单牙轮钻头井底切削仿真分析

单牙轮钻头在小井眼钻井中具有良好的经济效益 ,本文通过在单牙轮钻头上分别建立钻头坐标系、牙轮坐标系及牙齿坐标系 ,建立起单牙轮钻头井底切削仿真模型。用计算机绘制出反映单牙轮钻头结构参数和钻井参数的井底轨迹和井壁刮痕 ,对单牙轮钻头的设计和钻井参数选取具有重要意义。     

空气冲旋钻井冲击力和机械钻速仿真研究

在钻井机械钻速预测研究中，以前常根据现场数据或试验数据统计拟合得出经验或半经验方程，方程一般含有一些很难确定的系数甚至是不可靠的。为此，借鉴三牙轮钻头仿真理论，建立了冲击旋转钻井系统仿真模型，包括冲击器动力学模型、冲旋钻头真实仿真模型、动态变化的真实井底模型和牙齿与井底岩石相互作用模型，用计算机仿真方法预测出冲击器活塞的冲击力、冲击功和空气冲旋钻井机械钻速。仿真结果和试验数据吻合较好，模型可靠，研究成果可用于冲旋钻头、冲击器设计和钻井参数优选。     

气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明:三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

井底牙轮钻头的钻速方程及现场应用

以岩石侵入理论为基础,在考虑井底压力的条件下,建立牙轮钻头的钻速模型。结果表明:在地层由软、中硬到硬地层过渡过程中,钻速方程能够解释不同破岩方式下牙轮钻头的机械钻速问题;随着刃尖角的增大,锥形齿和楔形齿的牙齿侵深都呈指数递减趋势;随着井眼内钻井液柱压力的增大,侵入深度呈指数递减趋势,其中锥形齿递减趋势大于楔形齿;模型理论钻速计算结果与实际钻速数据接近,最小欧式距离为25.8。     

旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析

 通过旋转钻井中破碎岩石的能耗分析,应用分形岩石力学理论,从钻井过程中钻头破碎岩屑的粒度分布、能量耗散等角度,建立旋转钻井中钻头破碎岩石所需能量的分形描述模型,详细分析影响钻头破碎岩石能耗的因素。该模型显示出旋转钻井岩石破碎能耗不仅与钻压、转速等钻井参数关,还与地层岩石破碎体的尺度和粒度分布分形维数等因素有关。应用该模型不仅可以确定钻井过程中破碎岩石所需的能量,还可以反演计算,根据所需岩石的破碎能量优选钻进参数。将所建立的模型进行适当简化,可得到经典岩石破碎比功三大学说表达式,说明该模型具有一定的普遍性。     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。     

用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。     

气体钻井低温破岩机理分析

气体钻井有着较高的机械钻速在很大程度上归因于钻头水眼处的焦耳–汤姆森低温效应。这种效应对井底岩石产生了热冲击应力,使得井底岩石的强度降低,进而促进了机械破岩的作用。首先建立了非对称冷却条件下井底岩石的温度场的分布模型,并以此建立了井底岩石三维动态热应力分布模型,对气体钻井井底热冲击应力进行了深入的剖析。其次,通过莫尔–库仑准则,对岩石的黏聚力变化进行了分析,得出随着冷却时间的加长,岩石强度迅速降低,有利于岩石的破坏。最后,为验证理论模型,对砂岩岩样进行液氮冷却试验,并对其进行声波实时测量,声波的首波波幅也有明显的延迟,说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。     

碳酸盐岩地层岩石声学特性的试验研究与应用

选取并收集我国川东北地区和济阳坳陷古潜山构造的地层岩样及相对应的井下声波测井资料，测试了岩石的牙轮钻头可钻性、PDC钻头可钻性和声学特性，应用数理统计方法研究分析了岩石地面纵波速度VP、横波速度VS分别与牙轮钻头可钻性KdRC，PDC钻头可钻性KdPDC的相关关系及同块地层岩样地面纵波速度VP与井下测井纵波速度VPD的相关关系，建立了利用声波测井资料预测碳酸盐岩地层剖面可钻性的数学模型，选定符合率F值大于0．75为检验标准，经用现场声波测井资料代入预测模型进行计算，预测精度达91．7％，达到并超过了研究预期的技术指标。     

