定向钻探技术培训交流会材料.docx

定向钻探技术培训交流会材料
主办方：中 国 地 质 调 查 局
承办方：中国地质科学院勘探技术研究所
协办方：中国地质大学（武汉）
湖南煤田地质局
湖南省地质矿产勘查开发局四O 五队
2011 年11 月
目 录
一、定向钻探技术应用现状及发展趋势 .................................................................. 1
1、定向钻探技术应用 ........................................................................................................................... 1
2、定向钻探技术应用现状 .................................................................................................................. 7
3、定向钻探技术发展趋势 ................................................................................................................ 24
二、定向钻进轨迹控制技术......................................................................................... 31
1、井眼轨迹的基本概念 .................................................................................................................... 31
2、定向井的相关概念及井眼轨道 .................................................................................................. 38
3、定向井井眼轨迹控制 .................................................................................................................... 40
4、水平井井眼轨迹控制 .................................................................................................................... 51
三、螺杆钻具的应用现状 ............................................................................................. 59
1、螺杆钻具的结构 ............................................................................................................................. 59
2、螺杆钻具的使用 ............................................................................................................................. 64
3、螺杆钻具的发展方向 .................................................................................................................... 68
四、地质勘查与科学钻探螺杆钻深部定向钻探技术 ........................................... 70
1、螺杆钻定向钻进原理 .................................................................................................................... 72
2、螺杆钻定向钻进操作技术条例 .................................................................................................. 85
3、深部定向钻探工程实例 ................................................................................................................ 91
4、附 录 .............................................................................................................................................. 118
五、连续造斜器定向孔施工技术与工艺 ................................................................ 129
