钻井模拟实验装置

『壹』 虚拟仿真实训设备有哪些

虚拟仿真实训设备有以下这些的呢：

1、金工实训虚拟仿真系统

金工实训虚拟仿真系统主要包括：VR黑板套装、VR机房系统、桌面全息立体交互套装、AR全息图板、工程训练AR图册、VR头盔互动实训平台以及全工种虚拟仿真实训软件、VR教学资源快速开发平台等，能够完成金工实习项目的虚拟教学实训。

2、海洋装备虚拟仿真系统

海洋装备虚拟仿真系统包括：蓝鲸一号VR教学系统、深水半潜式钻井平台虚拟仿真教学系统、360度全息影像。

3、虚拟焊接仿真系统

虚拟焊接仿真系统包括：手工电弧焊模拟训练、CO2气体保护焊模拟训练和氩弧焊模拟训练。焊接虚拟仿真配备有2台WM-WS/D型双工位焊接虚拟仿真训练设备。

虚拟仿真系统包含金工实训虚拟仿真系统、海洋装备虚拟仿真系统、虚拟焊接仿真系统。

虚拟仿真实训教学具有交互性、多样性、个别性、灵活性、重复性等特点，加大了知识的传授量，有利于学生创新思维和创新技能的培养，提高学生在实训中的动手能力，同时还可以解决高档设备仪器缺乏，实训室管理困难等问题。

『贰』 低煤阶煤层气的成藏模拟实验研究

刘洪林 王红岩 李景明 李贵中 王勃 杨泳 刘萍

（中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院 河北廊坊 065007）

作者简介：刘洪林，男，江苏徐州人，1973年生，汉族，2005年毕业于中国石油勘探开发研究院，获博士学位，主要从事煤层气勘探开发方面的研究工作。通讯地址：065007河北廊坊市万庄44号信箱煤层气E-mail：[email protected]。

本研究受到国家973煤层气项目（编号：2002CB211705）资助。

摘要 在美国粉河、澳大利亚的苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前，大家一直认为具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中，煤阶太低，一般含气量不高，不具有勘探价值。但是近几年来的发现证实，低煤阶盆地煤层厚度大，渗透率高，资源丰度大，含气饱和度高，同样可获得了商业性的气流，而且从其气体的成因来看，其中有很大一部分是生物成因的煤层气。本文利用煤层气成藏模拟装置对低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展了成藏模拟，从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低，热成因气较少，但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气，再加上含煤层系众多，煤层厚度大，资源丰度极高，仍具有巨大的勘探潜力。

关键词 煤层气 水动力 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

进入20世纪90年代，随着煤层气产业的迅猛发展，美国煤层气的资源开发活动不再局限于中煤阶煤储层发育的圣胡安和黑勇士盆地，资源评价和研究工作覆盖了18个主要含煤盆地或含煤区，在其中12个含煤盆地从事煤层气开发活动，煤储层的煤阶从中煤阶扩展到低煤阶和高煤阶，特别是发育低煤阶煤储层的含煤盆地因煤层气资源量较大而受到重视，发育低煤阶煤储层的含煤盆地6个，煤层气资源量10×10¹²m³，占总资源量的53%，以粉河盆地为代表的低煤阶含煤盆地煤层气商业开发的成功，大大拓展了煤层气勘探开发的视野和领域。粉河盆地位于蒙大拿州东南部和怀俄明州东北部，面积25800km²，为一大型沉积盆地，形成于腊腊米运动造山期，盆地中含有巨厚的晚白垩世煤层，单层厚度达67m，煤层总厚118m。盆地为一不对称向斜，轴部靠近西部边缘，西部边缘以逆断层为界，靠近Bighorn隆起。西部地层倾角5°～25°，东部为翘起端，倾角不超过2°。上白垩统沿东南部和东部分布，古新统Fort Union组沿盆地边缘分布，盆地晚三叠系低界深1067m，粉河盆地煤炭资源量1.3×10¹²t，镜质体反射率为0.3%～0.4%，与西北一些低煤阶盆地相似，煤化程度低，含气量为0.03～3.1m³/t，但由于煤层厚度巨大，资源丰度大，预测煤层气资源量（0.5～0.8）×10¹²m³。粉河盆地煤层气碳同位素介于-65‰～-69‰之间，具有明显的生物成因特征，并且在其构造的高部位，生物气经过二次运移而富集，形成较高的含气量和较高的饱和度，有较高的渗透率，含气饱和度为80%～100%，钻井深度一般不超过305m，产气量为110～5976m³/d，产水量为45～69m³/d，最好的产气远景区是砂岩体附近与差异压实作用有关的构造高点、紧闭褶皱形成的构造高点以及煤层上倾尖灭的部位，并在该部位伴生有为非渗透性页岩所圈闭的游离气。

中国低煤阶煤储层非常发育。全国垂深2000m以浅的煤炭资源量为55697×10⁸t，低煤阶煤储层占到煤储层的一半以上。低煤阶煤储层形成于早中侏罗世、早白垩世、第三纪等成煤期，其中早中侏罗世、早白垩世是中国重要的成煤期，早中侏罗世成煤作用主要发生在西北地区，煤炭资源量占全国的35.5%^[1]，新疆准噶尔、吐哈、塔里木盆地、伊犁和焉耆是低煤阶煤储层发育的典型的大型内陆盆地，煤层厚度大，煤层最大累厚近200m，最大单层煤厚逾100m，煤层层数超过50层^[2]。中国西北地区低煤阶煤储层煤层气资源量丰富，早中侏罗世煤储层煤层气资源量超过10×10¹²m^3[3-4]。随着美国低煤阶煤层气藏商业开发的成功、国内煤层气勘探开发工作的推进，在近期低煤阶煤层气藏受到了越来越多的关注，有望成为新的研究热点和煤层气勘探开发新领域^[5，6，7]。但是中国西北地区与美国的粉河盆地、尤因塔盆地和澳大利亚的苏拉特盆地相比，在进入第四纪以来气候虽然总体较为干旱，但是部分地区由于受到天山影响，水动力仍非常活跃，具备二次生物气生成的可能，如位于天山北坡的准南地区、焉耆地区和伊犁地区。

1 研究区的煤层气地质概况

本次工作研究，重点对水动力较为活跃的伊犁和焉耆进行了采样，研究较强水动力条件下煤层次生生物气的生成问题。

1.1 伊宁地区

伊宁含气区块位于新疆维吾尔自治区西部伊犁自治州境内，区内为低山—丘陵及伊犁河畔冲积平原，含气区内地势西高东低，北高南低，属典型大陆性气候，盆地内先后由煤炭、石油、地矿部门进行过石油勘探及物探，煤炭部门在盆地边缘及局部进行过煤田勘探。特别是近几年来，随着油气勘探工作的进展，在盆地内，已进行了部分钻探实物工作量。该区含煤地层为侏罗系中统西山窑组，下统三工河组和八道湾组，主要为一套河湖相的灰、灰白色含砾砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。伊宁含气区块侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。西山窑组主要为一套浅灰色含砾粗砂岩，灰白色中、细粒砂岩，深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层，在区内北部地层厚度一般211～552m，含煤10～15层，煤层单层厚度相对较小，层数较多，反映成煤环境震荡性较强。南部一般厚度为102～132m，含煤4～6层。单层厚度相对较大，层数相对较少，反映成煤环境较稳定。八道湾组主要为一套灰白色含砾粗砂岩，中、细粒砂岩，深灰色泥岩，砂质泥岩夹煤层。在区内北部厚度一般在342～452m；南部厚度在60～150m。在北部含可采煤层10层，厚度15～68m，据（伊参1井）资料，可采煤层厚度为88m。在南部煤层厚度相对较小。煤质分析资料表明，该区侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组煤层，原煤灰分含量在9.71%～25.60%，一般含量在12%～18%，其变化特征属中—低灰、低硫—特低硫、低磷煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

伊宁含气区块侏罗系中、下统沉积之后，受燕山构造运动的影响，褶皱、断裂使含煤地层遭受不同程度的改造。现构造形态主要表现为不对称的复式向斜，呈近东西向展布。含煤地层倾角一般在20°～30°之间，其中北部相对较陡，南部较缓。断层多发育在褶皱轴部，以逆断层为主，断层线呈北西西向展布。从构造展布特征分析，构造相对较简单，有利于煤层气的勘探开发。八道湾组和西山窑组煤层组埋藏深度0～2000m，分布面积约3445km²，占含煤地层分布面积的82%。从构造赋存地质条件分析，构造较简单，有利于煤层气的勘探开发。该区侏罗系中、下统煤层煤级为长焰煤，煤层气地质资源丰度为1.28×10⁸m³/km²，资源丰度较高，有着较好的勘探开发前景。

1.2 焉耆地区

焉耆含气区带侏罗系中、下统是主要的含煤岩系。侏罗系中、下统是在盆地经历了印支末期构造运动，三叠系遭受不同程度抬升剥蚀后，盆地又逐渐下降，接受该套内陆含煤碎屑建造。八道湾组沉积时，盆地受南缘库克塔格山和北缘南天山差异抬升隆起作用，呈现为南低北高的古地貌。由于古气候温暖潮湿，有利于植物的生长，植被茂盛，森林密布，形成大面积泥炭沼泽，为形成厚煤层奠定了物质基础。据本区哈满沟、塔什店矿区资料，本组煤层称A组，含煤3～14层，累计厚度10～30m，一般厚度10～15m。盆地内石油钻井钻遇本组煤层厚度一般30～40m，最厚可大于60m。煤层空间展布特征为东部厚度相对较薄，一般厚度10～15m，而西部较厚，在四十里城一带最厚可大于60m。

西山窑组沉积时，气候温暖潮湿，地势相对平坦，形成大面积泥炭沼泽，有利于成煤物质的生长，为形成厚煤层奠定了物质基础。据盆地内煤田及石油钻井资料统计，本组含煤5～10层，可采煤层厚度10～40m之间，一般厚度10～30m之间。焉耆含气区带侏罗系下统八道湾组和中统西山窑组成煤环境优越，聚煤时间长，形成的煤层较稳定，厚度大，层数多，为煤层气的形成奠定了物质基础。其中侏罗系下统八道湾组煤层厚度大，稳定性强，煤层气勘探开发潜力较好，是煤层气勘探开发选区评价的主要目的层。

本区内目前煤矿开采以西山窑组煤层为主，煤质分析资料较少。据塔什店矿区分析资料统计，煤层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%，挥发分产率在42.33%～49.29%，硫分含量在0.39%～0.73%。煤层水分含量中等，灰分、硫分含量较低，属特低—低灰、特低—低硫煤，是有利于形成煤层气的煤质类型。

