第1章 套管程序设计 生成套管，套管的长度不同，软件里如何有效区别

钻井条件：钻井深度13000m，直井；岩心直径≥70mm。

地层条件：上部沉积岩和下部结晶岩两种情况考虑；取心钻进比率：5%左右。

确定井身结构和套管程序的基本原则：

1）套管程序留有余地，以满足钻遇复杂地层时，增加套管层次的需求；

2）套管与井壁之间有足够的间隙，以保证下套管、固井施工的顺利进行；

3）采用标准尺寸套管，尽量采用普通的连接方式，特殊条件下，可考虑采用无接箍套管或特殊接箍套管；

4）可能采用尾管固井，以节省钻井成本。

套管程序特点：

1）除导管之外，考虑7层套管，留1级储备，即最多可有8层套管。

2）上部采用“超前孔裸眼钻进方法”施工，解决大直径井段的取心问题和垂孔钻进问题。技术方案是：在活动套管内先采用小直径钻进（215.9mm全面钻进和取心钻进），再把井眼扩大到下套管、固井所需的尺寸。

3）全部采用标准尺寸套管，上部扩孔井段采用非标准钻头尺寸，以便能在有限的空间内多下套管，可减小钻进直径和套管直径，降低钻井成本。

4）从245mm套管开始，套管柱设计成尾管，以节省钻井成本。

依据上述原则，确定井身结构和套管程序如表1.1、表1.2和图1.1所示。钻进技术方法见表1.3所示。抗拉强度校核见表1.4所示。

表1.1 13000m超深井井身结构和套管程序-1

图1.1 13000m超深井的井身结构和套管程序

表1.2 13000m超深井井身结构和套管程序-2

表1.3 13000m科学超深井钻进和井斜控制技术方案

表1.4 套管抗拉强度校核一览表

m科学钻孔施工设想技术方案~

张伟
（中国地质勘查技术院，北京　100083）
摘要　介绍了制定中国结晶岩取心科学深孔钻进施工技术方案的总原则和先决条件。以此为基础，提出了建议的钻孔结构套管程序。最后提出了能满足这些原则、条件以及钻孔结构和套管程序要求的5000m取心科学钻孔施工设想技术方案。
关键词　取心深孔　科学钻探　技术方案
1　制定方案的总原则
在结晶岩中施工5000m深的取心科学钻孔，是对钻探技术的有力挑战，需要采用特殊的钻探技术。钻探技术设计的总原则是：在满足地学研究要求和技术可行的前提下，力求最佳的施工经济性。具体地说，应体现以下三个原则：（1）尽量采用现有的钻探技术，进行必要的改进和开发；（2）主要采用国产的设备、器具，少量国内一时无法解决的关键设备、器具考虑从国外引进；（3）结合地质钻探和石油钻探技术的优点，使深孔硬岩中连续取心钻进和钻机负荷能力同时得到解决。
2　制定方案的先决条件
2.1　钻孔深度
中国大陆科学钻探的首钻地点初步选定在大别—苏鲁地区，目的是研究该地区具有世界最大规模的超高压变质带。根据地质研究的要求，钻孔深度在5000m以内，此方案均按5000m考虑。
2.2　钻孔直径
钻孔直径是科学钻探技术设计中一个至关重要的参数，关系到采用的钻探技术方案、测井技术方案、地学信息获取量和钻探计划的费用，因此须慎重研究、综合考虑和权衡后予以确定。若仅考虑降低施工成本，则钻孔直径应尽量小。但施工科学钻孔的目的是获取地学信息，测井是从钻孔中获取信息的重要手段之一，因此钻孔直径应能保证测井的实施。
测井技术现状表明，地质勘探用小直径测井仪一般只能在2000m以内的钻孔中使用。我国施工5000m科学钻孔须借助于石油工业的测井仪。对国内外测井技术调查的结果皆表明，若考虑多种测井方法在同一钻孔中使用，钻孔的终孔直径应不小于6in（152mm）。故本文方案中终孔直径按6in考虑。
2.3　取心钻进比率
按100%考虑。即全孔不间断地取心钻进，以满足地学研究的要求。
2.4　岩层条件
主要为结晶岩，如片麻岩、硬玉石英岩、榴辉岩和少量大理岩。
2.5　取心钻进方法
国内外的经验表明，钻孔直径较小时，在深孔硬岩中进行连续取心钻进，唯有采用金刚石绳索取心方法，才能获得最佳的技术经济效果。故此方案考虑采用该方法施工，并主要使用孕镶金刚石钻头。
3　建议的钻孔结构和套管程序
以 （445mm）牙轮钻头开孔，钻至稳固岩层，下 （340mm）孔口导管，水泥固井，悬挂7in（178mm）活动套管，然后以6in（152mm）金刚石绳索取心系统进行取心钻进。若岩层稳定，可一直钻至终孔深度（参见图1a）。若遇到了不稳定层，可扩孔下套管固井，封住不稳定层。然后继续悬挂7in套管，并以6in口径取心钻进。该方案中考虑了两层套管储备：第一层是以 牙轮（或滚刀）钻头扩孔，下 套管；第二层是以 钻头扩孔，下7in套管。相应的两种终孔情况分别见图1b、c。

