煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

大直径定向长钻孔用PDC钻头设计与应用

针对煤矿井下中硬地层钻进中采用的常规单齿式PDC定向钻头和常规型扩孔钻头钻进寿命短,效率低,以及常规扩孔钻头在扩孔钻进中难以沿原孔轨迹钻进的缺陷,结合大直径定向长钻孔对三种钻头的需求,研制了两种新型PDC钻头,其中新型PDC定向钻头采用刮刀型平底结构并优化布齿,增加了切削齿数量,扩孔钻头采用圆弧形剖面,并沿切削剖面布齿,增大了切削自由面。针对两种钻头进行了现场应用,现场应用证明,新型PDC定向钻头受控性好,钻进稳定,在中硬地层钻进效率和寿命显著提高,是普通单齿式钻头的2倍,新型扩孔钻头能够沿先导孔轨迹扩孔钻进,钻头寿命是普通扩孔钻头的3倍以上。     

四翼弧角形PDC钻头在煤矿穿层钻孔中的应用

穿层钻孔是煤矿邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯治理的常用手段。针对在软硬互层及硬地层穿层钻孔施工中现用三翼内凹钻头存在寿命短、钻进效率低的问题,研制了四翼弧角形PDC钻头。采用内锥线与抛物线结合的流线形布齿方式,增加了切削齿密度,实现了多轨道分层错峰碎岩;优化钻头切削倾角与侧转角,增大了切削自由面。对2种钻头进行了现场对比试验,结果表明,在穿层孔钻进中四翼弧角形钻头钻进稳定,寿命提高3.74倍,钻进效率提高33%,各切削齿均匀同步磨损,钻头失效形式优于三翼内凹钻头。     

煤矿井下穿层钻孔高效钻进方法

针对煤矿井下穿层钻孔遇到的钻进效率问题,为了便于煤矿井下工艺技术试验研究,将顶底板岩层按硬度系数f划分成3种等级:较硬岩(4≤f8)、坚硬岩(8≤f15)和极硬岩(f≥15),针对不同等级岩石研究与之相适应的钻进方法,并总结相应的最优工艺参数。通过大量的现场试验,总结出了适用于较硬岩的高强度PDC钻头回转钻进方法,试验钻进效率提高了1.6～2倍;适用于坚硬岩的回转冲击钻进方法,试验钻进效率提高了约50倍;适用于极硬岩的冲击回转钻进方法,试验钻进效率提高了约4～25倍。     

扭力冲击器在煤矿井下硬岩钻进中的应用研究

煤矿井下硬岩钻进面临钻进效率低、钻具和钻头消耗大的问题,扭力冲击器作为石油领域新出现的一种钻进工具,在硬岩钻进过程中对提高钻进效率和延长PDC钻头寿命方面有着突出的优势。通过调研扭力冲击器的工作原理,结合实际应用实例,总结出扭力冲击器的性能特点,并实施了煤矿井下现场应用试验,得出其用于煤矿井下硬岩钻进具备的优势;另一方面收集现有进口及国产扭力冲击器的的性能参数,与目前煤矿井下钻探装备的实际能力进行比较,找出其不能直接应用于煤矿井下硬岩钻进的原因,并提供解决问题的方法和建议。     

刮刀型PDC钻头在煤矿瓦斯抽采钻孔中的应用

为解决煤矿瓦斯抽采钻孔粉砂岩、细砂岩层段三翼内凹PDC钻头钻进效率低、钻头寿命短的问题,对PDC钻头进行了选型并优化设计,通过选用刮刀型PDC钻头,并采用等切削的方法进行钻头布齿,并配套以一定的钻进工艺,在同种地层中取得了较好的钻进效果,解决了钻进效率低、钻头寿命短的问题。     

煤矿井下定向长钻孔用新型PDC扩孔钻头的研制及应用

针对煤矿井下长钻孔扩孔钻进时,普通PDC扩孔钻头存在钻进效率低,钻头寿命短,可靠性低等问题,结合煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的工艺特点,改进扩孔钻头和导向器的结构,研制了一种新型结构组合式PDC扩孔钻头,并进行了现场试验。试验结果证明,新型组合式扩孔钻头具有钻进效率高、寿命长、保直效果好等优点,试验单只钻头累计进尺达2 364 m,满足了煤矿井下近水平定向长钻孔扩孔施工的需求。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

