基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题，PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响，基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验，同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟，研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著；随钻参数对钻头磨损程度响应明显，在相同动力以及岩石强度条件下，钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小，钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致，证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

五宝场硬塑性地层斧形曲面PDC齿破岩性能研究

为解决川东油气钻井中五宝场沙溪庙组硬塑性地层PDC钻头磨损严重、起下钻频繁的问题,开展了斧形曲面PDC齿在硬塑性地层破岩性能的研究。首先采用X射线衍射试验与三轴力学试验分别获取该地层岩石性质和力学参数,然后采用有限元仿真与试验相结合的方法开展斧形曲面PDC齿破岩性能研究。研究结果表明：斧形曲面PDC齿主要以剪切、挤压、犁切共同作用破岩;相较于常规PDC齿,斧形曲面PDC齿有更强的吃入岩石的能力和稳定性,能有效减小钻头异常振动,提高钻头寿命,并在不同磨损高度（0～3 mm）时,破岩比功降低2.2%～8.2%;根据试验得到斧形曲面齿较常规齿破岩性能提高了11.39%,且试验与仿真平均切削力误差仅为7.46%,验证了仿真模型的正确性。本研究表明斧形曲面PDC齿在硬塑性地层对提高破岩性能具有重要意义。     

混合钻头在玉门油田鸭西区块白垩系地层的应用

玉门油田鸭西区块白垩系地层地层埋藏深度一般在2800～5200m,岩性主要为砂砾岩、泥岩互层,使用牙轮钻头钻进机械钻速低,使用常规PDC钻头钻进机械钻速有所提高但钻头异常损坏严重.为了进一步提高该区块白垩系地层的机械钻速和钻头单只进尺,应用了?216mm混合钻头,机械钻速比常规PDC钻头平均提高46.89％,最大提高8...     

基于离散元法的PDC钻头破岩过程仿真研究

由于PDC钻头具有成本低、机械钻速快的特点,目前已在各大油田广泛使用。前人对PDC钻头破岩分析多采用有限元法,忽略了岩体的非均质性、各向异性以及不连续性。采用离散元法对PDC钻头破岩过程进行仿真研究,规避了有限元法的缺点和不足,并分析了离散元法的基本原理和力学模型,通过破碎参数标定,建立了岩石颗粒模型,为今后离散元法在石油工业中的应用提供了一定的指导意义。     

大庆油田登娄库组PDC钻头设计与应用

大庆油田各区块登娄库组地层普遍存在岩石坚硬和研磨极值高的特点,常规PDC钻头在该地层使用后存在机械钻速低、钻头进尺少和钻头使用寿命短等问题。为此,针对登娄库组地层的地质特点,个性化设计了一种登娄库组地层高效PDC钻头。该型钻头在登娄库组地层进行了现场试验,平均机械钻速5.69m/h,钻头进尺202.32m。现场试验表明该钻头在登娄库组地层机械钻速和钻头进尺较邻井有了明显提高,其综合性能满足钻井作业需求,具有较高的推广价值。     

PDC切削齿后倾角与破岩关系的数值模拟

PDC钻头在煤炭行业中应用广泛,但在煤层顶、底板硬岩穿层钻进中出现了效率低的状况。基于这一问题,以切削齿为单位对钻头破岩作用机制进行研究,在有限差分软件FLAC~(3D)中建立切削齿与岩石相互作用仿真模型。通过改变切削齿空间参数,模拟不同后倾角对切削齿破岩效果的影响。研究结果表明,切削齿的后倾角为15°时,切削齿对岩石产生应力及位移最大,破岩效果最为明显。     

基于有限元的PDC钻头单齿工作参数仿真研究

采用显式动力学中的接触、侵蚀有限元分析方法,对PDC钻头的单齿工作参数变化进行了仿真。当绕钻头中心轴线旋转的单粒PDC切削齿在切削深度为2mm时,研究了具有不同前倾角、侧倾角破岩时切削齿的受力分布及岩石破碎情况。仿真结果较真实地表明了单粒PDC切削齿应力分布、接触压力分布随钻头破岩过程的动态变化情况,为PDC钻头的设计提供了有效的依据。     

PDC钻头切削齿切削角度对破岩效果影响规律的研究

利用有限元数值模拟方法,研究石油钻井PDC钻头破岩过程中切削齿与岩石相互作用的规律,分析PDC钻头切削齿切削角度与破岩效果的关系,以优化切削齿的切削角度。通过数值模拟分析,得到了在不同岩性中切削齿切削角度与破岩体积、破碎比功之间的关系。     

PDC钻头谐振破岩模拟及室内试验研究

近年来油田开发的重点已经由浅层逐渐向深层、超深层转移,随着钻井深度的增加,钻井难度也逐渐变大。为了解决钻深井时机械钻速慢、钻头失效快等问题,对谐振破岩技术展开了研究,建立了PDC单齿切削的离散元模型,为PDC齿分别添加不同频率的简谐振动,模拟钻头在不同频率的简谐振动下的破岩效果,结合简谐振动下PDC钻头室内破岩试验,试验结果验证了模型模拟结果的准确性,将离散元模拟和室内试验结合,验证了谐振破岩的可行性,为深部地层的钻井提速工具设计提供了新的理论支持。     

基于离散元方法的PDC钻头切削齿破岩机理数值模拟

工具破岩机理研究对于石油钻探、煤炭和矿物开采、隧道和地下硐室建造等工程领域具有重要意义.切削工具的结构参数及真实物理环境对破岩效果影响显著.采用离散元方法模拟PDC齿在不同切削速度、切削角度、切削深度以及围压参数下的切削破岩效果,得出PDC齿受到的切削力及岩石裂纹发育情况的变化规律.研究结果表明:在PDC钻头切削岩石过...     

