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中国地质科学院勘探技术研究所国际领先技术系列之一:小口径钻孔的“血管支架”

2016-06-08      来源:中国矿业报     编辑:刘晓慧
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  深部地质钻探施工常常因孔壁坍塌、掉块、溶洞、漏失等孔内事故造成钻孔受阻,严重时还会导致无法继续钻进,从而使即将完成的钻孔报废。

  如同人体内的血管出现破裂、梗阻,就会导致严重事故,必须寻求途径彻底解决。膨胀波纹管护壁技术就是在这种需求下被勘探技术研究机构列入研究范围的。

  膨胀套管护壁技术是一种把钢制圆形或异形套管及其连接部位的冷扩工艺,从工厂车间转移到井下数千米深处,通过液压或机械力完成膨胀成形的新型套管护壁技术。更形象地说,膨胀波纹管护壁技术是采用类似于血管支架的方法将事故孔段进行护壁隔离,从而确保后续施工安全进行。

  该技术被誉为二十一世纪国际钻探工程领域的核心技术之一。

  据了解,膨胀波纹管技术自上世纪70年代开始研究,1975年俄罗斯Tatneft石油企业开始研究在不固井和不减小井眼尺寸的条件下将相同直径的保护套管下入预定位置,于1978年获得成功。其研究的波纹管尺寸系列在直径132毫米~245毫米范围内共5种规格。

  在我国,有石油企业从2004年开展膨胀波纹管护壁技术的研究,研发了3种规格的膨胀波纹管和配套设备及工具,分别适用于直径215.9毫米、直径241.3毫米、直径311.1毫米的井眼。

  目前,即便是在国际范围内,开展膨胀波纹管护壁技术项目的研究,均限于石油行业大直径系列。

  此技术在地质勘探领域的研究及应用一直处于空白状态。而对地质钻探适用的直径在76毫米和96毫米井眼的小口径膨胀波纹管护壁技术,更是无人问津。

  据可查到的资料显示,直径越小,膨胀波纹管护壁技术实施难度越高。因此,国内外对其研究并成功应用的报道鲜有见到。

  国内第一次将小口径膨胀波纹管护壁技术列入研究范围,始于2013年。作为国土资源部公益性行业专项复杂地层膨胀套管技术的应用研究项目的核心内容,小口径膨胀波纹管护壁技术由中国地质科学院勘探技术研究所承担。

  宋刚是承担这一项目的负责人。

  经过3年深入研究,中国地质科学院勘探技术研究所成功进行了直径76毫米、直径96毫米规格的应用,在小口径膨胀波纹管的研究和地质钻探事故处理技术方面,使我国处于世界领先地位,填补了国际空白。

  据先容,小口径膨胀波纹管护壁技术在研发过程中,攻克了四项技术难题。

  首先,解决的就是小口径波纹管的成型难题。

  波纹管的成型就如人体血管下入支架,特殊结构的小于血管内径的支架需要下入到血管狭窄处,再用特殊方法将其膨胀并固定在此处,最终达到此处的血管内径不小于正常直径。

  小口径膨胀波纹管因结构尺寸限制,要求膨胀管变化率要大于20%,并且是通过冷拔成波纹形后还要液压胀回圆形,同时所选膨胀管材质需满足较低的屈服强度和较高的抗拉强度,并且延展性要强,波纹管需要进行两次直径冷变化。

  宋刚带领团队,利用2008年~2014年《深孔膨胀套管护壁技术研究》、《膨胀式尾管悬挂技术及固井工艺研究》、《膨胀套管护壁技术研究与推广应用》三大项目,根据膨胀套管对材料性能的要求,对大量的材料进行力学性能研究测试,最终突破了小口径膨胀套管的材料开发难题,确定选择一种“编号KP02”、具有较好塑性变形能力的材料作为地质勘探用可膨胀波纹管的材料,制成厚度为3毫米的十瓣梅花型薄壁小口径波纹管,成功解决了小口径波纹管的成型难题。

  其次,实现了小口径膨胀波纹管在环状小间隙孔内下入及悬挂。

  宋刚认真总结了地质勘探膨胀套管施工特点,设计了一套适合开发的三种形式膨胀套管的施工工艺技术,并着重解决了膨胀套管悬挂技术、膨胀管管串对接技术、长距离膨胀管打压膨胀技术以及小井眼扩孔技术。

  小口径膨胀波纹管膨胀前的最大口径与井眼尺寸相差仅5毫米~6毫米(直径76毫米的孔内下入的波纹管最大截面尺寸为70毫米),并且截面为波纹形状,采用传统的环状径向橡胶悬挂技术很难将波纹管与孔壁紧密锚固在一起。

