Programa Internacional de Perforación Científica
1. Descripción general del Programa Internacional de Perforación Científica
Bajo el marco de la Organización Internacional Continental de Perforación Científica (ICDP), se han organizado e implementado más de 20 importantes proyectos de perforación internacional. ICDP se centra en temas de investigación desafiantes en ciencias de la tierra y cuestiones socioeconómicas internacionales, como la dinámica continental y los peligros naturales, los sistemas volcánicos y los regímenes térmicos, la historia de la Tierra y el cambio climático, las colisiones tectónicas, las fuentes de energía no tradicionales, la biología profunda, etc. Entre ellos, los resultados de investigación destacados incluyen: perforación de núcleos en las montañas de San Andes de California, EE. UU., Chellenburg, provincia china de Taiwán, y el Golfo de Corinto en Grecia para estudiar los procesos básicos de los ciclos sísmicos en el volcán Unzen de Japón; Hawaii e Islandia Estudio del proceso de fluidos volcánicos supercríticos: investigación sobre la paleogeología y evolución climática del lago Titicaca, Malawi, Bosumtvi y Qinghai Lake; Chicxulub, Bosumtvi y Chesa bajo la colisión de meteoritos de diferentes tamaños El proceso de formación del cráter Peake Bay y su impacto en el entorno circundante. Los temas de investigación del ICDP en los próximos años incluyen: dinámica climática y medio ambiente global, cráteres y sus procesos de formación, biología subterránea, fallas activas, bordes de convergencia de placas y zonas de colisión, recursos naturales, etc. Para afrontar los desafíos de la futura perforación científica continental, la tecnología de perforación es un dispositivo que mejora los sistemas de perforación de seguridad dentro del pozo, la extracción de muestras no destructiva y libre de contaminación en formaciones complejas y los equipos de observación a largo plazo para entornos profundos y hostiles.
En los cuatro años comprendidos entre 2004 y 2008, la Organización Internacional de Perforación Oceánica (IODP) completó los siguientes estudios: Se necesitaron 55 años para completar la historia desde el invernadero hasta la casa de hielo en la cresta Lomonosov en el Ártico. Registro; se establecieron tres pozos de observación en la cresta Fuqa para investigar las corrientes submarinas en el lado de Juanshan. Al investigar los procesos de presiones ultraaltas y corrientes oceánicas en las aguas profundas del Golfo de México, se recuperaron datos del lecho rocoso del fondo marino de la Placa de Cox mediante perforación.
Los equipos de perforación para perforaciones en aguas profundas sobre hielo duro son una condición necesaria para que el ser humano pueda llevar a cabo expediciones polares eficientes. En el pasado, debido a la falta de buques de perforación especializados para romper el hielo, muchas expediciones científicas avanzaban lentamente o incluso no podían llevarse a cabo. Por ejemplo, el viaje 151 de ODP comenzó a perforar en las tierras altas de Yermak. No fue hasta 55 años después, en 2004, que el equipo de expedición ACEX de IODP recuperó la cima de la cresta Lomonosov en el fondo del Océano Ártico a 87° 55′ 16″ norte. de latitud y 139′ de longitud este, recientemente se construyó con éxito la instalación de investigación polar más avanzada del mundo, el rompehielos de investigación "Northern Lights" (Figura 1). Su profundidad de perforación se puede utilizar para romper el hielo en el hielo permanente. Cubre océanos polares con profundidades de agua de 80-5000 m. Estudio de perforación multidisciplinario internacional a largo plazo en el Ártico. El barco tiene un diseño de casco novedoso, equipado con navegación por satélite, sistema de propulsión azimutal y soporte de procesamiento de hielo. un espesor de más de 2,5 metros y está completamente cerrado. La plataforma de perforación y el estudio previo a la investigación permiten que el personal científico y técnico trabaje a tiempo completo en condiciones polares para cumplir mejor con los requisitos especiales. de perforación científica continental, ICDP encargó el desarrollo del PFZ (Geo-Forsechungs Zentrum) alemán. Un nuevo tipo de plataforma de perforación: Innovalig (Figura 2). En comparación con las plataformas de perforación petroleras estándar, esta plataforma de perforación tiene las siguientes características técnicas: puede perforar utilizando diferentes tecnologías, como perforación rotativa, extracción de muestras convencional, extracción de muestras con cable y diseño de plataforma de perforación modular. Tiene altos estándares de seguridad y alta automatización, y tiene un concepto de energía integral sin grandes sistemas hidráulicos de elevación y alimentación de cables, lo que reduce el impacto ambiental; La contaminación y la intensidad del ruido, reduce la cantidad de sitios y superficies y reduce los costos de perforación. La plataforma de perforación también tiene un almacenamiento de instrumentos de registro preestablecido. La unidad está equipada con una guía de cable de registro para permitir un registro rápido del colector de muestras de recortes de perforación y del gas de lodo. El analizador basado en el principio de espectrometría de masas permite realizar investigaciones in situ; el sistema de información de perforación se ha integrado con el sistema de información de perforación ICDP.
