211705）資助。

摘要 在美國粉河、澳大利亞的蘇拉特等低煤階盆地煤層氣勘探取得突破以前，大家一直認為具有商業價值的煤層氣資源主要存在於中煤階的煤層中，煤階太低，一般含氣量不高，不具有勘探價值。但是近幾年來的發現證實，低煤階盆地煤層厚度大，滲透率高，資源豐度大，含氣飽和度高，同樣可獲得了商業性的氣流，而且從其氣體的成因來看，其中有很大一部分是生物成因的煤層氣。本文利用煤層氣成藏模擬裝置對低煤階含煤盆地的煤岩樣品開展了成藏模擬，從實驗角度證明了中國西北地區雖然煤層煤階較低，熱成因氣較少，但是卻存在著具有商業價值的二次生物成因的甲烷氣，再加上含煤層系眾多，煤層厚度大，資源豐度極高，仍具有巨大的勘探潛力。

關鍵詞 煤層氣 水動力 成藏

Simulation Experiment of Biogenic Gas in Low Rank Coal of China

Liu Honglin，Wang Hongyan，Li Jingming

Li Guizhong，Wang Bo，Yang Yong，Liu Ping

（Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，Langfang 065007）

Abstract：Before CBMexploration achieved success in the low rank coal basins like Power Rive Basin of the U.S.and Surat Basin of Australia，People thought that CBM resources with commercial development value mainly stored in medium-high rank coal seams and low rank coal was not worthy of exploration and development e to low gas content.But the exploration practices for recent years proved that commercial CBMproction could be obtained in low rank coal basins which have thick coal thickness，high permeability，high resource concentration，high gas saturation.Moreover，from the cause of formation of CBM，most of CBMin low rank coal belongs to biogenic gas.In this paper，the simulation experiment on CBM accumulation in coal samples from low rank coal basin was carried out by using simulation apparatus of CBM accumulation.The experiment proved that commercial secondary biogenic methane gas possibly existed in northwest coal basin although the rank of coal is low and there was little thermal-genic gas in the basin.Considering there are lots of thick coal seams and the resources concentration is high，the exploration prospect of CBM is promising in the northwest coal basins.

Keywords：CBM；hydrodynamic condition；accumulation

前言

進入20世紀90年代，隨著煤層氣產業的迅猛發展，美國煤層氣的資源開發活動不再局限於中煤階煤儲層發育的聖胡安和黑勇士盆地，資源評價和研究工作覆蓋了18個主要含煤盆地或含煤區，在其中12個含煤盆地從事煤層氣開發活動，煤儲層的煤階從中煤階擴展到低煤階和高煤階，特別是發育低煤階煤儲層的含煤盆地因煤層氣資源量較大而受到重視，發育低煤階煤儲層的含煤盆地6個，煤層氣資源量10×10¹²m³，占總資源量的53%，以粉河盆地為代表的低煤階含煤盆地煤層氣商業開發的成功，大大拓展了煤層氣勘探開發的視野和領域。粉河盆地位於蒙大拿州東南部和懷俄明州東北部，面積25800km²，為一大型沉積盆地，形成於臘臘米運動造山期，盆地中含有巨厚的晚白堊世煤層，單層厚度達67m，煤層總厚118m。盆地為一不對稱向斜，軸部靠近西部邊緣，西部邊緣以逆斷層為界，靠近Bighorn隆起。西部地層傾角5°～25°，東部為翹起端，傾角不超過2°。上白堊統沿東南部和東部分布，古新統Fort Union組沿盆地邊緣分布，盆地晚三疊系低界深1067m，粉河盆地煤炭資源量1.3×10¹²t，鏡質體反射率為0.3%～0.4%，與西北一些低煤階盆地相似，煤化程度低，含氣量為0.03～3.1m³/t，但由於煤層厚度巨大，資源豐度大，預測煤層氣資源量（0.5～0.8）×10¹²m³。粉河盆地煤層氣碳同位素介於-65‰～-69‰之間，具有明顯的生物成因特徵，並且在其構造的高部位，生物氣經過二次運移而富集，形成較高的含氣量和較高的飽和度，有較高的滲透率，含氣飽和度為80%～100%，鑽井深度一般不超過305m，產氣量為110～5976m³/d，產水量為45～69m³/d，最好的產氣遠景區是砂岩體附近與差異壓實作用有關的構造高點、緊閉褶皺形成的構造高點以及煤層上傾尖滅的部位，並在該部位伴生有為非滲透性頁岩所圈閉的游離氣。

中國低煤階煤儲層非常發育。全國垂深2000m以淺的煤炭資源量為55697×10⁸t，低煤階煤儲層佔到煤儲層的一半以上。低煤階煤儲層形成於早中侏羅世、早白堊世、第三紀等成煤期，其中早中侏羅世、早白堊世是中國重要的成煤期，早中侏羅世成煤作用主要發生在西北地區，煤炭資源量佔全國的35.5%^[1]，新疆准噶爾、吐哈、塔里木盆地、伊犁和焉耆是低煤階煤儲層發育的典型的大型內陸盆地，煤層厚度大，煤層最大累厚近200m，最大單層煤厚逾100m，煤層層數超過50層^[2]。中國西北地區低煤階煤儲層煤層氣資源量豐富，早中侏羅世煤儲層煤層氣資源量超過10×10¹²m^3[3-4]。隨著美國低煤階煤層氣藏商業開發的成功、國內煤層氣勘探開發工作的推進，在近期低煤階煤層氣藏受到了越來越多的關注，有望成為新的研究熱點和煤層氣勘探開發新領域^[5，6，7]。但是中國西北地區與美國的粉河盆地、尤因塔盆地和澳大利亞的蘇拉特盆地相比，在進入第四紀以來氣候雖然總體較為乾旱，但是部分地區由於受到天山影響，水動力仍非常活躍，具備二次生物氣生成的可能，如位於天山北坡的准南地區、焉耆地區和伊犁地區。

1 研究區的煤層氣地質概況

本次工作研究，重點對水動力較為活躍的伊犁和焉耆進行了采樣，研究較強水動力條件下煤層次生生物氣的生成問題。

1.1 伊寧地區

伊寧含氣區塊位於新疆維吾爾自治區西部伊犁自治州境內，區內為低山—丘陵及伊犁河畔沖積平原，含氣區內地勢西高東低，北高南低，屬典型大陸性氣候，盆地內先後由煤炭、石油、地礦部門進行過石油勘探及物探，煤炭部門在盆地邊緣及局部進行過煤田勘探。特別是近幾年來，隨著油氣勘探工作的進展，在盆地內，已進行了部分鑽探實物工作量。該區含煤地層為侏羅系中統西山窯組，下統三工河組和八道灣組，主要為一套河湖相的灰、灰白色含礫砂岩，深灰色泥岩，砂質泥岩夾煤層。伊寧含氣區塊侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組成煤環境優越，聚煤時間長，形成的煤層較穩定，厚度大，層數多，為煤層氣的形成奠定了物質基礎。西山窯組主要為一套淺灰色含礫粗砂岩，灰白色中、細粒砂岩，深灰色泥岩、砂質泥岩夾煤層，在區內北部地層厚度一般211～552m，含煤10～15層，煤層單層厚度相對較小，層數較多，反映成煤環境震盪性較強。南部一般厚度為102～132m，含煤4～6層。單層厚度相對較大，層數相對較少，反映成煤環境較穩定。八道灣組主要為一套灰白色含礫粗砂岩，中、細粒砂岩，深灰色泥岩，砂質泥岩夾煤層。在區內北部厚度一般在342～452m；南部厚度在60～150m。在北部含可採煤層10層，厚度15～68m，據（伊參1井）資料，可採煤層厚度為88m。在南部煤層厚度相對較小。煤質分析資料表明，該區侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組煤層，原煤灰分含量在9.71%～25.60%，一般含量在12%～18%，其變化特徵屬中—低灰、低硫—特低硫、低磷煤，是有利於形成煤層氣的煤質類型。

伊寧含氣區塊侏羅系中、下統沉積之後，受燕山構造運動的影響，褶皺、斷裂使含煤地層遭受不同程度的改造。現構造形態主要表現為不對稱的復式向斜，呈近東西向展布。含煤地層傾角一般在20°～30°之間，其中北部相對較陡，南部較緩。斷層多發育在褶皺軸部，以逆斷層為主，斷層線呈北西西向展布。從構造展布特徵分析，構造相對較簡單，有利於煤層氣的勘探開發。八道灣組和西山窯組煤層組埋藏深度0～2000m，分布面積約3445km²，占含煤地層分布面積的82%。從構造賦存地質條件分析，構造較簡單，有利於煤層氣的勘探開發。該區侏羅系中、下統煤層煤級為長焰煤，煤層氣地質資源豐度為1.28×10⁸m³/km²，資源豐度較高，有著較好的勘探開發前景。

1.2 焉耆地區

焉耆含氣區帶侏羅系中、下統是主要的含煤岩系。侏羅系中、下統是在盆地經歷了印支末期構造運動，三疊系遭受不同程度抬升剝蝕後，盆地又逐漸下降，接受該套內陸含煤碎屑建造。八道灣組沉積時，盆地受南緣庫克塔格山和北緣南天山差異抬升隆起作用，呈現為南低北高的古地貌。由於古氣候溫暖潮濕，有利於植物的生長，植被茂盛，森林密布，形成大面積泥炭沼澤，為形成厚煤層奠定了物質基礎。據本區哈滿溝、塔什店礦區資料，本組煤層稱A組，含煤3～14層，累計厚度10～30m，一般厚度10～15m。盆地內石油鑽井鑽遇本組煤層厚度一般30～40m，最厚可大於60m。煤層空間展布特徵為東部厚度相對較薄，一般厚度10～15m，而西部較厚，在四十里城一帶最厚可大於60m。

西山窯組沉積時，氣候溫暖潮濕，地勢相對平坦，形成大面積泥炭沼澤，有利於成煤物質的生長，為形成厚煤層奠定了物質基礎。據盆地內煤田及石油鑽井資料統計，本組含煤5～10層，可採煤層厚度10～40m之間，一般厚度10～30m之間。焉耆含氣區帶侏羅系下統八道灣組和中統西山窯組成煤環境優越，聚煤時間長，形成的煤層較穩定，厚度大，層數多，為煤層氣的形成奠定了物質基礎。其中侏羅系下統八道灣組煤層厚度大，穩定性強，煤層氣勘探開發潛力較好，是煤層氣勘探開發選區評價的主要目的層。

本區內目前煤礦開采以西山窯組煤層為主，煤質分析資料較少。據塔什店礦區分析資料統計，煤層分析基水分含量平均在 4.34%～4.59%，分析基灰分含量在2.36%～6.79%，揮發分產率在42.33%～49.29%，硫分含量在0.39%～0.73%。煤層水分含量中等，灰分、硫分含量較低，屬特低—低灰、特低—低硫煤，是有利於形成煤層氣的煤質類型。

焉耆含氣區帶大地構造位於庫魯克褶皺帶和天山褶皺系南天山褶皺帶之上，是受海西期—印支期構造作用的影響在夷平面的基礎上形成的中生代含煤盆地。中生界沉積之後，經歷了燕山和喜山多次構造運動的影響，改造後的侏羅系中、下統含煤地層形成了復雜多樣的構造面貌。本區中生代以來構造演化大致經歷了燕山、喜山二期，使盆地內侏羅系中、下統含煤地層遭受強烈抬升剝蝕，煤層壓力降低，吸附在煤層中的氣體解吸擴散，含氣量降低。埋藏深度600～2000m 區，累計分布面積約930km²，占含煤地層分布面積的39%。主要分布在西部塔什店礦區，中東部鹽家窩及庫木布拉克等地，是煤層氣勘探開發深度較理想的區域。

