葛晓华1,2，李博1,2，宋世杰1,2，刘峰1,2，王强1,
桁架结构2
(1.山东省地矿局钻探工程技术研究中心，山东烟台 264004;2.山东省地矿局第三地质大队，山东烟台 264004)摘 要:Y S T -48R 是一种正脉冲随钻测斜仪㊂它是在钻进施工过程中,
地面设备通过实时接收泥浆脉冲随钻测斜数据，并利用井下单弯螺杆钻具，实现定向钻进的随钻定向钻进设备㊂Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术在南黄海C S D P -2井扩孔改造钻进过程中的应用，有效地控制了钻孔轨迹，缩短了海上钻探施工周期，降低了施工成本，井斜㊁井径㊁全弯曲强度，井身质量满足设计要求㊂本文重点介绍了Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进应用中的影响因素及技术措施，为今后海洋深部的扩孔作业钻探施工提供了技术支撑㊂ 关键词：泥浆脉冲；随钻测斜；螺杆钻；定向钻进
中图分类号:P 634.7 文献标识码:B 文章编号:1009282X (2023)02002007
A p p l i c a t i o n o f D i r e c t i o n a l D r i l l i n g T e c h n o l o g y w
i t h Y S T -48R M u d P u l s e I n c l i n a t i o n M e a s u r e m e n t W h i l e D r i l l i n g
G E X i a o h u a
1 2
L I B o 1 2
S O N G S h i j i e 1 2
L I U F e n g 1 2
W A N G Q i a n g
1 21 D r i l l i n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r o f S h a n d o n g B u r e a u o f G e o l o g y &M i n e r a l R e s o u r c e s Y a n t a i S h a n d o n g
264004 C h i n a
2 T h e T h i r d G e o l o g i c a l B r i g a d e o f S h a n d o n g B u r e a u o f G e o l o g y &M i n e r a l R e s o u r c e s Y a n t a i S h a n d o n g 2
64004 C h i n a A b s t r a c t Y S T -48R a p o s i t i v e p u l s e i n c l i n o m e t e r w h i l e d r i l l i n g i s a d i r e c t i o n a l d r i l l i n g e q u i p m e n t w h i l e d r i l l i n g t
o r e a l i z e d i r e c t i o n a l d r i l l i n g b y r e c e i v i n g r e a l -t i m e m u d p u l s e i n c l i n a t i o n m e a s u r e m e n t d a t a a n d u s i n g d o w n h o l e s i n g l e -b e n d s c r e w d r i l l i n gxoy2
t o o l d u r i n g d r i l l i n g c o n s t r u c t i o n T h e a p p l i c a t i o n o f d i r e c t i o n a l d r i l l i n g t e c h n o l o g y w
i t h Y S T -48R m u d p u l s e i n c l i n a t i o n m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g i n t h e d r i l l i n g p r o c e s s o f C S D P -2w e l l e x p
a n s i o n a n d r e c o n s t r u c t i o n o n t h e S o u t h Y e l l o w S e a e f f e c t i v e l y c o n t r o l s t h e
