冰层取心回转钻进模拟实验台的设计与测试

极地钻探实践表明,冰盖底部冰岩交界附近地质情况异常复杂,不但可能存在暖冰、基底融水,甚至还存在厚度不等的冰岩夹层,取心钻探异常困难,而优选钻头类型、确定合理的钻进参数是保证其安全、快速钻进的重要因素。本文设计了一套能够模拟冰层回转钻进的实验台,其技术参数为:钻压、转速分别可在0~10 k N、0~300 r/min范围内调节,最大扭矩约100 N·m。该实验台能够测量钻头切削具温度、钻孔深度及钻进速度等参数,为深入研究钻头类型及结构参数、钻进参数对扭矩、钻速和切削温度的影响规律提供了手段。采用PDC复合片钻头进行了冰钻实验,结果表明,实验台能够准确调节钻压和转速,可满足实验要求。     

可循环空气泡沫钻井技术在元坝10井的应用

针对川东北地区上部陆相地层砂岩、泥岩、页岩互层频繁,硬度大,研磨性强,常规钻井液钻井机械钻速低,而气体钻井由于地层出水无法顺利进行的技术难点,研发了适合该地区上部地层钻进的空气泡沫流体配方,研制了HX-350型环隙式机械消泡器,形成了可循环空气泡沫钻井技术。元坝10井Φ660.4 mm导眼段应用了可循环空气泡沫钻井技术,该井段的平均机械钻速为4.88 m/h,与邻井常规钻井液钻井井段相比,平均机械钻速提高了3倍;消泡器消泡效果显著,累计回收泡沫基液2230 m3,节约清水2230 m3,污水处理量减少2230 m3,并大大减少了发泡剂的消耗。应用结果表明,可循环空气泡沫钻井技术能有效解决大尺寸井眼的携岩问题,实现泡沫基液的循环利用,大幅度降低泡沫钻井成本,具有广阔的推广应用前景。      

潜孔锤冲击作用下土体变形的有限元分析

潜孔锤冲击挤密钻进过程中周围土体的变形机理是一个高度非线性问题。针对潜孔锤在土中的面-面接触问题,运用Drucker-Prager屈服准则为判据,将土体视为DP材料,通过钻具与土之间的接触及施加冲击载荷来模拟钻进过程,从而建立了潜孔锤在土中冲击挤密钻进的有限元模型。利用非线性瞬态动力学有限元分析手段,对钻进过程中冲击力对土的作用加以研究,分析了钻具周围土体的应力、应变以及钻具与土体的摩擦情况。结果表明,在冲击载荷作用下,锥形钻头前端土体应力集中,并形成应力泡,冲击功主要用于竖向压缩土体,而水平方向的挤压作用相对较小,摩擦应力在钻头锥面附近出现峰值,是影响钻进速度的主要原因之一。     

冲击取样钻头与土体相互作用的有限元分析

针对冲击取样器在土中的面–面接触问题,运用Drucker-Prager屈服准则为判据,将土体视为DP材料,通过钻头与土之间的接触及施加冲击载荷来模拟取样过程,从而建立了冲击取样钻进的有限元模型。利用非线性瞬态动力学有限元分析手段,对取样过程中钻头的进尺及对所取土样的扰动情况进行了模拟分析。结果表明,土体的轴向压缩量在土样中心部位最小,而钻头底唇面处最大,土样压缩率约为17.7%,冲击对土样的扰动仅在钻头底唇面附近较小的区域内。     

极地冰层回转钻进切削热量测试装置的研制

极地冰盖深部“暖冰”层钻进时,由于冰层的温度较高,接近甚至达到冰的压力熔点,回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑融化,导致机械钻速慢、取心率低、卡钻事故频发。钻压、转速、切削具结构等参数均对切削热量有一定的影响,有必要设计一套实验装置对切削热量进行测试,从而为设计切削具结构、优化钻进参数组合提供理论依据。以XY-1型岩心钻机钻进系统为平台,利用无线信号传输原理设计了冰层回转钻进切削热量测试实验台。初步测试结果表明,该实验装置能够准确测量钻压、扭矩、切削温度等参数,可用来进行相关的实验研究。     