據鑽井及礦井煤層采樣分析資料及埋藏深度資料綜合分析，焉耆含氣區帶侏羅系中、下統煤層埋藏深度2000m以淺區煤級以氣煤為主。焉耆含氣區帶侏羅系中、下統以往煤田地質勘探程度相對較低，有關煤層含氣量資料也較少，礦井開采深度較淺（一般在100～300m之間），相對瓦斯含量也較低。

2 煤層氣成藏模擬實驗裝置和原理

煤層氣成藏模擬裝置的特點是模擬地層溫度、壓力、地層流體介質下煤層氣富集成藏過程，它可以通過模擬不同物性組合、不同介質、不同充注壓力、不同運移方式煤層氣成藏過程，獲取不同模擬條件下的物理和化學參數，確定煤層氣不同運移條件下的邊界條件。設備主要由氣體增壓泵、恆溫箱、儀表控制面板和計算機採集-處理系統。其中控制面板包括壓力控制子面板、溫度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按鈕、流程圖；恆溫箱內放有多功能模型倉Ⅰ、多功能模型倉Ⅱ和參考缸；計算機採集系統包括一套數據採集模塊和數據處理軟體。圖1是裝置原理流程，裝置考慮採用不同岩心、不同岩性、不同氣體介質進行工作，同時進行精確計量。把設計製作後的岩心組合裝進多功能模型倉，利用氣體增壓泵維持環壓，利用平流泵提供不同的流體介質、不同充注壓力，通過溫度和壓力儀表以及感測器採集溫度和壓力數據，並經過數據處理軟體分析溫度壓力數據。

在自然界中，已知的產甲烷菌中有一半可利用甲酸鹽形成甲烷。甲酸鹽首先轉化成CO₂和H₂，然後再通過還原反應生成甲烷。在自然界中能夠利用氫還原二氧化碳及利用醋酸鹽發酵的產甲烷菌的存在是生物成因的煤層氣成藏的必要條件。與近地表甲烷生成過程研究相比，地下（十幾米到幾百米深度）甲烷生成的研究工作相對較少。在地下環境中，對於甲烷的產出來說，沉積物必須具備使產甲烷菌得以生存及繁殖的孔隙空間。對此，低煤階煤層中發育的孔隙空間和裂隙系統對甲烷菌的生成是非常有利的。甲烷生成菌不具有直接分解煤層的能力，要形成甲烷須有一個前期階段，即主要依酸發酵菌和還原菌分解類脂化合物和大分子聚合物如纖維素和蛋白質等；接著微生物進一步脫去長鏈酸（和乙醇以上的醇）的氫而生成氫、甲酸、乙酸、二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和營養而生存，並以此為基質進行生物化學和新陳代謝作用產生甲烷。

圖2 伊寧和焉耆地區煤岩樣品產甲烷菌實驗

3.3 生物甲烷氣成藏模擬實驗

把接種過甲烷菌的煤層樣品放入成藏模擬裝置內，在35^oC的恆溫狀態下，開始培養，觀測煤岩樣品生氣過程。經過近兩個月的連續實驗得到一條壓力-時間曲線。經分析認為曲線存在兩個明顯的曲線段，第一階段為快速生氣階段，第二階段為生氣-吸附平衡階段（圖3）。對最後生成的氣體進行了分析，其所產氣體成分主要為CH₄、N₂和CO₂。除個別樣品外，絕大多數樣品所產氣中C²⁺含量很低，甲烷碳同位素值相差較大，從-56‰～-67‰，表明為生物成因氣體。

圖3 煤樣生物成氣後吸附過程中的壓力-時間變化曲線

4 實驗結果及其討論

（1）模擬試驗表明，一方面在我國西北地區低煤階煤層中存在產甲烷菌，另一方面證明了低煤階的煤層可以作為二次生物氣的來源。根據資料，伊犁盆地淺部的煤礦區在侏羅系煤層中所產氣的δ₁₃C為-66.10‰～-60.12‰，顯然屬於生物甲烷氣。

（2）與高煤階相比，低煤階一般埋藏較淺，孔隙空間較大，適合產甲烷菌的生存和繁殖，所以國內外的低煤階盆地多發現生物成因的煤層氣富集成藏。

（3）在我國西北地區，由於煤階普遍較低，熱成因甲烷生成量有限，次生物成因氣生成量巨大，特別是在焉耆和伊犁地區，煤層層數眾多，地下徑流活躍，煤層中有大量甲烷菌繁殖，有大量的二次生物成因氣生成、運移，如遇到斷層遮擋、煤層尖滅等圈閉條件，就有可能形成較高的飽和度，形成具有商業價值的煤層氣藏群。

參考文獻

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『叄』 自動控向垂直鑽井系統

一、內容概述

國外在進行深部鑽井，特別是在進行大陸深部科學鑽探的過程中，認識到被動防斜技術的不足，迫切需要一種能適應深井和超深井鑽進的主動防斜技術。而最早提出這一要求並投入實際研製和應用的項目是20 世紀80 年代開始進行的聯邦德國大陸超深井計劃（KTB計劃），該井的設計深度近萬米，而所鑽深部地層很多都是結晶岩，地層傾角可達60 °左右，在這樣的條件下用傳統的鑽井工具難以使井眼保持垂直，迫切需要一種新型的垂直鑽井系統來完成這一大陸超深井計劃，因此提出研製一種採用主動防斜技術的自動垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System，簡稱為VDS）。

自從發明旋轉鑽進技術以來，鑽孔的彎曲問題就一直存在著，造成鑽孔彎曲的根本原因是粗徑鑽具軸線偏離鑽孔軸線。造成發生鑽孔彎曲的充要條件主要是3個方面：①存在孔壁間隙，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供了空間；②具備偏倒或彎曲的力，為粗徑鑽具偏倒或彎曲提供動力；③粗徑鑽具偏倒或彎曲的方向穩定。

為了保證沖洗液能順暢地排出碎屑，孔壁直徑一般大於鑽具直徑，孔壁與鑽具之間的環形空隙是必然存在的。而在鑽進過程中，當孔深達到一定長度時，鑽桿柱已不是簡單的剛性體，而可視為一個細長的柔性桿件。對鑽頭施加軸向力時，鑽桿將會產生彎曲變形，由此可見，使鑽具偏倒或彎曲的條件是客觀存在的。但最終鑽孔是否彎曲，還將決定於鑽具偏倒或彎曲的方向是否穩定。如果鑽具偏倒或彎曲方向不穩定，則有可能使鑽頭在不同時刻朝著不同方向鑽進，從而發生擴壁作用。

由於鑽孔彎曲和傾斜現象的存在，一些相應的防斜技術例如鍾擺鑽具、滿眼鑽具以及偏軸鑽具等防斜打直技術也先後出現並應用到工程中。鍾擺鑽具是較早用於防斜、糾斜的鑽具組合，它是利用傾斜井內切點以下部分鑽挺重力的橫向分力，把鑽頭推靠在已斜井段的低邊，產生降斜和糾斜效果，這個力又稱為鍾擺力。而滿眼鑽具的主要特徵是其底部鑽具組合中含有2～3個或更多的與鑽頭直徑相近的穩定器以及相應的大直徑鑽挺，從而組成剛性很大、不易彎曲的防斜鑽具組合。其工作原理是在已鑽過的直井段中，保持剛性的滿眼鑽具位於井眼中間，其鑽具軸線與井眼軸心線基本保持一致，從而減小鑽頭的傾斜角度，起到控制井眼彎曲和井斜的作用。偏軸鑽具是在鑽柱的下部靠近鑽頭處設置偏重鑽鋌或者設置回轉心軸偏離鑽柱軸心線的偏軸接頭。當鑽頭回轉時，偏軸部分在靠近鑽頭上方的鑽具組合中產生一個離心力，該離心力的大小與偏心重量和偏心距有關。在軸向鑽壓的作用下，下部鑽具組合發生彎曲旋轉時成弓形。偏重鑽鋌每回轉一周就會對傾斜井段的井眼低邊產生一定的糾斜力，以減小傾斜井段的井斜角。前述幾種傳統的防斜設備和技術的共同特點是均屬於被動防斜技術。它們雖然也得到了較廣泛的工程應用，但在高陡構造的大傾角地層以及高應力破碎性地層中，由於無法克服地層極強的自然造斜能力，因而難以滿足對於深井、超深井以及復雜結構井上直井段鑽進的要求。

在提出該設想以後，美國貝克休斯公司（BakerHuges）即開展了相應的研究工作，貝克休斯公司最終於1988年研製成功垂直鑽井系統（VDS），成功解決了德國大陸超深井計劃中遇到的井斜問題。在VDS的研製過程中，從首例樣機開始，先後經歷了3 代共計5種型號的垂直鑽井系統。其中VDS-1（圖1）屬於外導向垂直鑽進系統，為最初的試驗性產品，其主要結構如圖1所示：不旋轉的導向套與旋轉軸6之間通過軸承4連接，在導向套四周均勻分布了4個可以伸縮的導向塊8，由泥漿提供驅動力的4個活塞可以分別控制導向塊的外伸。鑽進過程中的井斜數據由井斜感測器測量並反饋到裝置的微處理器單元，微處理器單元經過計算，發出控制命令給液壓閥，由液壓閥控制驅動活塞的運動，從而使得導向塊伸縮。當導向塊向外伸出時壓靠井壁，因此產生作用於旋轉軸上的糾斜導向力，使得鑽具回到中心位置。在該系統中測斜感測器、微處理器單元7等是靠內置電池供電的。由於自動垂直鑽井系統的導向塊布置在外部，工作時外伸並作用在井壁上，因此這種結構形式稱為外導向式垂鑽結構，如圖2（a）所示。

圖1 VDS-1結構示意圖

1—馬達驅動節；2—內部吸振單元；3—旋轉部分；4—軸承；5—頂部穩定器；6—旋轉軸；7—感測器、電子及電池部分；8—外促式導向塊；9—鑽頭

圖2 VDS導向塊結構布置示意圖

（a）VDS-1；（b）VDS-3

在KTB計劃中實際投入應用的產品為VDS-3和VDS-5。VDS-3在結構上與VDS-1相比的主要區別有2點：一是在電子部分上VDS-3用數字電路取代了VDS-1的模擬電路；二是在導向塊的結構形式上。如圖2（a）及（b）所示分別為VDS-1及VDS-3的導向塊布置形式。兩者的主要區別是圖2（a）中液壓缸及導向塊作用在井壁上，圖2（b）中所示VDS 3的導向塊不直接作用於井壁，而是作用在內部的旋轉中軸上。4個導向活塞內的壓力是可以獨立控制的，動力來源於內部的泥漿壓力。當鑽具未發生偏斜和彎曲時，4個導向活塞均外伸抵靠旋轉中軸，如果井眼偏離了垂直方向，井下測斜儀測得井斜數據並傳遞給微處理器單元，微處理器單元經過運算，將使其中1 個或2 個控制閥關閉，使得相應中軸在鑽頭上形成一個側向力，從而使井眼軌跡保持到垂直方向。圖3 是VDS 3的結構示意圖，其基本組成包括：馬達聯軸節、不旋轉外殼、馬達驅動節、旋轉軸、感測器、電子及電池部分、內置式導向塊以及鑽頭等。

