基于Lagrange显式算法的井壁侧钻过程动态破碎规律

在煤层气多分支水平井裸眼悬空侧钻过程中,理解并掌握井眼连接段在地应力及钻具作用下的破碎及稳定机理对指导钻井过程尤为重要。结合Z1井岩芯样品的三轴抗压实验数据,运用Lagrange显式算法建立钻头-井壁-钻井液相互作用的瞬态显式有限元模型。采用DruckerPrager准则对裸眼悬空侧钻过程进行动态仿真模拟,研究钻头旋转冲击破岩过程中非线性动力作用及螺杆钻具接触对分支井眼形成过程的影响。将侧钻破岩至井眼形成阶段定义为"刻蚀过程",并细分为初、中、末3个阶段。通过大规模并行仿真计算,得到3个刻蚀阶段的井壁岩石的应力波动、破碎状态及刻蚀成井的钻压控制条件等参数;研究了"刻蚀过程"中井壁在地应力、钻具、钻井液等多种因素影响下的破碎规律,揭示了侧钻形成分支井眼过程中井壁的破碎机理。     

井底压力控制工具的设计与计算验证

针对钻井过程中由于钻井液液柱对井底岩石的压持效应,使钻进过程中破岩和清岩的难度加大,导致钻头破岩困难,机械钻速降低的难题,开展了井底压力控制工具的设计。通过对工具的功能关系、外壳结构强度和碟簧的弹力进行计算验证,证明井底压力控制工具原理可行、结构设计合理,为进一步开发提供了借鉴和参考。     

气动冲旋钻头破岩过程仿真研究

运用有限元软件LS-DYNA对气动冲旋钻头一次冲击情况下的破岩过程进行了仿真研究,阐述了冲旋钻井过程中钻头与岩石互作用数值研究的相关问题,并对钻头破碎岩石的几个阶段进行了详细的描述.研究表明:钻头破碎岩石的过程分为四个阶段:①中心齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.②第二排齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.③边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段.④整体破碎坑形成阶段.在冲击旋转作用下岩石破碎形态主要有三种:破碎坑、损伤区和无损伤区.钻头产生破碎坑区域越大,钻头破岩效率就越高;损伤区能不同程度地降低了岩石的强度,有利于旋转刮削破岩和下一次冲击破岩,文中所示钻头破碎岩石形成的破碎坑脊部过宽,不利于钻头刮削破碎岩石,原因是钻头部分牙齿之间距离过大.     

边钻边扩技术提高深井大井眼钻速初探

随着我国石油勘探开发的不断深入,勘探开发重点逐渐向深部和难钻地区转移,深井和超深井钻井数量不断增加。而深井超深井由于地层压力系统的复杂性,井下地质情况的不确定性,往往需要采用复杂的井身结构和套管层次,其中,上部井段井眼尺寸大、井段长、钻速低,成为制约深井钻井速度的关键环节之一。采用固定式同心扩孔器的边钻边扩技术通过改进钻头结构和破岩方式,改变井底岩石的应力状态,同时领眼钻头能获得足够的机械能量和水力能量,可以有效提高破岩效率,并改善井底清洗效果,从而提高大井眼段机械钻速,为解决深井上部大直径井眼机械钻速慢的问题提供了一种全新的思路。     

PDC钻头井底流场实验装置设计

根据ＰＤＣ钻头的结构特点、破岩原理及现场使用情况，阐明了进行ＰＤＣ钻头井底流场试验研究的必要性和迫切性。结合国外的有关资料，设计出能够进行ＰＤＣ钻头单喷嘴射流特性、井底漫流特性及全尺寸钻头井底液流流动规律试验研究的实验装置。该装置实现了井底流场特性的三维空间测量。     

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。     

渭北油田岩石性能参数下PDC钻井破岩研究

PDC钻头几何结构复杂性、岩石材料差异性以及钻井工况的系统性,使得钻头切削破碎岩石的机理研究与钻头对地层的匹配适应性一直存在很大困难。基于渭北油田取心所测得岩石力学参数,获得了该区块的H-J-C岩石响应模型参数,通过三维CAD软件和有限元软件建立PDC钻头破岩的三维非线性动态仿真模型,开展PDC钻头在该区块的破岩规律研究,并深入研究钻头破岩过程中的响应规律。结果表明,该区块下钻头垂向加速度为0.1 m/s²,钻头垂向速度稳定在0.006 m/s,破岩功呈周期性变化、总体上升的规律趋势。该计算方法针对性较强,计算灵活便捷,为后期钻头—地层的适配性研究提供了技术手段。     

深井大直径井眼钻井参数优选及高效破岩洗井技术讨论

如何提高深井超深井钻井速度,是钻井工程迫切需要解决的重大技术难题之一,通过计算反演对深井钻井参数进行优选,从大尺寸钻头、钻井装备、机械能、钻井水力学、岩石破碎学等讨论深井大直径井段高效破岩瓶颈。由完善大尺寸钻头系列、加强钻头选型提高钻井装备配套、使用大尺寸钻铤和钻杆强化水力参数、合理使用喷嘴组合改善井底清洗四方面进行数据评价对比,阐述深井大直径井段高效洗井及破岩技术。     