  经过反复试验,他们最终采用轴向弧型胶条冷硫化粘结技术(ARCVB)解决了小口径膨胀波纹管在环状小间隙孔内下入及悬挂的难题。膨胀套管在孔内借助管体表面的橡胶压缩后形成悬挂力,牢牢地固定在孔内,对事故段进行封堵;当事故段长度过长,需要对膨胀套管管串进行连接时,可通过特殊焊接工艺,在孔口对所需长度的膨胀套管管串进行焊接。

  其原理是巧妙利用膨胀波纹管波谷,定制弧形胶条,采用冷硫化技术将胶条硫化至波纹管波谷中,在不增加径向尺寸的情况下,将膨胀管膨胀后与井壁因轴向胶条压缩作用紧紧锚固,使安装到位的膨胀管可以承受钻进中钻杆敲击和起下钻时钻头对波纹管的冲击。

  再次,小口径多根膨胀管对接技术突破了限制膨胀管广泛应用的瓶颈。

  受波纹管膨胀成形工艺和长途运输影响,单根波纹管长度为9米左右。由于护壁长度需根据事故孔段长度确定,当护壁长度大于7米时(上下需留最少1米的悬挂段),单根波纹管不能完成护壁工作,需要将多根波纹管对接,由于波纹管截面的不规则性,对膨胀管的对中和连接技术要求非常高。另外,膨胀管仅有3毫米壁厚,连接后的接口需承受不低于25兆帕变形要求,并且因波纹结构影响,波峰波谷的膨胀率完全不同,这就给连接技术带来极大挑战。如果此项技术不攻克,小口径膨胀波纹管技术很难推广应用,应用范围将会大大缩小。

  项目组从对接方式、熔接材料及对接工艺等方面进行攻关,经过大量的试验并经过野外验证,彻底解决了小口径膨胀管对接难题,突破了长度瓶颈限制,从而使膨胀波纹管技术在地质钻探事故处理中可以进行大范围推广应用。

  目前,小口径膨胀波纹管护壁技术已经在千米孔深进行了成功应用。

  广西壮族自治区地球物理勘察院在其所承担施工的南丹马鞍山孔明银铅锌矿区进行取芯作业时,在裸孔段孔径76毫米、孔深1035米处发生严重孔内坍塌,导致该孔无法正常作业。

  此后6个月,他们采用各种事故处理方法进行尝试,均无法成功,此孔面临报废的危险。施工单位面临巨大经济损失。

  最终,中国地质科学院勘探技术研究所技术人员赶赴现场救急,采用膨胀波纹管技术,利用膨胀管将事故孔段进行隔离,一举解决了深孔孔壁稳定问题,使得该孔得以正常钻进,并顺利终孔。

  另外,山东招远黄金集团地质勘查有限企业在招远栾家河矿区也是采用小口径膨胀波纹管技术,在孔径76毫米、孔深1789.5米~1810.5米处成功进行了护壁。

  为解决花岗岩地层精确扩孔难的难题,中国地质科学院勘探技术研究所还首次采用了先进的液控双层扩孔钻头,不仅延长了单次扩孔长度,同时也使扩孔孔壁光滑度增加,为膨胀管波纹管膨胀悬挂成功打下了基础。

  膨胀套管护壁技术就好比人体血管下入支架技术一样重要,解决了困扰数十年的钻探技术难题,使我国钻探事故处理技术走在了国际领先地位。

  经过大量的室内试验,由中国地质科学院勘探技术研究所自主研发的膨胀套管护壁技术已完全满足地质勘探施工条件,其中小口径膨胀波纹管护壁技术已在四川、甘肃等地的施工现场推广应用,护壁深度达1800多米,挽回直接经济损失达500多万元。

  小口径膨胀波纹管护壁技术的应用成功为我国深部地质找矿战略目标的实现,提供了新技术、新工艺、新方法,为我国地质调查深部找矿钻探技术提供了较高的技术保障,为我国钻探钻孔向更深、更复杂的区域发展奠定了技术基础;大大提高了深部钻探成功率,减少了孔内事故,降低了施工成本,缩短了施工周期;简化了钻孔结构,减少了钻孔开次,减少了套管及钻具数量,大大降低了钻探成本,具有很大的社会经济效益。

  “等径钻进”被钻探界称为钻探行业的“探月工程”。而小口径膨胀波纹管技术成功应用尤为重要的意义在于,为“等径钻进”打下了基础,使钻探行业的“探月工程”的成功实施成为可能。□

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