可以看出在近鑽頭處的不旋轉外殼的外部是比較平整的，內置式導向塊安裝於不旋轉外殼中，導向塊作用在內部旋轉軸上，通過對旋轉軸的推擠調整鑽頭的方位，導向塊自身並不與外井壁直接接觸，從而提高了裝置的使用壽命，所鑽井眼軌跡的變化也更加光滑。VDS-3在鑽進時有時會引起懸掛的現象。為了改進這一問題，此外為了使VDS能應用於井徑擴大的井眼，並使其能適應井下200℃左右的高溫工作環境，貝克休斯公司進一步研製了VDS-5。VDS-5與VDS-1相似，也屬於外導向型的垂直鑽井系統。與VDS-1的主要區別在於，VDS-5採用了「負液壓導向」。所謂的「負液壓導向」是指當鑽具處於完全垂直的井眼中時，4個導向塊均在壓力作用下外伸並支撐於井壁上，使得鑽具與井眼中軸線對中。如果井眼偏斜或彎曲時，處於井眼低邊處的導向塊由於對應液壓缸失壓而縮回，這樣就會使得其對面的導向塊產生導向力把底部鑽具推向井眼低邊，從而達到糾斜目的。VDS-5與VDS-3相比，其改進之處還體現在系統中機械、液壓及電子組件是嚴格分開的，這顯然增加了系統的可靠性並便於進行維護，另外一點，VDS-5中還採用了井下交流發電機來代替抗高溫電池，使得此系統有更好的環境適應性和更長的井下工作時間。

圖3 VDS-3結構示意圖

1—馬達聯軸節；2—不旋轉外殼；3—馬達驅動節；4—旋轉軸；5—感測器、電子及電池部分；6—內置式導向塊；7—鑽頭

VDS系列在KTB計劃中的應用是成功的，在使用過程中也出現了一些不足之處，一個主要原因是因為VDS中產生導向塊的驅動力的來源是泥漿（鑽井液）的能量，然而泥漿與液壓油等普通液壓介質相比，存在顆粒含量高、潤滑性能差等特點，利用泥漿作為傳動介質時，系統中的電磁閥以及柱塞缸等液壓元件容易發生磨損和卡死現象，從而降低了系統的可靠性。其後，貝克休斯公司與其他公司合作在VDS的基礎上進行了改進，在20世紀90年代中期研製了新的垂直鑽井裝置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的結構如圖4所示。它與VDS系統基本相同，但其結構形式更為復雜一些。其主要的改進在於液壓系統和電子線路方面。SDD中的電磁閥是隔離式的，從電磁閥到液壓缸活塞之間採用了液壓油為工作介質，減小了電磁閥及液壓缸等液壓元件的磨損情況，提高了裝置的使用壽命。此外SDD中導向塊的數量也由VDS中的4個減少為3個。

圖4 SDD結構示意圖

1—泥漿脈沖發生器；2—交流發電機；3—井斜感測器及電子部分；4—液壓油源；5—井下馬達；6—撓性軸；7—外伸式導向塊；8—鑽頭

二、應用范圍及應用實例

目前國外已研製出可以自動控向的垂直鑽井設備，並已在鑽井實踐中得到了一定程度的應用，例如在美國南部路易斯安那州的鹽丘構造區域的油氣開采過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統（Automationed Vertieal Drilling System），井眼軌跡的傾斜角控制在了0.18 °，與傳統的旋轉鑽進相比，鑽進效率提高了25% ～75%。在美國哥倫比亞地區的地質鑽探過程中，由於採用了自動控向垂直鑽井系統，使得每鑽進一萬英尺由耗時188天減少到了140天，大大節省了勘探費用。這些應用的實踐均說明了自動控向垂鑽技術可以大大地提高生產效率，而且鑽進的井眼質量好。我國目前已經在一些地區引入了國外的自動控向的垂直鑽井設備進行了一系列直井的鑽探，取得了較好的應用效果。

三、資料來源

張萌.2005.自動控向垂鑽系統小型化設計的關鍵技術研究.博士學位論文

『肆』 Varel公司Navigator定向井鑽頭設計軟體和專用鑽頭

一、內容概述

美國Varel國際公司成立於1947年，是世界上最大的獨立供應商，全球鑽頭市場上的第5大公司，現擁有資本16億美元，向石油、天然氣、采礦和工業市場提供全套的牙輪鑽頭和固定刀具鑽頭。該公司技術研發一直走在世界前列，近年來更是開發出眾多適用於特殊鑽井環境的專用鑽頭。

Varel國際公司應用其先進的鑽頭設計軟體為導向鑽井系統設計配套鑽頭，該種鑽頭在鑽進的可控性和定向性方面取得了良好的效果。Varel國際公司在設計鑽頭的過程中主要應用了3個軟體：

（1）GeoScience測井數據分析軟體

一種室內鑒定岩性和測試岩石強度的應用軟體，可以進行鑽前和鑽後的測井數據分析。

（2）SPOT鑽井軟體

一種虛擬的鑽井模擬器，可以檢驗不同的切削結構設計和切削齒的布局是否合適。

（3）CFD計算流體力學軟體

一種優化鑽頭流體特性的應用軟體，可以確定最佳的噴嘴排列方向，從而優化鑽頭的水力特性，使設計出的鑽頭獲得最佳效率。

Varel國際公司推出的Navigator系列鑽頭（圖1）是專門設計用於鑽定向井的鑽頭產品，且可根據用戶需要為特定用途設計專門的定向輪廓。該公司設計定向鑽井用PDC鑽頭的理念，鑽頭是影響定向鑽井成功與否的最重要因素，且每隻鑽頭的設計都要與配套使用的旋轉導向系統（RSS）、井的定向目標以及所鑽地層相匹配。一隻鑽頭鑽至井眼目標的能力取決於其可導向性以及定向行為。

圖1 Navigator系列鑽頭

Varel國際公司的工程師在設計鑽頭時會充分考慮配套使用的RSS的類型以及每種類型的功能和鑽井特徵，在設計過程中應用GeoScience、SPOT和CFD等工具。GeoScience是該公司的機械岩石性質模型，來自GeoScience的信息被輸入到SPOT中。SPOT是一種能夠對鑽頭動力學進行精密建模的設計軟體，通過在實驗室和現場進行單齒試驗和全尺寸鑽頭試驗得出，SPOT可為不同的鑽井用途進行切削結構優化。CFD（計算流體力學）軟體可驗證鑽頭的噴嘴定向位置是否合理，從而保證鑽頭噴嘴結構和井底清洗效果的最優化。

二、應用范圍及應用實例

通過使鑽頭與具體的鑽井系統相匹配，Varel國際公司為用戶創下了多項鑽井紀錄。該公司始終認為根據鑽井系統對鑽頭進行針對性設計是取得成功的必要手段。在設計過程中，工程技術人員首先要確定影響所有設計特徵的相關鑽頭性能標准，通過應用GeoScience軟體進行研究之後，設計出鑽頭的切削結構，然後再用SPOT軟體模擬鑽井過程，以確保所設計的鑽頭在機械鑽速、耐用性、穩定性和可導向性方面都符合鑽井目標的要求。

該公司設計了一種與斯倫貝謝公司Vortex旋轉導向系統配套使用的ϕ215.9mm的VRT619 GX鑽頭。在沙烏地阿拉伯的一次鑽井應用中，該鑽頭被下入井深1684m、井斜角20°的井內，歷時56.5h，鑽進1104m，最終以86°的井斜角鑽完計劃井段，機械鑽速比鄰井提高了44%。

三、資料來源

黃蕾蕾，薛啟龍.2010.國外鑽頭技術新進展，石油機械，（4）

『伍』 高溫鑽井液檢測儀器國內外發展現狀

3.3.1 高溫高壓流變儀

高溫流變性是高溫鑽井液的重要參數之一，直接影響鑽速、泵壓、排量、懸浮及攜帶岩屑、井眼清潔、井壁穩定、壓力波動及固井質量等，因此國內外非常重視高溫流變儀的研發。典型生產商為美國Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型產品有如下。

3.3.1.1 OFITE1100高溫加壓流變儀

美國OFI公司研製生產的OFITE1100高溫加壓流變儀是一個全自動測試系統，能夠根據剪切力、剪切速率、時間、壓力、溫度等參數來准確測試壓裂液、完井液、鑽井液、水泥漿的流變特性，並實時顯示和同步記錄剪切應力、剪切率、轉速、壓力、容池和樣品溫度。可以在實驗室使用也可以在野外使用，可選擇防水移動箱，帶輪子，移動方便。OFITE高溫高壓流變儀壓力可達到18MPa，溫度可到260℃，最低0℃。另外還有冷卻系統，冷卻樣品（圖3.1）。

圖3.1 OFITE 1100高溫加壓流變儀

獨特的ORCADA（OFITE R（流變儀）C（控制）and D（數據）A（採集）），軟體簡單。全新的KlikLockTM快速鏈接技術與重新設計的樣品杯相結合，便於拆卸和維修。全新的SAFEHEATTM系統是一個安全、精確、環境友好、高效的空氣傳輸加熱系統，使得操作更安全簡單，清洗更快速。

3.3.1.2 OFITE高溫高壓流變儀

根據剪切力、剪切速率、時間和壓力直到207MPa和溫度最高至260℃條件，全自動系統准確測定完井液、鑽井液、水泥漿的流變特性。選配冷水系統後，可使測試系統適應於需要冷卻的測試樣品，進一步增加了儀器的應用范圍（圖3.2）。

圖3.2 OFITE高溫高壓流變儀

使用羅盤來測定扭矩附件頂部磁鐵的轉動。如果沒有對儀器進行補償，防護罩內動力驅動磁鐵的影響。地球磁場的影響、防護罩磁性的影響、彈簧非線性的影響、實驗室磁場和材料的影響、非理想流體流動的影響、產品結構微小變化的影響等綜合結果使測定角度顯示非線性關系。計算機可以容易地完成這些影響的補償。

3.3.1.3 Ceast毛細管流變儀

毛細管流變儀分為單孔型和雙孔型，應用於熱塑性聚合物材料的質量控制和研發工作。在CeastVIEW平台下，通過VisualRHEO軟體控制儀器。可實現以任意恆剪切速率或活塞桿速度測量。雙孔料筒結構獨立採集分析每個孔所測得的試驗數據。可選各種專用的軟體。可選配多種測量單元：熔體拉伸試驗、口模膨脹、狹縫口模。PVT、半自動清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作溫度50℃～450℃（選配500℃），有兩個PT100感測器控制。可快速更換的載荷感測器（范圍：1～50KN），壓力感測器范圍3.5～200MPa（圖3.3）。

圖3.3 毛細管流變儀

3.3.1.4 Haake RV20/D100高溫高壓黏度儀

Haake RV20/D100該高溫加壓旋轉黏度計的使用上限為203kPa（1400psi）和300℃，它由兩個固定在加熱器上的同軸圓筒組成。外筒用螺栓固定在加熱器（高壓釜）的頂部，內筒支承在滾珠軸承上（外筒通過軸承將內筒托住）。內筒或轉筒靠磁耦合與一個Rotovisco RV 20相連接。內筒作為轉子，釜外的驅動機構通過電磁耦合帶動內筒轉動；內筒通過電磁耦合將其所受的轉矩傳遞給釜外的驅動機構，使其轉過一個角度（圖3.4）。

