高压水射流对机械水力联合破岩速度的影响研究

在阐述机械水力联合破岩的基本原理的基础上,对高压水射流提高机械水力联合破岩速度的机理进行了理论上的探讨。同时,设计了专门的试验用钻头。在室内试验条件下,研究了高压水射流对联合破岩效果的影响,得出了一些具有参考价值的结论。     

高压水射流对机械水力联合破岩速度的影响研究

在阐述机械水力联合破岩的基本原理的基础上对高压水射流提高机械水力联合破岩速度的机理进行了理论上的探讨，同时，设计了专门的试验用钻头，在室内试验条件下，研究了高压水射流对联合破岩效果的影响，得出了一些具有参考价值的结论。     

粒子射流冲击破岩效果影响因素试验研究

为了更准确地分析粒子射流冲击破岩规律,从而有效指导粒子冲击钻井工艺参数的优选,通过粒子射流冲击破岩正交试验,确定了粒子射流各因素影响破岩效果的重要程度,然后根据单因素粒子射流冲击破岩试验,分析了粒子体积分数、粒子直径、喷射角度等主要因素对破岩效果的影响规律,并优选了粒子冲击参数。试验得出,粒子射流各因素对破岩效果的影响程度由大到小依次为喷射时间、粒子体积分数、粒子直径、喷射角度和喷距,最优粒子体积分数为2.0%,最优粒子直径为1.5 mm,最优喷射角度为15°。研究结果表明,岩石破碎孔眼深度与粒子体积分数和粒子直径均成二次函数关系,与喷射角度成四次函数关系;孔眼体积与粒子体积分数、粒子直径和喷射角度均成三次函数关系。该研究结果可为粒子冲击钻井技术的推广应用提供理论支撑。      

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

盘形钻头复合破岩实验研究

在研究８１／２英寸ＸＨＰ５三牙镶齿钻头结构尺寸的基础上，设计了３种齿形参数不同的盘形钻头。在复合破岩实验机上实验了８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶齿钻头和盘形钻头各齿圈间距、牙轮刃间角、齿顶宽及牙轮轴线平移量等特性参数破岩效果的影响。实验数据统计表明，对于四川二迭系这样的极硬地层，８１／２英寸ＸＨＰ５三牙轮镶砂破岩效果并不好，钻头在有无偏移情况下钻压和扭矩都比条形齿圈的较大，而破岩体积却较小；盘形钻头     

钻头破岩过程的计算机仿真模型

根据用三牙轮钻头一个主齿圈和一个特殊齿圈进行破岩实验的结果，对井底大量单次或多次破碎坑的数据作了处理，进而建立了破碎坑尺寸大小与齿面结构参数，钻井参数，岩石性质之间的数学，实现牙轮钻头与岩石互作用过程的计算机仿真提供了有实用阶值的参考资料，同时简要介绍了一种测量破碎坑尺寸的新方法－光测法。     

水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究

为提高钻井速度,掌握水力机械联合破岩规律,开展了水力机械联合破岩主要配合参数的实验研究。利用水力机械联合破岩实验装置,模拟井底实际钻进工况,得出了不同破岩方式、射流相对于齿的位置、射流与齿间距和围压4个参数对联合破岩效果的影响规律。研究结果表明:水力机械联合破岩工作方式要优于单射流或单钻齿工作方式;射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在齿前喷射的破岩效果;其它参数一定的情况下,随着围压的增大,联合破岩效果降低,但降低的幅度逐渐变小;增加射流压力,也将增大水力机械联合破岩效果;当射流与齿间距大于3 mm时,随着射流与齿间距的增大,联合破岩效果越差。     

基于SPH方法的组合射流破岩模拟研究

在利用组合射流开采页岩油气资源的过程中,射流参数的变化对组合射流破岩效果有着较大影响。为揭示参数变化对组合射流破岩能力的影响,利用光滑粒子流体动力学(SPH)方法构建组合射流冲蚀岩石的数值模型,通过模拟组合射流冲击岩体问题,并与已有结果进行对比,验证了所建模型的有效性。在此模型的基础上,研究了不同射流喷距、射流直径和射流轴向倾角下组合射流破岩的动态损伤过程。研究结果表明：随着射流喷距的增大,岩石破损坑纵截面面积先增大后减小,这说明喷距存在最佳值;射流直径的改变会直接影响岩石破损坑的形状,射流直径越大,岩石破损坑纵截面面积越大,破损坑底部的凸台越小;岩石表面破损坑径随着射流轴向倾角的增大而增大,但其纵截面面积变化较小。研究结果可为组合射流在喷射压裂作业中的应用提供理论支撑。     

机械-射流破岩耦合特性研究

在现代旋转钻井破碎井底岩石中仍是以机械破岩为主，理论与实践证明，射流辅助破岩是提高钻井破岩效率的重要途径，但它们的耦合特性研究极少。文章基于渗流场与应力场的耦合理论分析，进行了机械与射流破岩耦合特性的实验研究。结果表明：射流压力和水楔作用对岩石渗流场、应力场具有重要作用，耦合作用比非耦合作用的破岩效率有较大幅度的提高。在实验条件下，砂岩的耦合作用提高破岩效率40％左右，灰岩的耦合作用提高破岩效率20％左右。     

PDC钻头破岩试验系统研制

钻头质量的优劣、与岩性和其他钻井工艺条件是否相适应等,影响着钻进速度、钻井质量和钻井成本.针对相应地层优化钻头设计参数,研制了钻头破岩试验系统.该系统采用液压装置给定钻压和转矩,计算机自动检测、控制并保存相关参数,能够真实模拟和分析钻井破岩机理,为钻头的优化设计提供试验数据.试验表明,该系统测试准确、性能可靠,应用前景广阔.     