焉耆含气区带大地构造位于库鲁克褶皱带和天山褶皱系南天山褶皱带之上，是受海西期—印支期构造作用的影响在夷平面的基础上形成的中生代含煤盆地。中生界沉积之后，经历了燕山和喜山多次构造运动的影响，改造后的侏罗系中、下统含煤地层形成了复杂多样的构造面貌。本区中生代以来构造演化大致经历了燕山、喜山二期，使盆地内侏罗系中、下统含煤地层遭受强烈抬升剥蚀，煤层压力降低，吸附在煤层中的气体解吸扩散，含气量降低。埋藏深度600～2000m 区，累计分布面积约930km²，占含煤地层分布面积的39%。主要分布在西部塔什店矿区，中东部盐家窝及库木布拉克等地，是煤层气勘探开发深度较理想的区域。

据钻井及矿井煤层采样分析资料及埋藏深度资料综合分析，焉耆含气区带侏罗系中、下统煤层埋藏深度2000m以浅区煤级以气煤为主。焉耆含气区带侏罗系中、下统以往煤田地质勘探程度相对较低，有关煤层含气量资料也较少，矿井开采深度较浅（一般在100～300m之间），相对瓦斯含量也较低。

2 煤层气成藏模拟实验装置和原理

煤层气成藏模拟装置的特点是模拟地层温度、压力、地层流体介质下煤层气富集成藏过程，它可以通过模拟不同物性组合、不同介质、不同充注压力、不同运移方式煤层气成藏过程，获取不同模拟条件下的物理和化学参数，确定煤层气不同运移条件下的边界条件。设备主要由气体增压泵、恒温箱、仪表控制面板和计算机采集-处理系统。其中控制面板包括压力控制子面板、温度控制子面板、平流泵控制子面板、真空泵控制按钮、流程图；恒温箱内放有多功能模型仓Ⅰ、多功能模型仓Ⅱ和参考缸；计算机采集系统包括一套数据采集模块和数据处理软件。图1是装置原理流程，装置考虑采用不同岩心、不同岩性、不同气体介质进行工作，同时进行精确计量。把设计制作后的岩心组合装进多功能模型仓，利用气体增压泵维持环压，利用平流泵提供不同的流体介质、不同充注压力，通过温度和压力仪表以及传感器采集温度和压力数据，并经过数据处理软件分析温度压力数据。

在自然界中，已知的产甲烷菌中有一半可利用甲酸盐形成甲烷。甲酸盐首先转化成CO₂和H₂，然后再通过还原反应生成甲烷。在自然界中能够利用氢还原二氧化碳及利用醋酸盐发酵的产甲烷菌的存在是生物成因的煤层气成藏的必要条件。与近地表甲烷生成过程研究相比，地下（十几米到几百米深度）甲烷生成的研究工作相对较少。在地下环境中，对于甲烷的产出来说，沉积物必须具备使产甲烷菌得以生存及繁殖的孔隙空间。对此，低煤阶煤层中发育的孔隙空间和裂隙系统对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层的能力，要形成甲烷须有一个前期阶段，即主要依酸发酵菌和还原菌分解类脂化合物和大分子聚合物如纤维素和蛋白质等；接着微生物进一步脱去长链酸（和乙醇以上的醇）的氢而生成氢、甲酸、乙酸、二氧化碳和醇等。甲烷菌由此取得碳源和营养而生存，并以此为基质进行生物化学和新陈代谢作用产生甲烷。

图2 伊宁和焉耆地区煤岩样品产甲烷菌实验

3.3 生物甲烷气成藏模拟实验

把接种过甲烷菌的煤层样品放入成藏模拟装置内，在35^oC的恒温状态下，开始培养，观测煤岩样品生气过程。经过近两个月的连续实验得到一条压力-时间曲线。经分析认为曲线存在两个明显的曲线段，第一阶段为快速生气阶段，第二阶段为生气-吸附平衡阶段（图3）。对最后生成的气体进行了分析，其所产气体成分主要为CH₄、N₂和CO₂。除个别样品外，绝大多数样品所产气中C²⁺含量很低，甲烷碳同位素值相差较大，从-56‰～-67‰，表明为生物成因气体。

图3 煤样生物成气后吸附过程中的压力-时间变化曲线

4 实验结果及其讨论

（1）模拟试验表明，一方面在我国西北地区低煤阶煤层中存在产甲烷菌，另一方面证明了低煤阶的煤层可以作为二次生物气的来源。根据资料，伊犁盆地浅部的煤矿区在侏罗系煤层中所产气的δ₁₃C为-66.10‰～-60.12‰，显然属于生物甲烷气。

（2）与高煤阶相比，低煤阶一般埋藏较浅，孔隙空间较大，适合产甲烷菌的生存和繁殖，所以国内外的低煤阶盆地多发现生物成因的煤层气富集成藏。

（3）在我国西北地区，由于煤阶普遍较低，热成因甲烷生成量有限，次生物成因气生成量巨大，特别是在焉耆和伊犁地区，煤层层数众多，地下径流活跃，煤层中有大量甲烷菌繁殖，有大量的二次生物成因气生成、运移，如遇到断层遮挡、煤层尖灭等圈闭条件，就有可能形成较高的饱和度，形成具有商业价值的煤层气藏群。

参考文献

[1]武汉地质学院编.1981.煤田地质学[M].北京：地质出版杜，2～3

[2]韩德馨，杨起编.1984.中国煤田地质学[M].北京：煤炭工业出版杜，387～407

[3]张建博，王红岩，赵庆波编.2000.中国煤层气地质[M].北京：地质出版杜，15～30

[4]中国煤田地质总局著.1999.中国煤层气资源[M].徐州：中国矿业大学出版杜，26～87

[5]王红岩，刘洪林，赵庆波等编.2005.煤层气富集规律.北京：石油工业出版杜，26～87

[6]钱凯，赵庆波，汪泽成等著.1995.煤层甲烷勘探开发理论.北京：石油工业出版杜，48～52

[7]张彦平等.1996.国外煤层甲烷开发技术译文集，北京：石油工业出版杜，20～80

『叁』 自动控向垂直钻井系统

一、内容概述

国外在进行深部钻井，特别是在进行大陆深部科学钻探的过程中，认识到被动防斜技术的不足，迫切需要一种能适应深井和超深井钻进的主动防斜技术。而最早提出这一要求并投入实际研制和应用的项目是20 世纪80 年代开始进行的联邦德国大陆超深井计划（KTB计划），该井的设计深度近万米，而所钻深部地层很多都是结晶岩，地层倾角可达60 °左右，在这样的条件下用传统的钻井工具难以使井眼保持垂直，迫切需要一种新型的垂直钻井系统来完成这一大陆超深井计划，因此提出研制一种采用主动防斜技术的自动垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System，简称为VDS）。

自从发明旋转钻进技术以来，钻孔的弯曲问题就一直存在着，造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线。造成发生钻孔弯曲的充要条件主要是3个方面：①存在孔壁间隙，为粗径钻具偏倒或弯曲提供了空间；②具备偏倒或弯曲的力，为粗径钻具偏倒或弯曲提供动力；③粗径钻具偏倒或弯曲的方向稳定。

为了保证冲洗液能顺畅地排出碎屑，孔壁直径一般大于钻具直径，孔壁与钻具之间的环形空隙是必然存在的。而在钻进过程中，当孔深达到一定长度时，钻杆柱已不是简单的刚性体，而可视为一个细长的柔性杆件。对钻头施加轴向力时，钻杆将会产生弯曲变形，由此可见，使钻具偏倒或弯曲的条件是客观存在的。但最终钻孔是否弯曲，还将决定于钻具偏倒或弯曲的方向是否稳定。如果钻具偏倒或弯曲方向不稳定，则有可能使钻头在不同时刻朝着不同方向钻进，从而发生扩壁作用。

由于钻孔弯曲和倾斜现象的存在，一些相应的防斜技术例如钟摆钻具、满眼钻具以及偏轴钻具等防斜打直技术也先后出现并应用到工程中。钟摆钻具是较早用于防斜、纠斜的钻具组合，它是利用倾斜井内切点以下部分钻挺重力的横向分力，把钻头推靠在已斜井段的低边，产生降斜和纠斜效果，这个力又称为钟摆力。而满眼钻具的主要特征是其底部钻具组合中含有2～3个或更多的与钻头直径相近的稳定器以及相应的大直径钻挺，从而组成刚性很大、不易弯曲的防斜钻具组合。其工作原理是在已钻过的直井段中，保持刚性的满眼钻具位于井眼中间，其钻具轴线与井眼轴心线基本保持一致，从而减小钻头的倾斜角度，起到控制井眼弯曲和井斜的作用。偏轴钻具是在钻柱的下部靠近钻头处设置偏重钻铤或者设置回转心轴偏离钻柱轴心线的偏轴接头。当钻头回转时，偏轴部分在靠近钻头上方的钻具组合中产生一个离心力，该离心力的大小与偏心重量和偏心距有关。在轴向钻压的作用下，下部钻具组合发生弯曲旋转时成弓形。偏重钻铤每回转一周就会对倾斜井段的井眼低边产生一定的纠斜力，以减小倾斜井段的井斜角。前述几种传统的防斜设备和技术的共同特点是均属于被动防斜技术。它们虽然也得到了较广泛的工程应用，但在高陡构造的大倾角地层以及高应力破碎性地层中，由于无法克服地层极强的自然造斜能力，因而难以满足对于深井、超深井以及复杂结构井上直井段钻进的要求。

在提出该设想以后，美国贝克休斯公司（BakerHuges）即开展了相应的研究工作，贝克休斯公司最终于1988年研制成功垂直钻井系统（VDS），成功解决了德国大陆超深井计划中遇到的井斜问题。在VDS的研制过程中，从首例样机开始，先后经历了3 代共计5种型号的垂直钻井系统。其中VDS-1（图1）属于外导向垂直钻进系统，为最初的试验性产品，其主要结构如图1所示：不旋转的导向套与旋转轴6之间通过轴承4连接，在导向套四周均匀分布了4个可以伸缩的导向块8，由泥浆提供驱动力的4个活塞可以分别控制导向块的外伸。钻进过程中的井斜数据由井斜传感器测量并反馈到装置的微处理器单元，微处理器单元经过计算，发出控制命令给液压阀，由液压阀控制驱动活塞的运动，从而使得导向块伸缩。当导向块向外伸出时压靠井壁，因此产生作用于旋转轴上的纠斜导向力，使得钻具回到中心位置。在该系统中测斜传感器、微处理器单元7等是靠内置电池供电的。由于自动垂直钻井系统的导向块布置在外部，工作时外伸并作用在井壁上，因此这种结构形式称为外导向式垂钻结构，如图2（a）所示。

