泡沫钻井用空气锤工作性能研究

介绍了空气锤气室结构和工作原理,提出了空气锤工作的关键点是后气室与活塞的能量积聚和前气室向井底的能量释放。从气室结构参数、钻头尾管尺寸参数、气缸与活塞之间的间隙3个方面分析了泡沫钻井用空气锤的工作性能,并提出了保证空气锤泡沫钻井的调整方案,对空气锤钻井技术应用于泡沫钻井具有参考价值。     

SGQ-320型气体钻井用贯通式潜孔锤的研制

常规空气锤钻井技术在石油钻探领域得到了较大的发展和应用,为气动潜孔凿岩工具的发展和使用提供了广阔空间。在系统分析总结反循环空气锤气体钻井技术优势的基础上,详细介绍了SGQ-320型贯通式潜孔锤的组成及工作原理、关键结构参数及零部件的设计、性能参数仿真计算等整个研制的思路和过程。根据拟施工的井眼尺寸,以满足钻头体积碎岩所需冲击能量为前提,计算确定活塞的质量及关键参数,进行具体结构设计,并利用计算机模拟仿真程序辅助进行性能参数设计。SGQ-320型贯通式潜孔锤已完成室内调试,各项性能指标均达到了预期设计要求。该工具的成功研制为石油钻探提供了新的技术支持,能够融合气体钻井、冲击旋转钻井、反循环钻井三者优势,提高复杂地层、深井硬岩地层钻井速度。     

潜孔冲击器结构性能参数优化研究

为了研究潜孔冲击器的冲击运动规律,提高其冲击性能,采用有限差分法,通过对活塞运动进行数学建模及MATLAB仿真计算,模拟活塞动力学过程,并得出潜孔冲击器相应的冲击性能参数。同时研究后气室配气长度对潜孔冲击器冲击性能的影响,对后气室排气长度、后气室压缩长度和后气室进气长度建立关于冲击功率、冲击功和冲击频率的正交分析试验,并对数据结果进行优化,以更好地提高潜孔冲击器的冲击性能。研究结果表明:对冲击功率影响最大的是后气室进气长度,对冲击功影响最大的是后气室排气长度,而对冲击频率影响最大的则是后气室排气长度及后气室压缩长度;优化后冲击功率提高9. 64%,冲击功基本保持不变,冲击频率提高10%。相关研究对潜孔冲击器设计及应用具有一定的指导意义。     

空气锤撞击应力波模拟研究

空气锤钻井具有转速低、钻压小、控制井斜容易、提高机械钻速、减少钻井时间和成本等优点，因而在国内外各个领域受到广泛的重视和应用。但是研制大直径、高性能空气锤仍然是目前的难题，空气锤活塞和钻头在撞击过程中产生极高应力，严重制约了空气锤尺寸的设计，导致构件寿命大大降低。根据应力波传播理论及赫兹非线性撞击理论，应用差分原理对空气锤整个撞击过程、撞击过程中活塞和钻头受力进行了模拟研究，并编制了空气锤撞击应力波的模拟程序；应用此程序就活塞中截面位置变化对其性能的影响进行了研究。通过实例分析，得出空气锤活塞中截面位置对活塞受力影响较大，对整个凿入效率影响不大的认识。     

液动射流式冲击器工作数学模型建立

从液动射流式冲击器活塞冲锤的受力分析入手，建立了活塞冲锤的运动方程，并求出了解析解，编制了液动射流式冲击器计算机辅助设计软件。液动射流式冲击器设计软件的计算结果与室内冲击器试验进行了对比拟合，实测值与计算值吻合的较好，误差小于6％，并通过软件模拟计算得出了各参数变化对冲击器性能参数的影响，为液动射流式冲击器的设计提供了理论依据。     

新型液动射流冲击器顶紧及密封机构设计

针对液动射流冲击器中压盖与射流元件之间出现的密封及缸体活塞卡死问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构,对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验。试验得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度,得到了冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明：该机构可以解决液动射流冲击器内部零部件因预紧力不足导致的密封失效和因预紧力过大导致缸体变形、活塞运动受阻或卡死的问题;冲击器的性能参数得到了优化,可以根据现场所需的冲击功和冲击频率,对冲击器的流量等操作参数进行调节,以满足不同地层岩性的钻井需求。     

空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺，为了实时评价空气锤钻头的工作效率，提高钻井施工可控性，对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论，分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理，引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型，并提出能量传递效率η_tr，辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型，研制了空气锤钻井机械比能计算软件，可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率，并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明，该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符，本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

液动射流冲击器顶紧及密封机构设计与试验

针对以往液动射流冲击器中元件压盖与射流元件之间出现的密封失效、缸体变形及活塞运动受阻等问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构。对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验,得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度以及冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明,该液动射流冲击器工作正常,稳定性良好,在不同排量下具有稳定的冲击功、冲击末速度和冲击频率。现场应用中,可以通过调节冲击器的行程参数和操作参数获得最佳的冲击功和冲击频率,以满足地层岩性的钻井需求。     

