液动潜孔锤在煤矿井下穿层孔钻进中的应用

在乌兰矿利用常规回转钻进工艺施工穿层孔过程中,钻遇硬岩及软硬夹层时,遇到了钻进效率低下问题以及钻孔跑偏现象。将液动潜孔锤应用于煤矿井下穿层孔钻进施工中,使用潜孔锤与球齿钻头的钻具组合,效率较常规回转钻进工艺提高不明显,之后尝试使用了潜孔锤与胎体式冲击型复合片钻头钻具组合,效率较常规回转钻进工艺提高240%,钻孔偏斜也大幅降低。对液动潜孔锤钻进工艺参数进行了分析和计算,并给出了合理的参数匹配建议。     

阶梯式冲击挤密钻头结构优化设计及试验

为了对阶梯式钻头的结构进行优化设计,提高冲击挤密钻进效率,采用Drucker-Prager屈服准则为判据,将土体视为DP材料,冲击钻具视为刚体,利用有限元软件ANSYS建立了冲击挤密钻进有限元模型,基于APDL参数化语言对阶梯钻头的台阶数目及钻头结构尺寸进行了优化设计和试验研究。结果表明,对于直径为60mm,钻头体长为150mm的阶梯钻头而言,台阶数目为9时,钻头钻进速度最快。在此基础上对九阶梯钻头的结构进行了优化设计,与普通结构阶梯钻头相比,优化钻头钻进速度提高了22%。与传统方法相比,利用ANSYS优化设计模块对钻头进行优化设计简单、可靠,为钻头结构的最优化设计提供了一种新思路和新手段。     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

孔内深层强夯桩应用于湿陷性黄土地区

孔内深层强夯桩是由孔内夯扩技术制造的,由夯扩挤密桩桩体和桩间被挤密的土体构成复合地基.通过机械成孔时的侧向挤压作用使得桩间土得到第一次挤密,然后将桩孔用合适的散体材料分层投料,以特异型重锤对孔内填料分层夯实及夯扩挤密,使桩体材料侧向挤压地基土,甚至挤入至地基土层中,形成夯填过程中对桩间土的第二次挤密.因本法具有高动能、高压强、强挤密作用,且处理深度大(处理深度20 m左右),在一定程度上改善了桩间土的物理力学性质.由于该工法侧向冲击挤压力较大,可使土层中的软弱地段产生较大的水平向挤密,从而达到桩身在竖向上呈不等径串珠状,使桩体与桩间土镶嵌挤密在一起,桩体具有半刚性、半柔性的特点.     

气动潜孔锤钎头破岩分析及工艺参数优选

为提高硬质地层气动潜孔锤的破岩效率和进尺能力,基于非线性接触动力学理论,运用ABAQUS软件建立了活塞-气动潜孔锤钎头-岩石(花岗岩)仿真模型,采用无反射边界条件,分析了冲击速度和回转速度对钎头冲击反力、侵入深度和破岩比功的影响,进而对工艺参数进行优选。分析结果表明:冲击反力峰值与冲击速度近似呈线性增加,回转速度对钎头冲击反力和钻头侵入岩石深度影响较小;钎头在冲击破岩过程中存在多次反弹,活塞第二次撞击钎头后,钎头侵入岩石深度达到最大;相同条件下,冲击回转钻进破岩速度比仅在钻压作用下回转剪切钻进速度提高3~5倍;破岩比功受冲击速度和回转速度影响较大,随着冲击速度的增加,破岩比功存在一个最优值,当钻压为25 kN时,最优工艺参数组合为冲击速度8 m/s,回转速度20 r/min。研究结果可为现场工程施工提供参考。     

碳氮共渗试棒接触疲劳试验小结

一、前言 在钻井过程中,牙轮钻头的轴承同时承受接触载荷、冲击载荷、磨粒磨损和介质腐蚀等多种因素的作用。对钻头的受力分析和对失效钻头的解剖观察表明,由反复接触压应力所引起的接触疲劳破坏是造成钻头轴承失效的主要原因,其他因素则在不同程度上加速这种破坏     

两种反循环钻头的性能对比分析及应用

良好的反循环效果是贯通式潜孔锤反循环钻进的关键,为此,根据流体力学软件对2种钻头结构进行了流场对比分析,模拟实验得出抽吸效果较好的是窄缝式内喷孔结构、从压力云图可以看出窄缝内喷孔结构负压区分布均匀,但其集中应力较大,无法满足长时间的使用寿命,而双排内喷孔式反循环钻头集中应力较小,同时具备较好的反循环效果,因此具备工业性应用的可行性。在工业性试验中,对其中双排内喷孔式反循环钻头进行了现场测试,累计进尺43.2m,钻进效率为12.8m/h以上。工业试验表明,双排内喷孔式反循环钻头具有不仅良好的反循环效果,且实现了贯通式潜孔锤反循环钻进高效、快速的钻进目的,大大提高了使用性能。     