底抽巷全倾角钻孔钻机及钻进技术

为了提高底抽巷穿层孔施工效率,研制了ZDY3600LQ型履带钻机;针对硬岩地层,开发了液动潜孔锤配PDC钻头的新型高效钻进钻具组合和多动力冲击回转钻进技术。通过试验验证:新型钻机满足底抽巷工况条件下快速移动与稳固、开孔全倾角调节等高效施工要求,新型钻具和钻进技术使硬岩孔段钻进效率提高了39.3%～78.9%,达到了预期研究目标。     

弧角形PDC钻头在煤层顶板高位定向钻孔中的应用

结合定向钻进原理,分析了3种常用PDC定向钻头的结构特点及适用性,并针对地层特性,通过钻头剖面形状设计、刀翼结构设计、切削齿排布等方面的优化,设计了弧角形PDC定向钻头,并进行了现场试验,试验结果表明:弧角形PDC钻头寿命为普通钻头2倍以上,钻进效率提高1倍,钻头能够满足顶板孔定向钻进的要求。     

2种PDC钻头在淮南某煤矿硬岩穿层钻孔施工中的对比与分析

在对比切削原理、结构设计及加工工艺的基础上,选取了弧角形结构和内凹结构2种钻头进行了现场应用试验,并在钻进效率、钻头寿命及综合性价比等方面进行了对比分析,对比发现胎体弧角形PDC钻头在硬岩穿层钻孔施工中具有效率高、寿命长、性价比高等特点,适用于硬岩穿层钻孔钻进施工。     

磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率研究

针对煤矿中穿硬质岩层钻孔预抽瓦斯时钻进困难这一问题,在理论分析孔底“凸台”的形成是导致传统旋转钻头钻进困难主要原因基础上,提出了磨料射流联合机械齿钻进硬岩新方法,即利用磨料射流强大的冲蚀能力,预先消除“凸台”,形成先导孔,进而改变传统旋转钻头钻岩机理,达到提高硬岩钻进效率目的。利用断裂力学理论与能量守恒原理揭示了磨料射流联合机械齿提高硬岩钻进效率机理。设计发明了一种破碎硬岩钻头,总成了一套联合钻进硬岩实验系统,并完成了一系列新技术与现有技术的对比实验研究。结果表明,相同条件下,钻头钻进效率较现有技术条件提高63%,承受轴向力与扭矩分别下降约15%和20%,钻头磨损明显减轻。     

国际油气井钻头进展概述(二)——FuseTek融合钻头与Pexus组合钻头

NOV公司2013年向市场推出Fuse Tek融合钻头。它将PDC钻头的高钻速与孕镶金刚石钻头的耐磨性结合于一体,适宜于钻进中硬—坚硬、高研磨性地层。Fuse Tek钻头已广泛应用于刚果、厄瓜多尔、中国、哥伦比亚等国家。应用表明,该新型组合钻头比PDC钻头或牙轮钻头钻进效率提高许多,工作寿命增加1~3倍或更多。Shear Bits公司于2014年推出Pexus组合钻头。该钻头广泛应用于加拿大冰川冰碛物钻进。地层上部硬卵砾石层利用可转动硬质合金齿钻进,下部软砂岩与页岩则运用PDC碎岩。整个冰碛物地层用一个Pexus钻头一钻到底。所述3类组合式钻头(含Kymera钻头)对于未来实现"一个钻头,一口井"的目标有重要意义。     

气动潜孔锤在淮南潘三矿上仰穿层孔硬岩钻进中的应用

淮南潘三煤矿为了解决上仰穿层孔钻遇极硬岩层问题,采用了气动潜孔锤冲击回转钻进,通过现场施工数据和经验总结了其高效钻进的最优工艺参数。应用结果表明,冲击回转钻进工艺比普通回转效率提高4倍以上,极大地降低了生产成本,是一种适用于解决煤矿井下硬岩钻进问题的有效工艺方法,具有较大推广应用前景。     

国际油气井钻头进展概述(三)——PDC钻头发展进程及当今态势(上)