圖3.4 Haake RV20/D100剪應力測試原理

可用計算機控制來自動描繪流變曲線。該儀器在0s^-1～1200s^-1范圍內可連續變化，並且自動進行數據分析。施加在轉軸上的扭矩可被反應靈敏的電扭力桿測得。測量電扭力桿扭轉的角度即為所施加的扭矩值。剪切應力可由扭矩值通過合適的剪切應力常數來計算得出。

3.3.1.5 美國Grace公司專利產品MODEL 7400/M7500

M7400流變儀包含250mL的漿杯總成，安裝在儀器加壓的測試釜體內，漿杯易於取出，方便漿杯裝樣和清洗。流變儀可配備不同的內筒/轉子（外筒）組合，提供了不同的測量間隙尺寸。轉子（外筒）按需要的速度圍繞內筒轉動，由於內筒和轉子（外筒）之間的環型區域內的液體被剪切，傳導到內筒上的扭矩用一個應力表類型的扭矩感測器測量（圖3.5）。

圖3.5 M7400流變儀

儀器加壓用一個空氣驅動液壓泵，礦物油作為壓力介質，連接到高壓泵上的可編程壓力控制器控制壓力的升壓和保壓，漿杯下的葉輪循環流動壓力油改善溫度控制效果，葉輪也用於提供均勻的樣品加熱效果，溫度控制採用一個連接到內部4000W加熱器和熱電偶的溫度控制器控制，漿杯中心內筒頂部的熱電偶用於測量實際樣品溫度，馬達驅動轉子（外筒）在一定速度范圍內轉動，樣品黏度根據測量出來的剪切應力和剪切速率計算出來。

M7500是專為復雜樣品進行簡單測試而設計的高溫、超高壓、低剪切、自動、數字流變儀。該儀器專利的測量機構設計消除了昂貴和易損的寶石軸承，可以進行大范圍的測量。由於它獨特的設計，使其便於維護並大大簡化了操作流程。基於微軟資料庫作為支持友好的用戶界面，測試結果自動化的壓力，速度和溫度控制，使實驗結果更加精確和一致，標準的API實驗可由觸摸式LCD屏幕或者在計算機上單擊滑鼠來實現（表3.5）。

表3.5 M7500技術參數

M7500與其他同類產品相比，測試時間短且更容易操作；它不含有易碎和昂貴的精密軸承，維修成本低；最先進的速度控制使得低剪切率測試成為可能，自動剪切應力校準在很大程度上簡化了操作程序。

3.3.1.6 Fann流變儀

（1）Fann稠度儀

Fann稠度儀是一種高溫高壓儀器，試驗的泥漿在套筒內承受剪切，其最高工作壓力和溫度分別為140MPa和260℃，其測量原理見圖3.6。它通過安裝在樣品釜兩端的兩個交替充電的電磁鐵產生的電磁力，使軟鐵芯作軸嚮往復運動。存在於運動鐵芯與樣品釜釜壁之間的環形間隙內的泥漿受到剪切，泥漿黏度越高，鐵芯運動越緩慢，從一端運行到另一端所用的時間也就越長，泥漿的相對黏度就用鐵芯的運行時間來衡量。Fann稠度儀不能測量絕對黏度，通常將其結果作為相對黏度。這是因為電磁鐵施加給鐵芯的是一個不變的力，使鐵芯在被測泥漿中從速度為零加速至終速度，在常用的泥漿中鐵芯不能總是勻速運動，因此不能按不變的或確定的環空剪率進行分析。在實際使用中，常用於測量水泥漿的稠度。

圖3.6 Fann稠度儀原理圖

（2）Fann 50C高溫高壓流變儀

Fann50C高溫高壓流變儀是高溫高壓同軸旋轉式黏度計，其最高工作壓力和溫度為7MPa和260℃，其剪應力測量原理如圖3.6。泥漿裝在兩個圓筒的環狀間隙里，外筒可用不同轉速旋轉。外同在泥漿中旋轉所形成的扭矩，施加在內筒上，使內筒轉過一個角度。測量這一角度，即可確定其剪應力值。測量數據用X-Y記錄儀以曲線形式輸出。其轉速可在1～625r/min范圍內無級調速。

Fann 50C早期產品由壓力油提供壓力，適合於作水基泥漿的高溫高壓流變性測試，壓力油對油基泥漿試驗結果影響較大。Fann 50C中期產品有兩種形式，既可由壓力油提供壓力，也可由高壓氮氣或空氣提供壓力。近期產品則只有由高壓氣源提供壓力一種形式。採用氣壓形式後，就不存在壓力油對泥漿污染和對測試結果的影響。

（3）Fann 50SL高溫流變儀

50SL是Fann 50C的改進型產品，它在Fann50C原有結構基礎上，新增加了壓力感測器，冷卻水電磁閥和遠程式控制制器（RCO），是一款高精度的同軸旋轉型黏度計，該儀器具有廣泛的通用性，可解決多種黏度測試問題或完成許多程序測試，Fann 50SL（圖3.7）可以測試特殊剪切速率下的流體的流變特性，如賓漢塑性流體和假塑性流體（包括冪律流體）和膨脹性流體，觸變性和膠凝時間也可以測試出來，實驗可以在剪切率、溫度和壓力精確控制的狀態下進行。

該黏度計可以測試出剪切力-剪切率值，也可得到在流變狀態下的剪率特性，通過選擇合適的扭簧、內筒和外筒可得到很寬的黏度測量范圍（量程從50到64000dyn/cm²之間的剪力范圍）。

最高溫度260℃，壓力7MPa（1000psi）條件下的測試。使用該儀器必須在連接遠程式控制制器和一台合適的電腦的條件下，其控制操作由儀器將感測器信號通過介面傳送到計算機，計算機再把正確的控制信號輸出給Fann 50SL。加熱、施壓和轉子速度的控制由專門軟體的輸入來控制。在各種剪切速率下的表觀黏度、時間依賴性、連續剪切和溫度效應引起的變化等可快速而准確地測定。50SL是一般流變特性，包括鑽井液高溫穩定性測定的理想儀器。唯一不足的是該控制軟體中不具備將曲線在列印機上輸出的功能。

（4）Fann 75流變儀

主要用來測量不同溫度、壓力和剪切速率下鑽井液的剪切應力、黏度。最高測量溫度為260℃，最高測量壓力為138MPa，儀器如圖3.8所示。

該儀器同其他「旋轉」式流變儀工作原理一樣，轉子/浮子組合如圖所示。

（5）Fann IX77流變儀

范氏IX77型全自動泥漿流變儀（圖3.9）是第一台在高壓（30000Psi）和高溫（316℃）的極端條件下測量流體流變性的全自動流變儀。另外，如果配上一個軟體控制的製冷器可以使實驗在室溫以下的溫度進行。

圖3.7 Fann 50SL高溫流變儀

圖3.8 Fann 75流變儀

該儀器是同軸圓筒測量系統，它使用一個精密的磁敏角度感測器來檢測內嵌寶石軸承的彈簧組合的角度，感測器系統可以校準到±1℃。電機轉速實現了0～640r/min無級調速的全自動控制。

儀器的特點在於藉助內嵌微電腦和巧妙的機械及電路設計而帶來的非常安全的傳動機構。它的軟體使儀器的操作、數據採集、輸出報告和報警功能自動進行，最大限度的擴展其應用范圍，給操作帶來較大的靈活性。

IX77禁止用於測試具有赤鐵礦、鈦鐵礦、碳酸鐵成分的或者含有磁性的活亞鐵成分的混合物、溶液、懸浮液和試劑的樣品。

其他高溫高壓流變儀如Chandler 7400（工作極限條件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）與以上類型工作原理相似。

圖3.9 Fann IX77 流變儀

3.3.2 高溫高壓濾失儀

泥漿在鑽井時向地層滲濾是一個復雜的過程，影響因素較多，它包括在泥漿液柱壓力和儲層壓力之間的壓差作用下，發生的靜止濾失。包括在該壓差下，泥漿在流動狀態下的動濾失，這種流動是由泥漿循環時的返流和鑽柱旋轉時的旋流所引起，它對井壁過濾面產生沖刷作用，影響了滲濾的過程。

高溫高壓濾失儀是一種在模擬深井條件下，測定鑽井液濾失量，並同時可製取高溫高壓狀態下濾失後形成的濾餅的專用儀器。溫度和壓力在濾出液控制中起著很大的作用。

3.3.2.1 海通達高溫高壓濾失儀

（1）GGS系列（圖3.10；表3.6）

圖3.10 GGS-71型高溫高壓濾失儀

表3.6 GGS系列儀器參數

其中GGS42-選用單孔單層活網鑽井液杯，濾網目數50。

GGS42-2和GGS71-A使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鑽井液杯，濾網目數50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鑽井液杯，濾網目數60，有獨立溫度控制系統，採用國外先進的電子溫控器。

（2）HDF-1型高溫高壓動態濾失儀

HDF-1型高溫高壓動態濾失儀克服了靜態濾失儀的不足，使測試結果更加接近井下實際情況。該儀器由電機驅動的主軸帶動杯體內的螺旋葉片對鑽井液進行攪拌。通過SCR控制器控制變速電機，數字顯示主軸轉速（表3.7；圖3.11）。

表3.7 儀器的主要技術參數

圖3.11 HDF-1型濾失儀

3.3.2.2 OFI公司高溫高壓動態全自動失水儀

OFITE高溫高壓動態失水儀在動態鑽井條件下測量濾失特性。馬達驅動裝配有槳葉的主軸在標准500mL HTHP泥漿池中旋轉，轉速設置范圍為1～1600r/min，模擬鑽井液高溫高壓池中以層流或紊流形式流動。測試方式完全和標準的高溫高壓濾失儀一樣，唯一的差異為濾出物收集時鑽井液在高溫高壓池中流動循環。由於濾失介質為普通的圓盤（disk）材質，因此測定結果跟別的或以往的有充分的可比性，該儀器能夠和電腦相連，並自動畫出曲線。最高壓力8.6MPa，最高溫度260℃（圖3.12）。

圖3.12 OFI高溫高壓動態濾失儀

技術特徵：①一款分析轉動中鑽井液的真正循環濾失儀；②變速馬達，1/2Hp永久磁鐵，直流；③池頂帶蓋得以輔助管路連接，移去堵頭，可以添加額外的鑽井液添加劑；④安全校正的防爆片，保證過壓安全；⑤馬達和轉動主軸轉動轉速操作保證1∶1；⑥可調螺旋槳改變到濾失介質距離；⑦可調熱電偶溫度38～260℃；⑧可選的濾失滲透性濾片；⑨500mL容積的不銹鋼高壓池。

3.3.2.3 美國Fann高溫高壓動態全自動失水儀

Fann90高溫高壓動態失水儀使用人造岩心濾筒，濾液從岩心濾筒側壁濾出，能很好地模擬鑽進過程中鑽井液從井壁濾失的過程，不但能測試在一段時間內累積的濾液量，而且可以繪制濾液隨時間變化的濾失曲線。Fann90的最高工作壓力可達17.2MPa，最高工作溫度260℃。該儀器可與電腦和列印機連接，自動化程度高，操作方便，是當前最先進的高溫高壓動態失水儀（圖3.13）。