b o r e h o l e t r a j e
c t o r y s h o r t e n s t h e o f f s h o r e
d r i l l i n g c o n s t r u c t i o n p
e r i o d a n d r e d u c e s t h e c o n s t r u c t i o n c o s t w e l l d e v i a t i o n w e l l d i a m e t e r
f u l l b e n d i n
g s t r e n g t
h a n d w e l l b o r e q u a l
i t y a l l m e e t s t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s T h i s p a p e r m a i n l y
i n t r o d u c e s t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s a n d t e c h n i c a l m e a s u r e s i n t h e a p p l i c a t i o n o f d i r e c t i o n a l d r i l l i n g w
i t h Y T -48R m u d p u l s e i n c l i n a t i o n m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g w h i c h c a n p r o v i d e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r d r i l l i n g i n d e e p o c e a n r e a m i n g i n t h e f u t u r e K e y
w o r d s m u d p u l s e i n c l i n a t i o n m e a s u r e m e n t w h i l e d r i l l i n g s c r e w d r i l l d i r e c t i o n a l d r i l l i n g 收稿日期:20220522
作者简介：葛晓华(1979-)，男，本科，助理工程师，主要从事矿产资源勘查与钻探工程技术研究,E -m a i l :804854421@
q q
.c o m ㊂0 引言
海洋深部地震监测可以有效地服务于地球科学系统深部探测和防灾减灾等国民经济建设㊂为促进海洋深部地震观测技术的发展和科学研究的需要，进一步提升我国海域地震安全保障能力，中国地震局地球物理所依托南黄海大陆架科学钻探C S D P -2井进行井孔改造，以便在南黄海地下深井内架设地震监测台网设备，实现在该区域中长期㊁连续的地
震㊁形变㊁温度等多参量观测㊂受井下观测设备规格
约束，要求钻孔全程孔斜ɤ5ʎ，全弯曲强度ɤ2ʎ
/30m ,
这给钻孔扩孔施工带来极大的挑战㊂为满足上述要求，山东省第三地质矿产勘查院在对南黄海C S D P -2井进行扩孔改造过程中,
利用Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术进行随钻定向钻进，实时传输测斜数据，最终实现全程孔斜
最大值为4.94ʎ，全孔最大全弯曲强度1.86ʎ/30m ,
圆满完成预期目标㊂本文介绍了Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术在C S D P -2井扩孔改造过程中的应用，为今后海洋深部的扩孔作业钻探施工提供了技术支撑和经验参考㊂
1 钻孔概况
C S
D P -2井是位于南黄海大陆架的全取心钻孔(
图1)，终孔孔深2801.86m ,
先后钻遇第四系㊁新近系㊁下三叠统㊁二叠系㊁石炭系㊁泥盆系和下志留统㊂钻孔地层全部为沉积岩，岩性复杂多变，其中:0~646m 为未 固结的松散沉积物,646~1722m 为长石岩屑砂岩㊁泥质粉砂岩㊁泥岩互层,1722~1980m 为灰岩层,1980~
2350m 以石英砂岩为主夹泥岩㊁泥质粉砂岩,2350~
2801.86m 为泥岩㊁
粉砂岩夹白云岩[2]
㊂在钻探过程中，钻遇地层出现不同程度的破碎㊁裂隙与漏失，大颗
粒掉块多，地层稳定性极差，导致扩孔作业难度较大
㊂
图1 南黄海C S D P -2井钻孔位置图
螺杆钻具F i g
.1 C S D P -2w e l l l o c a t i o n i n t h e S o u t h Y e l l o w S e a 通过C S D P -2井的钻孔资料掌握了该区域地层