Los parámetros técnicos de la plataforma de perforación son: capacidad del generador 3×1540 kVA, potencia motriz 4000 kW, potencia de la bomba de lodo 3×1000 kW, profundidad de perforación 5000 m, carga nominal del gancho 3500 kN, velocidad de rotación 220 rpm, par de torsión 40 ~ 75 kN · m , La carrera del cilindro de elevación es de 22 m y se utiliza el cabrestante de extracción de cables.
Figura 1 Rompehielos de investigación "Northern Lights"
Figura 2 Plataforma de perforación innovadora alemana
En términos de obtención directa de energía subterránea a través de la perforación, el Proyecto de Perforación Profunda de Islandia (IDDP) ) es bastante sorprendente. Islandia es un país volcánico. En el centro del volcán, se desarrollan fuentes de calor de alta temperatura para la generación de vapor o agua para proporcionar calor localizado. En estas zonas, un pozo con una profundidad de 2.000 a 3.000 metros tiene una temperatura en el fondo de 300°C y una temperatura en la boca de 200°C. Un solo pozo puede generar de 500 a 2.000 kilovatios de electricidad. Desde 2002 se están realizando preparativos para perforar a una profundidad de 4.000 a 5.000 metros para investigar los recursos geotérmicos. El objetivo de este trabajo es determinar si es técnica y económicamente viable extraer energía y líquidos químicos en condiciones superiores al punto crítico de temperatura y presión del agua dulce (374,15 °C, 22,12 MPa). En agosto de 2008 se perforará el primer pozo profundo en el campo geotérmico de Krafla, en el noreste de Islandia. Cuando el pozo alcanza una profundidad predeterminada, la temperatura en el fondo del pozo será tan alta como 400~600℃, y la energía generada por el vapor se estima en 4~50W. Si se confirma esta predicción del IDDP, conducirá a enormes avances en la economía de los recursos geotérmicos de alta temperatura en Islandia y otras regiones. Se ha obtenido la financiación para el primer pozo profundo y se prevé completar el proyecto de perforación en un plazo de cuatro a cinco meses, y las pruebas del ciclo del pozo se llevarán a cabo en 2009.
2. Proyecto de perforación del pozo Songkey 1 de China Cretácico Continental Scientific Drilling (Beijing).
Pozo Songke 1 es un proyecto del Programa Nacional 973 "Grandes Eventos Geológicos en el Sistema Superficial del Cretácico y Cambio Climático de Efecto Invernadero". Con el fin de obtener datos de propiedades físicas de los estratos del Cretácico para la investigación geológica, se implementó un proyecto de perforación de ciencias ambientales en la cuenca Songliao en el noreste de mi país. El proyecto consta de un pozo sur y un pozo norte (también conocido como pozo principal). Las profundidades del pozo son 1810 my 1910 m respectivamente, y se requiere que la tasa de recuperación del núcleo sea 90. Entre ellos, el pozo sur puede convertirse en un pozo de producción de petróleo una vez finalizado. El pozo fue construido por Daqing Oilfield de acuerdo con los procedimientos de perforación petrolera, y el pozo norte solo recolecta muestras de roca y lo lleva a cabo el Instituto de Tecnología de Exploración del Servicio Geológico de China. organizado por la Universidad de Geociencias de China y la Compañía de Ingeniería Geológica y Mineral de Henan. Los requisitos para la perforación continua de este pozo lo diferencian de la perforación petrolera ordinaria; la formación encontrada durante la perforación es sedimentación de la cuenca del lago y el diámetro de terminación es de 156 mm. Es necesario instalar un sistema de control de presión en el pozo. , que es diferente de la perforación geológica. Por tanto, los equipos y la tecnología utilizados en la construcción de Beijing tienen sus propias características.
1. Equipos y tuberías: equipo de perforación con fuente de agua de 2000 m
Debido a los requisitos de profundidad del pozo, diámetro del pozo y perforación segura en el pozo, el diámetro de la tubería de perforación utilizada en el pozo no debe tener menos de 73 mm, pero debe ser de producción nacional. Si la plataforma de perforación con núcleo utiliza este tipo de tubería de perforación, no puede alcanzar una profundidad de perforación de casi 2000 m, por lo que se selecciona un equipo de perforación con fuente de agua de 2000 m. En comparación con las plataformas de perforación petrolera que perforan la misma profundidad de pozo, tiene las ventajas de peso liviano, tamaño pequeño, bajo consumo de energía, tamaño reducido y bajos costos de operación y mantenimiento. El elevador levanta la sarta de perforación y desenrosca la plataforma giratoria de la plataforma de perforación. Es fácil de operar y compacto. Las desventajas son que la resistencia de la tubería de petróleo es baja y, a diferencia de la perforación petrolera, se puede alimentar con fuerza. y la tasa de penetración mecánica es baja al perforar roca dura. La altura de elevación de la plataforma de perforación es limitada y el tiempo auxiliar de disparo es largo.
