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鉆井工程中影響鉆井機械速度的因素及措施分析

更新時間：2020-05-28　點擊量：5088

1 影響鉆井機械速度的主要影響因素分析

1.1 地質因素影響

（1）在較深的地層結構中，由于巖層的硬度較大，所以可鉆性較差。隨著深度的增加，可鉆性等級越高，根據每層地質結構的不同，可鉆性也發生著變化。在較深的井段中，由于高溫高壓的原因，會提高可鉆性的等級難度。在含有泥巖和泥質砂巖的地層中，由于彈性、塑性和脆性發生了變化，所以提高了破碎的難度。在砂泥巖互層并且含有礫石層時，還會發生跳鉆現象，會降低鉆具的使用壽命，影響到鉆井機械的速度。

（2）深部地層巖性不均質，常發生礫石塊剝落，井下復雜情況發生幾率增多深部地層不但宏觀上巖性復雜，而且同一巖性結構復雜。在鉆井過程中，常有剝落坍塌的礫石塊，致使鉆頭先期損壞。

（3）地層溫度高。高溫高壓對鉆井液性能影響較大，也致使鉆頭保徑齒和切削齒脫落、井下工具密封失效和鎢鋼柱脫落，造成井下復雜情況增加和固井難度增大。

（4）地層傾角大。對于地層傾角大約為20～60。的井，為了控制井身質量，常常需要輕壓吊打，這就嚴重影響了深井的機械鉆速。

1.2 鉆井工程因素

（1）鉆井方式。

鉆井方式的選擇會直接影響到鉆井工程的效率，一般情況下，在確定完井深結構以后，就會根據結構選擇相應的鉆井方式，這是提高單位井段鉆井效率的重要因素。在以往的鉆井工程中，基本都采用以下鉆井方式。在上部地質比較松軟的地層，一般都會采用以水力破巖為主、機械破巖為輔的噴射式；在中深部地層井段中，采用機械破巖為主、水力破巖為輔的方式；在地層比較深的硬巖層，因為會對管內造成較大的壓力，增加損耗，所以主要是以機械破巖為主。這種傳統的機械鉆井方式，不僅速度低，并且耗用周期長，在能源需求量較大的時期，無法滿足能源勘探的發展需求。

（2）鉆井設備。

由于受到資金以及技術條件的限制，我國現有大部分的鉆井設備還比較落后，無法滿足能源勘探的發展需求。現階段的鉆井裝備主要包括鉆機、泥漿泵、泥漿凈化的固控設備、鉆桿鉆鋌等井下鉆具等，這些裝備的現有性能都是影響鉆井效率的因素。在鉆井工程中，因為上部井段的直徑較大，所以需要較大的排量，這就需要保證雙泵同時打鉆，在鉆桿鉆鋌的外徑尺寸不夠的情況下，就會導致井下的機械能量不夠，影響到鉆井速度；現有的泥漿凈化固控設備水平較低，無法有效降低泥漿中的固相含量，在泥漿密度較高的情況下，導致井下壓差增高，容易出現重復破碎現象；因為鉆桿鉆鋌的內徑較小，所以會增加下部井段的水能損耗，降低了鉆頭的壓降，影響到井底清洗的效果。

（3）鉆井液。

為了保證深層鉆井的機械提升速度以及安全性，一般都會使用鉆井液，防止井底坍塌、擴張直徑以及降低溫度。但是在深度鉆井中，隨著深度的下降，井底的壓差就會越來越大，機械提升速度就會受到影響，所以應該盡量降低鉆井液的密度，減少對井底壓差的影響。除此之外，鉆頭型號的選擇、鉆井過程中各項參數的優化以及鉆具的組合等，都是影響鉆井速度的重要因素，所以要科學合理的選擇。