自1973年PDC钻头应用以来,油气钻井发生了很大变化。但是PDC钻头在早期约15年时间内发展缓慢。此后,由于加强技术创新,如多层聚晶金刚石层、非平面界面专利、防回旋技术、滤钴工艺、优化水力学设计以及计算机建模等,促进了PDC钻头迅猛发展、广泛应用。目前,PDC钻头在世界上所钻进尺数已占到约90%。NOV公司近年推出4种太阳神PDC切削齿,由其制作的PDC钻头提高了热稳定性、抗研磨性、抗冲击韧性与导向性等。这类钻头可以钻进硬岩与研磨性地层,以及一些难钻地层,具有较高的钻进效率和较好的耐用性。Helios太阳神系列PDC钻头成功地应用于挪威、中东、澳大利亚以及美国等地的油气田。斯伦贝谢公司推出的ONYX玛瑙360°滚动PDC可保持刀齿锐利、相对冷却及延长寿命,显著地提高了钻头耐用性。在美国许多油气田应用表明,这种滚动PDC制造的钻头比固定齿PDC钻头平均钻进效率可提高40%以上,而钻头的工作寿命则可提高40%~70%。     

弹塑性致密泥岩用新型尖齿PDC钻头的研制与应用

分析了常规复合片钻头钻遇弹塑性致密泥岩钻进效率低的主要原因,并在此基础上研制了适用于该种地层的新型尖齿PDC钻头。通过对PDC切削齿几何结构的改进、切削结构和水力结构的优化设计而研制的新型钻头,在现场试验中取得了良好的钻进效果。平均寿命高达300 m,平均钻进时效3~4 m,解决了弹塑性致密泥岩钻进效率低的难题,为类似地层的钻探施工提供了一种高效实用的新产品。     

液动潜孔锤钻进技术在潘一煤矿井下穿层钻孔中的应用

以穿层钻孔方式进行松软煤层瓦斯预抽采极大地克服了松软煤层瓦斯治理难的问题,然而部分矿区煤层顶(底)板岩石坚硬,影响了钻孔施工效率。结合地质岩心钻探的优势,将液动潜孔锤与高强PDC钻头结合应用于煤矿井下穿层瓦斯抽采孔施工中。淮南潘一煤矿现场试验表明,该工艺方法较传统回转钻进方法,钻进效率提高了83%,钻头进尺寿命提高近5倍,具有良好的经济性能。采用清水为冲洗介质,无粉尘污染,噪声污染小,较为适合空间狭小的煤矿井下巷道施工。     

煤矿井下硬岩定向钻进技术装备与应用

针对煤矿井下硬岩定向钻进存在的钻进效率低、深孔钻进易产生托压、孔内钻具易损坏等问题,在分析问题原因的基础上,通过集成及创新,开发了煤矿井下硬岩定向钻进技术与装备。研究形成大功率螺杆钻具钻进技术、级差式定向钻头防卡技术、振动减阻技术、水力加压技术、轨迹控制技术和硬岩开分支技术,选配了定向钻机、泥浆泵车、大功率螺杆钻具,研制了级差式定向钻头、水力振荡器和水力加压器。在淮南张集煤矿开展了现场试验及工程应用,在平均坚固性系数为7.6的灰岩中,试验钻孔进尺2397.6 m,工程应用钻孔进尺5480 m,平均钻进效率可达21 m/小班;水力振荡器平均钻压降低了33%,钻效提高126%;水力加压器钻压降低了23.8%,钻效提高了137%。     

石灰岩地层PDC钻头仿生PDC齿工作角优化试验研究

在仿生耦合理论的指导下,根据贝壳的表面非光滑的结构特性设计研制一种仿生PDC齿。设计PDC钻头时,主要考虑切削齿的后倾角与侧转角,二者对钻头碎岩效率有重要影响。通过理论分析仿生PDC齿在钻头的最优安装角度,并通过钻进试验来优选仿生PDC齿在钻进石灰岩的最优安装角度。试验结果表明:在相同的转速、钻压的条件下,切削齿后倾角为20°、侧转角为0°时,钻头钻速最快。此试验结果可以为石灰岩地层用PDC钻头的设计提供参考依据。     

PDC钻头切削齿布齿设计的新思路

切削齿布齿设计是PDC钻头设计的关键。为提高PDC钻头的钻进效率,综合考虑PDC钻头切削齿的设计特点和切削先后顺序等因素,并且通过对PDC钻头单切削齿实验结果进行分析,提出了以冠部轮廓法线为基准的切削齿布齿设计方法。