图1　5000m科学钻孔的钻孔结构和套管程序

实际上，这里提出的钻孔结构和套管程序设计是参考了原苏联实施科学钻探时采用的“超前孔裸眼钻进”的思路。即在地层条件为未知、钻孔结构和套管程序设计缺乏依据的情况下，不预先确定套管下入的深度，但在口径设计上留有下套管的余地。先以较小直径尽量裸眼往下钻，遇到复杂层后，再扩孔下套管。这样可能以最小的钻孔碎岩体积和最少的套管完成施工。该施工程序经原苏联大量实践证明经济有效。德国施工KTB先导孔也部分采纳了这一思路。
以上建议的方案还有一个特点，即只用一种规格的绳索取心钻进系统。相比之下，若采用两种规格的绳索取心钻进，不但在研究开发和购置钻杆方面耗资大，而且小规格绳索取心钻杆用于5000m深孔的技术难度较大。
4　钻探施工设想技术方案
4.1　钻机方案
在6in钻孔中取心钻进，将采用 绳索取心钻杆柱。5000m 绳索取心钻杆柱的质量是135t，考虑安全系数后，要求钻机的大钩载荷为2400kN。目前世界上能力最强的地质岩心钻机的大钩负荷为1200kN，远不能满足施工5000m科学钻孔的要求。石油钻机具有足够的承载能力，但回转速度太低，不能满足高转速金刚石钻进工艺的要求（施工6in钻孔，要求钻机转速不低于300r/min）。综合考虑对钻机承载能力和转速要求后，建议采用国外已成功使用的地质钻探/石油钻探组合技术方案，即利用石油钻机的承载能力，加装电动或液压顶驱钻进系统，以能进行高转速金刚石取心钻进。这种方案已分别在德国、美国和英国得到了采用，其可靠性和经济性都得到了验证。
4.2　钻杆柱方案
钻杆柱是钻进施工的关键部件，5000m深孔绳索取心更是对钻杆柱有特殊的要求。拟采用 的钢质绳索取心钻杆柱。我国在钻井管材方面与国外差距较大，地质岩心深钻和石油深钻管材都是从国外进口，该方案中的绳索取心钻杆也将考虑从国外引进。
4.3　取心钻进系统方案
建议采用以绳索取心为基础并结合其它一些先进的孔内钻具的组合式取心钻进系统，综合各种系统的优点，以获得更好的钻进技术经济效果。目前我国已成功使用和初步研制成功的组合式取心钻进系统有：①不提钻换钻头系统；②绳索取心液动锤系统（图2）；③螺杆马达不提钻换钻头系统（图3）。这些系统都有很好的应用前景。进一步的研究和改进应提高其对深孔条件的适应性，增强其可靠性和有效性。
4.4　钻头方案
拟主要采用孕镶金刚石钻头来进行取心钻进。国内已有成熟的钻头技术。在深孔硬岩条件下使用，改进研究工作的重点是：在保证钻头寿命足够长的前提下，提高钻头机械钻速；由于在硬岩中使用，须加强钻头的保径。还要考虑一些新型金刚石材料（如大颗粒、高强度、热稳性单晶和“勘探奈特”等）的采用。
4.5　钻井泥浆方案
5000m结晶岩取心钻孔施工对钻井液要求较高，难度在于钻井液须同时满足多项要求，如要求钻井液中固相含量尽量少，甚至无固相；要求组分尽量简单，以避免对地球化学测试分析结果产生负影响；钻井液系统具有优良的流变性能、剪切稀释和润滑减阻性能；要求耐温150℃。我国的钻井液技术已有相当的水平，基本能满足此种施工对钻井液的苛刻要求。进一步研究应解决的主要问题是：①钻井液组分对地球化学测试影响尽量小；②钻井液系统的流阻和摩阻尽量低。

图2　绳索取心液动锤系统


图3　三合一（绳索取心、螺杆钻、不提钻换钻头）钻具结构

4.6　定向钻进技术方案
由于采用绳索取心钻进工艺，一些有效的垂孔钻进措施的实施受到限制，只得采用常规的定向钻进技术，即以稳定器组成的保直或降斜孔内钻具组合为垂孔钻进的基本措施。当出现无法控制的钻孔偏斜后，采用螺杆马达和弯接头（或弯外管）组成的纠斜或造斜系统予以纠正。
5　技术可行性评价
我国在结晶岩中施工5000m取心科学钻孔在技术上是可行的。除了加装在石油钻机上的顶部驱动系统和绳索取心钻杆需要从国外进口外，所有其它设备和器具都可立足于国内解决。鉴于科学深钻施工的特殊性和技术难度，应进行适当的技术研究与开发，改善现有设备和器具的性能。此外，还要对小环隙条件下深孔取心钻进过程和工艺进行研究，掌握其规律，为开发和改进工作以及未来施工的顺利进行奠定好的基础。所有这些以我国现有的钻探技术力量完全可以解决。
参考文献
[1]刘广志.中国大陆科学钻探先导孔的战略与设想.西部探矿工程，1994,2.
[2]E.A.科兹洛夫斯基.科拉超深钻井（下）.北京：地质出版社，1989.
[3]H.Rischmueller et al.Advanced drilling technology for the continental deep drilling program of the Federal Republic of Germany.KTB Reprot 93-2,1993.

1、建筑工程中的套管一般在：给排水管道、电气管道、电缆、人防通风管道等穿墙时用。
2、给排水管道的套管：人防密闭墙上用密闭套管（长度一般为人防墙厚度两边各加5cm）； 穿水池、外墙时采用刚性或柔性套管，刚性套管与墙体同厚度，柔性套管内边突出墙外约5——8cm、外边与墙平齐。
3、电气管道、电缆用套管：穿外墙内用刚性防水套管，一般均根据设计要求的长度突出外墙、内边与墙平齐。
4、人防通风管道用套管：密闭套管，长度一般为人防墙厚度两边各加15cm不等或按设计图纸要求。