图1 VDS-1结构示意图

1—马达驱动节；2—内部吸振单元；3—旋转部分；4—轴承；5—顶部稳定器；6—旋转轴；7—传感器、电子及电池部分；8—外促式导向块；9—钻头

图2 VDS导向块结构布置示意图

（a）VDS-1；（b）VDS-3

在KTB计划中实际投入应用的产品为VDS-3和VDS-5。VDS-3在结构上与VDS-1相比的主要区别有2点：一是在电子部分上VDS-3用数字电路取代了VDS-1的模拟电路；二是在导向块的结构形式上。如图2（a）及（b）所示分别为VDS-1及VDS-3的导向块布置形式。两者的主要区别是图2（a）中液压缸及导向块作用在井壁上，图2（b）中所示VDS 3的导向块不直接作用于井壁，而是作用在内部的旋转中轴上。4个导向活塞内的压力是可以独立控制的，动力来源于内部的泥浆压力。当钻具未发生偏斜和弯曲时，4个导向活塞均外伸抵靠旋转中轴，如果井眼偏离了垂直方向，井下测斜仪测得井斜数据并传递给微处理器单元，微处理器单元经过运算，将使其中1 个或2 个控制阀关闭，使得相应中轴在钻头上形成一个侧向力，从而使井眼轨迹保持到垂直方向。图3 是VDS 3的结构示意图，其基本组成包括：马达联轴节、不旋转外壳、马达驱动节、旋转轴、传感器、电子及电池部分、内置式导向块以及钻头等。

可以看出在近钻头处的不旋转外壳的外部是比较平整的，内置式导向块安装于不旋转外壳中，导向块作用在内部旋转轴上，通过对旋转轴的推挤调整钻头的方位，导向块自身并不与外井壁直接接触，从而提高了装置的使用寿命，所钻井眼轨迹的变化也更加光滑。VDS-3在钻进时有时会引起悬挂的现象。为了改进这一问题，此外为了使VDS能应用于井径扩大的井眼，并使其能适应井下200℃左右的高温工作环境，贝克休斯公司进一步研制了VDS-5。VDS-5与VDS-1相似，也属于外导向型的垂直钻井系统。与VDS-1的主要区别在于，VDS-5采用了“负液压导向”。所谓的“负液压导向”是指当钻具处于完全垂直的井眼中时，4个导向块均在压力作用下外伸并支撑于井壁上，使得钻具与井眼中轴线对中。如果井眼偏斜或弯曲时，处于井眼低边处的导向块由于对应液压缸失压而缩回，这样就会使得其对面的导向块产生导向力把底部钻具推向井眼低边，从而达到纠斜目的。VDS-5与VDS-3相比，其改进之处还体现在系统中机械、液压及电子组件是严格分开的，这显然增加了系统的可靠性并便于进行维护，另外一点，VDS-5中还采用了井下交流发电机来代替抗高温电池，使得此系统有更好的环境适应性和更长的井下工作时间。

图3 VDS-3结构示意图

1—马达联轴节；2—不旋转外壳；3—马达驱动节；4—旋转轴；5—传感器、电子及电池部分；6—内置式导向块；7—钻头

VDS系列在KTB计划中的应用是成功的，在使用过程中也出现了一些不足之处，一个主要原因是因为VDS中产生导向块的驱动力的来源是泥浆（钻井液）的能量，然而泥浆与液压油等普通液压介质相比，存在颗粒含量高、润滑性能差等特点，利用泥浆作为传动介质时，系统中的电磁阀以及柱塞缸等液压元件容易发生磨损和卡死现象，从而降低了系统的可靠性。其后，贝克休斯公司与其他公司合作在VDS的基础上进行了改进，在20世纪90年代中期研制了新的垂直钻井装置SDD（Straight Hole Drilling Device）。SDD的结构如图4所示。它与VDS系统基本相同，但其结构形式更为复杂一些。其主要的改进在于液压系统和电子线路方面。SDD中的电磁阀是隔离式的，从电磁阀到液压缸活塞之间采用了液压油为工作介质，减小了电磁阀及液压缸等液压元件的磨损情况，提高了装置的使用寿命。此外SDD中导向块的数量也由VDS中的4个减少为3个。

图4 SDD结构示意图

1—泥浆脉冲发生器；2—交流发电机；3—井斜传感器及电子部分；4—液压油源；5—井下马达；6—挠性轴；7—外伸式导向块；8—钻头

二、应用范围及应用实例

目前国外已研制出可以自动控向的垂直钻井设备，并已在钻井实践中得到了一定程度的应用，例如在美国南部路易斯安那州的盐丘构造区域的油气开采过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统（Automationed Vertieal Drilling System），井眼轨迹的倾斜角控制在了0.18 °，与传统的旋转钻进相比，钻进效率提高了25% ～75%。在美国哥伦比亚地区的地质钻探过程中，由于采用了自动控向垂直钻井系统，使得每钻进一万英尺由耗时188天减少到了140天，大大节省了勘探费用。这些应用的实践均说明了自动控向垂钻技术可以大大地提高生产效率，而且钻进的井眼质量好。我国目前已经在一些地区引入了国外的自动控向的垂直钻井设备进行了一系列直井的钻探，取得了较好的应用效果。

三、资料来源

张萌.2005.自动控向垂钻系统小型化设计的关键技术研究.博士学位论文

『肆』 Varel公司Navigator定向井钻头设计软件和专用钻头

一、内容概述

美国Varel国际公司成立于1947年，是世界上最大的独立供应商，全球钻头市场上的第5大公司，现拥有资本16亿美元，向石油、天然气、采矿和工业市场提供全套的牙轮钻头和固定刀具钻头。该公司技术研发一直走在世界前列，近年来更是开发出众多适用于特殊钻井环境的专用钻头。

Varel国际公司应用其先进的钻头设计软件为导向钻井系统设计配套钻头，该种钻头在钻进的可控性和定向性方面取得了良好的效果。Varel国际公司在设计钻头的过程中主要应用了3个软件：

（1）GeoScience测井数据分析软件

一种室内鉴定岩性和测试岩石强度的应用软件，可以进行钻前和钻后的测井数据分析。

（2）SPOT钻井软件

一种虚拟的钻井模拟器，可以检验不同的切削结构设计和切削齿的布局是否合适。

（3）CFD计算流体力学软件

一种优化钻头流体特性的应用软件，可以确定最佳的喷嘴排列方向，从而优化钻头的水力特性，使设计出的钻头获得最佳效率。

Varel国际公司推出的Navigator系列钻头（图1）是专门设计用于钻定向井的钻头产品，且可根据用户需要为特定用途设计专门的定向轮廓。该公司设计定向钻井用PDC钻头的理念，钻头是影响定向钻井成功与否的最重要因素，且每只钻头的设计都要与配套使用的旋转导向系统（RSS）、井的定向目标以及所钻地层相匹配。一只钻头钻至井眼目标的能力取决于其可导向性以及定向行为。

图1 Navigator系列钻头

Varel国际公司的工程师在设计钻头时会充分考虑配套使用的RSS的类型以及每种类型的功能和钻井特征，在设计过程中应用GeoScience、SPOT和CFD等工具。GeoScience是该公司的机械岩石性质模型，来自GeoScience的信息被输入到SPOT中。SPOT是一种能够对钻头动力学进行精密建模的设计软件，通过在实验室和现场进行单齿试验和全尺寸钻头试验得出，SPOT可为不同的钻井用途进行切削结构优化。CFD（计算流体力学）软件可验证钻头的喷嘴定向位置是否合理，从而保证钻头喷嘴结构和井底清洗效果的最优化。

二、应用范围及应用实例

通过使钻头与具体的钻井系统相匹配，Varel国际公司为用户创下了多项钻井纪录。该公司始终认为根据钻井系统对钻头进行针对性设计是取得成功的必要手段。在设计过程中，工程技术人员首先要确定影响所有设计特征的相关钻头性能标准，通过应用GeoScience软件进行研究之后，设计出钻头的切削结构，然后再用SPOT软件模拟钻井过程，以确保所设计的钻头在机械钻速、耐用性、稳定性和可导向性方面都符合钻井目标的要求。

该公司设计了一种与斯伦贝谢公司Vortex旋转导向系统配套使用的ϕ215.9mm的VRT619 GX钻头。在沙特阿拉伯的一次钻井应用中，该钻头被下入井深1684m、井斜角20°的井内，历时56.5h，钻进1104m，最终以86°的井斜角钻完计划井段，机械钻速比邻井提高了44%。

三、资料来源

黄蕾蕾，薛启龙.2010.国外钻头技术新进展，石油机械，（4）

『伍』 高温钻井液检测仪器国内外发展现状

3.3.1 高温高压流变仪

高温流变性是高温钻井液的重要参数之一，直接影响钻速、泵压、排量、悬浮及携带岩屑、井眼清洁、井壁稳定、压力波动及固井质量等，因此国内外非常重视高温流变仪的研发。典型生产商为美国Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型产品有如下。

3.3.1.1 OFITE1100高温加压流变仪

美国OFI公司研制生产的OFITE1100高温加压流变仪是一个全自动测试系统，能够根据剪切力、剪切速率、时间、压力、温度等参数来准确测试压裂液、完井液、钻井液、水泥浆的流变特性，并实时显示和同步记录剪切应力、剪切率、转速、压力、容池和样品温度。可以在实验室使用也可以在野外使用，可选择防水移动箱，带轮子，移动方便。OFITE高温高压流变仪压力可达到18MPa，温度可到260℃，最低0℃。另外还有冷却系统，冷却样品（图3.1）。

图3.1 OFITE 1100高温加压流变仪

独特的ORCADA（OFITE R（流变仪）C（控制）and D（数据）A（采集）），软件简单。全新的KlikLockTM快速链接技术与重新设计的样品杯相结合，便于拆卸和维修。全新的SAFEHEATTM系统是一个安全、精确、环境友好、高效的空气传输加热系统，使得操作更安全简单，清洗更快速。

3.3.1.2 OFITE高温高压流变仪

根据剪切力、剪切速率、时间和压力直到207MPa和温度最高至260℃条件，全自动系统准确测定完井液、钻井液、水泥浆的流变特性。选配冷水系统后，可使测试系统适应于需要冷却的测试样品，进一步增加了仪器的应用范围（图3.2）。

图3.2 OFITE高温高压流变仪

使用罗盘来测定扭矩附件顶部磁铁的转动。如果没有对仪器进行补偿，防护罩内动力驱动磁铁的影响。地球磁场的影响、防护罩磁性的影响、弹簧非线性的影响、实验室磁场和材料的影响、非理想流体流动的影响、产品结构微小变化的影响等综合结果使测定角度显示非线性关系。计算机可以容易地完成这些影响的补偿。