2. Plataforma de perforación elevada: cumple con los requisitos de instalación de equipos de control de pozos.
La plataforma de perforación de la plataforma de perforación de fuente de agua de 2000 metros está ubicada directamente en el suelo. Para instalar el preventor de explosiones en la boca del pozo, se diseñó un marco de cimentación de acero y se aumentó la altura de la plataforma en 2,1 m (Figura 3). Al final de la perforación, el marco resistió la carga estática del equipo de 200 kn, la carga de perforación de la sarta de perforación suspendida de 400 kn y la carga de viento de nivel 7 o superior, sin ningún signo de inseguridad.
Figura 3 Diseño del efecto del chasis de la plataforma de perforación
3. Perforación con núcleo - tecnología de perforación con núcleo
Especificaciones y estructura de la herramienta de perforación:
Taladro Diámetro exterior de la broca: 156 mm.
Diámetro del núcleo de broca ordinaria de doble tubo: 96 mm.
Diámetro del núcleo de la herramienta de perforación Fidelity (triple tubo): 82 mm.
Longitud máxima de sujeción del núcleo: 9m.
El tubo de escape de la herramienta de perforación Fidelity es un tubo de material orgánico de PC con buena transparencia, buena rigidez y propiedades químicas estables que se utiliza para proteger las muestras sueltas de posibles alteraciones durante el proceso de perforación. dejarse con la tubería durante la extracción sin daños. Las muestras son fáciles de almacenar y transportar y se pueden cortar y estudiar después de congelarlas en tubos de ensayo.
(1) Muestreo de fidelidad a prueba de líquidos de la capa de arenas movedizas: la formación a una profundidad de 162 a 211 metros es una capa de arenas movedizas no consolidada. Al perforar, la cavidad interna de la herramienta de perforación debe estar completamente aislada. del fluido de perforación que fluye, de lo contrario entrará. La muestra de arena de la broca puede agotarse parcial o completamente por la erosión. La herramienta de perforación diseñada se utilizó para perforar casi 50 m en la capa de arena, con una tasa de muestreo de 82 (Figura 4).
Figura 4 Efecto de muestreo de la herramienta de perforación de fidelidad y a prueba de líquidos
(2) Broca de aleación de bloque adecuada para formaciones blandas a medianamente duras: la sección del pozo de 245 a 950 metros es larga Fangolitas blandas y sus intercalaciones con lutitas y areniscas quebradizas o apretadas. Si se utiliza una estructura de broca convencional, es fácil perforar en lutitas blandas, pero la tasa de penetración mecánica es baja en formaciones estrechas. Además, debido a la escasa resistencia a las virutas y al desgaste de las herramientas de aleación, es necesario reemplazarlas con frecuencia y el cuerpo rígido de la broca es costoso. Si la herramienta se reemplaza directamente sobre el cuerpo rígido, la vida útil del cuerpo rígido será corta y el costo aumentará. La estructura integrada con un gran espacio de drenaje y eliminación de virutas que se muestra en la Figura 5a no solo elimina el fenómeno de perforación en lutitas blandas, sino que también se adapta a los cambios en la formación blanda y dura. Todavía se pueden utilizar 900 metros de metraje, 190 tiempos de perforación rígidos, casi 700 horas de perforación pura y 5 brocas. La formación rocosa encontrada por la broca se muestra en la Figura 5b.
(3) Utilizando perforación rotatoria combinada con perforación con tornillo en lutita apretada: después de que la profundidad del pozo alcanza los 1250 m, la formación ingresa a lutita apretada negra. Ya sea una broca de aleación o una broca de PDC, el WOB aumenta a 45 kN y la capacidad de bombeo es de 950 L/min, pero la velocidad de perforación mecánica es de solo 0,2 ~ 0,3 m/h con una plataforma giratoria impregnada con brocas de diamante. , la velocidad de perforación mecánica es de sólo 0,5 m/h. Las brocas impregnadas dependen del triturado de rocas rotas a alta velocidad, pero debido al equipo Wainai, la velocidad máxima de rotación de la plataforma giratoria durante la operación solo puede ser de 90 rpm. Para aumentar la velocidad de la broca y la tasa de penetración mecánica, se pone en marcha el motor de tornillo para impulsar el fondo del pozo y se pone en marcha la plataforma giratoria a baja velocidad (37 rpm) para eliminar la fricción estática entre la sarta de perforación y el pared del pozo para que el WOB pueda transferirse uniformemente. El efecto de perforación de esta medida se puede comparar en la siguiente tabla.
