仿生非光滑理论在钻探(井)工程中的应用与前景分析

介绍了仿生工程学研究领域的重大发现,即自然界中,无论是陆地、海洋还是天空中的生物,为适应不同的生活环境需要进化而成的表面,都是非光滑表面,该非光滑表面具有减粘、脱附、减阻的特性.实践证明,有规律的非光滑表面还具有耐磨特性,用在发动机活塞表面和轧辊表面均能大幅度提高使用寿命.将仿生非光滑特性应用到金刚石钻头的设计上,研制出了JBD-75S仿生非光滑绳索取心金刚石钻头.现场试验证明,在同样的加工工艺和使用条件下,有规律的仿生非光滑表面金刚石钻头比普通金刚石钻头机械钻速提高47%～83%,钻头寿命提高2.43～2.61倍.     

仿生耦合聚晶金刚石复合片钻头

基于仿生耦合理论设计了仿生耦合聚晶金刚石复合片(PDC),通过摩擦磨损实验研究其性能,制备出仿生耦合PDC钻头并将其用于现场试验。以自然界生物(竹子、人类牙齿、贝壳、树木年轮、蝼蛄等)为仿生原型,从聚晶金刚石和硬质合金材料、聚晶金刚石-硬质合金交接面结构及聚晶金刚石表面非光滑形态3方面入手设计仿生耦合PDC,并开展室内摩擦磨损实验。结果表明:与同尺寸的常规PDC相比,仿生耦合PDC磨耗比提高约18.4%,磨损砂轮速度提高约1.67倍,耐磨性和切削效率都显著提高。现场钻井试验中,根据地层情况和井身结构设计制备了仿生耦合PDC钻头,并与邻井同层常规PDC钻头进行了对比。结果表明:仿生耦合PDC钻头的机械钻速约为常规PDC钻头的2.5倍,可大幅缩短钻井周期、节约钻井成本,经济效益显著。     

仿生非光滑理论在油气井工程中的应用

本文重点介绍仿生学的特性,以及仿生非光滑理论在钻井工程中的应用,主要有仿生钻头,仿生钻柱,仿生井等。     

仿生非光滑PDC片钻头设计与应用

针对目前钻井过程中使用PDC钻头情况,提出并设计加工出仿生非光滑PDC片钻头。重点介绍了仿生非光滑PDC片的设计原理和结构,以及用仿生PDC片制造出的钻头在现场应用的情况。结果表明,非光滑PDC片钻头比常规PDC钻头、牙轮钻头寿命长,平均机械钻速提高60%以上,特别适合配合螺杆钻具使用,具有较好的推广应用前景。     

可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头的破岩仿真

针对钻井过程中岩性识别困难、PDC钻头磨损严重、孕镶金刚石钻头破岩效率低和钻头泥包等问题,采用BP神经网络学习算法建立了岩性识别模型,并设计了一种新型可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头,分别在软件Matlab和ABAQUS上进行了岩性识别仿真和破岩仿真。仿真结果表明:BP神经网络模型对岩性的识别精度非常高,有利于合理选择钻头类型、及时调整钻井参数和提高钻井效率;仿生智能钻头作用于岩石表面的应力远大于常规钻头,使岩石更易达到破碎极限,从而提高钻头钻速。本设计集智能岩性识别、高破岩效率、自再生功能、防泥包功能于一体,为我国石油钻头的设计提供了一种新思路,具有重要意义。     

抽油泵泵筒与柱塞表面耐磨技术研究进展

随着油田不断开采,油井含水含砂量逐年增加,抽油泵的工作环境日益恶化。由于摩擦致使抽油泵泵筒与柱塞失效的情况愈加严重,这将严重影响抽油泵泵效及其使用寿命。概述了抽油泵泵筒与柱塞磨损失效原因。总结了当前几种常用的泵筒与柱塞表面防磨减阻的方法。展望了抽油泵泵筒与柱塞耐磨技术的发展方向。提出了将具有耐磨减阻特性的仿生表面应用于抽油泵柱塞的构想。     

针对须家河组岩性特征选择仿生金刚石钻头参数

通过对四川须家河组岩石做切片分析、硬度和研磨性测试可知,该岩层石英含量高,硬度大,研磨性非常强,钻进中对钻头提出了非常高的要求。根据岩性分析,对金刚石钻头参数(如钻头胎体硬度、金刚石体积分数和粒度、仿生钻头的非光滑度等)进行了优选。介绍了仿生学的非光滑原理,并将其应用到孕镶金刚石石油钻头的设计中,以此来提高钻头的寿命和钻进效率。     