3.3.1.3 Ceast毛细管流变仪

毛细管流变仪分为单孔型和双孔型，应用于热塑性聚合物材料的质量控制和研发工作。在CeastVIEW平台下，通过VisualRHEO软件控制仪器。可实现以任意恒剪切速率或活塞杆速度测量。双孔料筒结构独立采集分析每个孔所测得的试验数据。可选各种专用的软件。可选配多种测量单元：熔体拉伸试验、口模膨胀、狭缝口模。PVT、半自动清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作温度50℃～450℃（选配500℃），有两个PT100传感器控制。可快速更换的载荷传感器（范围：1～50KN），压力传感器范围3.5～200MPa（图3.3）。

图3.3 毛细管流变仪

3.3.1.4 Haake RV20/D100高温高压黏度仪

Haake RV20/D100该高温加压旋转黏度计的使用上限为203kPa（1400psi）和300℃，它由两个固定在加热器上的同轴圆筒组成。外筒用螺栓固定在加热器（高压釜）的顶部，内筒支承在滚珠轴承上（外筒通过轴承将内筒托住）。内筒或转筒靠磁耦合与一个Rotovisco RV 20相连接。内筒作为转子，釜外的驱动机构通过电磁耦合带动内筒转动；内筒通过电磁耦合将其所受的转矩传递给釜外的驱动机构，使其转过一个角度（图3.4）。

图3.4 Haake RV20/D100剪应力测试原理

可用计算机控制来自动描绘流变曲线。该仪器在0s^-1～1200s^-1范围内可连续变化，并且自动进行数据分析。施加在转轴上的扭矩可被反应灵敏的电扭力杆测得。测量电扭力杆扭转的角度即为所施加的扭矩值。剪切应力可由扭矩值通过合适的剪切应力常数来计算得出。

3.3.1.5 美国Grace公司专利产品MODEL 7400/M7500

M7400流变仪包含250mL的浆杯总成，安装在仪器加压的测试釜体内，浆杯易于取出，方便浆杯装样和清洗。流变仪可配备不同的内筒/转子（外筒）组合，提供了不同的测量间隙尺寸。转子（外筒）按需要的速度围绕内筒转动，由于内筒和转子（外筒）之间的环型区域内的液体被剪切，传导到内筒上的扭矩用一个应力表类型的扭矩传感器测量（图3.5）。

图3.5 M7400流变仪

仪器加压用一个空气驱动液压泵，矿物油作为压力介质，连接到高压泵上的可编程压力控制器控制压力的升压和保压，浆杯下的叶轮循环流动压力油改善温度控制效果，叶轮也用于提供均匀的样品加热效果，温度控制采用一个连接到内部4000W加热器和热电偶的温度控制器控制，浆杯中心内筒顶部的热电偶用于测量实际样品温度，马达驱动转子（外筒）在一定速度范围内转动，样品黏度根据测量出来的剪切应力和剪切速率计算出来。

M7500是专为复杂样品进行简单测试而设计的高温、超高压、低剪切、自动、数字流变仪。该仪器专利的测量机构设计消除了昂贵和易损的宝石轴承，可以进行大范围的测量。由于它独特的设计，使其便于维护并大大简化了操作流程。基于微软数据库作为支持友好的用户界面，测试结果自动化的压力，速度和温度控制，使实验结果更加精确和一致，标准的API实验可由触摸式LCD屏幕或者在计算机上单击鼠标来实现（表3.5）。

表3.5 M7500技术参数

M7500与其他同类产品相比，测试时间短且更容易操作；它不含有易碎和昂贵的精密轴承，维修成本低；最先进的速度控制使得低剪切率测试成为可能，自动剪切应力校准在很大程度上简化了操作程序。

3.3.1.6 Fann流变仪

（1）Fann稠度仪

Fann稠度仪是一种高温高压仪器，试验的泥浆在套筒内承受剪切，其最高工作压力和温度分别为140MPa和260℃，其测量原理见图3.6。它通过安装在样品釜两端的两个交替充电的电磁铁产生的电磁力，使软铁芯作轴向往复运动。存在于运动铁芯与样品釜釜壁之间的环形间隙内的泥浆受到剪切，泥浆黏度越高，铁芯运动越缓慢，从一端运行到另一端所用的时间也就越长，泥浆的相对黏度就用铁芯的运行时间来衡量。Fann稠度仪不能测量绝对黏度，通常将其结果作为相对黏度。这是因为电磁铁施加给铁芯的是一个不变的力，使铁芯在被测泥浆中从速度为零加速至终速度，在常用的泥浆中铁芯不能总是匀速运动，因此不能按不变的或确定的环空剪率进行分析。在实际使用中，常用于测量水泥浆的稠度。

图3.6 Fann稠度仪原理图

（2）Fann 50C高温高压流变仪

Fann50C高温高压流变仪是高温高压同轴旋转式黏度计，其最高工作压力和温度为7MPa和260℃，其剪应力测量原理如图3.6。泥浆装在两个圆筒的环状间隙里，外筒可用不同转速旋转。外同在泥浆中旋转所形成的扭矩，施加在内筒上，使内筒转过一个角度。测量这一角度，即可确定其剪应力值。测量数据用X-Y记录仪以曲线形式输出。其转速可在1～625r/min范围内无级调速。

Fann 50C早期产品由压力油提供压力，适合于作水基泥浆的高温高压流变性测试，压力油对油基泥浆试验结果影响较大。Fann 50C中期产品有两种形式，既可由压力油提供压力，也可由高压氮气或空气提供压力。近期产品则只有由高压气源提供压力一种形式。采用气压形式后，就不存在压力油对泥浆污染和对测试结果的影响。

（3）Fann 50SL高温流变仪

50SL是Fann 50C的改进型产品，它在Fann50C原有结构基础上，新增加了压力传感器，冷却水电磁阀和远程控制器（RCO），是一款高精度的同轴旋转型黏度计，该仪器具有广泛的通用性，可解决多种黏度测试问题或完成许多程序测试，Fann 50SL（图3.7）可以测试特殊剪切速率下的流体的流变特性，如宾汉塑性流体和假塑性流体（包括幂律流体）和膨胀性流体，触变性和胶凝时间也可以测试出来，实验可以在剪切率、温度和压力精确控制的状态下进行。

该黏度计可以测试出剪切力-剪切率值，也可得到在流变状态下的剪率特性，通过选择合适的扭簧、内筒和外筒可得到很宽的黏度测量范围（量程从50到64000dyn/cm²之间的剪力范围）。

最高温度260℃，压力7MPa（1000psi）条件下的测试。使用该仪器必须在连接远程控制器和一台合适的电脑的条件下，其控制操作由仪器将传感器信号通过接口传送到计算机，计算机再把正确的控制信号输出给Fann 50SL。加热、施压和转子速度的控制由专门软件的输入来控制。在各种剪切速率下的表观黏度、时间依赖性、连续剪切和温度效应引起的变化等可快速而准确地测定。50SL是一般流变特性，包括钻井液高温稳定性测定的理想仪器。唯一不足的是该控制软件中不具备将曲线在打印机上输出的功能。

（4）Fann 75流变仪

主要用来测量不同温度、压力和剪切速率下钻井液的剪切应力、黏度。最高测量温度为260℃，最高测量压力为138MPa，仪器如图3.8所示。

该仪器同其他“旋转”式流变仪工作原理一样，转子/浮子组合如图所示。

（5）Fann IX77流变仪

范氏IX77型全自动泥浆流变仪（图3.9）是第一台在高压（30000Psi）和高温（316℃）的极端条件下测量流体流变性的全自动流变仪。另外，如果配上一个软件控制的制冷器可以使实验在室温以下的温度进行。

图3.7 Fann 50SL高温流变仪

图3.8 Fann 75流变仪

该仪器是同轴圆筒测量系统，它使用一个精密的磁敏角度传感器来检测内嵌宝石轴承的弹簧组合的角度，传感器系统可以校准到±1℃。电机转速实现了0～640r/min无级调速的全自动控制。

仪器的特点在于借助内嵌微电脑和巧妙的机械及电路设计而带来的非常安全的传动机构。它的软件使仪器的操作、数据采集、输出报告和报警功能自动进行，最大限度的扩展其应用范围，给操作带来较大的灵活性。

IX77禁止用于测试具有赤铁矿、钛铁矿、碳酸铁成分的或者含有磁性的活亚铁成分的混合物、溶液、悬浮液和试剂的样品。

其他高温高压流变仪如Chandler 7400（工作极限条件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）与以上类型工作原理相似。

图3.9 Fann IX77 流变仪

3.3.2 高温高压滤失仪

泥浆在钻井时向地层渗滤是一个复杂的过程，影响因素较多，它包括在泥浆液柱压力和储层压力之间的压差作用下，发生的静止滤失。包括在该压差下，泥浆在流动状态下的动滤失，这种流动是由泥浆循环时的返流和钻柱旋转时的旋流所引起，它对井壁过滤面产生冲刷作用，影响了渗滤的过程。

高温高压滤失仪是一种在模拟深井条件下，测定钻井液滤失量，并同时可制取高温高压状态下滤失后形成的滤饼的专用仪器。温度和压力在滤出液控制中起着很大的作用。

3.3.2.1 海通达高温高压滤失仪

（1）GGS系列（图3.10；表3.6）

图3.10 GGS-71型高温高压滤失仪

表3.6 GGS系列仪器参数

其中GGS42-选用单孔单层活网钻井液杯，滤网目数50。

GGS42-2和GGS71-A使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数60，有独立温度控制系统，采用国外先进的电子温控器。

（2）HDF-1型高温高压动态滤失仪

HDF-1型高温高压动态滤失仪克服了静态滤失仪的不足，使测试结果更加接近井下实际情况。该仪器由电机驱动的主轴带动杯体内的螺旋叶片对钻井液进行搅拌。通过SCR控制器控制变速电机，数字显示主轴转速（表3.7；图3.11）。

表3.7 仪器的主要技术参数

图3.11 HDF-1型滤失仪

3.3.2.2 OFI公司高温高压动态全自动失水仪

OFITE高温高压动态失水仪在动态钻井条件下测量滤失特性。马达驱动装配有桨叶的主轴在标准500mL HTHP泥浆池中旋转，转速设置范围为1～1600r/min，模拟钻井液高温高压池中以层流或紊流形式流动。测试方式完全和标准的高温高压滤失仪一样，唯一的差异为滤出物收集时钻井液在高温高压池中流动循环。由于滤失介质为普通的圆盘（disk）材质，因此测定结果跟别的或以往的有充分的可比性，该仪器能够和电脑相连，并自动画出曲线。最高压力8.6MPa，最高温度260℃（图3.12）。

图3.12 OFI高温高压动态滤失仪

技术特征：①一款分析转动中钻井液的真正循环滤失仪；②变速马达，1/2Hp永久磁铁，直流；③池顶带盖得以辅助管路连接，移去堵头，可以添加额外的钻井液添加剂；④安全校正的防爆片，保证过压安全；⑤马达和转动主轴转动转速操作保证1∶1；⑥可调螺旋桨改变到滤失介质距离；⑦可调热电偶温度38～260℃；⑧可选的滤失渗透性滤片；⑨500mL容积的不锈钢高压池。

