钻探工程技术现状与未来.ppt

,,中国厦门2010.9,钻探工程技术现状与未来,方啸虎汪贻水中国地质学会矿山地质专业委员会,GEMS,2,一、引言二、现代钻探任务的提出三、当前国际发展的钻探新技术趋势四、关于钻探技术的几点结语,报告提纲,GEMS,3,一、引言,GEMS,4,国民经济高速发展,随着国民经济的高速发展，国家对钻探的任务也发生了很大的攺变，特别是近年，中国攺革开放三十年以来，由于工业化、现代化的建设不断获得进步，其国民经济总量已成为全球第二的大国。到2009年为止GDP前十名分别是（以美元计）1、美国14.8万亿、2、中国5.2万亿、3、日本5万亿、4、德国3.5万亿、5、法国2.5万亿、6、意大利2.2万亿、7、英国2万亿、8、加拿大1.5万亿、9、西班牙1.4万亿、10、印度1.3万亿。2010年我国已全面超过日本。当然人均GDP我国还是相当落后的，一般只有发达国家的10左右，所以说明中国的发展道路还很长，所需解决的问题还很多,5,作者与探工界深度交往,作者与中国工程院院士刘广志在研究工作修改材料时留影,6,作者与中国探工学科奠基人李世忠教授在某鉴定会后留影,7,,二、现代钻探任务的提出,8,1.固体矿产资源的急需（特别是有色金属）,人类对资源的需求从来是不断增加的，我国矿产资源的特点是①虽然我国矿产储量的潜在总值居世界前列，但人均占有量却居世界第53位，只有世界水平的一半；②优势矿产多属于用量不大的矿种，而大宗急需的矿产却多半储量不足；③我国矿产资源中，中小型矿多、贫矿多、难选矿多、综合利用矿多，这在相当程度上影响了矿产资源的开发利用效益；④我国矿产资源地理分布极不均衡，不同规模的矿产高度集中。如煤炭仅主要集中在山西、内蒙等两三个省；⑤我国部分矿产有很好或较好的找矿前景。如金矿、铜矿等已探明的储量也都仅为预测资源量的1／4至1／5，而非金属矿产的潜力就更大。所以在钻探任务中又提出了“上天、入地、下海、探极”的新问题。,9,1500-2000m中-深孔钻探,早期我们国家正在各项事业正在起步阶段，所以以矿产资源为主要目的，就有“以钻探量换取矿产量”的提法。目前这个观点随着国民经济的发展，矿产资源的需求量也在不断增加，这是没有攺变的但是地表的矿产资源随着利用的加大正在枯竭，同时矿产开采的水平不断提高，原来我们只能采掘到500-600m，后来发展到800-1000m，现在自动化采掘已经向1200-1500m，甚至向2000m发展，所以就有向深部找矿的问题。这个问题在美、俄日，四十年前就提出，而我国正式提出也仅十几年，目前我国发展速度比较快，但还是不够的。,10,近海及深海矿产资源钻探,我国海滨砂矿资源主要有钛铁矿、锆英石、独居石、金红石、磷钇矿、铌袒铁矿、玻璃砂矿等共十几种，此外还发现了钻石和砷铂矿颗粒。海滨砂矿主要可分为9-10个成矿带，如海南岛东部海滨带、粤西南海滨带、雷州半岛东部海滨带、粤闽海滨带、山东半岛海滨带、辽东半岛海滨带、广西海滨带和台湾北部及西部海滨带、钓鱼岛周边区等都是国家统一规划区域。特别是广东海滨砂矿资源非常丰富，其储量在全国居首位。从长远来看，海洋钻探将是全球性的问题。而且象海底能源及相当多的有色金属等的深海勘探也将是必然的，我国将向东海、南海等广大海域发展。,11,干旱地区的空气泡沫钻探,我们且不讲全球性战略问题，就中国本土来说干旱缺水，不能正常探矿或只能间断性探矿的面积就达1/3左右，在国家急需的情况下，探矿部门开发了此种新的工艺技术。