Soluciones de tecnología de perforación (perforación integral, perforación con sonda y perforación con escariador)
3.3.1 Método de perforación
(1) Método de perforación de perforación con núcleo
La elección del método de perforación con núcleo está estrechamente relacionada con el diámetro del orificio de perforación. Relacionado. En la perforación con núcleos de orificios de gran diámetro, generalmente se utiliza el método de perforación con núcleos cónicos. En tales condiciones, si se utiliza una broca de diamante, la tasa de penetración mecánica, la longitud de retorno y la vida útil de la broca serán muy bajas y el costo de perforación será bastante alto. En términos de velocidad de perforación mecánica y costo de uso de la broca, las brocas de cono de rodillo son significativamente mejores que las brocas de diamante. Por lo tanto, la antigua Unión Soviética y Alemania utilizaron brocas de cono de rodillo en la perforación de grandes pozos al implementar proyectos científicos de perforación profunda.
Durante la construcción del pozo principal de KTB en Alemania, también se probaron brocas sacanúcleos de diamante de pared delgada y gran diámetro. Aunque la broca está diseñada para ser muy delgada y accionada por un motor de tornillo, el efecto de uso de la broca obviamente no es tan bueno como el de una broca cónica de rodillo en cuanto a velocidad de perforación mecánica, longitud de retorno y vida útil de la broca. son todos más bajos que los de una broca de cono de rodillo.
La desventaja de la perforación con extracción de muestras de cono es el pobre efecto de extracción de muestras, que se manifiesta en una baja tasa de extracción de muestras y una mala calidad de los mismos. Las brocas de cono de rodillo se utilizan principalmente en la perforación ultraprofunda de Kola para obtener una superficie de perforación de 10.000 metros, con una tasa promedio de recuperación de núcleo del 40%. La tasa promedio de recuperación de muestras de las brocas de cono rodante del pozo principal KTB es del 40,8%.
El uso de brocas de diamante para la perforación de núcleos en secciones de pozos de pequeño diámetro permitirá lograr mejores indicadores técnicos y económicos. El tipo de broca depende de las condiciones de la formación. En principio, las brocas de diamante compuesto policristalino se utilizan para roca blanda y las brocas de diamante impregnadas para roca dura. Dado que la sección superior del pozo de perforación de 13.000 m puede ser roca blanda o roca dura, es posible utilizar brocas compuestas y brocas impregnadas en la perforación con extracción de testigos. Ya sea que se perfore en roca sedimentaria o en roca cristalina, al perforar la sección inferior del pozo de diámetro pequeño, la capa de roca debe ser roca dura. Por lo tanto, las brocas de perforación impregnadas con diamante se consideran principalmente para la perforación con núcleo en la sección inferior del pozo de perforación de 13.000 m. .
Durante la implementación de proyectos de perforación científica en China continental, se llevaron a cabo pruebas e investigaciones sistemáticas sobre métodos de perforación con núcleos de roca dura. Se probaron seis métodos de perforación con extracción de muestras, incluidos los principales métodos de perforación con extracción de muestras en roca dura del mundo. Los resultados de las pruebas muestran que el método de perforación con motor de tornillo, martillo hidráulico y perforación con diamante (Figura 3.3) es el mejor método de perforación con extracción de muestras para roca dura.
En comparación con otros métodos de perforación con núcleo de roca dura, este método tiene las siguientes ventajas:
-Impulsado por un motor de tornillo, la sarta de perforación no gira, lo que puede reducir el consumo de energía y desgaste de la herramienta de perforación, mejora las condiciones de trabajo de la sarta de perforación, protege la pared del pozo y reduce los accidentes;
-El martillo hidráulico puede romper rocas bajo carga de impacto, aumentar la velocidad de perforación mecánica en un 50% ~. 100% y aumentar la longitud del metraje entre 1 y 2 veces;
——La alta velocidad de rotación (alrededor de 200 rpm) favorece una perforación eficiente en roca dura;
——Baja WOB favorece la prevención de desviaciones y el descenso.