3.3.2.3 美国Fann高温高压动态全自动失水仪

Fann90高温高压动态失水仪使用人造岩心滤筒，滤液从岩心滤筒侧壁滤出，能很好地模拟钻进过程中钻井液从井壁滤失的过程，不但能测试在一段时间内累积的滤液量，而且可以绘制滤液随时间变化的滤失曲线。Fann90的最高工作压力可达17.2MPa，最高工作温度260℃。该仪器可与电脑和打印机连接，自动化程度高，操作方便，是当前最先进的高温高压动态失水仪（图3.13）。

图3.13 Fann90 高温高压动失水仪

3.3.2.4 LH-1型钻井液高温高压多功能动态评价实验仪

“抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究”的多功能动态评价实验仪，是一种钻井液用智能型多功能动态综合评价实验仪。该仪器能模拟钻井过程中的井下情况评价钻井液性能，并将钻井液多项高温高压性能评价实验集于一体，达到一仪多用的目的（图3.14）。

图3.14 钻井液多功能动态综合测试仪实物图

该仪器可以进行高温高压静/动态滤失、高温高压钻屑分散、高温高压动态老化等若干项实验，采用电脑工控机控制实验过程，实时显示实验状态、自动采集、处理、显示实验数据，实现智能化实验操作。

仪器主要技术指标：工作温度0～300℃；工作压力0～40MPa；转速0～1200r/min，无级调速；釜体容积800mL；冷却速率200℃～室温/10min。

3.3.3 高温滚子炉

温度的影响对钻井液在钻井内的循环是非常重要的。热滚炉的作用是评定钻井液循环与井内时温度对钻进的影响。

高温滚子炉包括炉体、滚筒及滚筒带动的陈化釜。陈化釜设有一釜体，釜体上部设有釜盖，釜体与釜盖之间设有密封盖，釜盖上垂直于釜盖设有压紧螺栓，将密封盖与釜体压紧。密封盖与釜体之间设有密封环，所述的密封环为四氟乙烯材质。覆盖上设有排气阀，排气阀穿过密封盖与釜腔相通，排气阀两端设有O型密封圈，密封圈为四氟乙烯材质。釜盖与釜体上设有支撑环，支撑环为四氟乙烯材质，炉门边缘设有密封垫，密封垫为四氟乙烯材质。该滚子炉耐高温、密封效果好，而且体积小、安全系数高，便于使用。

3.3.3.1 青岛海通达XGRL-4高温滚子炉

滚子炉是一种加热、老化装置。采用微处理器智能控制技术，直接设定，数字面板显示，并可进行偏差指示。适用范围为50～240℃，滚子转速为50r/min（图3.15）。

图3.15 XGRL-4型高温滚子炉

该滚子炉采用钢架结构、硅酸铝保温层、不锈钢外壳；滚筒采用优质金属材料滚筒和框架、四氟石墨轴承，重量轻、转动平稳；其加热系统采用两根700W加热管加热；动力系统由大功率调速电机链带动滚子转动，传动平稳可靠、噪音低；温控部分采用智能仪表设定、显示和读出，恒温准确，温度超限自动断开加热电源，并发出声光报警。定时部分定时关机。

3.3.3.2 OFFIE 滚子炉

美国OFI公司，五轴高温滚子炉。适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.16，图3.17）。

图3.16 OFFIE滚子炉

图3.17 老化罐

3.3.3.3 Fann 701滚子炉

美国Fann公司的Fann 701型五轴高温滚子炉，适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.18）。

图3.18 Fann滚子炉

3.3.4 其他高温高压评价仪器现状

3.3.4.1 高温高压堵漏仪

高温高压堵漏仪主要是用来模拟高温高压条件下进行堵漏材料实验，对一套泥浆系统既可以做填砂床实验又可以做缝板实验，还可以做岩心静态污染实验以及测量堵漏层形成后抗反排压力的大小。如：JHB高温高压堵漏仪由加压部分、加温部分、缝板模拟部分等组成。参看图3.19～图3.22。

图3.19 高温高压堵漏仪实物图

图3.20 高温高压堵漏仪结构图

图3.21 实验缝板实物图

图3.22 实验用滚珠及套筒实物图

3.3.4.2 高温高压膨胀仪现状

膨胀仪是评价黏土矿物膨胀性能的重要试验仪器，主要用于防塌泥浆及处理剂的研究方面。通过电脑回执曲线可准确测定泥页岩试样在不同条件下的膨胀量和膨胀率。用以评价不同的防塌处理对页岩泥水化的抑制能力，并针对不同的地层及不同组分的泥页岩选择适用的处理剂，以控制、削弱泥页岩的水化膨胀进而防止可能出现的坍塌、卡钻等事故的发生。

常温常压膨胀仪不能模拟井下条件下黏土的膨胀情况和加入黏土抑制剂后对黏土的防膨胀效果。

（1）HTP-C4高温高压双通道膨胀仪

HTP-C4型高温高压单通道膨胀量仪，能较好模拟井下温度（≤260℃）和压力（≤7MPa）条件下，测试页岩的水化膨胀特性，为石油钻井井壁稳定性研究、评价和优选防塌钻井液配方提供了一种先进的测试手段。HTP-C4型页岩膨胀仪采用非接触式高精度传感器，电脑监控记录，性能稳定，测试范围大，无漂移，通电即可使用，两个样品可同时测量（表3.8；图3.23）。

表3.8 仪器的主要技术参数

图3.23 HTP-4型高温高压单通道膨胀仪

（2）JHTP非接触式高温高压智能膨胀仪

高温高压膨胀仪虽然能模拟井下温度和压力条件，但其使用的是接触式线性位移传感器，这种接触式传感器受膨胀腔结构的影响，在高压密封和位移之间产生矛盾，使黏土的线性膨胀量不能得到真实的反映，因为增大了试验误差。

图3.24是一种非接触式高温高压智能膨胀仪结构图。它由加热体、实验腔体、腔盖、腔体、腔身、圆铁饼、非接触式位移传感器、试验液体加入口、加压孔、前置器、数据采集器及输出设备组成。它是利用非接触式位移传感器与圆铁饼之间的距离随黏土饼膨胀时提高变化而变短，而改变传感器的输出电压，使数据采集器得到实验参数，达到在室内评价黏土矿物的膨胀性能。克服了现有膨胀仪不能真实和准确地描述井下条件黏土的膨胀情况、实验误差大、加入抑制剂后对黏土的防膨胀效果不能预计的问题。结构简单，操作方便，实验数据准确。

图3.24 JHTP非接触式智能膨胀仪结构

3.3.4.3 高温高压黏附仪

该仪器可测定钻井液在常温中压（0.7MPa）及在常温高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能，同时还可测试钻井液样品在高温（～170℃）高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能。黏附盘加压方式为气动（图3.25）。

3.3.4.4 高温高压腐蚀测定仪

OFI高温高压腐蚀测试仪是用于测试金属试样在高温高压动态条件下对各种腐蚀液体的反应速率。该系统主要由压力釜、控制仪表及阀门、样品支架和试样玻璃器皿组成。

压力釜采用特制的合金钢材料，最大工作压力34.5MPa，最高温度可达204.4℃。压力釜及内部样品由热电偶加温。加热速率范围为2.5℉/min到3℉/min。机箱内包括一个马达用以摇动测量支架，一台高压泵用于提供系统压力。系统设有安全装置，包括安全警报等。

图3.25 GNF-1型黏附仪

『陆』 油气井工程的研究方向

① 油气井信息/控制工程
主要从事油气井录井技术与软件开发，井眼轨迹控制，管柱力学分析，井下工具研制与评价等。大型实验仪器设备有钻井综合模拟实验装置，钻柱力学模拟实验装置，钻井综合模拟实验装置等。
② 油气井岩石力学与工程
主要从事岩石破碎机理及新型钻头设计、井壁稳定分析、完井方式优选、出砂机理分析、套管损坏机理分析、地层压力预测与监测、地层力学、声学特性参数测试分析、岩石微观结构分析等，大型实验仪器装置有莱卡偏光显微镜、体式显微镜，Panametrics声波仪，伺服控制岩石力学三轴实验装置，岩石破碎力学模拟实验装置等。
③ 油气井流体力学与工程
主要研究内容有径向水平井技术，超高压射流钻头研制，旋转射流增产增注技术，欠平衡钻井压力控制与检测技术，特殊结构井环空水力参数优选等。大型仪器设备有超高压射流实验架，超高压泵，环空携岩模拟实验装置，BK噪声测试仪，CCD高速流场摄影测试系统，实验过程实时遥控摄录像记录监测仪等。
④ 油气井化学工程
主要研究内容有钻井液添加剂的合成与研制，钻井液体系评价与优选，页岩防塌机理分析与防塌钻井液优选，油层损害机理分析与保护技术等，大型实验仪器有Fan90高温高压动滤失仪，激光微电泳仪，高压液相色谱仪，荧光分光光度仪，Fan50高温高压流变仪，高温高压钻井液井下模拟实验装置等。

『柒』 海洋钻井喷射下导管模拟实验研究

张 辉 柯 珂 王 磊

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

摘 要 水力参数是影响深水钻井表层喷射下导管作业安全顺利施工的重要因素之一。本文设计和建立了喷射下导管模拟实验系统，选取与海底浅层土性质接近的土样，对喷射下导管作业进行室内模拟实验。通过改变喷嘴直径和排量等参数，研究水力参数对导管承载力的作用规律。通过对实验结果分析发现，当作业排量和射流速度等水力参数超过某临界值时，水射流对导管壁外侧区域的土体产生过度扰动，使导管的竖向和横向承载力均发生较为明显的突降。因此在实际作业中，应当在控制水力参数提高破岩效果的同时，避免为增大导管的下入速度而使用过大的水力参数。

关键词 深水钻井 喷射下导管 模拟实验 水力参数 承载力

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

喷射下导管技术是解决海洋钻井表层作业难题的特色技术之一。使用喷射方法下入导管，对于深水作业是一项经济有效的技术措施，不仅能够节约作业时间和成本，同时能够降低深水作业风险。近年来，随着国内深水及超深水油气资源勘探开发活动的不断增加，喷射下入导管技术在我国南海海域得到广泛应用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等国内外石油公司在中国南海区域所钻的深水及超深水井绝大多数采用喷射方法下入导管。

在喷射下导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。射流参数过小，导管下部土体无法得到充分破碎，将使导管的下入阻力增大；射流参数过大，对导管外部土体过度扰动，将影响导管下入后承载能力的恢复。因此，本文通过室内模拟实验，研究射流参数对导管喷射下入过程及导管承载力的影响规律，为喷射下导管水力参数设计提供依据。