正交各向异性储层煤层气井合理井底压力研究

井底压力是影响煤层气井井周围岩应力状态的关键因素,在煤层气排采过程中将其控制在合理范围是保持煤层气井稳定的要求。根据各向异性材料力学理论,导出了平面应变条件下正交各向异性储层的本构关系,构造了井周围岩在不同受力状态下的应力函数;采用应力变分法,导出了井周围岩在井底压力与地应力共同作用下的应力分量表达式;基于莫尔-库伦准则,推导出保持井周围岩不发生剪切破坏的井底压力区间。研究结果表明：正交各向异性储层中,井周围岩应力是极径和极角的函数,井壁在特定的点最先发生屈服;只有在井底压力处于合理范围时,煤层气井才能保持安全稳定。所得结果可被应用于裂隙储层煤层气井定量化排采控制中。     

高压电脉冲破岩试验装置的研制

高压电脉冲破岩钻进在国际上被认为是一种在深部钻探中具有广阔发展前景的破岩方法,但在国内研究还很少。本文设计制造了一套高压电脉冲破岩试验装置,包含伺服电动缸、控制柜、岩石容器等部件,试验装置配套了Ø60 mm和Ø100 mm的电脉冲钻头,可选择手动或自动加压放电破碎岩石。在放电电压为120 kV、放电频率为1 Hz的条件下进行了红砂岩等岩石的钻进试验,实现了60 mm口径的钻进碎岩。试验结果表明,该装置能满足电脉冲破岩试验的基本要求,可用于电脉冲碎岩室内研究。     

水射流作用下岩石破碎理论研究进展

水射流作用下岩石的破碎是一个极为复杂的过程,对水射流作用下岩石破碎机理的认识依然是众说纷纭,由此对水射流破岩机理有多种不同的学说。对此,综述与归纳了水射流作用下岩石破碎的主要理论,包括准静态弹性破碎理论、应力波破碎理论、气蚀(空化)破坏理论、裂纹扩展破碎和损伤破碎理论等。在此基础上评述和分析了水射流破岩理论研究存在的问题,并为水射流破岩理论的研究提出了一些建议。     

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。     

围压条件下的牙轮钻头单齿破岩室内试验研究

利用深井破岩试验装置模拟了不同井深（０～５０００ｍ）压力条件对泥岩进行了牙轮钻头单齿破岩试验，试验结果得出：随着井深（围压）的增加，破碎岩石的力增加，岩石破碎体积减小，岩石破碎功增加，这是机械钻速低的根本原因，因此必须解决深井条件下的牙轮钻头齿形和布齿方式，以适应深井地层的钻进，达到提高机械钻速的目的。     

模拟深井条件下的牙轮钻头单齿破岩试验

利用深井破岩试验装置，模拟了不同井深（０～５ｋｍ）压力条件下对泥岩进行牙轮钻头单齿破岩试验，试验结果得出：随着井深（围压）的增加，岩石硬度增加，破碎岩石的力增加，岩石破碎体积减小，岩石破碎功增加，这是机械钻速低的根本原因，因此必须解决深井条件下的牙轮钻头齿形和布齿方式，以适应深井地层的钻进，达到提高机械钻速的目的。     

基于ANSYS的高压水射流破岩过程应力分布研究

建立了高压水射流破碎岩石的有限元计算模型,基于ANSYS软件对高压水射流破岩过程中岩石内部应力的分布规律以及水射流速度对内部应力的影响规律进行了研究。研究结果表明,在射流与岩石冲击接触区域产生的应力最大,然后呈椭圆状向外扩散并逐渐减小;随着水射流冲击速度的增加,岩石内部的应力值也随之急剧增加,因而水射流速度对破岩效果的影响很大,这与实际破碎过程是一致的。     

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。     

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。     

钻进大口径钻井用的钻机和工具

使用取心和全巷钻进的钻探装置钻进大口径钻井和竖井。取心钻探装置与全巷钻进装置相比,前者的主要优点是,建井时破碎和运输岩石的能量消耗少,在硬岩层中尤其如此。破碎岩石的环圈仅占井底面积的10—30％,而主要岩块做为岩心从钻井内提取。取心钻探装置的岩石破碎工具是钻粒钻头或牙轮钻头。     

组合切削具产生的预破碎区对钻进效果的影响

从组合切削具将在岩石中产生预破碎区的论点出发,通过实验定量研究了预破碎区深度与掏槽刃切入深度的关系,得出了预破碎区有利于降低岩石强度及岩石破碎能耗的结论,并用生产试验结果进行了验证。提出了孕镶金刚石钻头钻进Ⅶ～Ⅷ级硬岩时仍存在预破碎区和切削、微切削破岩方式,以及预破碎区并非越大越好的学术观点。     

麦盖提区块钻井关键技术研究及应用

塔里木盆地麦盖提地区异常地应力发育、古近系盐膏层易蠕变挤毁套管、二叠系火山岩钻井速度慢、古生界地层岩性复杂钻头选型难、三开井眼井壁稳定性差、奥陶系裂缝性地层涌漏风险高,为此开展了断裂带异常地应力分布规律、井身结构优化、高效破岩工具研制、刀翼式孕镶钻头研发、井壁稳定高效钻井液、欠平衡钻井等关键技术研究,提出了非常规井身结构优化设计系列,研制了高效破岩工具和刀翼式孕镶金刚石钻头,研发了高效抑制性防塌钻井液体系。在此基础上形成了钻井提速配套技术系列,完钻井平均机械钻速提高17.89%,钻井周期缩短34.55%。