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2024,51(4):1-6, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.001
Abstract:
根据万米特深井超高温超高压工况需求，开展超高强高韧套管合金化技术和制造工艺研究，开发出具有良好韧性、高温强度、抗挤毁和抗延迟断裂性能的BG155V超高强高韧套管，批量试制的性能检测结果表明屈服强度达到1100 MPa以上，0 ℃横向夏比冲击功平均值达到名义屈服强度的10%。对套管不同服役温度下强度、低温韧性以及微观组织进行了分析，发现采用热轧后控制冷却工艺的管体晶粒度达到11级，通过细小的晶粒保证材料良好韧性和抗延迟断裂性能，提升了万米特深井油气资源开发用套管安全服役的可靠性。
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王维旭, 曹晓宇, 马继光, 张洪, 李亚辉, 覃建, 王安义, 朱海峰
2024,51(4):7-13, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.002
Abstract:
为助力我国超深地层科学探索和万米以上深层油气发现，研制了2套12000 m特深井自动化钻机。该钻机配套15 m超高钻台底座、4600 kW高载重比绞车、3000 hp五缸钻井泵组、9000 kN交流变频顶部驱动装置等，满足万米超高压复杂井钻井作业需要；配套超大容量管柱自动化处理设备及集成控制系统，满足万米钻具自动化存储和排放要求，实现了管柱从堆场到井口的全流程作业自动化；全面应用电动驱动设备，控制更精准，运行更环保，低温环境适应能力强，安全性更高；顶部驱动装置、发电机组、国产变频器全面替代进口，国产化程度高。钻机现场应用效果表明：两套12000 m特深井自动化钻机综合钻井速度达到1.6 m/h，起下钻速度24.8柱/h，通过远程在线检测及专家诊断系统使钻机的平均故障率较在役石油钻机降低50%，可减少钻井作业人员3人/班，人员劳动强度大大降低。为我国万米级地层的油气田开发提供了装备保障。
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2024,51(4):14-22, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.003
Abstract:
特深科学钻探是直接获取地球深部信息的唯一技术手段，对于深入理解地球内部结构、探索地下资源具有重要意义，已上升为国家战略科技问题。为响应党中央“向地球深部进军”的号召，需大力推进对特深科学钻探装备技术的研发。本文简要回顾了国内外特深科学钻探装备技术发展历程，结合我国发展需求，梳理总结了特深科学钻探中顶驱、绞车、钻井泵等关键装备面临的技术难题，并在此基础上提出了发展方向及展望，为我国特深科学钻探工程发展提供参考。
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闫家, 梁健, 王文, 王瑜, 张凯, 张恒春, 曹龙龙, 吴纪修, 王志刚
2024,51(4):23-30, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.004
Abstract:
分析了涡轮钻具结构特征及性能特点，在深井、特深井的高温高压、强研磨性地层中，涡轮钻具基本上成为唯一可选的用于复合钻进提速降本的井下动力钻具。针对深部资源的勘探开发需求，阐述了现有涡轮钻具同径取心技术的优势及存在的问题，利用数值模拟仿真技术分析和研究了涡轮钻具同径取心过程中钻井液的流动状态对取心效果的影响，认识到涡轮钻具可耐高温，适于深井、特深井全面钻进及取心钻进，但其高转速在取心钻进过程也容易造成岩心磨损、岩柱螺旋，而改善同径取心钻具高速单动性能、加长涡轮钻具螺旋稳定器、利用反螺旋扰流板等技术措施，有利于减小取心钻具井底的涡动、降低岩心内外管轴向速度差，从而提高涡轮钻同径取心钻进的岩心质量。
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2024,51(4):38-45, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.006
Abstract:
在油气钻井、深部地层钻探中，聚晶金刚石钻头有着广泛的应用。聚晶金刚石复合片（PDC）由聚晶金刚石层与硬质合金基体所组成。由于聚晶金刚石层与硬质合金基体的热膨胀系数等性质差异，PDC在烧结冷却后内部会存在巨大的残余应力。为降低PDC内部的残余应力，本文提出了一种梯度结构金刚石复合片的制备技术。通过以熔融沉积成型加烧结的工艺方法，确定了梯度结构金刚石复合片的制备技术路线；对制备出的梯度结构金刚石复合片的微观形貌及残余应力的分布情况特征等进行分析；进行室内钻进试验验证了梯度结构金刚石复合片的钻进性能。结果表明，熔丝制造工艺制备的梯度结构金刚石复合片在聚晶金刚石层和梯度层界面处存在1.4 GPa的压应力，显著提高了层间结合能力，相比常规复合片钻进效率提升约36%且使用寿命更长。
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2024,51(4):46-53, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.007
Abstract:
深部钻探的复杂钻进条件对孕镶金刚石钻头的性能提出了更高的要求。为了提高电镀金刚石钻头的使用范围，研究了MnCl2和丁炔二醇乙氧基化合物（BEO）对镍基镀层表面形貌、显微硬度和热稳定性的影响，对比研究了300 ℃退火1 h后纯Ni金刚石钻头、Ni-Mn金刚石钻头和添加BEO的Ni-Mn金刚石钻头的钻进性能。结果表明，300 ℃退火1 h后的纯Ni镀层显微硬度下降到300 HV。以此镀层为胎体的金刚石钻头由于胎体耐磨性过低，导致金刚石过早脱落，钻头寿命只有2.94 m。Ni-Mn镀层和添加BEO的Ni-Mn镀层都具有良好的热稳定性，300 ℃退火1 h后硬度分别提高到640 HV和693 HV。Ni-Mn胎体电镀金刚石钻头在退火后兼有合适的钻进寿命和钻进效率，钻头寿命可以达到4.67 m。而添加BEO的Ni-Mn胎体金刚石钻头在本文试验中由于胎体硬度过高，导致金刚石无法正常出刃而失效。
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2024,51(4):54-63, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.008
Abstract:
在深井、特深井钻探过程中，井下钻具处于高温、高压、高腐蚀环境，钻杆与外部岩层以及套管发生激烈的碰撞和磨损，钻具耐磨防护是需重点关注的问题。目前在钻杆接头上敷焊耐磨带是深井钻具防护的主要方法，对减少钻具磨损、延长钻具寿命起着重要作用。本文综述了国内外耐磨带技术发展研究现状，阐述了耐磨带失效原因以及关键性能评价测试方法，分析目前耐磨带技术发展的关键为耐磨带防脱落、耐磨带修复技术和套管友好型耐磨带材料研究。最后对耐磨带技术在深井、特深井应用发展趋势进行展望。
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2024,51(4):64-73, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.009
Abstract:
在钻井工程领域，硅基材料因其出色的物理化学特性展现巨大的应用潜力，尤其在深井、特深井的高温、高压、高盐等恶劣环境下的井下作业中。本文综述了含硅类处理剂的分类及其在钻井液中的研究现状，阐述了由无机硅酸盐、纳米二氧化硅、有机硅、复合硅作为主要成分的硅基处理剂在加强井壁稳定性、控制钻孔恶性漏失以及改善钻井液综合性能等方面的具体应用。同时，本文还探讨了硅基材料在未来油气矿产勘探开发应用中面临的技术挑战和研究方向。这对于进一步优化硅基材料技术，使其应用于复杂地层钻井工程具有重要意义。
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2024,51(4):74-81, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.010
Abstract:
随着深部油气、高温干热岩勘探与深地探测战略实施，钻井液长期处于高温高压恶劣环境，超高温高压下水基钻井液性能稳定性是超高温井钻探的一项关键技术。分析了超高温科学钻探工程钻井液面临的技术难题，提出了耐240 ℃超高温高密度水基钻井液配方的设计思路。采用单因素法，优选了耐240 ℃超高温高密度水基钻井液用关键处理剂。利用不同高温处理剂的协同增效作用，初步研发了一套抗温240 ℃、密度2.0 g/cm3的超高温高密度水基钻井液配方。研究结果表明，经240 ℃老化16 h后，最优配方的钻井液具有良好的流变性和降滤失性能，其表观粘度变化率<30%，180 ℃高温高压滤失量≤24 mL。
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2024,51(4):82-92, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.011
Abstract:
深部钻探是获取深部油气资源以及精准探测地球深部的必要手段，随着深井、特深井井深的不断增加，面临的高温环境对钻井液体系提出了更严格的要求。近年来，经过研究人员持续不断的研究，抗高温钻井液体系取得了新的进展。本文分析总结了国内外各种抗高温钻井液体系的研究与应用情况，并指出了不同体系的优势和应用场景，主要包括抗高温聚磺钻井液、高密度钻井液、低密度钻井液等抗高温水基钻井液体系，抗高温纯油基钻井液、水包油、油包水钻井液以及可逆油基钻井液体系，海上深水无固相、甲酸盐钻井液、泡沫钻井液以及弱凝胶钻井液等抗高温无固相钻井液体系；有机硅钻井液体系和生物质钻井液体系。未来的发展方向包括环境友好型、提高抗高温性能、降低成本和增强多功能性。这将需要不断的技术创新和合作，推动钻井行业向更可持续和高效的方向发展，促进抗高温钻井液体系的开发与应用。
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2024,51(4):93-100, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.012
Abstract:
本文以西藏某铜矿区露天矿山岩质边坡为例，基于矿山边坡现场调查及其工程地质特征，开展了矿山边坡工程地质分区研究，并采用赤平投影法和萨尔玛法相结合，定性分析和定量计算边坡稳定性。研究结果表明：边坡稳定性评价结果与当前边坡现状相一致，矿区边坡总体上稳定性较差，局部区域边坡稳定性差。通过定性和定量两种稳定性评价方法相互印证，对下一阶段边坡灾害防治设计、施工等提供了重要依据，对类似边坡工程有很好的参考和借鉴作用。
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2024,51(4):101-110, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.013
Abstract:
红层是典型的“易滑地层”，在降雨条件下很容易发生浅层土质滑坡，因此研究红层地区浅层土质边坡在降雨条件下的稳定性十分重要。本研究以湖南省红层区浅层土质边坡为例，采用修正Green-Ampt入渗模型，对不同坡度、降雨强度、饱和渗透系数和初始含水率条件下的红层地区浅层土质边坡的稳定性进行研究，分析得到了各因素对边坡稳定性的影响规律。边坡坡度<45°时，安全系数随坡度增大而减小，边坡坡度>60°时，安全系数随坡度增大而增大；湿润锋随降雨强度的变化不明显，安全系数随降雨强度的增加变化不明显；随着饱和渗透系数的增加，湿润锋深度增加，边坡安全系数减小；安全系数随初始含水率的增加而减小。研究结果可为红层地区边坡防护工程提供一定的理论依据和实践指导。
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2024,51(4):111-116, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.014
Abstract:
泡沫轻质土及土工格栅在治理山区软土路基病害中均有重要作用，得到了广泛的应用。单独应用泡沫轻质土存在很大的局限性，将泡沫轻质土与土工格栅的优势结合起来，对泡沫轻质土加筋路堤变形进行研究，对公路工程有着重要的意义。通过开展足尺模型试验，对泡沫轻质土路堤及泡沫轻质土加筋路堤变形进行研究，结果表明：使用泡沫轻质土加筋路堤比普通泡沫轻质土路堤可以减小沉降，也更有效地减小路基土压力，同时有助于基底土压力扩散，解决基底应力分布不均匀问题。因此，采用泡沫轻质土加筋路堤可以提高软土路基承载力，增强路基的稳定性。
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2024,51(4):117-124, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.015
Abstract:
为治理某滑坡，基于现场勘察资料构建了边坡数值分析模型，以边坡特征点位移出现拐点为判据，采用强度折减法确定边坡天然工况稳定性系数为1.05，该边坡稳定性水平不满足工程规范要求，处于欠稳定状态。结合数值分析结果、专家现场分析意见及边坡加固措施的作用机理，确定了3种加固治理方案，方案1为“圆形抗滑桩+锚杆+截排水”，方案2为“方形抗滑桩+圆形抗滑桩+锚杆+截排水”，方案3为“方形抗滑桩+圆形抗滑桩+截排水”。基于有限元数值模型分析边坡岩土体、抗滑桩和锚杆的应力场、位移场及坡体稳定性系数变化，计算得到3种加固方案对应的边坡天然工况稳定性系数分别为1.39、1.28、1.18，分别较加固前提升了32.4%、21.9%、12.4%。经综合对比3种加固方案的加固措施和坡体应力、位移变化及其加固效果和经济性水平，综合确定方案1为最终加固方案。