结构与产状特征，为达到设计要求，采用了定向钻进技术进行施工，能够有效控制井孔轨迹㊂通过综合研究地质结构和岩性特征，对原C S D P -2井的井孔钻井液性能进行调整，以满足Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术要求㊂
C S
D P -2井的井身结构如图2所示,
一开和二开为原井预留套管，已经完成固井作业，三开直径
152.4m m ，裸井终孔2801.86m ㊂按照设计要求,
井孔扩孔完井全程孔斜ɤ5ʎ，全井最大全弯曲强度ɤ2ʎ/30m ，且扩孔后裸眼井径ȡ150m m ㊂
2 钻探技术及施工工艺
2.1 设备㊁
工具㊁管材本次施工是对已完井的C S D P -2
井现有井身进
图2 井孔结构图F i g .2 W e l l s t r u c t u r e d i a g
r a m 行改造，使用螺杆马达全面扩孔钻进工艺㊂综合考
虑地层㊁孔深㊁原有海上钻井平台安全承载能力等各项因素，在钻机㊁泥浆泵㊁钻杆㊁钻探工具㊁管材㊁工具
等材料方面进行调整[
3,10,15
]㊂钻机使用T S J 3000-445型机械传动转盘钻机,
采用B W -1500/12和B W -1000/12两台卧式三缸单作用活塞泵，配备X C 140/12Y A 修井动力钳,
钻塔为K 31-90/2.8钻塔㊂定向设备使用北京海蓝
MW D 仪器，钻头为直径152.4m m 牙轮钻头和直
径152.4m m P D C 钻头，钻具包括127m m 螺杆㊁
水过滤板
89m m 无磁承压钻杆㊁121m m 定向接头,
钻杆包括120m m 钻铤㊁89m m 钻杆㊁140m m 扶正器㊂2.2 钻井液体系
本次扩孔改造施工过程中，钻井液既要满足Y S T -48R 泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术要求，还要综合考虑钻遇地层特点㊂经过钻探中心实验室和北京探矿技术研究所结合以往施工经验，采用海水
低固相聚合物钻井液体系㊂施工过程中重点预防胶结性差的碎屑岩和破碎的碳酸盐岩坍塌㊁掉块以及地层漏失㊂
在地层完整情况下，补充浆按海水无固相聚合物钻井液配方配制，逐步降低钻井液中的固相含量㊂加入抗盐共聚物(G T Q )提高钻井液的悬浮和携带能力，确保包被剂(B B J )在钻井液中的含量，提高钻井液的黏度㊁润滑性及其对岩屑的絮凝和包被作用,
必要时应开动固控设备㊂
钻遇松散㊁破碎地层时，加入降滤失剂(G P N A)降低钻井液滤失量，并根据钻井液消耗㊁胶结及破碎程度，添加防塌型随钻堵漏剂和轻质碳酸钙㊂钻遇破碎地层时，也可以采用聚乙烯醇护壁㊂
钻遇胶结性差或地应力较大的地层时，将预先配置好的膨润土含量较高的泥浆(折合成需要的膨润土量)
加入到上述低固相泥浆中，依据孔壁稳定需要调节泥浆的密度并添加封堵材料㊂加入极压润滑剂(G L U B)可以降低扭矩，提高钻具和泥浆泵易损件的使用寿命㊂抗盐共聚物㊁G P N A㊁G S T P及包被剂尽可能以胶体溶液的形式加入㊂
钻遇含H2S地层时，应在加除硫剂的同时，加入大量N a2C O3，保持p H>10㊂
钻井液性能参数见表1㊂
表1钻井液性能参数
T a b l e1P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f t h e d r i l l i n g f l u i d
孔深/m密度/
(g㊃c m-3)
漏斗
黏度/s
塑性黏度/
(m P a㊃s)动切力/P a初切力/P a终切力/P a
A P I滤失量/
(m L㊃30m i n-1)
泥皮厚度/
m m p H
646~15001.05~1.1030~4510~255~72~53~76.0~13.5ɤ0.19~13 1500~20001.05~1.2030~5010~305~152~55~1814.0~18.0ɤ0.29~13 2000~28001.05~1.2030~5010~305~152~55~1814.0~18.0ɤ0.28~10
2.3钻进参数的选择
根据钻遇地层特点选择不同的钻进技术参数，通过及时调整钻铤长度控制给进压力㊂
646~1722m钻遇地层为长石岩屑砂岩㊁泥质粉砂岩㊁泥灰岩互层时，钻压10~20k N，转速43~ 60r/m i n，泵量8~10L/s;1722~1980m为灰岩层,1980~2350m以石英砂岩为主夹泥岩㊁泥质粉砂岩，钻压20~
40k N，转速43~200r/m i n，泵量8~12L/s;2350~2801.86m钻遇地层灰岩层㊁石英砂岩㊁泥岩㊁白云岩互层时，钻压30~80k N，转速43~200r/m i n，泵量8~12L/s㊂