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。     

取样钻头在水合物岩层中破岩温度场仿真模拟

通过地质钻探对赋藏岩心进行取样是最为直观有效的水合物勘探方法。钻头钻进过程中往往会产生较高的温升,天然气水合物赋藏岩层对外界条件又具有非常高的敏感性,其周围温度和压力条件的改变会使水合物分解。为此,建立有限元模型并对钻头破岩过程进行仿真模拟,重点研究了取样钻头、水合物赋藏岩层以及岩心样品的温度分布和变化情况。研究结果表明,取样过程中温升较高的区域主要集中在井底,最高温升在井底呈散点状分布;钻头钻进时切削齿前端面尖点首先与岩层接触产生摩擦热,热量由尖点向内部传递导致温度梯度;钻速越高,钻头转速越快,岩层温升越高;钻探取样过程中摩擦热本身对岩心样品温升的影响较小,实际操作时应注意后续提钻作业中的保真保压。     

水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明，套管最大应力在套管内壁产生，均匀载荷下，增大弹性模量，减小水泥环厚度，保持水泥环厚度在10-20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下，载荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下，增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力，提高套管抗挤强度。     

气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法

在现行的钟摆钻具设计过程中,将第一个稳定器及其以下钻铤简化为简支梁进行计算。常规钻井液钻井时,钻压常远远大于稳定器以下钻铤浮重,忽略钻柱自身重力对轴向力的影响;而气体钻井时,钻压小,钻铤浮重大,此时钻铤自身重力的影响不得不考虑。以管单元模拟钻具的物理及几何特性,以间隙单元模拟钻具与井壁接触,采用有限元法,对气体钻井过程中下部钻具组合受力及变形进行了动态数值模拟,对单稳定器及双稳定器钟摆钻具组合进行了分析。该有限元模型不仅考虑了钻铤自身重力的影响,而且考虑了钻铤自转对其变形的影响,为钻柱力学分析提供了一种有效的手段,也为气体钻井防斜打直提供了理论依据。     

自激振荡式旋转冲击钻井工具在胜利油田的应用

摘要 :自激振荡式旋转冲击钻井工具安装于钻头上部 , 钻井液高速流经自激振荡器,形成水力脉冲作用于冲击传递杆,产生低幅高频机械冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果;所产生的水力脉冲再向下传递,经钻头水眼喷出形成脉冲射流,改善井底流场,提高井底净化和清岩效率,同时井底瞬时负压脉冲产生局部瞬时欠平衡,改变井底岩面破岩应力状态,可明显提高机械钻速。在胜利油田沙三和沙四段地层进行了钻井试验,无论是牙轮钻头还是 PDC钻头都有明显的提速效果,试验井段的机械钻速都提高了 30%以上,可成为钻井提速的新途径。     

提高深井钻井速度的几种技术

综述了国外近期深井钻井实践，探讨了深井钻井中深井钻井模拟技术、优化设计技术、近平衡钻井技术、钻头选型技术，应用井下动力钻具提高钻速技术，使用顶部驱动系统和随钻测量系统技术，深井钻井液技术和建立钻井分析及指挥中心等可行性技术，同时指出了我国深井钻井技术应开展的主要工作。     

三牙轮钻头滑动轴承副接触有限元分析

采用ANSYS分析软件的参数化设计语言APDL,利用接触问题的有限元法,对三牙轮钻头牙轮和牙爪间的间隙进行了分析和研究。首先建立了三牙轮钻头滑动轴承三维模型,然后利用网格划分技术对牙轮和牙爪进行网格划分和单元属性定义,最后施加边界条件进行接触有限元分析求解。通过调整间隙,得出不同间隙的轴承接触Mises应力峰值。经过分析比较,推荐轴承Mises应力峰值较小的尺寸间隙,用以指导生产。     

钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化

针对钻铤断裂事故,建立了2种普通API钻铤螺纹连接部位的有限元模型,并用有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况,同时对API标准应力减轻槽的钻铤公头螺纹连接部位进行了结构优化。以公头螺纹连接处2个过渡圆角半径R1、R2为设计变量,分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力的分布情况,改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平,并成功解决了库尔德地区钻铤螺纹断裂失效事故。     