Figura 5 Broca de aleación con incrustaciones y su efecto de perforación
La tendencia de desarrollo de las ciencias de la tierra contemporáneas: el foco del 33º Congreso Geológico Internacional
(4) Herramienta de extracción de núcleos hidráulica: el núcleo de las herramientas de perforación convencionales debe extraerse directamente del tubo interior. Para las herramientas de perforación de gran diámetro, el método de extracción de núcleos tradicional no solo requiere mucha mano de obra y lleva mucho tiempo, sino que también causa deformación plástica del núcleo frágil y daño del núcleo frágil debido al bloqueo de la tubería, vibración mecánica, caída libre del núcleo, etc. Y la información original de la formación se destruye artificialmente. El dispositivo de extracción de muestras hidráulico desarrollado en este pozo solo necesita conectar la tubería de suministro de lodo a la herramienta de perforación, luego sellar el espacio anular en el extremo inferior de las tuberías interior y exterior, y utilizar la presión del agua para empujar el núcleo fuera de la tubería interior. , eliminando todos los aspectos del método de extracción de muestras tradicional y se logra una extracción de muestras verdaderamente no destructiva de los núcleos de perforación convencionales. El principio y el trabajo de campo del dispositivo se muestran en la Figura 5.
(5) Resultados de la protección de la pared de lodo: la primera formación es una capa de arena que fluye suelta y lutita blanda, y la tecnología de lodo no está a la altura del estándar, lo que puede causar fácilmente accidentes en el fondo del pozo, como taladros atascados y enterrados. , y también puede causar el colapso de secciones largas del pozo. Pasaron 53 días calendario desde el inicio hasta la finalización de la perforación, y la perforadora se disparó y disparó 110 veces en las capas de arenas movedizas y lutitas blandas. No sólo nunca causó peligro en el pozo, sino que el diámetro del pozo fue regular y la perforación. El asentamiento era pequeño. Durante la cementación, la inyección de fluido en el pozo mostró que el coeficiente de sobrediámetro del pozo era inferior a 1,08. La longitud total de la segunda sección del pozo es de 1.566 metros. La parte superior está compuesta de lutitas blandas sensibles al agua intercaladas con arenisca quebradiza y conglomerado. La sección de 850 a 1.500 metros contiene múltiples secciones de formaciones fáciles de caer. Pasaron 193 días calendario desde la segunda apertura hasta la finalización de la perforación del pozo abierto, y la herramienta de perforación se levantó un total de 295 veces. No hay accidentes de perforación causados por la expansión y contracción de formaciones sensibles al agua y el desprendimiento de formaciones frágiles.
4. Revisión integral
(1) Indicadores técnicos de perforación con testigos (ver tabla en la página siguiente).
(2) Comparación técnica y económica entre los pozos sur y norte: el pozo norte utilizó equipos de perforación de fuentes de agua y tecnología de perforación de núcleos, que duró 8 meses, con una profundidad de perforación de 1811 m, material de extracción de muestras de 1630 my una tasa de recuperación de núcleos de 95; el pozo sur utilizó equipos y tecnología de perforación petrolera, que duró 3 meses. La profundidad de perforación fue de 1915 metros, el metraje de extracción de muestras fue de 965 metros y la tasa de recuperación de núcleos fue del 98%. Comparando las condiciones objetivas de los dos pozos, aunque es difícil perforar el pozo norte, los estratos encontrados son complejos, incluidos 50 metros de arenas movedizas sueltas y 500 metros de lutita extremadamente densa. El equipo de construcción no sabía nada sobre la naturaleza de los estratos. Cuando ingresaron al sitio, en general, dijeron que las tasas de captura principales de ambos métodos pueden cumplir con los requisitos de la investigación científica. La eficiencia de perforación de los equipos de perforación petrolera es mucho mayor que la de los equipos de perforación de agua; el costo de ingeniería de los equipos de perforación de petróleo es más de tres veces mayor que el de los equipos de perforación de agua. Por lo tanto, partiendo de la premisa de que el progreso del proyecto coincide con el progreso de la investigación científica, elegir tecnología de perforación combinada para implementar proyectos de perforación científica ambiental es una forma factible de reducir efectivamente los costos de la investigación científica.
La tendencia de desarrollo de las ciencias de la tierra contemporáneas: el foco del 33º Congreso Geológico Internacional
(Autor Zhu Yongyi)