2.4钻头选择
根据地层岩性及其抗压强度，选配了不同类型的钻头[4,6,8,11]，见图3㊂
图3钻头类型
F i g.3D r i l l i n g b i t t y p e
646~1722m孔段为低抗压强度㊁高可钻性的较软地层，选用537牙轮钻头或P D C6H R D5135钻头;1722~1980m孔段为中软㊁有较硬研磨强度地层，选用537牙轮钻头或P D C6H R D5135钻头; 1980~2350m孔段地层抗压强度高，有硬夹层，选用617牙轮钻头或P D C6H R D6135钻头;2350~2800m孔段为高抗压研磨性高的地层，选用617牙轮钻头或P D C6H R D6135钻头㊂
3Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术3.1工作原理
定向钻进技术是主动控制钻孔轨迹，使其按预定钻孔曲线钻进㊂该孔采用Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜仪，其工作原理是将测斜仪传感器测得的井下参数进行编码，产生脉冲信号，脉冲信号控制伺服阀阀
头的运动，利用循环的泥浆使主阀阀头产生同步的运动，以实现对主阀阀头与限流环之间的泥浆流通面积的控制㊂
在主阀阀头提起状态下，钻柱内的泥浆可以较顺利地从限流环通过(图4)；在主阀阀头压下状态时，泥浆流通面积减小，从而在钻柱内产生了一个正的泥浆压力脉冲(图5)㊂
图4主阀阀头提起状态
F i g.4M a i n v a l v e h e a d l i f t i n g s t a t u主人遥控导尿管控制排尿
s
图5主阀阀头压下状态
F i g.5M a i n v a l v e h e a d d e p r e s s e d s t a t u s
定向探管产生的脉冲信号控制主阀阀头提起或压下状态的时间，从而控制了脉冲的宽度和间隔，主阀阀头与限流环之间的泥浆流通面积决定信号的强弱㊂将获得参数数据输送到地面，使技术人员及时掌握钻孔轨迹并通过单弯螺杆钻具控制钻头走向，实现实时定向钻进的目的[8]㊂
3.2仪器概况
Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜仪由井下测量仪器(定向探管㊁脉冲发生器㊁电池筒㊁循环套总成㊁链接件㊁通用件)和地面设备(压力传感器㊁司显远程数据处理仪㊁数据处理仪C L W T-300等)两部分组成㊂根据测得钻孔轨迹，配合单弯螺杆钻具定向钻进[7]㊂Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜仪及单弯螺杆钻具见图6㊂
图6Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜仪及单弯螺杆钻具
F i g.6Y S T-48R m u d p u l s e i n c l i n o m e t e r w h i l e d r i l l i n g a n d
s i n g l e-b e n d s c r e w d r i l l i n g t o o l
3.3施工前准备
将数据处理仪及计算机放进仪器房，确认仪器房与井台的距离，架设缆线㊂关闭泥浆泵，打开泥浆管线的放空阀，立管中的泥浆放空后，把压力传感器焊在立管上㊂放置位置应遵循既方便布线，又不会在作业时被碰到的原则[5]㊂
3.4技术措施及现场施工注意事项[12-13]
无线随钻对现场条件和操作的要求比较高，受钻井平台空间限制，在仪器使用过程中，操作人员应随时和机组的人员进行沟通㊂安装压力传感器时应焊接牢固，保证其抗压固定安全可靠㊂施工时注意对远程数据处理器㊁压力传感器㊁电缆的防碰和清洁，以防泥浆的腐蚀㊂
起钻前，应将井底和泥浆罐内的固化颗粒物循环干净；起钻时，操作人员应注意起钻拉力，必要时先用方钻杆开泵上提钻杆单根，待起钻拉力表拉力平稳后，再正常起钻㊂
仪器下井后，要求下钻速度平稳㊂下钻遇阻时，上提1支立柱循环泥浆，接单根开泵循环下钻，至下钻无阻力，正常下钻㊂仪器应放在无磁钻铤内，测斜仪确保投放到位㊂使用该仪器应在定向接头下装回压阀，并每20柱左右灌泥浆一次，每次起钻前必须检查回压阀的弹簧和循环短节内的循环套是否工作正常㊂下井前，用提升短节将钻具提起，入转盘卡瓦内，使旁通阀位于转盘之上，装上安全卡瓦，卸去提升短节，检查旁通阀的灵活性(具体方法是：用木棒压下阀芯，然后松开，阀芯在弹簧力的作用下，恢复正常，反复压下3~5次，阀芯无卡阻，运动灵活，接着将钻具旁通孔部位下到钻盘以下开泵，
旁通孔封闭，马达启动，驱动接头旋转，停泵后，阀芯复位，泥浆从旁通孔泻出，则钻具正常)㊂仪器下井后应在700m左右处做浅层实验,1000m左右处做中层实验，或根据现场情况分层次进行中层实验㊂