1 喷射下导管作业介绍

喷射下导管作业过程中，将底部钻具组合置于导管内部，通过送入工具与导管相连，并由送入管柱送达海底。导管到达泥线处时，在依靠重力作用进入地层的同时，开泵驱动马达使钻头旋转，对导管内的土体进行破坏，并循环钻井液将岩屑从导管与钻柱的环空返出。导管下入过程中，靠钻头旋转与水力作用联合破岩，并在导管自重及送入工具的重力作用下克服导管的下入阻力进入地层。导管到达设计深度后，经过一定时间的静止，在导管与地层土之间建立足够的胶结强度，保证导管在后续作业中有足够的承载能力。

喷射下导管技术将钻井与下导管两项作业 “合二而一” 进行，一趟钻完成了钻井眼与下导管两项作业，并省去了固井环节。将这项技术应用于深水钻井导管下入作业，不仅节约了在上千米深水中多次起下钻的作业时间，同时避免了常规下导管时，容易受到深水海域环境载荷的影响而找不到井口的风险和复杂情况，以及深水海底低温带来的固井质量差等技术难题^［1～4］。

2 喷射下导管作业室内模拟实验

2.1 实验总体思路

用金属管作为模拟导管，沿金属管轴向设置应变片，用小型水泵模拟导管的喷射下入过程，并记录导管的下入速度。导管下入后静置一定时间，测试导管的竖向和横向承载力。采用不同的排量、喷嘴尺寸等参数，重复进行实验，最终得出导管承载力随排量、射流出口速度等水力参数变化的规律。

2.2 模拟实验系统设计

2.2.1 实验系统整体组成

喷射下入导管室内模拟实验系统示意如图1所示，主要包括土箱、管柱系统、循环系统、加载系统、测量系统等组成部分。

2.2.2 加载系统

加载系统包括对模拟导管的竖向加载和横向加载。通过千斤顶对导管施加竖向上拔力及横向推力（图2，图3），并通过压力传感器实时采集加载过程中的压力变化值。

图1 喷射下导管模拟实验系统示意图

图2 竖向加载系统

图3 横向加载系统

2.2.3 测量系统

测量系统主要对加载过程中导管顶部的竖向和横向位移进行实时测量。通过在导管上部的铁盒处连接位移百分表（图4，图5），测量导管顶部的位移随加载载荷变化的规律。

2.3 实验参数

实验采用表1中的排量及喷嘴尺寸组合，得到不同的水力参数，分别实现：

1）保持喷嘴射流出口速度为23.58m/s，改变排量。

2）保持排量为1.07m³/h，改变喷嘴射流出口速度。

图4 竖向位移测量系统

图5 横向位移测量系统

表1 实验参数

2.4 实验步骤

实验按照以下步骤逐组进行：

1）将导管直立吊起至实验土层上方、土箱中间位置处。

2）控制大钩使管柱匀速缓慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不开泵。

3）管柱入泥1m后开泵。开泵时先用小排量，逐渐增大至设计排量值。

4）缓缓释放大钩，使管柱在自重及射流联合作用下逐渐下沉。下放过程中保持匀速，并保证管柱的垂直性。

5）管柱到达标记位置后，停泵，并用大钩吊住管柱静止20min。

6）释放大钩，观察管柱是否发生沉降。

7）静置管柱恢复4h之后，对管柱进行承载力测试。

8）在导管顶部中心位置处施加竖向上拔力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的竖向位移量。

9）在导管顶部固定位置处施加横向推力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的横向位移量。

10）拔出导管，重新整理土样，更换实验参数，重复实验。

2.5 实验结果及分析

2.5.1 实验现象

实验过程中，观察到的实验现象如下：

1）导管能够在自重及辅助压载作用下下入指定深度。导管下入时，可见泥浆从管内返出的现象，如图6所示。初始返浆位置多在导管下入1.5 ～2m位置左右。

图6 泥浆从管内返出

2）导管下入到指定深度后吊住静止20min，释放大钩，多数情况下能够保持在下入位置。在少数排量较大的情况下，发生了导管下沉3～10cm的情况。

通过上述实验现象，证明本实验可近似模拟喷射下入导管现场作业过程。

2.5.2 实验结果分析

1）射流出口速度保持在23.6m/s不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随排量的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随排量的增大而降低。在射流出口速度为23.6m/s的条件下，曲线上对应于排量为1.07m³/h（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向及横向承载力均发生较为明显的突变。

图7 射流出口速度不变，排量对管柱承载力的作用规律（砂土中）

2）排量保持在1.07m³/h不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随射流出口速度的变化曲线如图8所示。

图8 排量不变，射流出口速度对管柱承载力的作用规律

从图8中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随射流出口速度的增大而降低。在排量为1.07m³/h的条件下，曲线上对应于射流出口速度为23.65m/s（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向和横向承载力均发生较为明显的突变。

3 实验结果与理论计算对比

当水力喷射破碎地层的范围恰好达到导管壁位置处时，对应的射流出口速度称为射流破土的临界射流出口速度，对应的排量称为临界排量。根据淹没水射流特性、土体在射流作用下的破坏条件以及钻头水眼的位置、倾角等参数，可以计算得到在实验条件下射流破土的临界排量和临界射流出口速度随不同喷嘴尺寸的变化曲线^［5～10］，如图9所示。

图9 实验条件下的临界排量和临界射流出口速度

从图9（a）中可以看出，在实验中所用射流出口速度为23.6m/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图7中承载力曲线上发生突变的位置；从图9（b）中可以看出，在实验中所用排量为1.07m³/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图8中承载力曲线上发生突变的位置。

上述实验结果说明：当排量和射流出口速度超出理论计算得到的射流破土临界排量及临界射流出口速度时，射流将对管壁外侧的土体产生很大扰动，从而使管柱在下入后一定时间内的承载能力发生明显下降。

4 结论

1）本研究设计的喷射下入导管室内模拟实验装置，能够较好地模拟喷射下导管作业过程，有助于研究水力参数对导管承载力等性能的作用规律。

2）通过实验结果可以看出，排量、射流出口速度等参数都对导管的承载能力有很大影响，提高射流排量和出口速度，能够提高射流的破土能力，增加对导管壁附近区域地层的扰动，从而使得导管承载能力降低。

3）对照实验结果与理论计算结果可以发现，当喷射下入导管作业的水力参数达到或接近射流破土的临界水力参数时，将对导管壁周围的地层产生严重扰动，使导管的承载能力发生比较明显的突降。

4）在实际作业过程中，应当控制水力参数小于射流破土的临界水力参数，防止导管承载力发生严重下降，避免为提高导管的下入速度而使用过大的水力参数。

参考文献

［1］徐荣强，陈建兵，刘正礼，等.喷射导管技术在深水钻井作业中的应用［J］.石油钻探技术，2007，35（3）：19～22.

［2］张俊斌，韦红术，苏峰，等.流花4－1油田深水表层套管喷射下入研究［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：42～44.

［3］刘书杰，杨进，周建良，等.深水海底浅层喷射钻进过程中钻压与钻速关系［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：42～44.

［4］汪顺文，杨进，严德.深水表层导管喷射钻进机理研究［J］.石油天然气学报，2012，34（8）：157～160.

［5］沈忠厚.水射流理论与技术［M］.第1版.东营：石油大学出版社，1998.

［6］Chu Eu Ho.Turbulent fluid jet excavation in cohesive soil with particular application to jet grouting［D］，麻省理工大学，2005.

［7］李范山，杜嘉鸿，施小博.射流破土机理研究及其工程应用［J］.流体机械，1997，25（2）：26～29.

［8］马飞，宋志辉.水射流动力特性及破土机理［J］.北京科技大学学报，2006，28（5）：413～416.

［9］马飞，张文明.淹没水射流土层扩孔方程［J］.北京科技大学学报，2005，28（5）：413～416.

［10］高大钊.土力学与基础工程［M］.第1版.北京：中国建筑工业出版社，1998.