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2024,51(4):125-134, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.016
Abstract:
地形起伏度与斜坡地质灾害的空间分布密切相关，但同时考虑地形起伏度最佳统计单元、灾害类型、灾害规模的研究偏少。以地貌单元跨度巨大的四川省为例，运用均值变点分析法确定地形起伏度最佳统计单元，采用频率比法、信息量法、确定性系数法等3种数据统计模型，研究地形起伏度对斜坡地质灾害空间分布的影响。研究表明：平均地形起伏度与统计窗口大小存在显著正相关关系，最佳统计单元的窗口数量为20×20、面积大小为3.24×106 m2；斜坡地质灾害主要分布于丘陵和小起伏度山地，数量总占比为68.9%，其中滑坡易发优势区间为50~350 m，崩塌易发优势区间为50~200 m；小起伏区域利于发育小型灾害，大起伏度区域更利于发育中型和大型灾害。
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杨涛, 李强, 孙东, 伍剑波, 邹先敏, 罗小惠, 赵松江
2024,51(4):135-144, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.017
Abstract:
硬质岩深大抗滑桩桩孔成孔效率是滑坡灾害防治的难点问题之一。选取川西南典型复杂山区硬质岩滑坡抗滑桩成孔为研究对象，系统分析了裂隙弱发育深部硬质玄武岩地层抗滑桩传统工艺成孔存在的问题，对此设计了9种组合旋挖成孔工艺方案进行现场试桩试验，从钻进效率、技术及经济可行性等方面进行了分析论证。现场试验及分析结果表明：采用“大扭矩截齿筒钻旋挖+扩孔直径差0.4 m”分级扩孔一体化成孔技术在硬质岩地层中钻进效率较高、钻具损耗较低、成本较低，验证了硬质岩抗滑桩高效旋挖分级扩孔技术的可行性和高效性，对比现有人工成孔、冲击钻成孔、旋挖一次成孔等工艺，从安全、效率、成本等方面均得到了极大提升。该技术成功应用于白鹤滩迁建集镇后缘滑坡桩基施工，每延米综合耗时1.43 h，较改进前旋挖一次成孔效率提升3倍，成本降低了60%。该技术为复杂地质条件下水敏型、震敏型硬质岩滑坡抗滑桩快速成孔施工提供了高效、可行的技术方案。
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李宽, 张晓龙, 王文龙, 王金平, 马晓鹏, 商振华, 董泽训, 李凯舟, 田国亮
2024,51(4):145-153, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.018
Abstract:
山东招远大尹格庄3000 m科学钻探项目是在胶东地区招平断裂带处施工的最深科学钻探项目，设计钻孔深度为3000 m。为达到提高钻探施工效率、降低孔内事故概率的目的，本项目采用高效稳定的XY-9DB型变频钻机、自主研发的高效长寿命金刚石钻头、CHD76系列高强度钻杆及联合研发的LZRT360型钻井液离心机，采用了P/H绳索取心液动冲击钻探技术、绳索取心涂层减阻内管技术等关键技术，进行深孔钻进施工，并针对不同地层进行了冲洗液体系的优选。该项目终孔孔深3120.35 m，终孔孔径78 mm，平均岩心采取率95.6%，平均矿心采取率97.9%。本文对此项目施工过程中钻遇复杂地层的处理方法、解决方案以及设备使用情况进行了总结，为类似深部钻探工程项目提供了参考。
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2024,51(4):154-162, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.019
Abstract:
针对大安区块超深层页岩气水平井钻井过程中存在难钻地层机械钻速低、旋转导向仪器高温下的故障率高和钻井周期长等技术难点，以大安页岩气高效快速开发为目的，分析了钻遇地层特征和钻井技术难点，通过井身结构优化、高效钻头优选、“铂金靶体”快速识别、水平段降密提速、油基钻井液地面降温、抗高温白油基钻井液体系及等壁厚螺杆技术等技术研究和使用，形成了大安区块超深层页岩气水平井优快钻井技术。该技术在渝西大安区块大安104H超深层页岩气水平井进行了现场试验，实际完钻井深6789 m，水平段长2406.13 m，平均机械钻速10.60 m/h，较区块平均机械钻速8.12 m/h提高30.54%。结果表明，超深层页岩气水平井钻井提速技术可为大安页岩气高效开发提供技术支撑。
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李光诚, 邵勇, 伊盼盼, 李玉才, 王璐, 孔凡水, 鲁雄波
2024,51(4):163-171, DOI: 10.12143/j.ztgc.2024.04.020