圖3.13 Fann90 高溫高壓動失水儀

3.3.2.4 LH-1型鑽井液高溫高壓多功能動態評價實驗儀

「抗高溫高密度水基鑽井液作用機理及性能研究」的多功能動態評價實驗儀，是一種鑽井液用智能型多功能動態綜合評價實驗儀。該儀器能模擬鑽井過程中的井下情況評價鑽井液性能，並將鑽井液多項高溫高壓性能評價實驗集於一體，達到一儀多用的目的（圖3.14）。

圖3.14 鑽井液多功能動態綜合測試儀實物圖

該儀器可以進行高溫高壓靜/動態濾失、高溫高壓鑽屑分散、高溫高壓動態老化等若干項實驗，採用電腦工控機控制實驗過程，實時顯示實驗狀態、自動採集、處理、顯示實驗數據，實現智能化實驗操作。

儀器主要技術指標：工作溫度0～300℃；工作壓力0～40MPa；轉速0～1200r/min，無級調速；釜體容積800mL；冷卻速率200℃～室溫/10min。

3.3.3 高溫滾子爐

溫度的影響對鑽井液在鑽井內的循環是非常重要的。熱滾爐的作用是評定鑽井液循環與井內時溫度對鑽進的影響。

高溫滾子爐包括爐體、滾筒及滾筒帶動的陳化釜。陳化釜設有一釜體，釜體上部設有釜蓋，釜體與釜蓋之間設有密封蓋，釜蓋上垂直於釜蓋設有壓緊螺栓，將密封蓋與釜體壓緊。密封蓋與釜體之間設有密封環，所述的密封環為四氟乙烯材質。覆蓋上設有排氣閥，排氣閥穿過密封蓋與釜腔相通，排氣閥兩端設有O型密封圈，密封圈為四氟乙烯材質。釜蓋與釜體上設有支撐環，支撐環為四氟乙烯材質，爐門邊緣設有密封墊，密封墊為四氟乙烯材質。該滾子爐耐高溫、密封效果好，而且體積小、安全系數高，便於使用。

3.3.3.1 青島海通達XGRL-4高溫滾子爐

滾子爐是一種加熱、老化裝置。採用微處理器智能控制技術，直接設定，數字面板顯示，並可進行偏差指示。適用范圍為50～240℃，滾子轉速為50r/min（圖3.15）。

圖3.15 XGRL-4型高溫滾子爐

該滾子爐採用鋼架結構、硅酸鋁保溫層、不銹鋼外殼；滾筒採用優質金屬材料滾筒和框架、四氟石墨軸承，重量輕、轉動平穩；其加熱系統採用兩根700W加熱管加熱；動力系統由大功率調速電機鏈帶動滾子轉動，傳動平穩可靠、噪音低；溫控部分採用智能儀表設定、顯示和讀出，恆溫准確，溫度超限自動斷開加熱電源，並發出聲光報警。定時部分定時關機。

3.3.3.2 OFFIE 滾子爐

美國OFI公司，五軸高溫滾子爐。適用范圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.16，圖3.17）。

圖3.16 OFFIE滾子爐

圖3.17 老化罐

3.3.3.3 Fann 701滾子爐

美國Fann公司的Fann 701型五軸高溫滾子爐，適用范圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.18）。

圖3.18 Fann滾子爐

3.3.4 其他高溫高壓評價儀器現狀

3.3.4.1 高溫高壓堵漏儀

高溫高壓堵漏儀主要是用來模擬高溫高壓條件下進行堵漏材料實驗，對一套泥漿系統既可以做填砂床實驗又可以做縫板實驗，還可以做岩心靜態污染實驗以及測量堵漏層形成後抗反排壓力的大小。如：JHB高溫高壓堵漏儀由加壓部分、加溫部分、縫板模擬部分等組成。參看圖3.19～圖3.22。

圖3.19 高溫高壓堵漏儀實物圖

圖3.20 高溫高壓堵漏儀結構圖

圖3.21 實驗縫板實物圖

圖3.22 實驗用滾珠及套筒實物圖

3.3.4.2 高溫高壓膨脹儀現狀

膨脹儀是評價黏土礦物膨脹性能的重要試驗儀器，主要用於防塌泥漿及處理劑的研究方面。通過電腦回執曲線可准確測定泥頁岩試樣在不同條件下的膨脹量和膨脹率。用以評價不同的防塌處理對頁岩泥水化的抑制能力，並針對不同的地層及不同組分的泥頁岩選擇適用的處理劑，以控制、削弱泥頁岩的水化膨脹進而防止可能出現的坍塌、卡鑽等事故的發生。

常溫常壓膨脹儀不能模擬井下條件下黏土的膨脹情況和加入黏土抑制劑後對黏土的防膨脹效果。

（1）HTP-C4高溫高壓雙通道膨脹儀

HTP-C4型高溫高壓單通道膨脹量儀，能較好模擬井下溫度（≤260℃）和壓力（≤7MPa）條件下，測試頁岩的水化膨脹特性，為石油鑽井井壁穩定性研究、評價和優選防塌鑽井液配方提供了一種先進的測試手段。HTP-C4型頁岩膨脹儀採用非接觸式高精度感測器，電腦監控記錄，性能穩定，測試范圍大，無漂移，通電即可使用，兩個樣品可同時測量（表3.8；圖3.23）。

表3.8 儀器的主要技術參數

圖3.23 HTP-4型高溫高壓單通道膨脹儀

（2）JHTP非接觸式高溫高壓智能膨脹儀

高溫高壓膨脹儀雖然能模擬井下溫度和壓力條件，但其使用的是接觸式線性位移感測器，這種接觸式感測器受膨脹腔結構的影響，在高壓密封和位移之間產生矛盾，使黏土的線性膨脹量不能得到真實的反映，因為增大了試驗誤差。

圖3.24是一種非接觸式高溫高壓智能膨脹儀結構圖。它由加熱體、實驗腔體、腔蓋、腔體、腔身、圓鐵餅、非接觸式位移感測器、試驗液體加入口、加壓孔、前置器、數據採集器及輸出設備組成。它是利用非接觸式位移感測器與圓鐵餅之間的距離隨黏土餅膨脹時提高變化而變短，而改變感測器的輸出電壓，使數據採集器得到實驗參數，達到在室內評價黏土礦物的膨脹性能。克服了現有膨脹儀不能真實和准確地描述井下條件黏土的膨脹情況、實驗誤差大、加入抑制劑後對黏土的防膨脹效果不能預計的問題。結構簡單，操作方便，實驗數據准確。

圖3.24 JHTP非接觸式智能膨脹儀結構

3.3.4.3 高溫高壓黏附儀

該儀器可測定鑽井液在常溫中壓（0.7MPa）及在常溫高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能，同時還可測試鑽井液樣品在高溫（～170℃）高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能。黏附盤加壓方式為氣動（圖3.25）。

3.3.4.4 高溫高壓腐蝕測定儀

OFI高溫高壓腐蝕測試儀是用於測試金屬試樣在高溫高壓動態條件下對各種腐蝕液體的反應速率。該系統主要由壓力釜、控制儀表及閥門、樣品支架和試樣玻璃器皿組成。

壓力釜採用特製的合金鋼材料，最大工作壓力34.5MPa，最高溫度可達204.4℃。壓力釜及內部樣品由熱電偶加溫。加熱速率范圍為2.5℉/min到3℉/min。機箱內包括一個馬達用以搖動測量支架，一台高壓泵用於提供系統壓力。系統設有安全裝置，包括安全警報等。

圖3.25 GNF-1型黏附儀

『陸』 油氣井工程的研究方向

① 油氣井信息/控制工程
主要從事油氣井錄井技術與軟體開發，井眼軌跡控制，管柱力學分析，井下工具研製與評價等。大型實驗儀器設備有鑽井綜合模擬實驗裝置，鑽柱力學模擬實驗裝置，鑽井綜合模擬實驗裝置等。
② 油氣井岩石力學與工程
主要從事岩石破碎機理及新型鑽頭設計、井壁穩定分析、完井方式優選、出砂機理分析、套管損壞機理分析、地層壓力預測與監測、地層力學、聲學特性參數測試分析、岩石微觀結構分析等，大型實驗儀器裝置有萊卡偏光顯微鏡、體式顯微鏡，Panametrics聲波儀，伺服控制岩石力學三軸實驗裝置，岩石破碎力學模擬實驗裝置等。
③ 油氣井流體力學與工程
主要研究內容有徑向水平井技術，超高壓射流鑽頭研製，旋轉射流增產增注技術，欠平衡鑽井壓力控制與檢測技術，特殊結構井環空水力參數優選等。大型儀器設備有超高壓射流實驗架，超高壓泵，環空攜岩模擬實驗裝置，BK雜訊測試儀，CCD高速流場攝影測試系統，實驗過程實時遙控攝錄像記錄監測儀等。
④ 油氣井化學工程
主要研究內容有鑽井液添加劑的合成與研製，鑽井液體系評價與優選，頁岩防塌機理分析與防塌鑽井液優選，油層損害機理分析與保護技術等，大型實驗儀器有Fan90高溫高壓動濾失儀，激光微電泳儀，高壓液相色譜儀，熒光分光光度儀，Fan50高溫高壓流變儀，高溫高壓鑽井液井下模擬實驗裝置等。

『柒』 海洋鑽井噴射下導管模擬實驗研究

張 輝 柯 珂 王 磊

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

摘 要 水力參數是影響深水鑽井表層噴射下導管作業安全順利施工的重要因素之一。本文設計和建立了噴射下導管模擬實驗系統，選取與海底淺層土性質接近的土樣，對噴射下導管作業進行室內模擬實驗。通過改變噴嘴直徑和排量等參數，研究水力參數對導管承載力的作用規律。通過對實驗結果分析發現，當作業排量和射流速度等水力參數超過某臨界值時，水射流對導管壁外側區域的土體產生過度擾動，使導管的豎向和橫向承載力均發生較為明顯的突降。因此在實際作業中，應當在控制水力參數提高破岩效果的同時，避免為增大導管的下入速度而使用過大的水力參數。

關鍵詞 深水鑽井 噴射下導管 模擬實驗 水力參數 承載力

Simulation Experiment Research for Jetting Conctor

in Offshore Drilling Operation

ZHANG Hui，KE Ke，WANG Lei

（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Abstract Hydraulic parameter is one of the most important influence factors for the successful operation of jetting conctor in offshore drilling.The simulation experiment system is designed and built.With the soil sample that has the similar properties with shallow seabed soil，the laboratory experiments are performed to simulate the jetting conctor operation.By using the different jet diameters and different displacements，hydraulic parameters are changed in experiments to research the influence regulators of hydraulic parameters on bearing capacity of conctor.As is shown in experiment results，both of the horizontal and vertical bearing capacities are significantly reced when the jet velocity or replacement is beyond the critical value.The reason is that the soil outside of the conctor is severe disturbed by the jet.The reasonable hydraulic parameters should be selected in jetting conctor operations to increase the efficiency of rock breaking while to avoid the severe disturbance to the soil outside of conctor.