1、LZ 型连续造斜器及使用方法 .................................................................................................. 129
2、LZ 型造斜器孔内定向方法及安装角计算 ............................................................................ 135
3、定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算 ......................................................................... 139
4、定向钻探案例分析 ....................................................................................................................... 145
六、定向钻进计算机设计与钻进过程三维可视化 ............................................. 156
1、基本概念回顾 ................................................................................................................................ 156
2、受控定向钻孔轨迹设计 .............................................................................................................. 158
3、钻孔测量及轴线空间位置计算 ................................................................................................ 164
4、定向钻进设计及三维可视化软件............................................................................................ 168
5、随钻测量及钻进过程三维可视化............................................................................................ 171
七、“慧磁”定向钻井中靶导向系统研究 ........................................................... 173
1、基本概念 ......................................................................................................................................... 173
2、磁中靶系统的基本方法及其创新性 ....................................................................................... 174
3、人工磁导航中靶系统的应用范围............................................................................................ 178
4、“慧磁”定向钻进中靶引导系统............................................................................................ 179
5.结语 ...................................................................................................................................................... 183
八、随钻测量与导向钻进系统 .................................................................................. 184
1、随钻测量 ......................................................................................................................................... 184
2、自动垂直钻进系统 ....................................................................................................................... 195
3、旋转导向钻进系统 ....................................................................................................................... 199
九、定向钻探技术规程 ................................................................................................ 205