Abstract:
本文分析了原状土样获取的技术标准现状和行业现状，研究了钻进方式、取样工具选取的适宜性综合分析、土样的封装及运输。对比试验研究表明，在武汉长江I级阶地粘土层段采用锤击钻进配合使用敞口薄壁取土器，在砂土层采用锤击和回转组合钻进配合使用内置环刀取土器，辅以胶盖自封和胶带密封，取得的原状样品在现场质量评测、室内样品制备性和试验性方面均有比较良好的表现，基于此套方法获取的原状样原始结构受扰动较小，土的原始结构力保持良好。
2024年第51卷第4期
特深井安全高效钻探技术与装备专题
山区道路地质灾害风险分析与防治技术专题
工程实践与应用
地学科普
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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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“斜撑内支撑环”在高陡危岩治理工程中的应用
Abstract:
内容提要：本灾害点的危岩体处于一座小型古亭下方的地基部位,在保护古建的前提下,治理危岩体的难度明显增大；另外,危岩体位置高陡、其下方已形成自上而下的“倒三棱锥形崩塌岩腔”,这种岩腔的存在,对治理方法的选择构成了极大限制；其次,在危岩体所在岩石陡壁坡脚处,即为“石景山古建山体特色景观公园”的景观小路。这3项因素叠加,极大的限制了对该危岩体的治理方法选择。经多方案比选,最终决定在危岩体下方采用“工字钢斜撑内支撑环”治理措施。经实施及竣工后观察,其对小型古亭地基的保护及治理效果良好。笔者认为,对于这种特殊条件下的危岩治理工程,选用“工字钢斜撑内支撑环”治理措施,方法特殊、有效,对类似治理工程具有一定借鉴作用。
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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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基于岩芯定向和OTV/ATV技术的露天边坡岩体稳定性研究
Abstract:
某露天矿边坡岩体稳定性主要受区内断层和节理裂隙等地质结构影响,为查明岩体结构面分布特征,通过对4个岩土工程勘察钻孔进行Reflex ACT III岩芯定向处理,但由于花岗岩侵入体与沉积岩接触带附近的岩体破碎、裂隙发育影响了岩芯定向准确率,各钻孔高可靠程度的岩芯定向数据比例仅为8.05-34.29%。为此,本文采用OTV/ATV电视图像测井技术,通过高分辨率、连续、定向的 360° 钻孔壁图像有效获取了岩性和构造特征、关系和方向数据,提高了钻孔岩芯定向的地质结构信息数据精度。在此基础上,利用赤平极射投影理论,通过动力学分析,发现该露天边坡主要破坏模式是楔形滑动破坏,概率为12.66%-34.99%,其次为平面滑动,概率为3.40%-20.36%,为露天开采边坡控制提供了依据。
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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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岩心填充率自动监测系统研制及应用
Abstract:
岩心填充率自动监测系统的研制是来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:0-30mm/s,监测精度约为1%,系统选用低功耗AVR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室内、外实验,结果表明该系统可在水深3000m的环境下(0~35MPa的孔底压力)自动监测岩心贯入岩心管的过程,可为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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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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偏心冲击回转钻进工艺试验研究及其所用钻头的开发
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。他们进行了试验研究，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=1mm~2mm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。