水力增压及高效破岩实验研究

充分有效地利用井底的水力能量，既要能够提高水力能量的利用率。同时又要易于井下实现。为此，设计了一种新型的井下水力增压装置，该装置依靠脉冲射流的卷吸、自激振荡反馈负压区的形成，以及井壁环空液柱压力的它激作用实现井下增压，所用增压介质仅为井下环空流体。井下水力增压装置是一种既能产生脉冲射流，又以环空液柱为它激射流源的新型增压装置。利用该装置分别进行了自增流量实验和射流瞬时动压力实验，并由此得出了实现最佳自增流量的开孔方案。实验结果表明：射流瞬时冲击力可以达到无孔时的2倍以上。     

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明:当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1+4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。     

破岩钻井方法及高压水射流破岩机理研究

简要分析回顾了破岩和钻井方法的发展，论述了激光钻井和高压水射流钻井的发展潜力。阐明了高压水射流钻井技术已具备工业应用的可行性。分析了高压水射流破岩机理研究中的关键问题及解决途径，介绍了利用数值模拟和试验相结合的方法研究高压水射流破岩机理所取得的一些突破性进展，提出了建立和完善高压水射流破岩理论体系、发展水射流钻井技术的研究方向。     

油气钻井组合式破岩技术研究

为了提高钻井效率,对油气钻井组合式破岩技术进行了深入研究,摩擦热-机械破岩、微波-机械破岩、激光-气体机械破岩等新型组合破岩技术较常规机械破岩方法能明显提高破岩效率,但也有各种技术瓶颈需要突破,距工业化应用还存在一定距离,机械破岩仍是高效破岩的主体.在研究岩石热物理特性、空气钻井装备工具、高温材料等的基础上,提出燃烧热能-机械能综合破岩方法是最有发展前景的新型破岩方法.采用燃烧热能-机械能综合破岩,双壁钻杆及双通道水龙头提供燃料通道,耐热材料用于研制高温钻头,高温造壁器将破岩形成的井眼井壁玻璃化,可实现深井和超深井钻井,并保护储层.      

高效破岩新方法研究进展及其应用前景分析

目前,随着国内油气开采能力与勘探开发的需求不断发展,钻进时对要求的钻进深度不断提出新的挑战,随着深井和超深井的不断变多,在钻井中遇到的地层异常情况也愈加复杂,机械钻速大幅度下降,经常发生钻具的严重磨损,井底温度、压力过高,导致钻具容易发生故障,气田勘探开发的速度和成本受到严重影响。因此,研究新型高效破岩方法已成为深层油气勘探开发的迫切需要。鉴于当前的钻井破岩形式,在查阅大量的国内外文献资料后,现将国内与国外使用的破岩方法以及正在处于研究阶段的一些高效破碎岩石方法与应用情况加以总结介绍,通过对比分析的方法从破岩机理,技术特点,前景分析等方面对高压水力喷射破岩,机械破岩,水力机械破岩以及正在处于探索阶段的粒子冲击破岩,激光破岩等进行总结。     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

岩性对旋转射流破岩成孔影响规律的研究

在研究旋转射流结构特性及流动特性的基础上,分析了岩性对旋转射流破岩钻孔的影响规律,同时进行了旋转射流与普通圆射流破岩效果的对比试验,为旋转射流合理地应用于径向水平钻井中奠定了理论基础.     

牙轮钻头牙齿破岩过程仿真

从运动学角度研究了牙轮钻头牙齿在井底的运动轨迹，并对牙齿的破岩过程进行了仿真分析。结果表明，牙齿的径向滑移主要与移轴距和吃入深度有关；牙齿的周向滑移主要与轮体转速比和吃入深度有关。移轴距、轮体转速比和吃入深度对破碎坑形状、大小和破碎环带宽度都有明显的影响。随着移轴距增大，破碎环带变宽，钻头对井底覆盖能力增强；随着轮体转速比增加，破碎坑明显变小。锥顶齿主要以刮削和挤压方式破碎井底中心区域；外排齿规径部位以切削方式破碎井壁过渡区。     

围压条件下PDC钻头不同齿形的破岩实验研究

为了解决塔里木油田泥页岩地层钻速低的难题，提高ＰＤＣ钻头的破岩效果，研究了围压及ＰＤＣ钻头齿形对破岩效果的影响规律。利用深井破岩试验装置，模拟了井深０￣５ｋｍ的压力条件，进行了ＰＤＣ单齿破岩室内试验。结果表明，切削齿形不同，其破岩效果不同，楔形齿的破碎比功最小，圆齿的破碎比功最大。此外，试验还显示出随围压的增加，破岩效率下降；增大吃入深度，可降低破碎比功。     

物探冲旋钻头破岩机理仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于油气资源勘探领域,但仍存在一些不足,比如钻具损坏严重、能量传递效率低、破岩效率有待进一步提高等。因此,有必要进一步揭示物探冲旋钻井中钻头与岩石的互作用机理,为优化设计冲旋钻头提供理论依据。利用显式动力学分析软件LS-DYNA建立了物探冲旋钻头破碎岩石的有限元模型,并进行了计算机仿真,得到了钻头中心齿、第2排齿、边齿、钻头端面的应力时程图和应力波在钻头中的传播图。仿真结果表明:钻头破岩过程中,各个牙齿的应力变化非常大,第2排齿的应力峰值最大,其次是中心齿,再次是边齿;钻头喷嘴处的应力远大于钻头中心端面和排屑槽的应力;应力波在钻头中传播,危险区域经历了从钻头尾部到钻头喷嘴再到牙齿的过程。