La profundidad de aplicación de este método de perforación depende principalmente de la resistencia a la temperatura de la herramienta del fondo del pozo. Se espera que la profundidad alcance entre 6.000 y 7.000 metros. Por lo tanto, este método puede considerarse como el principal método de perforación con núcleo para perforar orificios piloto de pequeño diámetro en la sección superior de gran diámetro del pozo científico ultraprofundo de 13.000 m.
Para la perforación con núcleo en la sección inferior de pequeño diámetro del pozo científico ultraprofundo de 13.000 m, se considerará principalmente el sistema de perforación con núcleo de diamante impregnado impulsado por un motor de turbina.
Con base en los resultados del análisis anterior, se puede seleccionar un método científico de perforación de pozos ultraprofundos de acuerdo con la Tabla 3.5.
Tabla 3.5 Selección de métodos de perforación con núcleo
Figura 3.3 Conjunto de herramienta de perforación con núcleo de pozo 1 de perforación ramificada
(2) Método de perforación del orificio de perforación integral
Determine el tipo de broca utilizada según las condiciones de la formación. La perforación en roca blanda utiliza brocas de diamante compuesto policristalino impulsadas por motores de tornillo, y en roca dura utiliza herramientas de perforación de turbina de alta velocidad impregnadas con brocas de diamante. Los resultados de investigaciones y pruebas muestran que la velocidad de rotación de las herramientas de perforación de turbinas puede alcanzar de cientos a miles de revoluciones por minuto. Cuando se combinan con brocas de diamante impregnadas, la tasa de penetración mecánica de la perforación de roca dura se puede aumentar considerablemente, que es al menos un 50%. mayor que el de la perforación de cono hasta 100% o más.
(3) Método de perforación del escariador
Hay dos tipos de perforación con escariador, uno es el escariado guiado y el otro es el escariado de carcasa.
Después de la construcción de orificios piloto de pequeño diámetro, se realiza un escariado piloto utilizando una broca de escariado piloto (Figura 3.4).
La parte delantera de esta broca se inserta en el pequeño orificio perforado para que sirva de guía, y la herramienta de corte posterior agranda el orificio. Dependiendo de las condiciones de la formación, se pueden utilizar herramientas de corte rotativas dentadas o de viruta compuesta.
Figura 3.4 Broca de rodillo escariador guiado
Figura 3.5 Perforación de escariado de carcasa
El escariado de carcasa es una broca escariadora de doble núcleo que se perfora en la carcasa. Utilice la herramienta. (Figura 3.5) para agrandar un orificio debajo de la carcasa que sea más grande que el diámetro de la carcasa.
Herramientas de perforación de extracción de núcleos
Bajo las condiciones de formación de alta temperatura, alta presión y fuerte liberación de tensión del suelo, las herramientas científicas de perforación de núcleos de pozos ultraprofundos impulsadas por la rotación de impacto eléctrica del fondo del pozo deberían cumple con las siguientes condiciones:
1) Tiene suficiente resistencia, rigidez y estabilidad para garantizar la seguridad en condiciones de trabajo duras.
2) Rendimiento confiable de acción única, que se puede utilizar en condiciones de trabajo duras. la alta temperatura y la alta presión en pozos ultraprofundos no fallarán en un entorno de fluido de perforación de alta densidad, lo que garantiza la tasa de extracción del núcleo y el estado original.
3) El espacio libre razonable entre el interior y el exterior; El diámetro de la broca y los tubos interior y exterior garantiza que el área de corte de la broca sea la misma bajo el mismo diámetro de perforación.
La estructura de la herramienta de perforación de doble tubo y simple efecto KT que se muestra en la Figura 3.6 se selecciona como la herramienta de perforación básica para la perforación y extracción de muestras de pozos científicos ultraprofundos de 13000 m.