极地深冰心钻探“暖冰”层钻进技术难点及对策

极地冰心分辨率高、记录时间尺度长、信息包含量大,直接记录着远古时期的大气组成,蕴藏着珍贵的古气候和古环境信息,获得年代久远的深冰心,对于重建地球的历史演化以及预测全球气候、环境的变迁具有重要意义。因此,世界各国都在竞相寻找年代久远的冰心,开展深冰心钻探工程。实践表明,由于极地冰盖深部"暖冰"层冰的熔点低而温度高,某些冰层的温度接近甚至达到冰的压力熔点,以至钻进速度慢、取心率低、卡钻事故频发。详细介绍了极地深冰心钻探"暖冰"层钻进实践,深入分析了"暖冰"层钻进存在的技术问题,对钻具回转切削产生的切削热对钻进的影响进行了探讨,据此提出了"暖冰"层钻进技术对策以及今后的研究方向,以期为我国即将开展的深冰心钻探工程和冰下基岩取心钻探工程提供一定借鉴。     

泡沫流体在油田的应用

介绍了泡沫流体的特性,综述了近年来泡沫流体技术在钻井、完井、油气井增产等方面的研究与应用现状,分析了存在的问题及发展趋势。     

KCM130型可控冲击矛矛头自锁机构的运动仿真分析

KCM130型可控冲击矛是一种用于非开挖铺设浅埋、小直径、短距离地下管线的气动穿孔工具,其穿孔方向是由矛头的偏转角和转动角决定的.试验证明,通过在地表回拉、转动供气胶管可以调整冲击矛的穿孔方向,实现曲线穿孔或直线穿孔以及二者之间的转换.但冲击矛穿孔过程中,矛头在外力作用下其偏转方向会自行改变,失去人为控制.即冲击矛不能锁定矛头的既定偏转方向,使其运行轨迹发生偏离.因此,必须设计矛头自锁机构,在不影响正常调整矛头偏转方向的前提下实现对矛头偏转方向的锁定.根据冲击矛矛头偏转的工作原理分析了矛头不能自锁的原因,改进了矛头控向机构,在偏心套两侧设置两个卡块,由此实现锁定矛头的偏转方向.利用SOLIDWORKSCOSMOSMotion进行了自锁机构运动仿真,验证了设计的可行性,为实现矛头自锁提供参考.     

冰层空气反循环快速钻进方法及冰屑运移研究

空气反循环钻进技术具有钻速快、能耗低、可不提钻连续取心取样、能有效避免积雪层漏失等优点,在冰层钻探中极具应用潜力。本文针对冰层钻探技术特点,提出了双壁钻杆式、双通道高压胶管式和寄生高压胶管式等3种空气反循环冰层钻探技术,分别介绍了其工作原理及特点。基于气力输送和气体钻井基本理论,对冰屑颗粒气体介质中的悬浮速度进行了分析,建立了单颗粒冰屑悬浮、运移方程和冰屑颗粒群悬浮方程,并设计了冰屑悬浮实验台,对冰屑悬浮所需的风速进行了实验测试。理论计算值与实验实测值吻合较好,最大误差约10.91%,结果表明冰屑粒径、冰屑密度和风量是影响其悬浮和上返速度的关建因素。可用本文建立的冰屑运动方程来计算实际钻进时携带冰屑所需的风量,为后续在极地实施冰层空气反循环钻进技术提供了依据。     

基于RecurDyn的极地冰下基岩取心钻具反扭装置的运动仿真及运动分析

在极地钻探技术领域中,铠装电缆式电动机械取心钻具应用广泛,优化、设计可靠的反扭装置,提高其反扭力矩,是冰下基岩电动机械取心钻具钻进成功的关键所在。为了分析反扭装置的全部性能,提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。反扭装置的组成机构是平面六杆机构,在RecurDyn中导入由inventor软件建立的反扭装置几何模型进行运动仿真及分析。介绍了利用RecurDyn软件来实现平面六杆机构（反扭装置）运动仿真及分析的方法和步骤。以反扭装置作为研究对象,在RecurDyn/post模块中,用动画来表现反扭装置的运动过程,用图表来反映运动仿真的结果。仿真的结果证明反扭装置设计的科学性、合理性以及实用性,可以实现预定位置变化,满足极地钻探中平衡钻进的要求。