深部煤层原位保压保瓦斯取心技术装备及初步应用

深部煤层瓦斯含量精准测定是矿井瓦斯灾害防治和煤层气高效开发利用的基本前提。煤层传统取心技术普遍采用开放式取心,需利用估算方法获得煤层取心过程中的瓦斯损失量,难以保证煤层瓦斯原位参数的准确性和有效性。基于“原位保真取心”学术思想,开发了深部煤层原位保压保瓦斯取心技术,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取心器,并基于三维数值仿真对取心器外管、保压舱体结构与关键薄弱部件进行了强度校核。同时,依托自主研发的保压取心实验室模拟测试平台,测定并分析了保压控制器的保压能力,通过煤矿现场试验验证了取心器的可靠性。研究结果表明：自主研制的取心器具有保压能力强、保压时间长、防扰动性能稳定等优势;取心器在内部流体压力20 MPa和1 000 N·m扭矩作用下等效应力为121.1 MPa,远小于材料屈服强度,满足强度设计要求;取心器在20 MPa荷载作用下等效应力为63.9 MPa,满足强度设计要求;取心器整体在19.4 MPa压力条件内可持续稳定运行,可以满足大部分深部煤矿瓦斯测试需求;现场测试表明保压保瓦斯取心器的保压控制器闭合情况良好,现场取心率达100%。研究成果可为深部煤层瓦斯含量精准测定奠定理论、技术和...     

海域天然气水合物保压取心钻具的研制与试验

天然气水合物的勘探和开发需要从地层中获取保压岩心进行地层的物化性测试、储量评估以及开采工艺等方面的研究。然而,钻探过程中,伴随温度和压力的改变,天然气水合物很容易发生分解,这给水合物钻探取心工作带来了很大的困难。为了解决天然气水合物保压取心钻具的保压可靠性问题,开展了一种新型齿轮-齿条关闭球阀式水合物保压取心钻具的研制,采用绳索打捞的提拉力驱动球阀工作。详细介绍了该保压取心钻具的结构和工作原理;计算了球阀的工作密封比压及打捞内管所需的提拉力;介绍了该保压取心钻具的室内试验和海试情况。研究表明：该水合物保压取心钻具的取心工艺简单,球阀翻转和密封性能良好,取心成功率高,各项功能和性能指标均达到了设计的要求。     

天然气水合物非干扰绳索式保温保压取样钻具的研究

由于天然气水合物存在环境和性质的特殊性,使保温保压取样技术成为获得原位天然气水合物最有效的方法之一。保温保压取样钻具是获得天然气水合物真正物化特性的主要器具。通过多年对天然气水合物保温保压取样钻具的试验研究,设计了专门用于取海底沉积物和未成岩地层中水合物的非干扰绳索式保温保压取样钻具。介绍了钻具的结构、特点,及其配套的保温保压系统关键机构的功能、特点。对取心工艺和进行的海上功能性试验进行了详细说明,试验结果达到了设计要求。     

TKP194-80型密闭保压取心工具的研制与应用

密闭保压取心是一种能够保持或接近地层压力的特殊取心技术,可使岩心中流体、气体保持在原始状态。这种技术对于正确认识地质情况、计算油田可采储量、分析页岩气藏和煤层气藏机理,制定勘探开发方案有着十分重要的意义。研制TKP194-80型密闭保压取心工具,采用大通径高压球阀密封、密闭液封堵、液压差动、活塞压力补偿等关键技术,配有岩心冷冻、切割、集气等岩心后处理工艺,钻头外径215 mm,保压能力50 MPa,岩心直径80mm。在山西晋中某煤层气资源地质探井开展保压取心应用,共进行保压取心8筒,总进尺37.51 m,岩心采取率84.4%,保压成功率87.5%。研究结果表明,该取心工具保压性能可靠,技术方案可行,可为常规油气及非常规油气藏勘查开发提供技术装备支撑。     

深厚覆盖层绳索取心钻探工艺实践

山西省清徐县测区（清徐县幅、徐沟幅）1：5万区域地质调查项目ZK03钻孔设计孔深3000 m,要求全孔取心,岩心采取率≮85%,岩心直径≮60 mm,采取原状岩样。针对深厚覆盖层、大直径高保真全孔取心等难题,通过分析所钻地层特点、可能存在的孔内事故、应用CHD127型绳索取心钻具、优化钻具结构、采用稳压钻进技术、加强现场泥浆使用管理等多措并举,创新性探索出“水源钻机+绳索取心+长裸眼孔段”工艺,高质量完成了施工任务。现场实践表明,深厚覆盖层连续取心施工使用“水源钻机+绳索取心”工艺要优于立轴式岩心钻机;绳索取心钻具内管加PVC管可以满足岩样保真及采取率要求;高质量低固相泥浆性能可以实现深厚覆盖层全裸眼钻进。“水源钻机+绳索取心+取心钻具内衬PVC管”工艺可以在岩土工程勘察、中硬以下岩层水文地质孔、煤层气勘探深孔中推广应用。     