Figura 3.6 Estructura de la herramienta de perforación de doble tubo y acción simple KT
El tubo interior de la herramienta de perforación debe estar hecho de acero inoxidable, aleación de aluminio, aerosol de porcelana y plástico reforzado con fibra de vidrio. , etc. que son resistentes a la temperatura, a la corrosión, de alta resistencia y tienen una pared interior El material liso reduce la resistencia a la fricción del núcleo que ingresa al tubo interior, lo que es beneficioso para mejorar el metraje y la tasa de recolección del núcleo.
Se utilizarán algunas herramientas de extracción de muestras especiales, como herramientas de extracción de muestras de tubo semicerrado, herramientas de perforación de tres tubos y herramientas de perforación de tubo interior combinadas superpuestas, para aumentar la tasa de extracción de muestras en estratos fracturados.
Para mejorar el efecto de extracción de muestras de formaciones rotas, se deben tomar algunas medidas técnicas en la broca de extracción. La broca de perforación semilíquida galvanizada impregnada de diamante es una broca adecuada para formaciones rotas. Las características de esta broca son: el canal de agua principal de la broca es liso, la superficie del labio inferior y el borde de trabajo exterior están completamente lubricados, limpios y enfriados, y se puede mantener un ambiente limpio en el fondo del orificio. Se forman varios espacios estrechos en el borde de trabajo de la broca, lo que no solo puede evitar la derivación radial entre el núcleo y el borde de trabajo de la broca, sino que también mantiene una cierta cantidad de fluido de perforación circulando entre ellos, de modo que el trabajo El borde de la broca, que suele ser propenso a desgastarse, siempre tiene una refrigeración y lubricación adecuadas. Mediante la cooperación del anillo impermeable y el anillo elástico de la broca, así como el pequeño espacio anular entre el núcleo y el anillo impermeable en la broca, se forma una protección eficaz contra el flujo radial.
3.3.3 Tecnología de muestreo de la pared del pozo
En la perforación de pozos ultraprofundos, los núcleos a menudo se pierden o incluso se pierden, por lo que es necesario utilizar tecnología de muestreo de la pared del pozo para reponer el núcleos.
Existen muchos métodos de muestreo de la pared del pozo, incluido el método de muestreo de la pared del pozo comprimido, el método de muestreo de la pared del pozo de perforación, el método de muestreo de la pared del pozo de perforación inclinada, el método de muestreo de la pared del pozo de corte continuo, el método de muestreo de la pared del pozo giratorio, etc. Entre ellos, el método de muestreo de la pared del pozo de perforación inclinada, el método de muestreo de la pared del pozo de corte continuo y el método de muestreo de la pared del pozo giratorio son relativamente adecuados para la perforación científica de pozos ultraprofundos para complementar los núcleos. Para los pozos científicos ultraprofundos con una profundidad de más de 10.000 metros, se debe resolver el principal problema de la resistencia a altas temperaturas y altas presiones de estos métodos.
3.3.4 Herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo
Usar energía de fondo de pozo para perforar pozos ultraprofundos de más de 10.000 metros es una elección inevitable. Realizar investigaciones sobre herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo para la construcción. de pozos ultraprofundos de más de 10.000 metros de gran importancia.
En la actualidad, existen tres tipos de herramientas de perforación eléctricas subterráneas: herramientas de perforación con tornillo, herramientas de perforación con turbina y martillos hidráulicos. Entre ellas, las herramientas de perforación con tornillo y las herramientas de perforación con turbina son herramientas de perforación que proporcionan potencia hidráulica de rotación. Los martillos utilizan la energía del impacto para romper las rocas. Según el nivel técnico actual, la resistencia a la temperatura de las herramientas de perforación de tornillo y los martillos hidráulicos es de aproximadamente 150 °C. Las herramientas de perforación de turbina son componentes totalmente metálicos y actualmente son las únicas herramientas de perforación eléctricas que pueden adaptarse a la construcción de pozos a alta temperatura, con una resistencia a temperaturas de hasta 300°C.