1、 前言 ................................................................................................................................................ 205
2、工作简况 ......................................................................................................................................... 205
3、规程修订原则 ................................................................................................................................ 206
4、新规程主要技术内容和确定依据............................................................................................ 207
5、新规程与旧规程的对比 .............................................................................................................. 207
6、纳入的基本概念 ........................................................................................................................... 209
7、规程适用范围 ................................................................................................................................ 210
十、土耳其贝帕扎里天然碱项目钻井工程 ........................................................... 211
1、工程背景 ......................................................................................................................................... 211
2、项目前期工作 ................................................................................................................................ 214
3、一期试验井 .................................................................................................................................... 215
4、二期工程 ......................................................................................................................................... 217
5、三期工程 ......................................................................................................................................... 221
6、结语 .................................................................................................................................................. 223
前 言
作为钻探技术的最重要的技术内容之一，定向钻探技术在钻探工程技术中占
有举足轻重的地位。
近年来，随着定向钻探技术的迅猛发展和定向钻探仪器设备的更新改造与提
高，定向钻探技术越来越广泛地被应用于各个领域。特别是近二十年内，石油、
煤、金属矿产等市场需求不断地在扩大，定向钻探技术也逐渐地成为我国地质找
矿和矿产开采的一种重要技术方法。为贯彻落实地质找矿新机制和支撑找矿突破
战略行动目标、进一步促进我国定向钻探技术可持续发展、提高定向钻探技术水
平、全面推广定向钻探技术在地质找矿中的应用，中国地质调查局主办了这次定
向钻探技术培训交流会。会议由中国地质科学院勘探技术研究所承办，由中国地
质大学（武汉）、湖南煤田地质局和湖南省地质矿产勘查开发局四O 五队协办。
经历数十年的发展，在各级领导的大力支持下，在我国钻探工程技术人员
的努力下，定向钻进技术得到了较高的提升，在小直径螺杆马达纠斜技术、定
向取芯技术、人工磁中靶导航技术、自动垂钻系统、电磁波随钻测量技术、液
动孔底马达研发、定向钻进技术规范修订等方面已取得了一批突出的成果。本
次培训班旨在宣传、推广这一批新工艺和新技术，让定向钻探工程技术人员在
以后的工作中积极应用定向钻探技术，服务于国民经济建设。
