西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。     

超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

液动潜孔锤钻进技术在潘一煤矿井下穿层钻孔中的应用

在煤矿井下硬岩及超硬岩中施工穿层钻孔时,聚晶金刚石复合片(PDC)钻头回转钻进工艺存在钻头消耗量大、钻进速度慢等问题,严重制约着瓦斯抽排孔的施工速度与效率。针对PDC钻头回转钻进超硬岩的技术难题,采用高能液动锤、高压乳化液泵、煤矿用履带式全液压钻机等钻进设备,使高能液动锤输出高频、大冲击功破碎硬岩,通过优化高能液动锤冲击—回转钻进工艺技术的钻进规程参数,实现超硬岩穿层钻孔快速钻进。经过新安煤矿工程验证,冲击—回转钻进工艺大大提高了煤矿超硬岩穿层钻孔的钻进效率,降低了钻头消耗量,有效解决了硬岩穿层钻孔的钻进难题。研究结果表明：高能液动锤超硬岩快速钻进工艺的最优钻进规程参数为泵压13~14 MPa、泵量200 L/min、钻压2~3 MPa、转速50~60 r/min。

     

一种同轴双向回转模式的钻具结构设计及振动模拟

钻进时的振动会引起钻具疲劳失效和损坏,为提高井下钻具的稳定性,本文设计了依靠行星齿轮系驱动内外钻头同轴双向回转的钻具结构。通过对其核心的齿轮、密封、轴承等部件进行的强度校核,证明该结构的设计强度能够满足正常的使用工况。同时基于数值模拟对该结构的振动效果进行了验证,将钻进时钻头与岩石的相互作用简化为简谐荷载,对双向回转钻具整体结构进行谐响应分析。结果显示,相比于普通单向回转钻进结构,同等条件下双向回转的钻具结构能够有效抑制扭转振动。     

振动冲击原理在大口径破岩钻进中的应用

目前使用的大口径工程施工钻机,设备种类较多,从钻进地层来看,一般对钻进覆盖层问题不大,而在破岩钻进中效率较低,存在以下问题。在现有的大口径破岩钻进中,方法有回转钻进、钢绳冲击钻进等方法。对回转钻进中常用的为刮刀钻进或滚刀钻进,此时影响钻速的主要因素是钻压。众所周知,随着钻压递增岩石破碎可分为:表面破     

旋转钻进过程中的破岩能耗特征分析

获取钻进参数进行能耗分析是实现高效钻进的手段。为探究旋转钻进破岩过程中钻进参数与破岩能耗的相关性,通过室内钻进试验研究钻进参数对钻进速度的影响;提出了能时密度指标,并通过数值模拟对旋转破岩过程中的能耗特征进行分析。研究结果表明：旋转钻进岩石的轴压和转速与钻进速度成正相关,破岩能耗与钻进位移呈线性关系,钻进千枚岩的最佳试验参数为轴压650 N、转速400 r/min;基于钻进比功建立钻进破岩能时密度公式,能时密度随轴压和转速的增加呈先下降后上升的趋势,能时密度集中于0.0069 J/(mm³·s)时能耗最低,钻进效率最优。     

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≤f<8)、坚硬岩(8≤f<15)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。     

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。     

牙轮钻齿齿形的研究

等强度形齿与普通球齿所作的对比试验表明,等强度形齿能增加破岩体积,降低功比耗和减小所需的临界钻压。用等强度形齿设计的X64—250型牙轮钻头与X74—250型普通球形齿钻头比较,钻速提高20～30％,钻头寿命增加70％以上。在中硬以下的软矿岩中楔形齿又比等强度形齿所需临界钻压小,具有更好的破岩效果。     

煤矿井下硬岩层高效成孔方法研究与应用

针对安徽淮南、河南义马等矿区在施工穿层钻孔钻硬岩时钻进效率低、钻头消耗量大等问题,通过优化钻头结构、引进超高压液动冲击器等方法,对弧角式钻头回转钻进、低压液动回转冲击钻进及超高压液动冲击回转钻进等3种钻进工艺进行了研究,分4类钻具组合共进行了7组工程试验。试验表明,对不同硬度级别的岩石,3种钻进工艺钻进效率差别较大,其中超高压液动冲击钻进和圆弧式钻头回转钻进是2种较为高效的途径。在坚固性系数f=15的岩层中钻进时,超高压液动冲击器钻进效率达到气动冲击器钻进效率的7倍左右。     