它的主要特点就在于用空气冷却或用泡沫冷却，以解决钻探时产生的高温，也能够在缺水、少水的情况下进行钻探工作。非洲是中国目前投资的重要方向，这也需要我们的技术开发。,12,2.能源勘探是国民经济发展基础之一,a。石油气钻探阿拉伯石油输出国组织发布的报告说，截至2006年底，占世界石油总储量的57.6。其中沙特阿拉伯石油储量占该组织成员国总储量的40.4，伊拉克占17.6，科威特占15.5，阿联酋占14.9。天然气储量占世界总储量的28.6。阿拉伯石油输出国组织共有11个成员国，主要有伊拉克、科威特、沙特、叙利亚、阿联酋等。中国已发现石油储藏量达到40亿吨，但是海洋石油储藏量却达到240亿吨。中国是全球使用能源最多的大国之一，所以中国还需要进口石油外，国际相关机构估计海底石油占全球石油储量的70。今后海洋石油的勘探、开发仍是极为重要的一环,13,b．海底“可燃冰”钻探,可燃冰是一种被称为天然气水合物的新型矿物，在低温、高压条件下，由碳氢化合物与水分子组成的冰态固体物质。其能量密度高，杂质少，燃烧后几乎无污染，矿层厚，规模大，分布广，资源丰富。据估计，全球可燃冰的储量是现有石油天然气储量的两倍。在上世纪日本、前苏联、美国均已发现大面积的可燃冰分布区。我国也在南海和东海发现了可燃冰。据测算，仅我国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量。在世界油气资源逐渐枯竭的情况下，可燃冰的发现又为人类带来新的希望。,14,c．电力工程钻探,我国的电力近年发展是相当快的，无论是火力发电还是水力发电，仍至核电，到2009年止全国总发电量为36506亿度，其中火力发电量占82，水力发电量占18，核能发电量占2。这里可以看出无论那种发电都离不开钻探，火力发电主要是用煤炭，需要钻探探明；水力发电的选坝地址要钻探，在建设水坝时边幕要进行防渗处理，需要大量钻探；核电的发电所需的核能源需钻探探明。所以说工业化离不开电力，所有的电力开发又离不开钻探。,15,d．地热钻探,地热是一个非常重要的能源，这点正被人们越来越充分的认识到，特别是当前减排减碳的国际大环境下更显得其重要性。这种能源是非污染，取之不尽，用之不竭的，又是亷价的优质能源，是今后重要发展方向，所以开发利用它是非常重要的。我们在开发它首先要探明储量，然后又如何充分利用它，也要钻探。,16,3.、其它钻探,这些钻探简单的可概括为以下几种，由于篇幅，不再详述深孔-超深孔的科学研究钻探；月球遥控取岩心（岩土）钻探；地质災害防范钻探；极地厚层冰层钻探等等。,17,,二、当前发展的钻探新技术简介,18,1加快全液压动力头地表岩心钻机的国产化进程和现有立轴式钻机的改进,各地质勘探部门对地表深孔钻探设备和坑道钻探设备有着迫切需求，目前国内比较先进的地表深孔地质岩心钻机处于起步阶段，一些关键部件、配件等仍需进口，因此，在岩心钻探设备上，采取技术革新与技术改进两头并举的策略。加强钻探装备工作的可靠性及对钻探工艺的普适性，向俄罗斯、加拿大等先进国家学习非常重要。,19,2加快先进的深部岩心钻探设备的推广,岩心钻探设备的推广应用过程就是设备的产业化过程。目前，国内一些机构在全液压动力头式钻机的研发进展已经取得了一些成绩，例如，由勘探技术研究所2006年研制的YDX-3型全液压动力头式岩心钻机，其钻深能力为1000m，成本比进口钻机降低了一半以上，受到了广泛关注并已经应用到生产。1500m全液压岩心钻机和KD-600型坑道钻机也在积极地进行试验中，争取形成系列化。