《定向钻探技术培训交流会材料》汇集了到会交流的所有内容。内容全面丰
富，包括定向钻探技术方面的施工设计、施工工艺、仪器设备及测量控制技术及
等，还包括具体造斜器具和仪器的使用，并对当前定向钻探技术的应用和发展趋
势进行了详细分析和展望。充分体现了现代科学技术和钻井技术相结合的发展水
平，具有一定的科学性、系统性和较强的针对性和实用性。
希望通过这次培训交流会，钻探界的广大技术工程人员能有所收获，使定向
钻探技术得到进一步推广应用。同时希望更多同行致力于这方面的研究，把定向
钻探技术方面的仪器设备及工艺发展水平推上一个新台阶。
由于时间仓促，材料编写人员水平有限，难免有疏漏之处，敬请批评指正。
1
一、定向钻探技术应用现状及发展趋势
中国地质科学院勘探技术研究所 向军文
所谓定向钻探技术就是指为满足地质勘探目的，采取一定的技术手段，使钻
孔具有井斜角、方位角，钻孔按预定轨迹钻达目标。
1、定向钻探技术应用
定向钻探技术自20 世纪30 年代初，在海边向海里打定向井开采海上油田的
尝试成功之后，定向井得到了广泛的应用，其应用领域大体有以下六种情况。
1.1 地面环境条件的限制
地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟塑，海洋，农田或重要的建筑物等，
难以安装钻机进行钻井作业时，或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为了勘探
和开发它们下面的矿产资源，最好是钻定向井。
图1 受地面限制勘探
1.2 地下地质条件的要求
􀁺 对于断层遮挡矿藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的矿层；
2
􀁺 对于薄矿层，定向井和水平井比直井的矿层裸露面积要大得多；
􀁺 对于垂直裂缝的构造带，打直井很难钻遇裂缝，若钻定向井或水平井，
则钻遇裂缝的机会就大得多；
􀁺 另外，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井，
等等定向井的新种类，显著地扩大了勘探效果，增加了开矿量，提高了
矿藏的采收率；
􀁺 用钻井方法提高矿藏采收率。
3
图2 定向钻探用途
1.3 处理井下事故的要求
􀁺 当井下落物或断钻事故最终无法捞出时，可从上部井段侧钻打定向井；
􀁺 特别是遇到井喷着火常规方法难以处理时，在事故井附近打定向井(称作
救援井)，与事故井贯通，进行引流或压并，从而可处理井喷着火事故。
4
图3 处理事故
随着定向井钻井技术的发展，定向井建井周期和总成本已接近钻直径的水
平，定向钻井已成为资源勘探开发的极为重要的手段。
1.4 在矿产勘探开发中的应用
采用钻井进行水溶采矿已广泛应用于盐、碱、芒硝等可溶性矿产开采中，利
用盐碱类矿易溶于水的特点，通过向井下注入淡水（或溶剂）进行溶解地下矿产，
矿液返回地面再进行加工。与普通坑道开采比，本法的主要优点为投资少，见效
快；管理成本低；设备和工艺简单；生产费用及能耗低；可开采埋藏较深及品位
较低的矿床；劳动条件好、安全；有利于环保；环境污染不严重等。
图4 定向对接连通井技术
水平定向对接井连通技术水溶采矿方法与传统的单井水溶采卤相比，对接井
5
占地面积仅为前者1/2，而且生产效率提高了近4 倍。以采卤对接井为例：矿石
采收率可增加一倍，达40％以上；年采卤量比两口单井采卤量增加3.5～4.5 倍；
卤水平均浓度提高了20g/L～25g/L,能达到300g/L 以上；直接建井成本可节省约
40%。
水平定向对接井连通技术就是采用定向钻进及水平钻进技术，使地面相距数
百米的两井或多井，在地下数百米甚至上千米的开采层处，通过钻井方法，使井
组在目标矿层水平对接连通，从而完成从一井注水，另外井组采出高浓度矿液。
水平定向对接井技术在国内的应用研究始于1991 年。由原地矿部勘探技术
研究所、湖南省地矿局417 队和湖南省湘衡盐矿合作，从1991 年11 月至1993
年12 月，在湖南省湘衡盐矿共完成了三对对接井，主要井距227.2—233.6m，井
深约500m，其中直井段380—400m，造斜段210—250m，造斜强度0.3—0.45°
/m。该项成果于1995 年获原地矿部科技成果一等奖，攻克了我国探矿工程界和
岩盐采矿系统多年来希望攻克的一个技术难题，是一项重大科技成果，技术处于
国际领先水平。截止2010 年底，国内采用该技术已在全国所有井矿盐区采用，
每年采用该技术完成的采卤对接井达20 余对。为使用厂矿节约大量成本，创造
良好的经济及社会效益。
2003 年1 月，中国地质科学院勘探技术研究所又率先在湖北沙市沙隆达盐矿
完成一对井深达2850m 盐矿对接井工程，创下盐矿定向对接井之最。
2004 年9 月至2005 年4 月，中国地质科学院勘探技术研究所首次将用于盐
矿和芒硝矿的对接井技术引入天然碱矿中，完成了河南桐柏海晶5 对天然碱对接
井工程。2003 年10 月至2010 年10 月，中国地质科学院勘探技术研究所又承担
了土耳其贝帕扎里天然碱矿采集卤工程中，共完成了53 对对接井的施工任务，
实现了一井与一井连通，一井与多井连通，完成了目前世界上最大规模的、采用
对接井水溶开采方法的钻井工程，实现了100%连通率。该工程总钻进进尺达
60000 余m，使水平定向对接井技术的应用达到了顶峰。
水平定向对接井技术除可用于开采盐矿和芒硝矿这样的可溶性矿藏之外，还
可用于许多其它领域，如钻孔采矿、煤层气勘查与开采、煤炭地下气化工程、油
气井灭火工程、地下热能开采以及长距离穿越工程等。
6
1.5 在非开挖技术（HDD）中的应用
非开挖技术(HDD)是利用岩土钻掘的各种技术手段，在地表以最少的开挖量
或不需开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。它将传