Key words deepwater drilling；jetting conctor；simulation experiment；hydraulic parameters ；bearing capacity

噴射下導管技術是解決海洋鑽井表層作業難題的特色技術之一。使用噴射方法下入導管，對於深水作業是一項經濟有效的技術措施，不僅能夠節約作業時間和成本，同時能夠降低深水作業風險。近年來，隨著國內深水及超深水油氣資源勘探開發活動的不斷增加，噴射下入導管技術在我國南海海域得到廣泛應用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等國內外石油公司在中國南海區域所鑽的深水及超深水井絕大多數採用噴射方法下入導管。

在噴射下導管作業過程中，水射流破土在導管下部地層破碎過程中起到重要作用。射流參數過小，導管下部土體無法得到充分破碎，將使導管的下入阻力增大；射流參數過大，對導管外部土體過度擾動，將影響導管下入後承載能力的恢復。因此，本文通過室內模擬實驗，研究射流參數對導管噴射下入過程及導管承載力的影響規律，為噴射下導管水力參數設計提供依據。

1 噴射下導管作業介紹

噴射下導管作業過程中，將底部鑽具組合置於導管內部，通過送入工具與導管相連，並由送入管柱送達海底。導管到達泥線處時，在依靠重力作用進入地層的同時，開泵驅動馬達使鑽頭旋轉，對導管內的土體進行破壞，並循環鑽井液將岩屑從導管與鑽柱的環空返出。導管下入過程中，靠鑽頭旋轉與水力作用聯合破岩，並在導管自重及送入工具的重力作用下克服導管的下入阻力進入地層。導管到達設計深度後，經過一定時間的靜止，在導管與地層土之間建立足夠的膠結強度，保證導管在後續作業中有足夠的承載能力。

噴射下導管技術將鑽井與下導管兩項作業 「合二而一」 進行，一趟鑽完成了鑽井眼與下導管兩項作業，並省去了固井環節。將這項技術應用於深水鑽井導管下入作業，不僅節約了在上千米深水中多次起下鑽的作業時間，同時避免了常規下導管時，容易受到深水海域環境載荷的影響而找不到井口的風險和復雜情況，以及深水海底低溫帶來的固井質量差等技術難題^［1～4］。

2 噴射下導管作業室內模擬實驗

2.1 實驗總體思路

用金屬管作為模擬導管，沿金屬管軸向設置應變片，用小型水泵模擬導管的噴射下入過程，並記錄導管的下入速度。導管下入後靜置一定時間，測試導管的豎向和橫向承載力。採用不同的排量、噴嘴尺寸等參數，重復進行實驗，最終得出導管承載力隨排量、射流出口速度等水力參數變化的規律。

2.2 模擬實驗系統設計

2.2.1 實驗系統整體組成

噴射下入導管室內模擬實驗系統示意如圖1所示，主要包括土箱、管柱系統、循環系統、載入系統、測量系統等組成部分。

2.2.2 載入系統

載入系統包括對模擬導管的豎向載入和橫向載入。通過千斤頂對導管施加豎向上拔力及橫向推力（圖2，圖3），並通過壓力感測器實時採集載入過程中的壓力變化值。

圖1 噴射下導管模擬實驗系統示意圖

圖2 豎向載入系統

圖3 橫向載入系統

2.2.3 測量系統

測量系統主要對載入過程中導管頂部的豎向和橫向位移進行實時測量。通過在導管上部的鐵盒處連接位移百分表（圖4，圖5），測量導管頂部的位移隨載入載荷變化的規律。

2.3 實驗參數

實驗採用表1中的排量及噴嘴尺寸組合，得到不同的水力參數，分別實現：

1）保持噴嘴射流出口速度為23.58m/s，改變排量。

2）保持排量為1.07m³/h，改變噴嘴射流出口速度。

圖4 豎向位移測量系統

圖5 橫向位移測量系統

表1 實驗參數

2.4 實驗步驟

實驗按照以下步驟逐組進行：

1）將導管直立吊起至實驗土層上方、土箱中間位置處。

2）控制大鉤使管柱勻速緩慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不開泵。

3）管柱入泥1m後開泵。開泵時先用小排量，逐漸增大至設計排量值。

4）緩緩釋放大鉤，使管柱在自重及射流聯合作用下逐漸下沉。下放過程中保持勻速，並保證管柱的垂直性。

5）管柱到達標記位置後，停泵，並用大鉤吊住管柱靜止20min。

6）釋放大鉤，觀察管柱是否發生沉降。

7）靜置管柱恢復4h之後，對管柱進行承載力測試。

8）在導管頂部中心位置處施加豎向上拔力，以位移40mm作為標准，記錄導管頂部的豎向位移量。

9）在導管頂部固定位置處施加橫向推力，以位移40mm作為標准，記錄導管頂部的橫向位移量。

10）拔出導管，重新整理土樣，更換實驗參數，重復實驗。

2.5 實驗結果及分析

2.5.1 實驗現象

實驗過程中，觀察到的實驗現象如下：

1）導管能夠在自重及輔助壓載作用下下入指定深度。導管下入時，可見泥漿從管內返出的現象，如圖6所示。初始返漿位置多在導管下入1.5 ～2m位置左右。

圖6 泥漿從管內返出

2）導管下入到指定深度後吊住靜止20min，釋放大鉤，多數情況下能夠保持在下入位置。在少數排量較大的情況下，發生了導管下沉3～10cm的情況。

通過上述實驗現象，證明本實驗可近似模擬噴射下入導管現場作業過程。

2.5.2 實驗結果分析

1）射流出口速度保持在23.6m/s不變的情況下，導管的豎向及橫向承載力隨排量的變化曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，管柱的豎向及橫向承載力隨排量的增大而降低。在射流出口速度為23.6m/s的條件下，曲線上對應於排量為1.07m³/h（噴嘴尺寸為2mm）時，管柱的豎向及橫向承載力均發生較為明顯的突變。

圖7 射流出口速度不變，排量對管柱承載力的作用規律（砂土中）

2）排量保持在1.07m³/h不變的情況下，導管的豎向及橫向承載力隨射流出口速度的變化曲線如圖8所示。

圖8 排量不變，射流出口速度對管柱承載力的作用規律

從圖8中可以看出，管柱的豎向及橫向承載力隨射流出口速度的增大而降低。在排量為1.07m³/h的條件下，曲線上對應於射流出口速度為23.65m/s（噴嘴尺寸為2mm）時，管柱的豎向和橫向承載力均發生較為明顯的突變。

3 實驗結果與理論計算對比

當水力噴射破碎地層的范圍恰好達到導管壁位置處時，對應的射流出口速度稱為射流破土的臨界射流出口速度，對應的排量稱為臨界排量。根據淹沒水射流特性、土體在射流作用下的破壞條件以及鑽頭水眼的位置、傾角等參數，可以計算得到在實驗條件下射流破土的臨界排量和臨界射流出口速度隨不同噴嘴尺寸的變化曲線^［5～10］，如圖9所示。

圖9 實驗條件下的臨界排量和臨界射流出口速度

從圖9（a）中可以看出，在實驗中所用射流出口速度為23.6m/s的情況下，臨界曲線上所對應的噴嘴直徑為2mm，恰好為圖7中承載力曲線上發生突變的位置；從圖9（b）中可以看出，在實驗中所用排量為1.07m³/s的情況下，臨界曲線上所對應的噴嘴直徑為2mm，恰好為圖8中承載力曲線上發生突變的位置。

上述實驗結果說明：當排量和射流出口速度超出理論計算得到的射流破土臨界排量及臨界射流出口速度時，射流將對管壁外側的土體產生很大擾動，從而使管柱在下入後一定時間內的承載能力發生明顯下降。

4 結論

1）本研究設計的噴射下入導管室內模擬實驗裝置，能夠較好地模擬噴射下導管作業過程，有助於研究水力參數對導管承載力等性能的作用規律。

2）通過實驗結果可以看出，排量、射流出口速度等參數都對導管的承載能力有很大影響，提高射流排量和出口速度，能夠提高射流的破土能力，增加對導管壁附近區域地層的擾動，從而使得導管承載能力降低。

3）對照實驗結果與理論計算結果可以發現，當噴射下入導管作業的水力參數達到或接近射流破土的臨界水力參數時，將對導管壁周圍的地層產生嚴重擾動，使導管的承載能力發生比較明顯的突降。

4）在實際作業過程中，應當控制水力參數小於射流破土的臨界水力參數，防止導管承載力發生嚴重下降，避免為提高導管的下入速度而使用過大的水力參數。

參考文獻

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［10］高大釗.土力學與基礎工程［M］.第1版.北京：中國建築工業出版社，1998.