2 提高鉆井速度措施

2.1 提高鉆井技術

從旋轉鉆井的角度出發，要想提高鉆井速度，主要應該增加鉆頭在巖底的破巖能量，從改善鉆壓和轉速兩個因素來提升。因為鉆壓和轉速的技術改進會受到很多因素的限制，所以從現階段的技術能力出發主要是以提高轉速為主。提高轉速主要有兩種方式：一方面是增加轉盤轉速或采用頂部驅動裝置，另一方面是采用井下動力鉆具加低轉速旋轉鉆柱的復合鉆井技術。但第1種方法受鉆具強度、鉆機能量限制，轉速提高幅度有限。而采用PDC+井下動力鉆具的復合鉆井技術，可充分發揮PDC鉆頭適宜高轉速剪切地層的特性，大大提高PDC鉆頭轉速和機械破巖能量，從而提高機械鉆速。

2.2 提高裝備水平

根據噴射鉆井理論，射流沖擊力的大小決定水力破巖效果。室內試驗證明巖石所能承受的抗外壓強度比抗內壓和抗張強度高，在相當水力壓力作用下，巖石發生水力壓裂和水力破碎。特別是對提高深井中上部井段機械鉆速成效顯著，因為深井大尺寸鉆頭鉆速較低的主要原因是鉆頭破巖能量不足，而深井大尺寸井段地層巖性相對較軟。如果能充分發揮利用高壓水力射流能量破巖，其水力高壓射流能量與鉆頭機械能量聯合破巖就會大幅度提高大尺寸井段機械鈷速。

2.3 欠平衡鉆井技術提速

液體欠平衡鉆井許多室內實驗和大量現場實鉆統計都表明：過平衡鉆井的正壓差不僅導致污染油氣儲層，也容易加重地層漏失，特別是在低壓、虧空及裂縫地層；同時由于正壓對地層巖石的壓持作用，也是影響鉆速的重要因素之一，欠平衡鉆井可以明顯地提高機械鉆速，同時減少漏失復雜情況，從而提高探井鉆井速度。條件成熟時可轉為霧化鉆井、泡沫鉆井、充氣液鉆井。

2.4 優化鉆井液技術

經過多年的探索與時間，目前已基本形成適合于快速鉆井的鉆井液技術。深井的上部井段使用鉆井液體系，歸納起來可以劃分為三大類：（1）鉀銨聚合物鉆井液體系；（2）聚合物——腐植酸鉀鉆井液體系；（3）聚磺鉀石灰鉆井液體系。中部地層在原聚合物鉆井液的基礎上，加入磺化處理劑、含有鉀離子的無機鹽或聚合物、防塌劑、潤滑劑等分別組成聚磺鉆井液、鉀基聚磺鉆井液、聚磺防卡防塌鉆井液體系。下部須家河組地層，巖性為砂巖、頁巖、碳質頁巖夾煤層（線）易剝落掉塊、垮塌，裂縫發育，并存在兩個不同壓力系統。其中以聚磺防卡防塌鉆井液體系應用較多、效果較好。

3 結語

為了保證能源的穩定供應，需要提高能源勘探工作的效率，而大多數石油天然氣等能源的地理分布不均，很多都儲存在地質結構比較復雜的地層中。在較深的地層中，經常含有大量的硬質巖石，可鉆性較小，所以為鉆井效率帶來很大的難度。在鉆井的過程中，由于受到技術條件的限制，鉆井機械的速度會受到不同程度的影響，以至于影響到我國能源勘探的發展進程。所以為了提升鉆井機械的運行速度，應該不斷的優化鉆進工具，提高鉆井技術，做好各項安全保障措施，為能源勘探事業的發展創造有利的條件。

具體地熱資料請下載文本：

全自動野外地溫監測系統

地源熱泵分布式溫度集中測控系統

礦井總線分散式溫度測量系統方案

礦井分散式垂直測溫系統

礦井測溫系統

TD-016C型地源熱泵能耗監控測溫系統

產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

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鉆井工程中影響鉆井機械速度的因素及措施分析

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