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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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三门峡盆地油气调查优快钻井技术
赵洪波, 张龙, 沈立娜, 张交东, 刘旭锋, 李大勇, 胡浩, 孟祥龙, 朱迪斯
Abstract:
【研究目的】三门峡盆地灵宝凹陷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。【研究方法】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,【研究结果】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。【结论】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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超高温井固井水泥浆体系研究与应用
Abstract:
针对目前高温水泥浆抗高温外掺料以石英砂为主，水泥石200℃下高温强度衰退导致环空密封失效问题，研发了具有水化活性的富硅铝材料，其加量占水泥30%~70%时200℃×20.7MPa×30d下水泥石高温强度不衰退；将富硅铝材料为水泥石高温强度稳定材料，优选配套外加剂，构建了富硅铝基超高温固井水泥浆体系，100~200℃下API失水量＜50mL，稠化时间150~500min可调，水泥浆综合性能良好；水泥石200℃×20.7MPa养护10d、60d、120d、180d抗压强度均＞26MPa，未见高温强度衰退，超声波强度曲线显示600h内水泥石强度持续增长直至稳定发展，水泥石高温力学性能优异。SEM和XRD分析表明富硅铝材料参与水泥水化反应，消除体系中氢氧化钙，生成高温性能优良的铝氧四面体和硅氧四面体相互键接的空间三维网状结构，以及托勃莫来石、钙硅铝石等水化产物维持水泥石的高温强度稳定，水泥石结构致密。该水泥浆体系在干热岩固井中应用1井次，固井质量优质，截至目前1000d水泥环密封良好。
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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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长裸眼段长浸泡地层钻井技术
朱迪斯, 孟祥龙, 王胜建, 王小明, 陈兆明, 迟焕鹏, 赵洪波, 高永进, 李大勇, 岳伟民
Abstract:
新苏地2井是部署在新疆塔里木盆地的一口油气地质调查井；该井钻进至2468.50m裸眼完井，裸眼段长2009.24m，地质评估后设计在原井眼加深钻探至3168m。本文以500-600m井段为例进行井壁稳定性分析，井筒被钻井液长时间浸泡导致井壁含水率增加，泥岩的粘聚力和内摩擦角等强度指标随之下降，导致井筒不具备承压能力，轻微的扰动都会造成井壁失稳。加深工程通过通井划眼阶段采用新型抗污染聚合物防塌钻井液体系、复杂井况下钻具组合搭配随钻震击器解卡、钻遇目的层采用低钻压、低转速、低排量参数组合钻进等技术方法的集成应用，解决了长裸眼段长浸泡地层带来的一系列复杂情况，保障工程顺利完工并实现了地质目的，积累形成了长裸眼段长浸泡地层钻井的宝贵经验和技术。
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水平定向钻进坚硬地层孕镶金刚石钻头的研究与应用
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钻头成功应用于水平定向钻进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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抗高温保温筒相变材料仿真特性研究
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400mm和下吸热体长度250mm为最佳耦合长度，保温筒在150℃下工作6h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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