水力脉冲诱发井下振动钻井工具研究

为有效提高深部地层钻井速度,充分发挥水力脉冲钻井和冲击振动钻井的技术优势,提出了水力脉冲诱发井下振动钻井的技术思想,并研制了相关的钻井工具。该类钻具的基本原理是调制水力脉冲,通过水力能量转换机构,将压力脉动直接转化为作用于钻头上的周期性冲击载荷,利用岩石在冲击载荷作用下易于破碎的特点、井底的水力脉动有助于改善井底岩石应力状态、强化岩屑净化的特性,提高了钻头的破岩钻进效率。实际应用结果表明,所提出的技术思想确实可行,研制出的工具原理正确,结构可靠,为提高深部地层的钻探效率提供了一个有效途径,可大面积的推广应用。     

川西地区高压天然气深井钻井完井技术

川西地区天然气储层埋藏深，纵向上普遍存在多个产层和异常高压气层，钻井过程中易出现井喷、井漏、井眼坍塌、卡钻等井下事故和复杂情况。针对复杂的地质条件，开展了技术攻关和现场试验，逐渐形成了包括深井井身结构设计、深井钻井液技术、储层保护技术、高压井控技术、深井长裸眼井段固井技术的深井配套钻井完并技术，并试验应用了包括螺杆钻具＋PDC钻头、深井PDC钻头、旋冲钻井技术、涡轮钻具等提高深井钻井速度的新技术、新工具。近年来，该地区高压天然气深井钻井速度、固井质量不断提高，井下事故及复杂情况不断减少，未出现井喷失控的重大事故，加快了该地区天然气勘探开发速度。     

可更换钻头套管钻井工具及工艺研究

采用常规钻机、利用转盘驱动的简易套管钻井技术由于受钻头寿命的限制，只能用于一只钻头钻至设计井深的情况，为此，研制开发了转盘驱动的可更换钻头套管钻井系统。该系统由起下工具、井下锁定工具串及坐底套管3部分组成。进行套管钻进时，井下锁定工具串锁定在坐底套管上，需更换钻头或井下锁定工具串时，往套管内部下入起下工具并解锁锁定装置，起出井下锁定工具串，更换完毕后，再将井下锁定工具串从套管内送入井底，锁定在套管柱末端的坐底套管上，起下过程中可保持钻井液的循环和钻柱的转动。该系统在吉林油田2口井上进行了试验，井下锁定工具串的下入成功率达到100％，并实现了套管正常钻进，但由于打捞矛无法进入到井下锁定工具串的打捞孔中，致使2口井都没有正常起出井下锁定工具串。详细介绍了可更换钻头套管钻井系统的组成、原理、施工工艺及现场试验情况。     

射孔对煤层扩孔段地应力分布影响的分析

在煤层扩孔时由于扩径比过大,扩径钻井时钻具工作扭矩相应也会很大,扩孔钻井工艺实现困难。为此提出了在扩孔前期利用射孔工具在煤岩中先进行射孔的方法,改变目的层煤岩应力,降低煤岩剪切强度,最终达到减小钻头切削接触力,降低钻头工作扭矩,提高钻井效率的目的。建立了煤层扩孔段有限元模型,给出了无射孔时煤层扩孔段井眼的应力分布,同时就煤层扩孔段布孔方案对井眼地应力分布的影响进行了研究。通过不同射孔方案对地应力的影响来确定最终优化的布孔方案。     

钻头牙齿过盈配合计算机仿真模拟实验研究

用弹塑性接触有限元法 ,建立了牙齿与牙轮体孔眼过盈配合的有限元力学模型 ,用ANSYS5 51软件对该力学模型进行了计算机仿真模拟 ,模拟并分析了牙齿压入孔眼的全过程 ,并根据孔眼的过盈量值 ,计算出了不同时刻需要在牙齿上施加的动态载荷。详细分析了孔眼壁附近的等效应力随牙齿压入深度的变化关系。当过盈量为 0 0 1 0、 0 0 2 0、 0 0 80和 0 1 0 0mm时 ,将牙齿全部压入孔眼内需要的压力分别为 1 2 4、 2 3 7、 46 1和 49 5kN ;当过盈量大于 0 0 35mm时 ,牙轮体内孔壁附近开始出现塑性变形 ,变形主要发生在孔眼根部 ;当过盈量超过 0 1 0 0mm时 ,牙齿不能全部压入。设计牙齿时必须把牙齿根部设计成有倒角的形式。