『捌』 油氣井工程的開設高校

2013-2014年油氣井工程專業院校排行榜 排 名 學校名稱 星 級 博士點 1 中國石油大學（北京） 5★ 1 2 中國石油大學（華東） 5★ 1 3 西南石油大學 3★ 1 4 東北石油大學 3★ 1 5 長江大學 3★ 1 6 中國地質大學（武漢） 3★ 1 7 燕山大學 2★ 0 8中國地質大學（北京）2★09西安石油大學2★010遼寧石油化工大學2★011常州大學2★012重慶科技學院2★0 經過新老幾代人多年的建設與發展，特別是經過「211工程」一期建設，油氣井工程學科已形成五個穩定的研究方向；造就了一支學歷層次高、知識結構合理且比較年輕化的學術隊伍；建成了一批具有國內一流水平的研究室和實驗室；承擔國家自然科學基金、「863計劃」、「973計劃」、國家重點攻關項目十多項；取得了一大批達到國際先進水平的科技成果，並獲得了多項國家級和省部級的科研獎勵；培養了近20名博士，200名碩士，發表了300餘篇高水平的學術論文，出版了20部專著或教材；年均科研經費達到近1000萬元。同時本學科也是國內該領域歷史最久、規模最大的高級專門人才培養或培訓基地。多年來在人才培養和科技發展方面，為我國石油工業的發展做出了重大貢獻。
一、主要研究方向：
1、油氣井流體力學及高壓射流技術。
主要研究井筒中牛頓流體、非牛頓流體、多相流體及高壓射流的流動規律。通過在油氣井筒內復雜流動條件下流體流動規律的研究，豐富和發展洗井技術、射流技術、破岩技術、井控技術，提高機械鑽速，減少井下事故，減低生產成本，縮短建井周期，提高油井產能。該研究方向具有超高壓射流實驗系統，先進的 PIV高速射流實驗測試及數據採集處理系統，中圍壓及高溫高壓模擬實驗井筒，磨料射流實驗裝置等可進行各種射流實驗研究和多相流流動規律研究的裝備條件。
2、油氣井工程岩石力學。
主要研究內容有：地層基礎參數預測與評價技術，破岩機理及破岩技術，井壁穩定理論與控制技術和完井與油層改造過程的岩石力學問題。該研究方向具有高溫高壓三軸模擬試驗架，高溫高壓岩石與鑽井液相互作用模擬試驗架，岩石聲學測試裝置，岩石微觀測試系統等先進實驗裝備，而且有一個金剛石鑽頭研究室，具有金剛石鑽頭的先進研究手段和生產能力。
3、油氣井信息與控制工程。
主要研究內容有：油氣井管柱力學研究，井下過程式控制制研究和地層信息採集與利用研究。綜合應用基礎科學的理論和方法，研究管柱在各種井眼（直井、定向井及水平井）中的力學行為，為井眼軌跡控制、直井防斜打快、管柱的優化設計、合理使用及其壽命預測等提供科學依據。該研究方向建有大型管柱動力學研究模擬實驗裝置和井下鑽柱受力實測裝置，開展了防斜機理的理論和實驗研究，形成了不同底部鑽具組合防斜效果的室內實驗評價方法、井眼軌跡預測和控制技術及相關軟體。建立了針對定向井、水平井、大位移井鑽柱進行摩阻計算、強度分析、穩定性分析和疲勞壽命預測的分析模型及相關軟體。開展了套管損壞與防治技術研究。
4、鑽井液、完井液化學與技術。
主要研究內容有：鑽井液與完井液體系及處理劑的研製、配方與性能研究，井壁穩定化學力學耦合研究，油氣層保護研究及鑽井液膠體與界面化學性質研究等。該研究方向具有范90動濾失儀、膠體ZETA電位分析儀等先進測試儀器以及先進的鑽井液模擬實驗井筒等。
5、固井、完井工程與技術
主要研究內容有：注水泥頂替效率、纖維水泥水泥漿體系研究，低密度流體在洗井、沖砂、壓井及射孔等工程中的應用研究，水力壓裂設計與評價技術研究，出砂機理與防砂技術研究。
二、研究隊伍：
本學科共有研究人員50人，其中教授12人（其中工程院院士1人，博導8人。）、副教授及高級工程師18人，具有博士學位者11人。入選國家「百千萬人才工程」第一、二層次人選者1人，獲得 「國家傑出青年基金」者1人。
三、研究機構：
油氣井工程系
金剛石鑽頭研究室
鑽井液化學研究室
高壓水射流研究中心
四、主要研究成果及獲獎：
1、水平井鑽井配套技術, 1997年國家科技進步一等獎
2、加長噴嘴牙輪鑽頭, 1997年國家發明三等獎
3、人造硬質材料鑽頭破岩機理及設計, 1996年石油天然氣總公司科技進步二等獎
4、無熒光防塌降濾失劑PA-1及低傷害固砂穩定劑, 1996年山東省科技進步二等獎
5、分層地應力剖面建立技術, 1998年山東省計算機優秀應用成果二等獎
6、地應力測量技術及其在油田勘探開發中的應用, 1999年石油天然氣集團公司科技進步二等獎
7、地應力測量技術現狀及發展趨勢研究,1999年石油天然氣集團公司科技情報一等獎
8、大港低滲塊狀砂岩油藏水平井鑽井技術,1999年中國石油天然氣集團公司科技進步二等獎
9、高壓旋轉水射流處理近井地層增產增注研究,1999年山東省科技進步二等獎
10、屋脊失斷塊油藏和特稠油油藏側鑽水平井配套技術研究, 2000年中國石油化工總公司科技進步一等獎 油氣井工程學科培養具備獨立從事油氣井工程中工程設計、組織實施、分析和解決油氣井工程作業問題的能力，可以取得具有一定創新意義的研究成果；能熟練地運用計算機和掌握一門外國語；能夠從事專業及相鄰專業的教學、科研、科技開發和管理工作。
本學科1995年4月作為原中國石油天然氣總公司的重點建設學科正式啟動，2001年成為陝西省重點學科。油氣井工程學科依託一個部級研究中心（CNPC石油鑽井信息應用技術中心），一個導向鑽井研究所，師資力量雄厚，現有教授9人，副教授1人。
1、培養方向主要有：
2、儲層保護技術
3、導向鑽井技術
4、井筒信息應用技術
5、深井與超深井鑽井技術 本學科主要圍繞油氣井工程中的岩石破碎學和工具、石油管柱力學、鑽采地面及井下狀態檢測與故障診斷、鑽井信息資源開發利用、油田化學劑的配製，以及鑽井和採油化學技術的應用等方面開展研究，為高效、安全、優質鑽井提供有力的技術保障。擁有岩石可鑽性測定儀、岩石力學特性參數測定儀、高溫高壓頁岩膨脹性能測定儀、核磁共振岩心分析儀、有線（無線）多通道雜訊振動分析儀等先進儀器設備。近五年，先後承擔了鑽井泵關鍵部件的損傷機理及診斷技術研究、單觀察序列井場信號分離與識別應用研究、西山窯高研磨地層鑽速技術研究、大港濱海區塊下部地層提高機械鑽速技術應用、松南氣田青2-登婁庫組高硬度高研磨地層提速技術研究、柯克亞區塊鑽井提速技術研究與應用、彭水-黃平海相頁岩氣區塊岩石力學特性實驗研究等國家自然基金及企業合作課題20餘項。其中西山窯高研磨地層提速技術研究獲2011年中國石油和化學工業聯合會科技進步三等獎。已發表論文40餘篇，申請發明專利10餘項。培養研究生18人，其中2人進入中國石油大學(北京)，1人進入上海大學繼續深造。

『玖』 中國大陸科學鑽探（CSDC）的最新進展

劉廣志

（地質礦產部科技委高咨中心，北京100812）

中國大陸科學鑽探（CSDC）籌備工作，自進入90年代以來，獲得了迅速的進展：

·召開了「中國深部地質研究中存在的關鍵地質問題」研討會（1991.3）。

·「中國大陸科學鑽探先行項目」開始執行（1991.7）。1994年11月提交有關報告，通過評審，認為中國開展大陸科學鑽探條件業已成熟，爭取列入「九五」國家重大科學工程項目。

·國務院發布的「國家中長期科技發展綱要」中指出：2000年前要為實施地質科學（超深）鑽探工程進行技術准備，2020年前要實施（1992.3）。

·先後召開了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）「中國大陸科學鑽探研討會」，討論中國科學鑽探選址，從12個選區歸結為4個，最後選擇大別—膠南作為首批靶區。

·「中國地質超深鑽探（現稱科學鑽探）國家專業實驗室」在中國地質大學（北京）建成，進入設備安裝調試（1993.5）開展科研工作。

·中國派代表團參加在德國波茨坦召開的「國際大陸科學鑽探會議」（1993.8），並參加ICDP籌備會（1993.9）。此後地質礦產部推薦肖序常院士為中方成員（1994.1）。地質礦產部派肖序常、閔志到美國斯坦福大學參加ICDP會議（1995.12）。

·「中國第一口大陸科學鑽孔實施與科學研究」正式申報為「九五」國家重大科學工程項目。國家科委組織高級專家評議、投票，排名第三（1995.2）。財政部同意支付ICDP會費（1995.7）。以「大陸動力學和大陸科學鑽探」為題舉行了第36次香山科學會議。中國地質界對中國開展大陸科學鑽探取得共識（1995.5）。

·再次舉辦「中國大陸第一口科學鑽孔第三次研討會」（1996.1）。對大別—膠南作出進一步靶區選定；並組織專家進行現場考察。

·（1996.2.26～3.1）在日本東京築波市科學城參加「第八屆通過鑽探觀察深部地殼學術會議」，即「第八屆國際大陸科學鑽探學術會議」。地質礦產部派6人代表團參加了大會。會議期間：①參加了學術1、6兩組的大會論文宣講；②參加了ICDP中美德三國諒解備忘錄的簽字儀式，並參加了該計劃對組織管理、未來國際合作的大型討論會；③劉廣志參加了國際岩石圈（ILP）CC-4組主席M.D.佐巴克教授主持的匯報會，互通了各國CC-4組的活動簡況，提出了今後活動方向。

·配合中國第一口大陸科學鑽探的選址工作，提出了「中國第一口大陸科學鑽探取心鑽孔鑽探工程技術前期研究與開發規劃」（1996.3）。

1中國大陸科學鑽探先導孔施工技術方案

1.1施工條件

（1）鑽孔深度不超過5000m。事先由地質部門提出預想鑽孔柱狀圖及有關地球物理資料。

（2）鑽孔貫穿的主要岩層為結晶岩，如片麻岩、榴輝岩、硬玉石英岩、大理岩等等。

（3）貫穿的岩層主要物理力學性質，單軸抗破碎強度可能高達100～150MPa，個別高達150～200MPa，在地質鑽探岩石可鑽性分類中屬7～12級硬至堅硬岩層，個別屬極硬岩層。岩層研磨性可能成兩極分化狀態，多數屬強、高研磨性；少數屬堅硬、緻密弱研磨性打滑層。有的含包裹體。

（4）岩心是提取大量地質信息的「信息源」，是研究下地殼、上地幔的實物資料，鑽孔直徑要有足夠大的尺寸，以獲取盡可能大直徑的岩心。

鑽孔又是井中地球物理、地球化學測井的通道，其直徑和孔壁穩定性要滿足先進的高科技測井儀下井的要求。

1.2科學鑽探先導孔的主要任務和作用

（1）全孔除覆蓋層以外，要不間斷採取岩心、岩樣，液態樣（礦化水，結晶水，油等），氣態樣（H₂,O₂,CO₂,He,CH₄,Cl,H₂S,SO₂等可能出現的氣體），進行多種測試分析。

（2）分孔段進行系統的地球物理，地球化學測井。

（3）減少深孔將來在這一井段的取心，測井工作量。

（4）測量出地溫剖面，在先導孔周圍打一到幾個深100～300多米的測溫孔，測量地熱熱傳導率，熱流密度，以建立地溫數學模型，推斷先導孔地溫剖面，終孔溫度，地溫變化，對在鑽孔深部選擇取心工具，測井儀器，各種取樣器的結構性能，增強薄弱環節是至關重要的。

（5）在先導孔中試驗各種新研製的鑽頭、鑽具、儀器等。

（6）測試地層壓力梯度，壓裂強度，為孔壁穩定性，造斜傾向等提供參考位置與參數。

（7）檢驗過去用於沉積岩鑽孔中的各種儀器和方法在結晶岩鑽孔中是否有效。

（8）鍛煉鑽探隊伍，培養深孔、超深孔鑽探人才。

1.3先導孔鑽孔結構設計

在1993年9月在德國舉行的「國際大陸科學鑽探會議」上，到會代表們幾乎一致的認為，根據多年來國際上施工科學鑽孔經驗，為節省大量投資，更科學的打科學鑽孔，必須大力提倡採用已經在南非和加拿大施工了數百口深度在4000～5000m以深的勘探鑽孔經驗。英國KENTING鑽探公司的John Beswick先生介紹，南非擁有鑽進能力4000m以上的深鑽機150台，鑽進能力大於5000m的鑽機有20多台，根據南非施鑽的經驗，用這類深尺地質岩心鑽，打2000～6000m的科學鑽孔，可以獲得多快好省的科學與經濟效益。

有的專家提出採用加拿大Heath＆Sherwood鑽探公司的HS-150鑽機（鑽深4570m，最大鑽探曾達5424m）和他們設計的專門用於深孔繩索取心用的HNQ,NBQ內外大環隙繩索取心系統，具以下特殊優點：①降低沖洗液壓力降，②內管投入外管後，可快速到達孔底外管的定位處（表1、2）。

表1第一方案先導孔鑽孔結構

註：RTB—帶擴孔的不提鑽換鑽頭鑽具。

如果用第一方案，要設計研製或購置兩套HNQ,NBQ鑽具。

表2第二方案先導孔鑽孔結構

1.4施工技術路線

（1）參照外國施工經驗與我國國情應考慮：我國是一個發展中國家，財政經濟並不寬裕，一切設備、器具、工藝方法應該著意考慮以「自立更生」為主，盡量利用四十幾年來，鑽探工程積累的成功經驗，能予以改進升級的，能自行研製的，則充分發揮自己探礦機械、儀器工廠的潛力（表3）。本著「有所引進，有所不引進」的原則，引進重點國外產品，予以消化、吸收、彌補急缺。