『捌』 油气井工程的开设高校

2013-2014年油气井工程专业院校排行榜 排 名 学校名称 星 级 博士点 1 中国石油大学（北京） 5★ 1 2 中国石油大学（华东） 5★ 1 3 西南石油大学 3★ 1 4 东北石油大学 3★ 1 5 长江大学 3★ 1 6 中国地质大学（武汉） 3★ 1 7 燕山大学 2★ 0 8中国地质大学（北京）2★09西安石油大学2★010辽宁石油化工大学2★011常州大学2★012重庆科技学院2★0 经过新老几代人多年的建设与发展，特别是经过“211工程”一期建设，油气井工程学科已形成五个稳定的研究方向；造就了一支学历层次高、知识结构合理且比较年轻化的学术队伍；建成了一批具有国内一流水平的研究室和实验室；承担国家自然科学基金、“863计划”、“973计划”、国家重点攻关项目十多项；取得了一大批达到国际先进水平的科技成果，并获得了多项国家级和省部级的科研奖励；培养了近20名博士，200名硕士，发表了300余篇高水平的学术论文，出版了20部专著或教材；年均科研经费达到近1000万元。同时本学科也是国内该领域历史最久、规模最大的高级专门人才培养或培训基地。多年来在人才培养和科技发展方面，为我国石油工业的发展做出了重大贡献。
一、主要研究方向：
1、油气井流体力学及高压射流技术。
主要研究井筒中牛顿流体、非牛顿流体、多相流体及高压射流的流动规律。通过在油气井筒内复杂流动条件下流体流动规律的研究，丰富和发展洗井技术、射流技术、破岩技术、井控技术，提高机械钻速，减少井下事故，减低生产成本，缩短建井周期，提高油井产能。该研究方向具有超高压射流实验系统，先进的 PIV高速射流实验测试及数据采集处理系统，中围压及高温高压模拟实验井筒，磨料射流实验装置等可进行各种射流实验研究和多相流流动规律研究的装备条件。
2、油气井工程岩石力学。
主要研究内容有：地层基础参数预测与评价技术，破岩机理及破岩技术，井壁稳定理论与控制技术和完井与油层改造过程的岩石力学问题。该研究方向具有高温高压三轴模拟试验架，高温高压岩石与钻井液相互作用模拟试验架，岩石声学测试装置，岩石微观测试系统等先进实验装备，而且有一个金刚石钻头研究室，具有金刚石钻头的先进研究手段和生产能力。
3、油气井信息与控制工程。
主要研究内容有：油气井管柱力学研究，井下过程控制研究和地层信息采集与利用研究。综合应用基础科学的理论和方法，研究管柱在各种井眼（直井、定向井及水平井）中的力学行为，为井眼轨迹控制、直井防斜打快、管柱的优化设计、合理使用及其寿命预测等提供科学依据。该研究方向建有大型管柱动力学研究模拟实验装置和井下钻柱受力实测装置，开展了防斜机理的理论和实验研究，形成了不同底部钻具组合防斜效果的室内实验评价方法、井眼轨迹预测和控制技术及相关软件。建立了针对定向井、水平井、大位移井钻柱进行摩阻计算、强度分析、稳定性分析和疲劳寿命预测的分析模型及相关软件。开展了套管损坏与防治技术研究。
4、钻井液、完井液化学与技术。
主要研究内容有：钻井液与完井液体系及处理剂的研制、配方与性能研究，井壁稳定化学力学耦合研究，油气层保护研究及钻井液胶体与界面化学性质研究等。该研究方向具有范90动滤失仪、胶体ZETA电位分析仪等先进测试仪器以及先进的钻井液模拟实验井筒等。
5、固井、完井工程与技术
主要研究内容有：注水泥顶替效率、纤维水泥水泥浆体系研究，低密度流体在洗井、冲砂、压井及射孔等工程中的应用研究，水力压裂设计与评价技术研究，出砂机理与防砂技术研究。
二、研究队伍：
本学科共有研究人员50人，其中教授12人（其中工程院院士1人，博导8人。）、副教授及高级工程师18人，具有博士学位者11人。入选国家“百千万人才工程”第一、二层次人选者1人，获得 “国家杰出青年基金”者1人。
三、研究机构：
油气井工程系
金刚石钻头研究室
钻井液化学研究室
高压水射流研究中心
四、主要研究成果及获奖：
1、水平井钻井配套技术, 1997年国家科技进步一等奖
2、加长喷嘴牙轮钻头, 1997年国家发明三等奖
3、人造硬质材料钻头破岩机理及设计, 1996年石油天然气总公司科技进步二等奖
4、无荧光防塌降滤失剂PA-1及低伤害固砂稳定剂, 1996年山东省科技进步二等奖
5、分层地应力剖面建立技术, 1998年山东省计算机优秀应用成果二等奖
6、地应力测量技术及其在油田勘探开发中的应用, 1999年石油天然气集团公司科技进步二等奖
7、地应力测量技术现状及发展趋势研究,1999年石油天然气集团公司科技情报一等奖
8、大港低渗块状砂岩油藏水平井钻井技术,1999年中国石油天然气集团公司科技进步二等奖
9、高压旋转水射流处理近井地层增产增注研究,1999年山东省科技进步二等奖
10、屋脊失断块油藏和特稠油油藏侧钻水平井配套技术研究, 2000年中国石油化工总公司科技进步一等奖 油气井工程学科培养具备独立从事油气井工程中工程设计、组织实施、分析和解决油气井工程作业问题的能力，可以取得具有一定创新意义的研究成果；能熟练地运用计算机和掌握一门外国语；能够从事专业及相邻专业的教学、科研、科技开发和管理工作。
本学科1995年4月作为原中国石油天然气总公司的重点建设学科正式启动，2001年成为陕西省重点学科。油气井工程学科依托一个部级研究中心（CNPC石油钻井信息应用技术中心），一个导向钻井研究所，师资力量雄厚，现有教授9人，副教授1人。
1、培养方向主要有：
2、储层保护技术
3、导向钻井技术
4、井筒信息应用技术
5、深井与超深井钻井技术 本学科主要围绕油气井工程中的岩石破碎学和工具、石油管柱力学、钻采地面及井下状态检测与故障诊断、钻井信息资源开发利用、油田化学剂的配制，以及钻井和采油化学技术的应用等方面开展研究，为高效、安全、优质钻井提供有力的技术保障。拥有岩石可钻性测定仪、岩石力学特性参数测定仪、高温高压页岩膨胀性能测定仪、核磁共振岩心分析仪、有线（无线）多通道噪声振动分析仪等先进仪器设备。近五年，先后承担了钻井泵关键部件的损伤机理及诊断技术研究、单观察序列井场信号分离与识别应用研究、西山窑高研磨地层钻速技术研究、大港滨海区块下部地层提高机械钻速技术应用、松南气田青2-登娄库组高硬度高研磨地层提速技术研究、柯克亚区块钻井提速技术研究与应用、彭水-黄平海相页岩气区块岩石力学特性实验研究等国家自然基金及企业合作课题20余项。其中西山窑高研磨地层提速技术研究获2011年中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖。已发表论文40余篇，申请发明专利10余项。培养研究生18人，其中2人进入中国石油大学(北京)，1人进入上海大学继续深造。

『玖』 中国大陆科学钻探（CSDC）的最新进展

刘广志

（地质矿产部科技委高咨中心，北京100812）

中国大陆科学钻探（CSDC）筹备工作，自进入90年代以来，获得了迅速的进展：

·召开了“中国深部地质研究中存在的关键地质问题”研讨会（1991.3）。

·“中国大陆科学钻探先行项目”开始执行（1991.7）。1994年11月提交有关报告，通过评审，认为中国开展大陆科学钻探条件业已成熟，争取列入“九五”国家重大科学工程项目。

·国务院发布的“国家中长期科技发展纲要”中指出：2000年前要为实施地质科学（超深）钻探工程进行技术准备，2020年前要实施（1992.3）。

·先后召开了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）“中国大陆科学钻探研讨会”，讨论中国科学钻探选址，从12个选区归结为4个，最后选择大别—胶南作为首批靶区。

·“中国地质超深钻探（现称科学钻探）国家专业实验室”在中国地质大学（北京）建成，进入设备安装调试（1993.5）开展科研工作。

·中国派代表团参加在德国波茨坦召开的“国际大陆科学钻探会议”（1993.8），并参加ICDP筹备会（1993.9）。此后地质矿产部推荐肖序常院士为中方成员（1994.1）。地质矿产部派肖序常、闵志到美国斯坦福大学参加ICDP会议（1995.12）。

·“中国第一口大陆科学钻孔实施与科学研究”正式申报为“九五”国家重大科学工程项目。国家科委组织高级专家评议、投票，排名第三（1995.2）。财政部同意支付ICDP会费（1995.7）。以“大陆动力学和大陆科学钻探”为题举行了第36次香山科学会议。中国地质界对中国开展大陆科学钻探取得共识（1995.5）。

·再次举办“中国大陆第一口科学钻孔第三次研讨会”（1996.1）。对大别—胶南作出进一步靶区选定；并组织专家进行现场考察。

·（1996.2.26～3.1）在日本东京筑波市科学城参加“第八届通过钻探观察深部地壳学术会议”，即“第八届国际大陆科学钻探学术会议”。地质矿产部派6人代表团参加了大会。会议期间：①参加了学术1、6两组的大会论文宣讲；②参加了ICDP中美德三国谅解备忘录的签字仪式，并参加了该计划对组织管理、未来国际合作的大型讨论会；③刘广志参加了国际岩石圈（ILP）CC-4组主席M.D.佐巴克教授主持的汇报会，互通了各国CC-4组的活动简况，提出了今后活动方向。

·配合中国第一口大陆科学钻探的选址工作，提出了“中国第一口大陆科学钻探取心钻孔钻探工程技术前期研究与开发规划”（1996.3）。

1中国大陆科学钻探先导孔施工技术方案

1.1施工条件

（1）钻孔深度不超过5000m。事先由地质部门提出预想钻孔柱状图及有关地球物理资料。

（2）钻孔贯穿的主要岩层为结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩等等。

（3）贯穿的岩层主要物理力学性质，单轴抗破碎强度可能高达100～150MPa，个别高达150～200MPa，在地质钻探岩石可钻性分类中属7～12级硬至坚硬岩层，个别属极硬岩层。岩层研磨性可能成两极分化状态，多数属强、高研磨性；少数属坚硬、致密弱研磨性打滑层。有的含包裹体。

（4）岩心是提取大量地质信息的“信息源”，是研究下地壳、上地幔的实物资料，钻孔直径要有足够大的尺寸，以获取尽可能大直径的岩心。

钻孔又是井中地球物理、地球化学测井的通道，其直径和孔壁稳定性要满足先进的高科技测井仪下井的要求。

1.2科学钻探先导孔的主要任务和作用

（1）全孔除覆盖层以外，要不间断采取岩心、岩样，液态样（矿化水，结晶水，油等），气态样（H₂,O₂,CO₂,He,CH₄,Cl,H₂S,SO₂等可能出现的气体），进行多种测试分析。

（2）分孔段进行系统的地球物理，地球化学测井。

（3）减少深孔将来在这一井段的取心，测井工作量。

（4）测量出地温剖面，在先导孔周围打一到几个深100～300多米的测温孔，测量地热热传导率，热流密度，以建立地温数学模型，推断先导孔地温剖面，终孔温度，地温变化，对在钻孔深部选择取心工具，测井仪器，各种取样器的结构性能，增强薄弱环节是至关重要的。

（5）在先导孔中试验各种新研制的钻头、钻具、仪器等。

（6）测试地层压力梯度，压裂强度，为孔壁稳定性，造斜倾向等提供参考位置与参数。

（7）检验过去用于沉积岩钻孔中的各种仪器和方法在结晶岩钻孔中是否有效。

（8）锻炼钻探队伍，培养深孔、超深孔钻探人才。

1.3先导孔钻孔结构设计

在1993年9月在德国举行的“国际大陆科学钻探会议”上，到会代表们几乎一致的认为，根据多年来国际上施工科学钻孔经验，为节省大量投资，更科学的打科学钻孔，必须大力提倡采用已经在南非和加拿大施工了数百口深度在4000～5000m以深的勘探钻孔经验。英国KENTING钻探公司的John Beswick先生介绍，南非拥有钻进能力4000m以上的深钻机150台，钻进能力大于5000m的钻机有20多台，根据南非施钻的经验，用这类深尺地质岩心钻，打2000～6000m的科学钻孔，可以获得多快好省的科学与经济效益。

有的专家提出采用加拿大Heath＆Sherwood钻探公司的HS-150钻机（钻深4570m，最大钻探曾达5424m）和他们设计的专门用于深孔绳索取心用的HNQ,NBQ内外大环隙绳索取心系统，具以下特殊优点：①降低冲洗液压力降，②内管投入外管后，可快速到达孔底外管的定位处（表1、2）。

表1第一方案先导孔钻孔结构

注：RTB—带扩孔的不提钻换钻头钻具。

如果用第一方案，要设计研制或购置两套HNQ,NBQ钻具。

表2第二方案先导孔钻孔结构

1.4施工技术路线

（1）参照外国施工经验与我国国情应考虑：我国是一个发展中国家，财政经济并不宽裕，一切设备、器具、工艺方法应该着意考虑以“自立更生”为主，尽量利用四十几年来，钻探工程积累的成功经验，能予以改进升级的，能自行研制的，则充分发挥自己探矿机械、仪器工厂的潜力（表3）。本着“有所引进，有所不引进”的原则，引进重点国外产品，予以消化、吸收、弥补急缺。