采动影响下巷道围岩变形破坏特征

为了确保采动影响下巷道的稳定性,利用Rhinoceros软件构建三维地质模型,采用FLAC^3D数值模拟了煤巷开挖围岩应力变化全过程,围岩应力、变形分布情况,工作面回采后垂直应力分布,不同预应力锚杆支护裂隙煤体中的传递特征以及不同支护强度时煤体破坏特征。研究可为类似地质条件巷道支护参数设计提供借鉴。     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点,首先分析了深部软岩巷道变形特征,采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出,深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态,相互翻转和滑移,岩体的模量和强度低;随着巷道埋深的逐渐增加,巷道围岩应力集中系数逐渐减小,巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大,塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

模拟深井条件下的PDC钻头破岩试验研究

利用深井破岩试验装置模拟不同井深（0～5km）压力条件下对泥岩进行了PDC钻头破岩试验，试验结果表明：随着井深（围压）的增加，岩石强度增加，破碎岩石的切削力增加，同时，PDC钻头齿形和结构对破岩效率影响较大，因此必须按深井条件和岩石特点进行PDC钻头齿形和结构设计，以达到提高机械钻速的目的。     

复杂条件下大断面硐室围岩稳定性控制研究

针对陈四楼煤矿九采区复杂地质条件下大断面硐室围岩经常大面积严重破坏且围岩稳定性控制难度不断增大的问题,采用现场调查、试验研究和数值模拟的方法,分析了硐室围岩变形破坏特征,提出了锚杆锚索协同支护控制技术。采用数值模拟软件FLAC^3D对锚杆锚索支护后硐室围岩的水平应力场、垂直应力场及破坏场分布进行模拟,结果表明:硐室围岩支护效果良好,硐室能保持长期稳定。对类似条件下大断面硐室支护具有一定的指导意义。     

塔东古城地区钻头优选及应用

针对大庆油田塔东区块古城地区地层含砾、岩石硬度大、85%以上井段采用牙轮钻进,导致深部地层钻速慢,钻头磨损严重等问题,在传统钻速预测方法基础上,引入钻头磨损、地层岩性、应用井深等相关参数,建立钻头破岩效率计算方法,并结合所钻遇的地层岩性、测井资料及钻头类型等,建立钻头优选模型,实现钻头选型定量化,提出了适用于古城地区的钻头序列推荐方案。现场成功应用5口井,单只钻头进尺和平均机械钻速均得到了很大的提高,实现了钻头优选提速提效的目的,为古城地区的高效钻井施工提供了重要的技术支撑。     

深埋巷道围岩变形及支护技术研究

随着煤炭开采逐渐向深部转移,巷道围岩变形越来越严重。分析了深埋巷道围岩变形及支护技术,对研究巷道进行了三轴抗拉试验,得到煤和岩石力学参数,采用结构梁和弹性力学分析了巷道围岩变形,为模型分析提供了理论基础,然后采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了巷道变形位移,与现场实测相比,数值模拟能够较好地模拟煤矿巷道实际变形情况。研究能够为巷道参数设计提供借鉴。     

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。     

可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务,少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状,分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题;针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件,确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案,并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面,研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性,提出了智能化建井建智能矿井的理念,构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式;针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性,突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术,实现了TBM姿态大幅度调整,一次掘进断面面积40 m2,形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系,单月最高掘进进尺523.8 m;首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井,提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺,形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系,包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统,攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题,实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进,单日最高钻进进尺10.8 m。     

径向水平钻孔直旋混合射流钻头设计与破岩特性

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流钻头。给出了射流钻头设计方法,通过破岩实验,分析了直旋混合射流钻头结构对其破岩特性的影响。结果表明,直旋混合射流结合了直射流和旋转射流优点,比锥形喷嘴圆直射流扩孔能力强,比纯旋转射流钻孔深度大。影响直旋混合射流钻头破岩效果的结构参数较多,存在最优破岩效果结构参数,可通过不同参数组合调节破岩钻孔特征。需要进一步开展流场结构与破岩机理分析,为径向水平钻孔中射流钻头的设计提供更好的指导。     

深部巷道围岩变形规律分析

针对深部巷道支护难、围岩变形量大等问题，采用TATW-2000岩石三轴试验机对研究区煤岩物理力学性质进行测试，得到了煤岩物理力学参数，然后采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了现有支护状态下巷道围岩的变形规律和巷道竖向、水平位移分布。研究为后期巷道支护参数的优化提供了理论基础。