勘探技术所的“2000m地质岩心钻探关键技术与装备课题”已列入国家863计划，各项工作正在顺利进行中，见图3、图4、图5。这些都是随着矿产资源的需求和深部采掘矿产技术提高而应运而生的。,20,图3YDS-3型全液压岩心钻机（最大1300m）,21,图41500m岩心钻机,22,图52000m钻机,23,3）科学钻探,有着广泛的意义，综合起来有如下若干点，⑴研究地壳深部构造及其演化；⑵检验与校正地球物理探测结果；⑶研究地壳深部流体及其作用；⑷探索大型陨石撞击作用及生物集群灭绝奥秘；⑸研究盆地演化、油气及天然气水化物成因；⑹调查和开发深部热能；⑺研究矿产预测和评价成矿理论；⑻研究地震发生机制及攺善地震预报；⑼研究火山系统及喷发机制；⑽研究地球气候、环境的历史和全球变化；⑾探索深部生物圈和早期生命演化历史；⑿建立地球深部长期观察站；⒀调查核废料储埋址；⒁推动钻探技术发展和进步。所以本世纪初开始了中国科钻一井的钻探工程工作。,24,图6中国科钻一井开钻及竣工典礼,中国东海5000余m钻进,25,4）车载钻探,这是提高钻探效率的重要方法，已经得到快速发展，只要是条件允许的情况下尽量使用它。目前类型已比较多，推广面已经比较大，特别是在一些地势相对平坦的区域都可考虑使用，可见图7。,26,车载钻机之一,27,车载钻机之二,28,车载钻机之三,29,车载钻机之四,30,下面我们看一组浅海与深海作业的钻机和深海钻进平台,31,5）滨海作业钻机,32,海洋工程地质勘察钻机,HGD-300A型海洋工程地质勘察钻机用途HGD-300A型海洋工程地质勘察钻机为长行程动力头式钻机，动力头回转采用了先进的变频调速技术，配备了12米钻塔及升沉平衡机构，可在海深100米，5级以下风浪中钻进作业。,33,HGD-300A型海洋工程地质勘察钻机,1、钻孔直径￠110-￠600mm2、钻孔深度350-60m3、钻机重量6500kg,34,HGD-300A型海洋工程地质勘察钻机b.HGD-600型海洋工程勘察钻机用途是根据海洋工程勘察工程需要开发的新产品。钻机结构型式为全液压驱动。钻机适应钻进地层为海洋沉积淤泥地层、粘土地层、砂质粘土、粉砂层、砂层、砂砾岩及基岩地层，钻机的钻进能力能相应地满足在上述地层中不同钻进取样工艺的需要。,35,,HGD-600型海洋工程勘察钻机,36,HGD200型海洋工程地质勘察钻机为长行程动力头式钻机,HGD200型海洋工程地质勘察钻机为长行程动力头式钻机，动力头回转采用了先进的变频调速技术，配备了8米钻塔及升沉平衡机构，可在海深100米，5级以下风浪中钻进作业，也可在河流、湖泊中进行水域地质勘察施工、桩基工程施工。主机部分也可作为陆地基础工程施工钻机。,37,HGD200型海洋工程地质勘察钻机为长行程动力头式钻机,38,1、钻孔直径￠75-220mm2、钻孔深度200-80m3、主机安装轮廓尺寸长宽高280015004800mm4、钻机重量6000kg,39,6）深海平台,40,渤海渤西岐口18-1平台,,41,东海春晓油气田平台,42,国产巨型海上储油平台,43,南海二号半潜式海洋钻井平台,该平台长108米、宽67米、高104米，最大排水量近20000吨，可在水深300米海域作业，最大钻深7600米,44,我国首艘超深水钻井平台顺利出坞,中国海洋石油总公司26日宣布，我国自行建造的3000米深水半潜式钻井平台“海洋石油981”顺利出坞。该钻井平台填补了我国海底油气勘探和深水装备领域的空白，计划于2011年投入使用。