（2）必须采用绳索取心系统，以大幅度降低起下钻时间，有效缩短施工期；提高岩心品质，实现不提钻柱或少提钻柱换钻头，减轻工人劳动强度。施工费用可节约1/3。

（3）发挥我国在小口径孔底动力机并能配合绳索取心系统的技术优势，开发与采用小口径螺杆钻（PDM）、液动锤（Hydro-hammer）驱动的绳索取心钻具，实现钻杆不回转或慢回转钻进，一可以节约动力，二可以减轻钻杆与套管磨耗，三可有效预防钻孔歪斜（图1）。

表3目前国产耐温近300℃的处理剂

图1孔底动力机驱动的绳索取心系统

（4）大力采用物理—化学方法稳定孔壁，除钻孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段结晶岩中尽可能采用长裸眼钻进（岩层自稳）。一旦遇到复杂层，岩层失稳，应采用小间隙套管方案。

（5）发挥钻井液的多信息载体（油气，矿化水，结晶水，淡水，卤水，岩屑）作用，输送大量地质信息（图2）。

图2钻井液多信息载体作用

① 指防井涌、井喷、防塌、缩经等。②指运送岩屑，岩粉作用。③指作为深层流体（油气，水等）如H₂,O₂,CO₂,CH₄,He,H₂S,CO₂,SO₂以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×10⁵Pa状态下，运载到地面

2中国科学钻探先导孔钻探工程急待开展的科研项目

2.1地面设备

（1）顶驱动长行程钻机用于绳索取心系统，带桅杆式钻塔。

（2）微机自控绞车。

（3）全自动钻杆排架。

（4）自动拧管机

（5）钻杆疲劳、破裂孔口探伤器。

（6）钻探操作自动化操纵台（含监测、采集、优化、反馈系统）。

（7）防喷器组（全封闭1套，封钻杆2套）。

2.2深孔钻探基础理论

（1）高温高压下的结晶岩岩石物理力学性质，可钻性分类与破碎机理。

（2）建立高温高压试验设施。

（3）新型重量轻、高强度管材材料。

（4）钻杆断裂力学与监测系统。

（5）钻头磨损规律与机理。

（6）高温高压钻井液理论：①钻井液（无固相）聚合物配方、处理剂、添加剂，抗高温稳定性、固控设备与理论；②高温高压钻井液水力学、流变学、胶体化学理论与实践。

（7）钻井力学。

（8）建立机会井数据库。

2.3深孔钻探工艺学研究

（1）深孔钻孔结构与管理程序设计。

（2）不同孔深的钻具与钻具稳定。

（3）深孔孔斜防治。

（4）电子计算机辅助钻进（CDC）系统。

（5）取心取样工艺，液态、气态放射性样品采集工艺，放射性自动检测技术。

（6）钻头与钻具选择方案与相应钻井参数的确定。

（7）不同孔段地温检测及其增温梯度规律。

（8）不同孔段岩石破碎规律，岩石物理力学性质测定。

2.4孔内系统

（1）长寿命金刚石钻头与扩孔器。

（2）开发新型超硬材料切削具与取心钻头。

（3）用孔底动力机（BHM）驱动的绳索取心系统：①用螺杆钻驱动的绳索取心系统；②用液动锤驱动的绳索取心系统；③“三合一”式（绳索＋螺杆钻＋不提钻换钻头）取心系统。

（4）孔壁取心器：①液压或刮样器；②孔底电马达驱动水平取样器。

（5）高温高压气态或液态取样器。

（6）小口径随钻测量（MWD）仪。

（7）小口径垂直钻进（VDS）防斜系统。

（8）高温水泥及其固井技术。

（9）高温稳定、高润滑性、抗腐蚀钻井液及其添加剂。

（10）地层测试器、深部流体流量计等。

（11）高精度深孔岩心定向仪及方法。

（12）含铁铝合金钻杆及其合金钢接头。

2.5深孔现代化管理

（1）深孔设计、施工、研究资料中系统工程管理（含工程、经济两大范筹）。

（2）设计、施工、研究过程中的数据库。

（3）资料编辑、整理、出版，信息交流。

2.6信息获取

自觉采取有代表性的样品和获取更多的数据，是科学钻探项目成功的预先要求。采集数据可再分为孔内与地面两部分。孔内部分包含取心、取砂样、测井、钻进与水力测试，孔内地球物理试验（孔底到地面或两个孔之间）。地面部分则包括从孔口和泥浆测试装置取得的固体和液相样品，包含首次与初步地质描述，化学与物理分析。测井项目则是雄心勃勃、费时的。钻导孔时，钻探费用等于测井计划的费用。测井程序要逐个孔段进行，为减少漏采信息的危险。钻探结束之后，还要进行长期测量与试验（图3）。

图3

按照KTB经验野外信息资料整理后直至提出科研报告，均在野外实验室完成，钻孔则建成长期观测站

3《地质超深钻探（科学钻探）技术》国家专业实验室

3.1实验室的性质和任务

中国地质大学（北京）所属的《地质超深钻探技术》国家专业实验室，是经国家计划委员会、国家教育委员会于1989年6月批准投资新建的国家级专业实验室，同时亦是地质矿产部开放研究实验室，在学术上是一个相对独立的研究实体。这个实验室是开展本学科及相关学科的基础研究和应用基础性研究工作的重要基地，也是培养本学科高级科技人才的摇篮。

实验室按照“开放、流动、联合”的原则，面向国内外同行业开放，欢迎国内外专家学者在本实验室发布的《课题指南》范围内申请研究课题，经学术委员会评审批准资助后，来实验室开展科学研究。也可自带课题和经费及配套仪器和设备来开放研究实验室进行科研活动。

3.2实验室的课题研究领域

（1）大陆科学钻探

·中国大陆科学钻探工程的建设与准备工作

·东亚大陆环境科学钻探工程

·高温高压地学模拟实验装置（又称HTHP井筒）（图4）

图4高温高压地学模拟实验装置

（2）钻探新技术新方法

以岩石力学研究为基础，采用电子计算机等高新技术，研究新的钻探技术装备与方法

·交流变频调速型钻机

·绳索取心与不提钻换钻头技术

·碎岩工具的设计与研究

·高温热熔法钻进新技术

3.3研究设施与装备

碎岩机理与工具研究部分：主要从事岩石物理机械特性，岩石破碎机理，破碎岩石工具以及井下钻探工具的新技术研究。主要的设备是美国MTS公司的岩石力学试验机和0～8000赫兹连续可调的中频感应烧结设备。

计算机应用技术研究部分：主要从事计算机在钻井工程及其它相关部门中应用技术的研究。主要的设备是计算机控制的钻井实验系统，微机群与其外围设备，以及HP9000系列的计算机工作站。

除上述几项设施外，实验室内还专门建立了一个热熔法钻井实验台。

为了实现国际交流，实验室内还设立了小型学术厅和专家工作室。

岩石圈构造和深部作用

3.4实验室的管理与组织

《地质超深钻探技术》国家专业实验室由国家教育委员会和地质矿产部双重领导，行政管理属于中国地质大学（北京）。

本实验室实行主任负责制。实验室主任全面负责组织和领导开放研究实验室的科学研究、学术活动、人员聘任、人才培养、资金使用和行政管理等工作。

实验室设学术委员会，是学术评审机构。其主要职责是：确定本实验室的研究方向，制定《课题指南》，审批研究课题，评审科技成果，审议实验室的经费计划和组织重大学术活动。

实验室的固定人员以及客座研究人员均由实验室主任聘任。并实行任期制，工作成绩突出的可连聘。

3.5实验室的主要研究成果

（1）微机自控钻进实验台。

（2）钻井工艺技术的微机分析系统。

（3）金刚石钻进原理及最优化钻进技术的研究。

（4）地质钻机新型电驱动系统研究。

（5）改善钻柱工作性状及井底载荷有效控制方法研究。

（6）不提钻井底换钻头技术。

（7）热熔法钻孔新技术。

（8）高温钻井液研究。

管理与研究人员

岩石圈构造和深部作用

学术委员会组成

岩石圈构造和深部作用

『拾』 中国石化在石油工程方面有哪些自主技术

石油工程技术研究院隶属于中国石化，是以井筒技术为主的石油工程技术研发机构，是中国石化石油工程技术发展的参谋部、石油工程高新技术研发中心、国内外石油工程技术支持中心。主要负责中国石化石油工程技术发展战略、规划、部署等研究工作；组织石油工程技术基础性、前瞻性和重大项目研究，组织石油工程相关装备、工具、仪器、仪表和软件开发及科研成果转化应用工作；归口管理中国石化石油工程技术信息、档案及技术标准的制（修）订研究工作；跟踪分析国外石油工程技术进展，协助中国石化进行高级工程技术人才培养工作；参与国内外油气勘探开发重大项目研究并提供工程技术支撑工作。
主要从事石油钻井、完井、测录井、测试、储层改造及海洋石油工程等专业技术的发展规划、攻关研究、技术支持、产品研发及推广应用；主要负责国家、中国石化石油工程技术项目的组织、实施和成果推广应用；主要研究方向为：石油工程发展战略及基础理论研究、深井超深井钻井配套技术研究、固井工艺技术研究、现代完井工艺技术研究测试工艺技术研究、钻井液工艺技术研究、储层保护技术研究、海洋钻井完井工艺技术研究、测录井技术研究、储层改造技术研究、石油工程信息研究及新装备、新工具与新材料研发等。
石油工程技术研究院总院设在北京，京外设石油工程胜利分院、石油工程中原分院和一个直属单位—德州大陆架石油工程技术有限公司。建有钻井模拟、钻井液、储层保护、固井完井、测录井、储层改造、岩石力学等7个配套齐全的实验室，拥有岩石力学三轴应力仪、储层损害模拟实验装置、高温高压流变仪、静胶凝强度分析仪、钻井模拟实验台架等具有国际先进水平的实验仪器装备；在山东德州、新疆轮台、四川达州建有试验基地和专业化的移动式实验室。
在钻井地质环境因素描述、深井超深井钻井、巨厚盐膏层钻井、电磁波随钻测量、旋转冲击钻井、复杂地层防漏堵漏技术、高压油气井防气窜固井等石油工程关键技术领域形成了以复杂地质条件下深井超深井钻井技术为核心的特色技术系列；先后组织或参与863、973、中国大陆科学钻探等国家和中国石化100多个重大科研项目的攻关研究，其成果多次获得国家、省部级及中国石化奖励。为塔河油田、川东北地区、鄂尔多斯大牛地地区油气勘探的突破和增储上产做出了重大贡献。
拥有较强的石油钻井装备、工具、仪器及油田助剂的研发生产能力，建有国内最大的固井工具研发和生产基地；其中，尾管悬挂器等主要产品在国内市场占主导地位，并出口到中东、中亚、北美及非洲30多个国家；在水平井钻井技术、固井技术、钻井液技术、防漏堵漏技术服务方面成效显著。满意请采纳谢谢