统的“挖槽铺管与修复”施工方式改为“钻孔铺管与修复”。
与传统的挖槽施工法相比，非开挖技术避免了地面“开膛破肚”和“马路拉
锁”现象，具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、社会效益
显著等优点，可广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流、湖泊，以及在闹市区、
古迹或植被保护区等进行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线
的铺设、更新和修复。此外，非开挖技术还可用于各种降水工程、隧道工程、基
础工程和环境治理工程。
自1984 年第一套小口径的导向钻进工具诞生至今，导向系统的性能已大大
地进行了改进提高。目前非开挖技术的定位系统可以提供地底21m 处的转角、
倾角、方位、电量、温度等参数，以及过热报警、远端显示、钻进记录等功能。
发射器工作时间也从以前的几个小时，发展到现在的近十天。典型的导向定位系
统由三部分组成：地下随钻测量探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监控装置（地
面司钻显示仪）。随钻测量探头安装在地下钻具中，一方面通过其内部的传感器
在钻进的同时测量出姿态参数（如倾角、面向角和方位角）和钻进参数（如温度、
电量等），另一方面将这些测量结果调制在甚低频电磁波上以无线的方式传输到
地表，供地面仪器接收。地面上的定位跟踪仪一方面接收从孔底随钻测量探头发
来的测量数据，另一方面则根据电磁信号的强弱和相位等信息对其进行定位定
深，在定位的基础上保持对探头的跟踪，实时测出钻进的轨迹（见图5 示）。地
面定位仪还将所有的测量参数以高频无线通讯的方式发到远端的监控装置，监控
装置安装在钻机处，主要是向司钻人员和控制装置提供各测量参数，实现人为的
调整或自动钻进。
图5 非开挖定向钻进示意图
7
1.6 在煤层气勘探开发中的应用
多分支水平井是指在主水平井眼的两侧不同位置分别侧钻出多个水平分支
井眼，也可以在分支上继续钻二级分支，因其形状像羽毛，国外也将其称为羽状
水平井等。多分支水平井集钻井、完井和增产措施于一体，是开发低压、低渗煤
层的主要手段。煤层气多分支水平井工艺集成了煤层造洞穴、两井对接、随钻地
质导向、钻水平分支井眼、欠平衡等多项先进的钻井技术，具有技术含量高和钻
井风险大的特点。目前美国、加拿大、澳大利亚等国应用多分支水平井开采煤层
气已取得了非常好的效益，而我国处于刚刚起步阶段。2005 年廊坊分院组织施
工的武M1－1 羽状水平井顺利完钻，该井垂深达900m，是世界最深的一口煤层
气羽状水平井。2005 年底山西晋城大宁煤矿完成DNP01、DNP02 两口羽状水平
井，每口井的日产气量约为2～3 万方。与此同时，华北与CDX、长庆、辽河、
远东能源等国内外企业都已启动了羽状水平井开发煤层气的项目。多分支水平井
是煤层气高效开发方式的发展趋势，该技术的普遍应用必将为煤层气的勘探开发
带来突破性进展，在我国掀起开发煤层气的热潮。
图6 煤层气施工示意图
2、定向钻探技术应用现状
定向钻探技术已广泛应用于固体矿产勘探与开发、石油天然气勘探与开发、
8
煤矿勘探与煤层气开发、矿产的溶采等领域中。其应用现状可概述如下：
2.1 定向钻头
根据不同地层及勘探情况，有取心式的定向钻探钻头和非取心式的。定向钻
探钻头类型分为牙轮钻头、金刚石钻头、合金钻头及复合片造斜钻头。其底面轮
廓有平面和凸面等两种。共同的特点就是避开造斜钻头的中心死点，防止钻头中
心进入岩心而产生烧钻。
（1）平面型
平面钻头具有较高的机械钻速，而且能够防止钻头本体磨损。在大多数情况
下，提高碳化钨的硬度就可以提高钻速或钻头耐用性，但因平面钻头牙齿的耐磨
性优于钻头本体，当钻头本体开始磨损时，钻头牙齿开始露出或进一步暴露，增
加了牙齿破坏和碎裂的机会。
（2）凸面型
主要的定向钻探钻头类型，凸面钻头本身具有导向作用，但如果胎体选择不
当，易造成定向后的扩孔工作量。
2.2 定向造斜工具
目前的定向造斜工具主要有机械连续造斜器、螺杆钻具和涡轮钻具三类。
（1）机械式连续造斜器
主要由中国地质科学院探矿工程研究所研制并推广，已在全国各类矿产勘探
定向中发挥重要作用。
图7 机械式连续造斜器
9
其工作原理：自由状态时，楔形滑块处于回收位置，定位套与定位接头互锁，
定子与转子不能相对转动 。工作状态时，钻压通过主轴凸肩传给单动外壳→工
作弹簧→定子外壳→上半楔→滑块→下半楔→被动轴→钻头。工作弹簧被压缩，
主动轴同步下移，定位接头与定位套解锁，转子可以转动。楔形滑块在钻压作用
下产生横向位移，接触孔壁，孔壁对滑块的侧压力将造斜器推向孔壁另一侧，因
钻头直径大于外壳直径，于是钻头先接触孔壁并对其产生一个侧向造斜力。钻进
过程中钻头不断在固定方向上铣削孔壁，造成孔斜。
其主要缺点：①定子部分依靠楔形滑块对孔壁单点支撑限制其角位移，影响
造斜的稳定性；②造斜钻进阻力大；③钻压过大钻杆磨损严重。
（2）螺杆钻具
螺杆钻具是以泥浆为动力的一种井下工具，其由传动轴总成、马达总成、万
向轴总成、防掉总成和旁通阀总成五大部分组成。泥浆泵输出的泥浆，流经旁通
阀进入马达，在马达进出口形成一定压差推动马达的转子旋转，并将扭矩和转速
通过万向轴和传动轴传递给钻头。螺杆钻具的性能主要取决于马达总成。
图8 螺杆钻具结构示意图
螺杆钻具造斜规律稳定，适合所有地层。
（3）无磁钻杆及其选择
定向钻探技术目前所使用的定向测斜仪器均为磁性仪器，因此，定向时需要
配备无磁钻杆。无磁钻铤工作原理如图所示：
图9 无磁钻铤的作用原理示意图
① 磁场线；②磁性测量仪；③钢钻铤；④干扰磁场线；⑤钻头接头；⑥无磁钻铤
10
无磁钻铤上下的干扰磁场线对测量仪器部位没有影响，因而无磁钻铤为磁性