“海洋石油981”属于第六代深水半潜式钻井平台，代表了当今世界海洋石油钻井平台技术的最高水平。具有勘探、钻井、完井与修井作业等多种功能，最大作业水深3000米，钻井深度可达10000米。平台稳性和强度按照南海恶劣海况设计，可在中国南海、东南亚、西非等深水海域作业，设计使用寿命30年。,45,定向钻机的外形（今后发展方向之一）,GBS-28钻机外观,46,定向钻机的外形,GBS-40钻机,47,正常定向钻进,定向钻进的最大特点是省去了大量的地表及无矿岩层的钻进，节省了资金，提高了效率,48,坑道定向钻进,与前面是同一目的，但采取的是坑道钻进，同样省去了大量的地表及无矿岩层的钻进，节省了资金，提高了效率,49,绳索取心钻进,绳索取心钻进是一种不用提钻而能直接取得岩心的先进钻进方法。与普通钻进方法相比，具有地质效果好，生产效率高，取心率高，钻进成本低等优点。目前国内地表钻进已经得到很大的推广。它不是一种设备，而是一种装置。,50,金刚石取心钻头,51,绳索取心钻具,52,三、国外关于钻探技术的新构思,,53,自上世纪80年代以来，钻井技术发展很快，极大地推动了钻井的实时化、信息化、数字化、可视化、集成化、自动化、智能化，使钻井变得“更聪明”。,54,1）智能钻杆得到开发和利用,随钻测量MWD、随钻测井LWD、地质导向和旋转闭环导向钻井系统是提高井眼轨迹控制精度的重要手段，得到了推广应用。智能钻杆实质上是一种有缆钻杆，电缆之间通过电磁感应实现“软连接”（1数据传输高速、大容量、实时数据传输速率高达5.76万位/秒；2真正实现双向通讯；3适用于包括欠平衡钻井、气体钻井在内的任何井况下的数据传输。,智能钻杆实质上是一种有缆钻杆，电缆之间通过电磁感应实现“软连接”,55,2.发展随钻前视功能，完善地质导向,需要发展随钻地震等具有随钻前视功能的技术，以便及时发现前方的“甜点”，更好地进行地质导向和储层导向。,56,3）探索新的破岩方式，以期在破岩技术上取得突破,化学溶解法钻井、爆破法钻井、电火花钻井、微波钻井、热散裂钻井、岩熔炉钻井等。更前沿的是激光钻井、等离子体通道钻井技术，已经进入实验室阶段,激光钻井,57,4）改进高温高压深井钻井技术，进一步提高钻井速度，降低钻井成本,四个关键领域的技术开发1智能钻井系统；2高科技材料；3先进的深井钻井完井方法；4新的钻头技术。,58,5）钻机多样化、数字化、自动化、智能化，运移方便,主要特点是1实现包括传送、上卸扣、送钻、排放、堆放在内的所有管子操作的自动化；2大幅度减少钻井作业人员，钻台和二层台上不再有钻工；3明显减轻司钻的劳动强度和减少人为失误；4运移性好，安装、拆卸方便；5陆地自动化钻机占地面积小；6显著提高作业效率和安全性。,59,6）尽量增加井筒与储层的可控接触面积，以便增储和提高采收率,建井技术除水平井、大位移井、分支井发展到了多分支井、鱼骨井、树根井、最大储层接触面积井MRC井。,60,7）钻超大位移井，实现海油陆采这是近海陆采发展的主要方向,61,8）简化井身结构，建单直径井，少用套管，甚至不用套管,主要特点是1减小上部井眼和套管的直径，简化井身结构；2减少泥浆、套管和水泥用量及固井作业工作量；3缩短建井周期；4降低建井成本；5减少钻井废弃物，有利于保护环境；6增大完井井筒直径，提高单井产量。,62,9）研究微井眼技术，以便经济有效地开发浅层资源,其特别是1提高钻机搬迁效率；2减少井场占地面积；3减少泥浆、套管和水泥的消耗以及动力消耗；4减少钻井作业人员；5提高钻井效率；6降低钻井完井成本、综合开发成本和勘探开发风险；7减少钻井对环境的影响。