地质钻探技术与装备21世纪新进展

21世纪初,我国地质钻探技术处于立轴钻机普遍使用、国产绳索取心钻杆只能满足1000 m以内孔深钻进要求、钻探器具相对落后、硬岩地层钻进效率低、复杂地层取心效果差的落后局面。近10多年来,在多个国家重大科学工程项目、国家科技支撑计划、"863"计划、地质大调查专项等科技项目支持下,通过产学研联合攻关,形成了硬岩深井科学钻探技术体系和2000 m以内地质岩心钻探技术体系,浅层取心(取样)钻探技术、新能源勘探开发钻探技术、地质灾害调查和防治钻探技术、定向钻探技术、基础工程施工钻掘技术等都取得了飞速的发展和进步。本文对21世纪我国地质钻探技术与装备、关键器具新进展进行了阐述,并对经济新常态下的发展方向进行了展望。     

煤矿井下钻孔钻进参数检测装置研究

针对目前煤矿井下瓦斯钻孔完孔程度和成孔率低的现状,以ZDY系列钻机为研究基础,通过理论分析,确定了钻进参数检测装置的设计方案、组成部分、分析软件开发和运行形式等;实验室试验得出该钻进参数检测装置的数据测试数值与给定数值误差小于1%,满足设计要求,现场工业性试验表明,钻进参数检测装置对钻孔施工过程能提供一定的帮助,提高钻孔成孔质量,为科学钻探提供了新的技术手段。     

13000m科学超深井钻探技术

对国内外科学钻探实践进行了简要回顾,对超万米科学钻探工程面临的技术难题进行了分类描述。在此基础上,考虑沉积岩和结晶岩2种地层条件,提出了13000 m科学超深井的钻探技术方案。     

回转钻孔钻进速度影响因素探讨

分析了回转钻孔的现状,对影响回转钻孔钻进速度的几个因素进行了分析,并对关键因素进行了着重探讨,指出了提高回转钻孔钻进速度的方法,对于矿企的设备选型和提高钻孔施工效率具有积极意义。     

控压钻井及其在高温地热勘探开发中的应用

控压钻井包括管理压力钻井、欠平衡钻井和空气钻井。控压钻井可以减少非钻进时间和事故、提高机械钻速、预防漏失、消除压差卡钻、保护低压产层以提高产能。地热井具有温度高、地层硬度高、裂隙发育、地层压力低伴随浅部地层压力变化大等特点。在地热勘探开发中应用控压钻井技术有利于提高钻进速度、预防漏失、提高产能。介绍了控压钻井及其关键技术,同时阐述控压钻井在地热勘探开发中的应用。     

湖泊环境科学钻探施工技术

针对内蒙古岱海的施工条件和湖底沉积物的类型,对湖泊环境科学钻探技术进行了讨论;从钻探取心角度,将岱海沉积物分为４种有代表性的地层;提出了每种地层中可能遇到的技术问题;对使用的取心钻具的效果进行了评价,并提出了合理化改进意见;总结了湖泊钻进工艺方法;给出了简易钻探平台的拼装方式和主要钻探设备的性能;探讨了湖泊钻探的发展前景和进一步工作计划。     

煤矿井下钻探装备和钻探施工技术发展与探索

我国井下钻探装备经历了机械立轴钻机、全液压钻机和智能化钻机3个发展阶段,提高了井下特定环境下钻探安全可控程度和施工效率,但仍面临软岩钻进难题。开滦矿区结合自身大水、高瓦斯等矿井地质特点和矿井发展定位,引进国内外先进钻探装备和技术,探索实践综合配套钻探技术方法。     

赣州科学钻探NLSD-1孔施工技术研究与实践

赣州科学钻探NLSD-1孔是大陆科学钻探选址预研究项目6个钻孔之一,该孔地层复杂,自然弯曲严重,采用高粘度、高密度泥浆绳索取心钻进,全孔轨迹实现人工受控,施工难度大。详细介绍了该孔施工技术及创新成果,对施工过程中的经验与教训进行了总结,并提出了对深部钻探施工技术的体会与认识。     

钻掘工程国内外发展水平与差距及建议（上）

简介钻掘工程领域国内外发展水平。重点概述在固体矿产岩心钻探、水井钻探、石油天然气钻探、大陆科学钻探、大洋钻探、极地钻探和外星钻探及掘进工程等方面的国内外发展状况与差距,并提出重点研究开发和引进建议。     

平煤十矿本煤层深孔施工装备及工艺研究应用

为解决本煤层打钻施工过程中,钻杆发热、瓦斯涌出形成喷孔、卡钻和成孔率低等问题,研发CMS1-1200/30 J新型煤矿用液压深孔钻车,其由主机液压系统、履带行走部、工作机构、机架、泵站和钻具等6部分组成,通过在钻孔设计、新型钻具和打钻工艺的研究试验表明,使用螺旋钻杆避免了钻杆壁与同一处煤粉长期摩擦而起热,减少了钻孔口产尘量,有效孔径大,完全实现由钻杆旋转的自排粉的功能,平均孔深83.5 m,提高了突出煤层中钻孔施工深度,成孔率在65%以上,提高煤层瓦斯释放和抽放效果,消除松软煤层瓦斯突出,实现安全生产。