El uso de herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo ultraprofundo debe garantizar primero la adaptabilidad y la seguridad en las condiciones de trabajo, y considerar cómo garantizar un sellado confiable, una operación simple, un uso seguro y una larga vida útil en condiciones de alta temperatura y presión alta. El desarrollo técnico de herramientas de perforación de pozos profundos y ultraprofundos debe llevarse a cabo desde los aspectos de la tecnología de perforación y la investigación de parámetros de perforación, el diseño de la estructura de la herramienta, la selección de materiales y la combinación de herramientas de perforación.
Los puntos clave de la investigación y mejora de tres tipos de herramientas eléctricas de perforación de fondo de pozo son los siguientes:
(1) Medidas de mejora para las herramientas de perforación de tornillo
1) Herramientas de perforación de tornillos de estator preformadas. El par de salida de las herramientas de perforación de tornillos de estator predentadas es aproximadamente 1 veces mayor que el de las herramientas de perforación de tornillos convencionales. Al mismo tiempo, también se ha mejorado la eficiencia de las herramientas de perforación de tornillos. Las brocas de tornillo preformadas son útiles para reducir la acumulación de calor de histéresis y prevenir el aumento de temperatura local.
2) Goma estator resistente a altas temperaturas.
Reemplazar el material de revestimiento del motor de tornillo con caucho butílico y hacer que el rotor del motor de tornillo tenga una forma hueca puede resolver el problema de perforación de herramientas de perforación de tornillos de alrededor de 6000 mm. El uso de caucho de flúor puede aumentar aún más la profundidad de aplicación de las herramientas de perforación de tornillos. , pero todavía hay un cierto espacio en la profundidad del agujero de 13000 mm.
3) Rodamientos cerámicos. Los rodamientos cerámicos tienen las características de resistencia a altas temperaturas, resistencia al frío, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al aislamiento magnético y eléctrico, autolubricación sin aceite, alta velocidad, etc. Su aplicación en herramientas de perforación de tornillos mejorará en gran medida el rendimiento y el servicio. vida útil del eje de transmisión.
4) Rotor de aleación de aluminio. Elegir un material de aleación de aluminio adecuado como rotor del motor (cromado en la superficie) puede reducir efectivamente el peso del rotor, reducir la presión sobre el plástico del estator y el eje cardán y mejorar la resistencia a la corrosión del rotor, mejorando así el uso. de motores de taladro de tornillo y ejes cardán.
(2) Medidas de mejora para las herramientas de perforación con martillo hidráulico DTH
1) Adecuado para determinar el tipo y los parámetros de perforación del martillo hidráulico DTH para orificios ultraprofundos;
2) Medidas para mejorar la vida útil del par de sellos dinámicos;
3) Investigación sobre la resistencia a altas temperaturas de los sellos fijos;
4) Investigación sobre la mejora de la energía de impacto de martillos hidráulicos;
5) Explorar la viabilidad de que los martillos hidráulicos se adapten a la contrapresión en pozos de 10.000 metros de profundidad;
6) La adaptabilidad de las capacidades de bombeo cuando se combinan con herramientas de perforación de tornillo y herramientas de perforación de turbinas.
(3) Medidas de mejora de las herramientas de perforación con turbinas.
Las herramientas de perforación de turbina son componentes totalmente metálicos y actualmente son las únicas herramientas de perforación eléctricas que pueden adaptarse a la construcción de pozos a alta temperatura. Desde la perspectiva de las características de trabajo, las herramientas de perforación con tornillo son herramientas de perforación de desplazamiento positivo y son más adecuadas para operaciones de perforación. Por lo tanto, se recomienda que las herramientas de perforación con turbina solo se utilicen en secciones de pozos profundos o en secciones de pozos de alta temperatura, y la profundidad se puede seleccionar entre 8000 y 10000 m. Se debe prestar atención a los siguientes aspectos:
2) Tecnología de diseño de reductor
3) Tecnología de rodamientos de larga duración y alta confiabilidad
4; ) Investigación sobre tecnología de perforación que soporta herramientas de perforación con turbinas.