海洋保温保压取样钻具的研制

针对天然气水合物储层环境,依托中国地质调查局地质调查项目"水域地层原位钻探取样器具设计及工艺研究"研制了海洋保温保压取样钻具。在室内试验的基础上,依次在浅水及深水对研制的钻具进行了功能性海试,改进后在1392 m深海进行了保温保压取样钻具功能性试验获得成功,为我国今后在海域天然气水合物勘探取样奠定了坚实的基础。     

2021年探矿工程十大新闻

1“海牛号”海底钻机刷新世界深海海底钻机钻探记录2021年4月7日23时左右,湖南科技大学领衔研发的我国首台“海牛Ⅱ号”海底大孔深保压取心钻机系统,在南海超2000 m深水成功下钻231 m,一举刷新世界深海海底钻机钻探深度。这一深海试验的成功,填补了我国海底钻探深度>100 m、具备保压取心功能的深海海底钻机装备的空白,也标志着我国在这一技术领域已达到世界领先水平。     

ZYWL-6000型大直径掏槽孔钻机的研制与应用

研制了ZYWL-6000型大直径掏槽孔快速钻进钻机,并详细介绍了该钻机的结构特点和布局设计。在煤矿现场使用该钻机施工大直径钻孔时,只需要6个小班(每班工作6 h)即可完成一个直径?300 mm、深50 m的大直径孔。经性能检测和现场试验结果表明,该钻机的各项指标都达到了设计要求,能够满足煤矿对大直径钻孔的需求。     

6000 Nm全液压钻机胶筒卡盘优化设计与试验

液压卡盘是煤矿用全液压钻机的重要组成部分。原有6 000 Nm钻机卡盘受通孔尺寸限制无法满足部分大直径钻具施工。针对这一问题,在原有6 000 Nm钻机胶筒卡盘的基础上,设计了一款能够满足大直径钻具钻孔施工的卡盘,该卡盘具有结构紧凑、夹紧力大、互换性强的特点。车间调试完成后安装在钻机上进行了现场工业性试验。为全液压煤矿坑道钻机动力头卡盘的设计和选型提供了依据和经验。     

深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索

煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点,其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测定。目前含瓦斯煤层(或煤矿)取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术,取芯效率低,且瓦斯容易损失、测量时效性差,难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性,不能有效评估煤层风险特征指标以指导工程实践。首先深入剖析了深部煤层原位压力内涵,阐明了原位保压保瓦斯取芯的基本目标,建议了原位瓦斯压力及含量的测定与计算方法。其次,基于牟合方盖几何原理,提出了保压保瓦斯取芯工具构想,采用多重防转的取芯结构设计和连续导管作业工艺,能够实现煤样低扰动取芯,确保所取样品瓦斯含量与原位煤层一致;设计了5种构型的自触发式保压控制器,基于自主研发的实验室保压特性试验平台开展了保压能力相关参数测试,结果表明随着保压控制器锥形角度的增加,边缘的有效支撑面增大,极限强度增加。同时,开展了连续导管抗扭特性实验,在扭矩、管长、外径一定时,连续导管扭转角随壁厚的增加逐渐变小、抗扭性能增强,岩芯受到的扰动降低。最后,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理样机,由煤矿坑道钻机、连续导管装备、保压保瓦斯取芯器等组成,基于仿真模拟和室内试验数据,选定了马鞍形保压控制器(保压能力最高可达100.9 MPa),CT90钢的连续导管(直径38.1 mm、壁厚3.18 mm)。基于此,形成了原位保压保瓦斯取芯作业工艺,在现场测试过程中系统整体运行平稳并取得保压样品,初步验证了原理样机设计合理、装配精密可靠。该取芯系统具备保压能力强、取芯扰动小、取芯效率高、随钻随测等作业优势,有望突破测定煤层原位瓦斯含量与压力的技术瓶颈。     

保压取样钻具内岩心温压采集器的研制与应用

在绳索取心钻探过程中,井底温度与压力的实时测量,有助于改进取心工艺,提高岩心采取率;同时岩心在井底的原位测量数据对于了解岩心的物理特性有着重要意义,这一点在海域天然气水合物勘探中尤为明显。本文主要介绍了一种内置于保压取样钻具中的温压采集器的结构及其工作原理。该采集器采用干电池供电,单次工作时间>72 h,能够采集与存储整个取样过程中岩心管内的温度与压力参数,与电脑端连接后就能得到全部数据。通过搭载海洋地质十号钻探船,该采集器完成了一个回次的海试试验,得到了整个绳索取心钻进过程的温度与压力数据。经过分析,收集到的数据与实际取心工艺过程相符,数据平稳可靠。     