测量仪器创造了一个无磁环境，保证了磁性测量仪器测到的数据为真实大地磁场
信息。
为了保证磁性测量仪器测量结果准确，必须合理选择无磁钻铤的长度。应根
据测量井段的井斜角和井斜方位角的大小来选定无磁钻铤的长度。井斜角大时，
要加长无磁钻铤的长度。见下附图：
关于磁性测量仪器在无磁钻铤中的位置，推荐如下：
Ⅰ区： 6m 钻铤中心以下，0.3～0.6m；
8m 钻铤中心以下，0.6～1.0m；
10m 钻铤中心以下，1.0～1.3m；
Ⅱ区：10m 钻铤中心以下，1.0～1.3m；
20m 钻铤中心以下，2.3～3.0m；
30m 钻铤中心。
Ⅲ区：20m 钻铤中心（曲线A）；
20m 钻铤中心以下，2.3～3.0m（曲线B）；
30m 钻铤在中心。
当无磁钻铤中间需用扶正器时，必须注意扶正器对磁性测量仪器的影响，最
好的办法是扶正器制造成无磁钻铤芯子加钢套筒配合，这样可以降低对磁性测量
仪器的影响，又可以节省价格的非磁钢材。见下图10。
图10 无磁钻杆的选择
Ⅰ区—18″钻铤曲线A 下；25″钻铤曲线B 下；30″钻铤曲线C 下；串联18″+25″钻
铤曲线C 上。
11
Ⅱ区‐‐ 30″钻铤曲线A 下；60″钻铤曲线B 下（加找中器）；60″钻铤曲线C 下（加近
钻头稳定器）；90″钻铤曲线C 上。
Ⅲ区‐‐ 60″钻铤曲线A 下（加找中器）；60″钻铤曲线B 下（加近钻头稳定器）；90″钻
铤曲线C 下。
（4）定向测斜仪器
定向测斜仪器在定向钻探技术的应用中非常关键，根据工程成本和技术情
况。可选用单点定向测斜仪、多点定向测斜仪、有线或无线随钻定向测斜仪、电
磁波测斜定向仪。一般地质勘探因勘探条件和技术经济性，主要选用单、多点定
向测斜仪。目前国内主要定向测斜仪见表1。
（5）测井电缆
钻孔测斜仪用电缆主要起向井下仪器供电、传输信号和起吊钻孔测斜仪探管
的作用。
常用的电缆主要分为铠装和橡套两种，其芯数主要有单芯、3 芯、4 芯、6
芯和7 芯。测斜仪用电缆，在工作环境温度、额定拉断力、电缆导线芯的直流电
阻、电缆线芯间或绝缘线芯和钢丝铠装层之间的绝缘电阻以及浸水耐高压试验方
面均有不同的要求，具体情况需要根据用户的使用环境进行选择，常用测井电缆
如表2。
（6）测井绞车
测井绞车用来盘绕测井电缆，方便仪器的下放和提升，配套有深度显示系统
和绞车控制系统，有手动、电动之分，手动仅适用于300m 以内的测斜作业。绞
车按缠绕电缆长度一般有100m、300m、500m、1000m、1500m、2000m、3000m
等。常用的绞车见表3。
（7）测斜仪校验台
校验台是各类测斜仪的主要检测仪器，以测定仪器顶角、方位角以及工具面
角的测量精度。有无磁和有磁之分，有磁校验台主要用于陀螺类测斜仪，常用的
为无磁校验台。转轴数分为2 轴（顶角、方位角）和3 轴（顶角、方位角、工具
面角）。常用测斜仪校验台见表4。
（8）定向钻探其它配件
测斜仪其他配套器具如表5 示。
12
表1 目前定向钻探技术主要应用的测斜定向仪器
序
号
类
型
名称与型号 外径(mm)
顶角(°) 方位角(°) 工具角(°) 状态参数
范生产单位
围
精度
范
围
精度
范
围
精度
最大抗压
(MPa)
最高工作
温度(℃)
1
有
线
DST 有线随钻测
斜仪
27/29/32
0～
180
±0.1
0～
360
±1.5
0～
360
±1.5 100 125 北京市普利门机电高技术公司
2
LDOM 有线随钻
测斜定向系统
35/45 ±0.2 ±2.0 ±2.0 70 120 航天科工惯性技术有限公司
3
ST35、45 有线随
钻测斜仪
35/45
0～
90
±0.15 ±1.5 ±1.5 140 125 北京三孚莱石油科技有限公司
4
YST 型有线随钻
测斜仪
25/35
0～
180
±0.2 ±1.5 ±1.5 100 125 北京海蓝科技开发有限公司
5
SSC 系列有线随
钻测斜仪
35/45 ±0.2
±1.5(顶
角＞3°)
±1.5 140 125 赛维石油仪器设备有限公司
6
ADST 系列有线
随钻测斜仪
35/45 ±0.2
±1.5(顶
角＞5°)
±1.5 100 125～150 北京长城博创科技有限公司
7
LHE2000 系列有
线随钻测斜仪
35/45 ±0.2 ±1.0 ±0.5 100 125 北京六合伟业科技有限公司
8
泥
浆
脉
冲
PMWD 无线随钻
测斜仪
48 ±0.1 ±1.0 ±1.0 100 125 北京市普利门机电高技术公司
9 无线随钻测斜仪 ±0.2 ±1.5 ±2.0 100 125 航天科工惯性技术有限公司
10
SK-MWD 无线随
钻测量仪
±0.1 ±1.0 ±1.5
上海神开石油化工装备股份有
限公司
11
YST-48X 型无线
随钻测斜仪
48 ±0.2 ±1.5 ±1.5 100 125 北京海蓝科技开发有限公司
13
12
YST-48R 泥浆脉
冲随钻测斜仪
48
±0.1
±1.0
±1.0 100 150 北京海蓝科技开发有限公司
13
SMWD-1 型无线
随钻测斜仪
45 ±0.1 ±1.0 ±1.5 70 125 赛维石油仪器设备有限公司
14
MWD-45G 型无线
随钻测斜仪
45 ±0.2
±1.5(顶
角＞5°)
±1.5 100 125 北京长城博创科技有限公司
15
HZMWD 型随钻测
井仪
44.5 ±0.1 ±1.0 ±1.0 100 125～150 武汉海阔科技有限公司
16
LHE6000 无线随
钻测斜仪
48 ±0.2 ±1.0 ±0.5 120 125 北京六合伟业科技有限公司
17
电
磁
波
3TC–42 随钻测
斜仪
42 ±0.2
±1.5(7＜
顶角＜
173°)
±2.0 60 100 俄罗斯
14
表2 目前定向钻探技术主要应用的测井电缆
序号 电缆名