（2）必須採用繩索取心系統，以大幅度降低起下鑽時間，有效縮短施工期；提高岩心品質，實現不提鑽柱或少提鑽柱換鑽頭，減輕工人勞動強度。施工費用可節約1/3。

（3）發揮我國在小口徑孔底動力機並能配合繩索取心系統的技術優勢，開發與採用小口徑螺桿鑽（PDM）、液動錘（Hydro-hammer）驅動的繩索取心鑽具，實現鑽桿不回轉或慢回轉鑽進，一可以節約動力，二可以減輕鑽桿與套管磨耗，三可有效預防鑽孔歪斜（圖1）。

表3目前國產耐溫近300℃的處理劑

圖1孔底動力機驅動的繩索取心系統

（4）大力採用物理—化學方法穩定孔壁，除鑽孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段結晶岩中盡可能採用長裸眼鑽進（岩層自穩）。一旦遇到復雜層，岩層失穩，應採用小間隙套管方案。

（5）發揮鑽井液的多信息載體（油氣，礦化水，結晶水，淡水，鹵水，岩屑）作用，輸送大量地質信息（圖2）。

圖2鑽井液多信息載體作用

① 指防井涌、井噴、防塌、縮經等。②指運送岩屑，岩粉作用。③指作為深層流體（油氣，水等）如H₂,O₂,CO₂,CH₄,He,H₂S,CO₂,SO₂以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×10⁵Pa狀態下，運載到地面

2中國科學鑽探先導孔鑽探工程急待開展的科研項目

2.1地面設備

（1）頂驅動長行程鑽機用於繩索取心系統，帶桅桿式鑽塔。

（2）微機自控絞車。

（3）全自動鑽桿排架。

（4）自動擰管機

（5）鑽桿疲勞、破裂孔口探傷器。

（6）鑽探操作自動化操縱台（含監測、採集、優化、反饋系統）。

（7）防噴器組（全封閉1套，封鑽桿2套）。

2.2深孔鑽探基礎理論

（1）高溫高壓下的結晶岩岩石物理力學性質，可鑽性分類與破碎機理。

（2）建立高溫高壓試驗設施。

（3）新型重量輕、高強度管材材料。

（4）鑽桿斷裂力學與監測系統。

（5）鑽頭磨損規律與機理。

（6）高溫高壓鑽井液理論：①鑽井液（無固相）聚合物配方、處理劑、添加劑，抗高溫穩定性、固控設備與理論；②高溫高壓鑽井液水力學、流變學、膠體化學理論與實踐。

（7）鑽井力學。

（8）建立機會井資料庫。

2.3深孔鑽探工藝學研究

（1）深孔鑽孔結構與管理程序設計。

（2）不同孔深的鑽具與鑽具穩定。

（3）深孔孔斜防治。

（4）電子計算機輔助鑽進（CDC）系統。

（5）取心取樣工藝，液態、氣態放射性樣品採集工藝，放射性自動檢測技術。

（6）鑽頭與鑽具選擇方案與相應鑽井參數的確定。

（7）不同孔段地溫檢測及其增溫梯度規律。

（8）不同孔段岩石破碎規律，岩石物理力學性質測定。

2.4孔內系統

（1）長壽命金剛石鑽頭與擴孔器。

（2）開發新型超硬材料切削具與取心鑽頭。

（3）用孔底動力機（BHM）驅動的繩索取心系統：①用螺桿鑽驅動的繩索取心系統；②用液動錘驅動的繩索取心系統；③「三合一」式（繩索＋螺桿鑽＋不提鑽換鑽頭）取心系統。

（4）孔壁取心器：①液壓或刮樣器；②孔底電馬達驅動水平取樣器。

（5）高溫高壓氣態或液態取樣器。

（6）小口徑隨鑽測量（MWD）儀。

（7）小口徑垂直鑽進（VDS）防斜系統。

（8）高溫水泥及其固井技術。

（9）高溫穩定、高潤滑性、抗腐蝕鑽井液及其添加劑。

（10）地層測試器、深部流體流量計等。

（11）高精度深孔岩心定向儀及方法。

（12）含鐵鋁合金鑽桿及其合金鋼接頭。

2.5深孔現代化管理

（1）深孔設計、施工、研究資料中系統工程管理（含工程、經濟兩大范籌）。

（2）設計、施工、研究過程中的資料庫。

（3）資料編輯、整理、出版，信息交流。

2.6信息獲取

自覺採取有代表性的樣品和獲取更多的數據，是科學鑽探項目成功的預先要求。採集數據可再分為孔內與地面兩部分。孔內部分包含取心、取砂樣、測井、鑽進與水力測試，孔內地球物理試驗（孔底到地面或兩個孔之間）。地面部分則包括從孔口和泥漿測試裝置取得的固體和液相樣品，包含首次與初步地質描述，化學與物理分析。測井項目則是雄心勃勃、費時的。鑽導孔時，鑽探費用等於測井計劃的費用。測井程序要逐個孔段進行，為減少漏採信息的危險。鑽探結束之後，還要進行長期測量與試驗（圖3）。

圖3

按照KTB經驗野外信息資料整理後直至提出科研報告，均在野外實驗室完成，鑽孔則建成長期觀測站

3《地質超深鑽探（科學鑽探）技術》國家專業實驗室

3.1實驗室的性質和任務

中國地質大學（北京）所屬的《地質超深鑽探技術》國家專業實驗室，是經國家計劃委員會、國家教育委員會於1989年6月批准投資新建的國家級專業實驗室，同時亦是地質礦產部開放研究實驗室，在學術上是一個相對獨立的研究實體。這個實驗室是開展本學科及相關學科的基礎研究和應用基礎性研究工作的重要基地，也是培養本學科高級科技人才的搖籃。

實驗室按照「開放、流動、聯合」的原則，面向國內外同行業開放，歡迎國內外專家學者在本實驗室發布的《課題指南》范圍內申請研究課題，經學術委員會評審批准資助後，來實驗室開展科學研究。也可自帶課題和經費及配套儀器和設備來開放研究實驗室進行科研活動。

3.2實驗室的課題研究領域

（1）大陸科學鑽探

·中國大陸科學鑽探工程的建設與准備工作

·東亞大陸環境科學鑽探工程

·高溫高壓地學模擬實驗裝置（又稱HTHP井筒）（圖4）

圖4高溫高壓地學模擬實驗裝置

（2）鑽探新技術新方法

以岩石力學研究為基礎，採用電子計算機等高新技術，研究新的鑽探技術裝備與方法

·交流變頻調速型鑽機

·繩索取心與不提鑽換鑽頭技術

·碎岩工具的設計與研究

·高溫熱熔法鑽進新技術

3.3研究設施與裝備

碎岩機理與工具研究部分：主要從事岩石物理機械特性，岩石破碎機理，破碎岩石工具以及井下鑽探工具的新技術研究。主要的設備是美國MTS公司的岩石力學試驗機和0～8000赫茲連續可調的中頻感應燒結設備。

計算機應用技術研究部分：主要從事計算機在鑽井工程及其它相關部門中應用技術的研究。主要的設備是計算機控制的鑽井實驗系統，微機群與其外圍設備，以及HP9000系列的計算機工作站。

除上述幾項設施外，實驗室內還專門建立了一個熱熔法鑽井實驗台。

為了實現國際交流，實驗室內還設立了小型學術廳和專家工作室。

岩石圈構造和深部作用

3.4實驗室的管理與組織

《地質超深鑽探技術》國家專業實驗室由國家教育委員會和地質礦產部雙重領導，行政管理屬於中國地質大學（北京）。

本實驗室實行主任負責制。實驗室主任全面負責組織和領導開放研究實驗室的科學研究、學術活動、人員聘任、人才培養、資金使用和行政管理等工作。

實驗室設學術委員會，是學術評審機構。其主要職責是：確定本實驗室的研究方向，制定《課題指南》，審批研究課題，評審科技成果，審議實驗室的經費計劃和組織重大學術活動。

實驗室的固定人員以及客座研究人員均由實驗室主任聘任。並實行任期制，工作成績突出的可連聘。

3.5實驗室的主要研究成果

（1）微機自控鑽進實驗台。

（2）鑽井工藝技術的微機分析系統。

（3）金剛石鑽進原理及最優化鑽進技術的研究。

（4）地質鑽機新型電驅動系統研究。

（5）改善鑽柱工作性狀及井底載荷有效控制方法研究。

（6）不提鑽井底換鑽頭技術。

（7）熱熔法鑽孔新技術。

（8）高溫鑽井液研究。

管理與研究人員

岩石圈構造和深部作用

學術委員會組成

岩石圈構造和深部作用

『拾』 中國石化在石油工程方面有哪些自主技術

石油工程技術研究院隸屬於中國石化，是以井筒技術為主的石油工程技術研發機構，是中國石化石油工程技術發展的參謀部、石油工程高新技術研發中心、國內外石油工程技術支持中心。主要負責中國石化石油工程技術發展戰略、規劃、部署等研究工作；組織石油工程技術基礎性、前瞻性和重大項目研究，組織石油工程相關裝備、工具、儀器、儀表和軟體開發及科研成果轉化應用工作；歸口管理中國石化石油工程技術信息、檔案及技術標準的制（修）訂研究工作；跟蹤分析國外石油工程技術進展，協助中國石化進行高級工程技術人才培養工作；參與國內外油氣勘探開發重大項目研究並提供工程技術支撐工作。
主要從事石油鑽井、完井、測錄井、測試、儲層改造及海洋石油工程等專業技術的發展規劃、攻關研究、技術支持、產品研發及推廣應用；主要負責國家、中國石化石油工程技術項目的組織、實施和成果推廣應用；主要研究方向為：石油工程發展戰略及基礎理論研究、深井超深井鑽井配套技術研究、固井工藝技術研究、現代完井工藝技術研究測試工藝技術研究、鑽井液工藝技術研究、儲層保護技術研究、海洋鑽井完井工藝技術研究、測錄井技術研究、儲層改造技術研究、石油工程信息研究及新裝備、新工具與新材料研發等。
石油工程技術研究院總院設在北京，京外設石油工程勝利分院、石油工程中原分院和一個直屬單位—德州大陸架石油工程技術有限公司。建有鑽井模擬、鑽井液、儲層保護、固井完井、測錄井、儲層改造、岩石力學等7個配套齊全的實驗室，擁有岩石力學三軸應力儀、儲層損害模擬實驗裝置、高溫高壓流變儀、靜膠凝強度分析儀、鑽井模擬實驗台架等具有國際先進水平的實驗儀器裝備；在山東德州、新疆輪台、四川達州建有試驗基地和專業化的移動式實驗室。
在鑽井地質環境因素描述、深井超深井鑽井、巨厚鹽膏層鑽井、電磁波隨鑽測量、旋轉沖擊鑽井、復雜地層防漏堵漏技術、高壓油氣井防氣竄固井等石油工程關鍵技術領域形成了以復雜地質條件下深井超深井鑽井技術為核心的特色技術系列；先後組織或參與863、973、中國大陸科學鑽探等國家和中國石化100多個重大科研項目的攻關研究，其成果多次獲得國家、省部級及中國石化獎勵。為塔河油田、川東北地區、鄂爾多斯大牛地地區油氣勘探的突破和增儲上產做出了重大貢獻。
擁有較強的石油鑽井裝備、工具、儀器及油田助劑的研發生產能力，建有國內最大的固井工具研發和生產基地；其中，尾管懸掛器等主要產品在國內市場佔主導地位，並出口到中東、中亞、北美及非洲30多個國家；在水平井鑽井技術、固井技術、鑽井液技術、防漏堵漏技術服務方面成效顯著。滿意請採納謝謝