浅海活塞压入取心工艺研究

活塞压入取心工艺采用钻井液静压力作为动力,岩心内管直接插入地层完成取心,避免钻井液直接冲刷岩心,没有钻具回转对岩心造成的影响,该工艺方法可以大大提高海洋浅表软弱地层的岩心采取率和岩心采取质量。国外海洋科学钻探中对该类型钻具进行了研究应用,取得了良好的使用效果。通过对活塞压入取心工艺的研究,取得设计和使用经验,解决活塞压入取心工艺的关键问题,形成针对海底表层取心的工艺方法,为海洋钻探提供技术支撑。     

深竖井大吨位提升机高比压高摩擦因数衬垫的研制

针对深竖井、大吨位的提升条件下,摩擦衬垫需要高比压和高摩擦因数的难题,在工况分析和参数设计的基础上,研制了比压为2.5 MPa、摩擦因数为0.28的摩擦衬垫,并分别对衬垫的稳定性、抗比压能力、硬度特性、压力特性和磨损情况进行试验.委托第三方检测验证,衬垫的比压试验值达到9.8 MPa,摩擦因数试验值达到0.381,满足...     

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。     

FDS-P型绳索取心钻具研制及试验研究

针对复杂地层绳索取心钻进时易出现的内管总成打捞失败问题,开展了FDS-P型绳索取心钻具研制。基于内管总成打捞失败原因分析,完成了FDS-P型绳索取心钻具设计,通过室内试验,初步验证了钻具结构设计的合理性。为进一步验证钻具性能,在贵州页岩气井开展了野外生产试验,先后完成16个回次取心钻进,累计进尺39.03 m,岩心采取率达到98%以上,其中有6个回次发生堵心,内管打捞全部成功,内管到位及堵心均得到了及时提示。实际应用结果表明,FDS-P型绳索取心钻具结构设计合理,具有良好的到位及堵心报信提示作用,内管总成打捞可靠性得到显著提升,有效提高了易堵心地层钻进效率及岩心采取质量。     

煤矿坑道钻机顶部开放式钻杆限位器设计

根据煤矿坑道钻机钻进施工过程中需要对不同直径钻具限位的使用要求，研制了限位范围可调的顶部开放式钻杆限位器。介绍了钻杆限位器的方案设计及工作原理，简述了关键零部件的设计要点。现场试验证明，顶部开放式钻杆限位器限位性能达到设计要求，动作稳定可靠，满足了钻进施工过程中对不同直径钻具限位的使用要求。     

KT178 型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

青海共和盆地干热岩资源富集于花岗岩地层,硬度高,研磨性强,部分层段裂隙发育,取心困难。针对干热岩地层和取心需求特点,研制了一套KT178型取心钻具,并配套设计了孕镶金刚石取心钻头。该钻具为单动双管取心钻具,可配套井底动力钻具使用,设计中注重对钻具外管、卡簧等关键部件的强度校核。在GH-01井和GH-02井中,经过两轮试验和优化,钻具逐渐成熟,获取了较完整的岩心样本,满足干热岩勘探取心要求,具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件。     

Development of a New Kind of Snubbing Operation System

针对目前带压作业设备自动化程度和作业效率均较低以及拆装、搬迁和移运费用高等问题,研制了一种新型带压作业设备。该设备由全液压钻机、旋转动力头、井口装置有机组合而成,动力系统、控制系统统一设计,采用车装式、全液压驱动和智能控制,能够完成带压小修、带压大修及欠平衡钻井作业。试验结果表明,该新型带压作业设备结构合理,技术先进,操作灵活,自动化程度高,作业效率高,能够满足井内压力不超过21 MPa的井下作业要求。     

国内常规海洋地质钻探取心技术进展

为实现在海洋地质钻探中高效、便捷地采获海底各类地层样品,设计研发了绳索取心泥浆静压活塞取心钻具、海洋砂质地层绳索取心钻具和液动冲击绳索取心钻具,并在南海进行了钻探试验和作业。结果表明,泥浆静压活塞取心钻具能有效减少样品扰动,原始结构较为完整,海洋砂质地层绳索取心钻具和液动冲击绳索取心钻具在粉砂层、砂层中的岩心采取率高于规范要求,能够满足作业需求。     

气举反循环连续取心工艺探索

气举反循环钻进技术是钻井工程中一种比较成熟的钻进手段,凭借钻进效率高、钻头寿命长、成井质量好等特点,目前已经得到了广泛应用及推广。气举反循环连续取心技术仍处在探索研究阶段,前人针对这一技术做了原理性的探究试验,但尚未进行连续的取心试验,而且现有的双壁钻具也存在无法满足由于上返岩心质量和直径大对其密封性和耐用性的要求。因此有必要进一步开展理论研究、参数计算、优化钻具设计、进行连续取心试验来探究这一工艺的发展前景。通过试验证明大通径双壁钻具具有可靠的耐用性,并能连续取得岩心。所取岩心及时,无污染,代表性强,能较真实地反映地层层位、深度、颗粒级配,不存在对岩心的反复冲刷及重复破碎情况。