,63,10）钻杆轻型化,钻杆的发展历程表明，钻杆存在轻型化的趋势。目前已投入商业化应用的轻型钻杆有铝合金钻杆和钛合金钻杆，但它们的成本太高。近几年，美国能源部在资助非金属类轻型钻杆碳纤维钻杆的研制。,64,11）钻井自动化和远程控制是21世纪钻井技术非常重要的发展方向,65,12）改进深水和超深水钻井技术，进一步提高钻井速度，降低钻井成本，保护海洋环境,66,13）无钻机钻井不用钻机也能打探井,主要特点是1不用陆地钻机或海上钻井平台，可大幅度减少作业人员和后勤保障工作，还能避开海洋环境对钻井作业的干扰；2通过电缆给井下电动钻具供电，电动钻具驱动钻头旋转；3不用钻杆，靠自身重量给钻头施加钻压；4不用泥浆，钻屑不是返至地面，而是用于充填井筒或被挤入地层裂缝及孔洞，因而无废弃物排放，对环境无污染，也无井喷的风险，也不用担心井漏；5不用泥浆，井筒内无外来流体，在岩屑充填井筒之前，地层不会受到伤害，可以及时测得真实的地质信息；6不用套管和水泥固井，井筒由压实的岩屑充填和封固，不用担心井壁失稳；7通过电缆实现双向通讯，数据传输量大、质量高、速率快，更有利于及时发现油气，提高探井成功率；8显著降低勘探钻井费用和勘探风险；9钻达目标后，留在井底，继续监测地层；10实现远程控制和自动化钻井。,67,14）海底钻井不用海上钻机而用海底钻机进行海洋石油钻井,特点主要有以下几点1海底钻机是一种无人值守、有压力补偿的密闭装置，能实现全自动化钻井、完井和修井，司钻只需在小型浮式辅助船上进行遥控。2不用海上钻井平台或钻井船，也不用隔水管，容许浮式辅助船有很大的漂移范围。3海底钻机的运转不受海况、水深和天气的限制，但在极端恶劣的海况和风速下，需要撤走浮式辅助船，中断钻井作业。4海底钻机的建造费用明显低于海上钻井平台和钻井船。,68,15）HSE技术得到积极发展,HSE指健康、安全和环保。当今，HSE越来越受重视，贯穿于钻完井全过程。,69,四、关于钻探装备的几点结语,70,1）尽管在地质找矿的方法上可以研究很多种，但必竟钻探是“吹糠见米”的工作。只有地质钻探才能最准确的说明地下的实质情况。回想起二十多年前，地质部搞的“十万大军下山摘桃子”，结果桃子没有摘到，却把整个地质队伍搞得一盘散沙。其他系统也搞什么三产，也把队伍搞散架了。幸好温家宝总理上来后，坚决抓住地质口，向地下要矿产资源。国家要发展，没有资源不行，我国是社会主义制度的国家，不可去掠夺，只有依靠自身的力量和资源，地质要先行，探矿工程也要先行。,71,2）在地质勘探中，有一种提法叫做有什么磨料就有什么钻探工艺，有什么钻探工艺就会要什么钻探设备。从一个角度说，这是对的，但又是不全面的。本人认为钻探设备还是相当重要的环节，当磨料有了，如现在金刚石钻进已经成了基本磨料后，采用更先进的钻探设备是绝对不可少的重要环节了。这非常符合毛泽东在矛盾论中所阐述的，现在是钻探设备变为非常重要的课题了，是主要矛盾了，切不可勿视,72,3）我国的钻探技术，应该说有的在全球范围说，由于开发了人造金刚石钻探技术，应该是比较先进的。,73,4）本报告提出的很多先进技术我国相当落后应积极研究,我们从事的前无古人的伟大事业，我们一定要树雄心，把钻探技术和钻探设备开发研制走在前面。报告参考了“国外钻井技术研发新动向”它有相当多的阐述海洋钻探、深井钻探、近海钻探技术，但都是钻探的前沿性工作，应引起矿山地质行业广泛重视。,74,黄山胜景,报告结束谢谢各位,75,视频海洋石油钻井平台,