固井、压裂装备性能参数及曲线的自动生成

固井压裂装备性能参数的计算在产品设计和设备验收改造过程中会经常的使用。由于输入参数的变化复杂,设计人员在计算中会反复的进行参数调整。固井、压裂装备性能参数及曲线的自动生成采用“Excel”电子表格,利用其计算和函数功能,解决了设计计算中繁琐的计算过程。通过自动生成的性能曲线,可以直观发现设备配置参数的分别状况和配置的合理性,是设计人员理想的计算工具。     

石油钻井液动射流式冲击器的设计

根据石油钻井的工况条件，确定了射流式冲击器性能参数的设计目标，利用正交试验法对冲击器的主要结构参数进行了优化设计。优化设计基于大量室内模拟实验数据所建立的数学模型，所设计的冲击器性能参数与实际测试结果基本吻合，优化设计结果也揭示了射流冲击器各结构参数与性能参数相互影响的规律。同时亦介绍了石油钻井液动射流冲击器在结构设计上的创新点。     

空气锤钻头保径技术探析

介绍了空气锤钻头结构特点和空气锤保径技术研究现状,把空气锤钻头磨损分成了钻头齿断齿、钻头齿掉齿、钻头齿偏磨、钻头齿齿高磨损、钻头刚体磨损及钻头刚体划伤6种形式,并从材料选择、结构设计和空气锤钻井工艺3方面对磨损进行了分析。从材料选择和结构改进2个方面对现有空气锤进行了改进,提出了"三翼面"保径空气锤钻头。新型空气锤保径钻头在龙岗39井空气锤钻井应用中取得了钻进1 899.35 m只磨损2.5 mm的好成绩。     

基于虚拟仪器检测系统测射流冲击器性能参数

目前经常应用的液动冲击器冲击性能参数的测试方法有多种,但均存在某种缺陷。为此给出了一种测试射流冲击器性能参数的方法,即基于LabVIEW虚拟仪器平台的检测系统,用于测试射流冲击器的冲击功及频率。介绍了冲击频率检测电路、声音拾取电路、声音传送及变换电路。通过系统压力检测电路,可测得冲锤活塞上、下腔压力,求得冲锤活塞的单次冲击功。该方法具有操作简单、测试方便、成本低、开发周期短、测试可靠、精度较高等优点。     

井下震源发生器优化设计

针对随钻地震强度低、不利于井眼间防碰监测的问题，设计了一种蓄能式井下震源发生器。该发生器主要由活塞、弹簧、冲锤、铁砧和延时装置等组成，通过钻井液蓄能获得高效冲击功。为使其获得最佳输出性能，以冲锤为研究对象，建立了井下震源发生器冲锤流道模型，基于CFD动网格技术，利用CFD软件分析了弹簧刚度、冲锤质量、节流面积、出口直径和数量等设计参数及钻井液密度对井下震源发生器输出性能参数的影响规律，分析得知:节流面积、出口数量、出口直径和钻井液密度与井下震源发生器输出性能参数呈正相关关系；弹簧刚度越大，冲锤最大冲击功对应的位移越小；冲锤的质量越大则速度越小。基于单因素分析结果，以冲锤冲击功为优化目标，利用正交试验优选了设计参数组合方案。研究结果表明:各设计参数对井下震源发生器输出性能的影响不尽相同；出口直径和弹簧刚度对井下震源发生器输出性能的影响极为显著，节流面积、冲锤质量和出口数量对井下震源发生器输出性能的影响显著，而钻井液密度的影响不显著。根据研究结果筛选出了各设计参数水平的最优组合，研究结果还可以为井下震源发生器的设计提供依据。      

空气锤钻井技术在定向井中的应用

空气锤钻井技术用于直井钻井可以提高机械钻速和防斜纠斜,同时也可用于定向井和水平井中,以提高机械钻速和缩短钻探周期。为此,介绍了国外空气锤钻井技术在定向井中的应用,包括自回转式空气锤钻井技术和空气螺杆马达驱动式空气锤定向钻井技术,分析其在油田的应用效果,以期对国内空气锤定向钻井技术提供技术参考。     

空气锤钎头齿孔过盈配合数值模拟研究

传统方法在研究空气锤钎头齿孔过盈量问题时大都是针对单个齿孔进行的,而且对模型进行了过度简化,没有考虑钎头本体的复杂几何外形和相邻孔间应力的相互影响,无法得出整个钎头体上的应力分布。为此,分别用弹塑性力学方法和有限元方法对齿孔在不同过盈量下的应力分布情况进行了计算。结果表明,弹塑性分析与有限元分析结果一致,钎头中心齿齿孔过盈量取0.05～0.06mm、边齿齿孔过盈量取0.06～0.07mm时较合理,弹塑性力学方法的计算值比较保守,但仍有重要的参考价值。利用ANSYS软件对钎头齿孔过盈配合进行有限元计算,是改进齿孔设计的有效方法,此方法也可用来分析PDC钻头和牙轮钻头齿孔过盈配合问题。