3.3.5 Plan científico tecnológico de perforación de pozos ultraprofundos de 13.000 metros.
(1) La solución de tecnología de perforación cuando se utiliza el "método de perforación avanzada de pozo abierto"
La solución de tecnología de perforación cuando se utiliza el "método de perforación avanzada de pozo abierto" se muestra en la Tabla 3.6 Los puntos clave son los siguientes:
1) Por encima de los 7500 m, adoptar el "método de perforación de pozo abierto con orificios piloto" (perforación con núcleo de diámetro pequeño, expansión del orificio y plan de construcción de revestimiento), el orificio piloto. El diámetro es de 216 mm y la carcasa móvil El diámetro es de 245 mm y la profundidad máxima de la carcasa móvil inferior es de aproximadamente 5000 m.
2) Las brocas de diamante preembarazadas se utilizan principalmente para perforación avanzada. Para aumentar la velocidad de perforación mecánica y la longitud de retorno, utilice un martillo hidráulico siempre que sea posible.
3) Al perforar por adelantado, se deben realizar perforaciones con núcleo y perforaciones integrales a intervalos. Tanto la perforación con núcleo como la perforación general utilizan accionamientos de fondo de pozo. Si es posible, intente utilizar un motor de turbina de alta velocidad para impulsarlo, lo que puede aumentar la velocidad de perforación.
4) Cuando se perfora completamente con anticipación, se utiliza un sistema de perforación vertical. Por un lado, la parte superior del pozo se puede perforar verticalmente hasta 7000 ~ 8000 m, sentando una buena base para lograr el objetivo. objetivo final; por otro lado, puede lograr un alto WOB de perforación que conduce a aumentar la tasa de penetración mecánica y ahorrar tiempo y costos de construcción.
5) La sección del pozo de 7500 ~ 9000 m es una profundidad que no se puede bajar mediante una tubería de revestimiento móvil. Considere utilizar una perforación de extracción de muestras única (o perforación completa) para completar el pozo. Debido al gran diámetro, el efecto de perforación de la broca de diamante accionada por el motor del tornillo es deficiente. Por lo tanto, está previsto utilizar un motor de turbina para accionar una broca de diamante impregnada para la perforación de núcleos en esta sección del pozo.
6) La perforación de extracción de muestras y la perforación integral se realizan desde el fondo del pozo. La parte superior utiliza un motor de tornillo y la parte inferior utiliza un motor de turbina.
7) Para las secciones de pozo 7) por encima de 7.500 metros, se adopta un esquema anti-desviación activo (sistema automático de perforación vertical); por debajo de 7.500 metros, se adopta un esquema anti-desviación pasivo, es decir, péndulo; Se utilizan herramientas de perforación para evitar desviaciones. Si la desviación excede el estándar durante la construcción, se utilizarán herramientas de corrección de desviación convencionales para corregir la desviación.
Tabla 3.6 Plan técnico de perforación ultraprofunda de 13.000 metros y control de desviación de pozos ("método de perforación avanzada de pozo abierto")
(2) Perforación y perforación de pozos cuando se utiliza "método de perforación de pozos de igual diámetro". método de perforación" Solución tecnológica de control de desviación de pozos.
Las soluciones técnicas para la perforación y control de inclinación de pozos cuando se utiliza el “método de perforación de igual diámetro” se muestran en la Tabla 3.7.
Tabla 3.7 Plan técnico de perforación ultraprofunda y antidesviación de 13.000 metros (“método de perforación de igual diámetro”)