大直径牙轮钻进嵌岩桩工法（ZJ1GF-015-95）

大直径嵌岩桩牙轮钻进成桩工艺的特点是用硬质台金组合式牙轮钻具在硬岩中回转钻进成孔，导管法浇注水下混凝土成桩。牙轮钻头由一定数量的小牙轮(刃体)按一定方式排列构成1(图1)，在回转过程中；小牙轮既绕心轴白转，又绕钻头中心公转，交替变换刃齿，借助压重，冲击、切削、破碎孔底基岩而成孔。钢筋笼采取专用索具整体吊入桩孔，混凝土由小机动翻斗车自搅拌台运至浇注现场(也可采用商品混凝土），用吊车吊装，经漏斗，导管入孔成桩，实现了机械化施工。     

反循环钻头底喷孔轴心距研究

为提高反循环钻井取样能力,增强反循环效果,采用理论分析和计算流体动力学方法研究底喷孔轴心距不同时的井底压力场和速度场,探讨轴心距变化与反循环效果间的相关规律,为优化设计反循环钻头结构提供理论依据.根据数值模拟分析可知,在特定钻井条件下,设计钻具时应尽可能增大底喷孔轴心距,底喷孔轴心距越大越有利于形成稳定的反循环效果.为便于分析数值模拟结果,引入反循环质量系数x,随着轴心距参数增大,反循环质量系数减小.     

PDC钻头复合钻进破岩机理及个性化设计探讨

在复合钻进工况下,地面和井下马达的复合驱动虽能使PDC钻头的钻速能得到显著提升,但钻头寿命也会显著缩短。通过研究定向井、水平井下部钻柱的受力变形特性,建立了复合钻进下PDC钻头的运动学模型,研究了转速比、布齿位置、下部钻柱几何状态等对切削齿切削轨迹的影响规律。在此基础上,改进了PDC钻头破岩数字仿真系统,并利用该系统研究了PDC钻头在复合钻进工况下的运动学、切削力学规律以及井底形态特点。研究结果表明:除了高转速因素以外,复合钻进钻头破岩效率增高的主要原因在于PDC钻头切削齿的不平行刮切特性,以及螺杆弯角所导致的钻头牙齿的不均衡切削状态。针对PDC钻头在复合钻井条件下的破岩机理和失效特点,探讨了复合钻进PDC钻头个性化设计的技术思想和实施方法,为复合钻进条件下PDC钻头工作性能的改进提供了理论依据和技术手段。     

潜孔钻头使用寿命的初步探讨

目前大型矿山牙轮机取代了潜孔钻机，但潜孔钻机在一些中小型矿山和建筑工程的移山填沟工作中，仍中广阔的应用前景。为了提高钻孔速度，提高钻头的使用寿命，对潜孔钻头进行初步探讨。     

SL6000-NWD近钻头测量技术及其应用前景分析

常规LWD在钻井实际应用中由于测量盲区长,无法准确判断近钻头处的井眼倾角、相关地层岩性、储层特性及储层位置,无法实现真正意义上的地质导向钻井.本文介绍了SL6000-NWD近钻头无线随钻测量系统的特点和工作原理,并结合在大港油田的应用实例,分析了近钻头地质导向钻井技术的优越性,对在国内推广应用国产化近钻头地质导向仪器及近钻头地质导向钻井技术具有重要意义.     

牙轮钻头在钻孔灌注桩进入硬岩中的应用研究

以安山岩为例,总结和分析了安山岩的强度特性以及组合牙轮钻头的破岩机理.由于中微风化安山岩岩质硬,采用滚刀钻头破岩效果差,施工进度慢.结合南京汇达广场桩基工程地质情况,提出了进入安山岩时,采用组合牙轮钻头代替滚刀钻头.此法大大提高了施工进度,降低了工程成本.     

牙齿破岩效率的评价及牙齿优选探讨

 牙轮钻头牙齿的冠部形状是影响破岩效率的关键因素之一, 因此, 建立科学的牙齿形状评价方法对于提高钻头设计质量具有重要的现实意义。提出了通过衡量单个牙齿在垂直压入岩石实验中的破岩比效, 对不同形状牙齿在不同性质岩石上的压入破岩效率进行定量评价的系统方法和准则, 并针对国内在钻头牙齿形状研究方面存在的欠缺, 对与牙齿形状评价技术以及牙齿优选相关的若干问题进行了探讨。     

水平定向钻穿越黄河施工新工艺

水平定向钻施工要依据不同的地质结构和钻进工艺采用不同的钻具组合，通常选择钻具组合的依据是：①在非岩石和较松软的地层中(如粘土、亚粘土、粉沙、中沙等)，配备由弯接头和一个带喷射水嘴的钻头组成的钻具；②在岩石地层或卵砾石地层中，钻具由弯接头、泥浆马达、牙轮钻头或金刚石钻头组成。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为3个区域:破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3个阶段:钻头的中心齿压碎岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,当工具的工作频率为16 Hz时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其峰值载荷超过10 k N之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。