在钻进过程中，泥浆滤子应放在方钻杆下的钻杆中，接单杆时取出泥浆滤子，将滤子内杂物清洗后，将泥浆滤子放在新接单根内，再接方钻杆㊂定向钻进时，钻进速度要均匀平稳，复合钻进时，转盘不能挂高速挡，以免损坏仪器；测斜时，转盘应静止，不得活动钻具，不能停泥浆泵㊂使用仪器时，泥浆泵应工作平稳，泵压8~14M P a，每个泥浆泵的三个回压阀应正常工作，泥浆应符合使用要求㊂钻具下井时，严格控制下放速度，以防过快时马达倒转，使内部连接螺纹松动，同时防止在通过砂桥㊁套管鞋等处撞坏钻具，下到井底前根据钻孔情况，多留一至多柱开始循环泥浆，接单根开泵循环到井底㊂
钻进中记录螺杆钻具下井纯钻时间和测斜仪电池下井时间，合理安排起下钻划眼，更换钻头㊂3.5影响螺杆定向钻进的主要因素
在钻孔改造过程中，影响定向钻进的因素包括海况㊁交通㊁设备㊁地层㊁人员等多方面因素㊂3.5.1海况因素
为确保施工安全，台风㊁寒潮天气到来之前需作业人员撤离钻井平台，井下设备需在撤离前提出孔内，
取下电池桶，并将设备清洗干净，防腐蚀保存备用㊂对下井时间过半的的电池㊁螺杆钻具，不再二次使用，以减少施工时的起下钻频次[15]㊂
3.5.2设备因素
观测值
该井采用T S J3000-445型机械传动转盘钻机(图7)，钻机自动化设备较少，钻进过程中设备操作㊁卷扬机给进速度㊁机余计量精度依赖人工等，劳动强度较大，影响钻进效率㊂
图7T S J3000-445型机械传动转盘式钻机
F i g.7T S J3000-445m e c h a n i c a l-d r i v e r o t a r y d r i l l 泥浆泵采用B W-1500/12和B W-1000/12两台卧式三缸单作用小口径岩心钻探活塞泵，螺杆钻具需大泵量冲洗液循环，单泵低转速泵量不能满足螺杆钻具钻进对钻井液的泵量的技术要求㊂在施工过程中，出现泥浆泵长期过载运行造成部件损毁现象(图8)㊂为满足螺杆钻具正常工作，现场采用了联泵并机工作，降低泥浆泵转速，且满足钻进泵量要求㊂在双泵定向钻进过程中发现受多缸体往复运动频率过快影响,Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜仪地表接收信号杂波太多，无法正常工作，考虑使用单泵定向钻进至开始复合钻进恢复联泵并机工作[9]㊂
图8B W-1000/12泥浆泵齿轮箱损坏
F i g.8B W-1000/12m u d p u m p g e a r b o x d a m a g e d 该井采用的89m m石油多功能钻杆的抗弯强度和韧性差，大弯度易折断㊂
3.5.3地层因素
孔深646~1722m段地层为长石岩屑砂岩㊁泥质粉砂岩㊁泥岩㊁灰岩互层，地层部分孔段夹杂软质黏土层，泥岩㊁灰岩的强造浆作用，致使P D C钻头极易出现泥包(见图9)，泥化部分易水化，造成冲洗液固相含量高，不利于螺杆钻进㊂
孔深1400~2600m段地层为灰岩层㊁石英砂岩㊁泥岩㊁泥质粉砂岩㊁粉砂岩夹白云岩等夹杂煤层，油气层含H2S[11]㊂地层稳定性极差，大颗粒掉块多，存在不同程度的破碎带㊁大裂隙和漏失㊂严重漏失时，对设备脉冲信号传输及螺杆钻具运转均造成影响，给钻进轨迹的控制带来一定的影响㊂
区域岩层可钻性级别普遍偏高，定向钻进困难
,
图9起钻后钻头泥包
F i g.9B i t m u d p a c k a f t e r d r i l l i n g
复合钻进出现多起跳钻现象，严重影响钻头㊁螺杆寿命，甚至出现总成钻头的胎体脱落事故[7,11]，见图10㊂
图10出现严重跳钻后起钻的钻头
F i g.10D r i l l b i t p u l l e d o u t a f t e r s e r i o u s t r i p p i n g
3.6定向钻进施工效果
2021年11月20日完井，实际钻进进尺为2801.86m㊂Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术随钻定向测斜数据见表2，全程孔斜最大4.94ʎ，全孔最大全弯曲强度1.86ʎ/30m，最大孔斜位于2490m，最大全弯曲强度位于1440m，井身质量满足设计要求㊂根据随钻定向钻进井深轨迹数据分析，南黄海 一带一路 地震监测台网建设观测井井孔岩性变化多样，地层造斜因素影响大，采用复合钻进稳斜，配合定向钻进纠斜，能有效掌握钻孔轨迹，确保井身质量㊂
4结语
钻进过程对井斜㊁井径㊁全弯曲强度的要求严格，以确保井孔质量能满足投放仪器要求㊂C S D P-2井采用的Y S T-48R泥浆脉冲随钻测斜定向钻进技术，能够实时监控钻孔随钻定向钻进井深轨迹数据减少了起钻测斜㊁纠斜过程，提高了劳动效率，缩短
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