爪式齿金刚石钻头研制成功

1997年5月5日，钻头厂金刚石工具分厂成功地生产出一只爪式齿金刚石钻头。钻头所用的切削齿是由该厂自行研制，具有世界先进水平的爪式聚晶金刚石复合片，与普通复合片相比，该复合片具有更强的耐磨性、抗冲击性和热稳定性，可明显提高金刚石钻头的使用寿命和切削效率，这种钻头能广泛用于软-中等硬度地层，特别具备穿越硬夹层砾石层的能力，爪式齿金刚石钻头的研制成功，对扩大金刚石钻头的使用范围具有重要意义。5月7日，该钻头被运往克拉玛依油田试用。     

小井眼PDC钻头的自平衡抗回旋技术

针对小井眼PDC钻头的实际工作条件,提出了在小井眼钻井中具有普遍意义的PDC钻头的横向力自平衡抗回旋技术.分析了钻头的受力状态与钻头回旋运动之间的关系,并对自平衡抗回旋技术的基本原理、设计方法和技术准则作了阐述.将该技术应用到小尺寸PDC钻头设计中,开发出可在直井、定向井以及水平井等各种小井眼钻井中使用的新型直径为114mmPDC钻头.简要介绍了该钻头的设计原理、结构特点和重要的技术参数.小井眼PDC钻头在大港油田直径为140mm套管开窗侧钻井的钻井工程中取得了良好的技术效益和经济效益.磨损分析结果表明,切削齿磨损速率低,磨损量均衡,聚晶金刚石层未见明显的脆性崩裂,具有良好的抗回旋性能.     

钻头孕镶体夹层对钻速的影响试验

为指导孕镶金刚石钻头和岩石锯等的夹层结构的设计,设计了4组孕镶体的外形结构及夹层结构,研制了可装卸孕镶体的试验小钻头,进行了孕镶体夹层对钻速和磨损量影响的试验。通过观察试验现象和分析试验数据发现:孕镶体的夹层结构有利于提高钻头的稳定性;影响孕镶体钻速的主要因素有夹层的厚度、夹层的形状、夹层的厚度比和夹层金刚石的质量分数;增大夹层间金刚石质量分数的差可以提高钻速;适当增大非工作层的厚度利于提高钻速;影响孕镶体磨损的主要因素有夹层的厚度、夹层的厚度比、夹层的类型及夹层金刚石的质量分数;孕镶体磨损面的沟槽越突出则磨损量越大。这对孕镶金刚石钻头和岩石锯等的夹层结构设计有指导作用。      

仿生凹坑形钻井泥浆泵活塞磨损寿命试验

为提高泥浆泵活塞使用寿命,模仿自然界生物体表形态,在现有泥浆泵活塞表面设计加工凹坑形仿生单元体,在相同的台架试验条件下,对比研究BW-160型泥浆泵仿生活塞与标准活塞磨损寿命情况。结果表明,凹坑形仿生泥浆泵活塞可以显著提高使用寿命,对于BW-160型活塞,仿生单元体可提高活塞寿命至原来的2.19倍;活塞表面的凹坑形结构参数对活塞寿命具有显著影响,凹坑直径、凹坑中心夹角和凹坑深度对活塞寿命的影响依次减小;凹坑直径选取不宜过大或过小;活塞寿命随凹坑中心夹角缩小而增大;凹坑深度较大时,活塞寿命提高较多。分析仿生活塞耐磨机理发现,凹坑形仿生单元体的存在能改变活塞受力情况,增大润滑液存储空间,改善界面润滑条件,降低摩擦副摩擦阻力;同时还能容纳部分磨损磨粒,避免其对摩擦副产生再次刮划。对试验结果进行现场钻井验证试验,对于F1300型活塞,凹坑形仿生活塞与标准活塞相比,寿命提高了93%。     

胜利油田低渗油藏表层套管优化设计研究

针对胜利油田低渗油藏的地质特征,在地层环境相对清楚,能够保证安全钻井井控的前提下开展了表层套管优化设计研究,用φ273.1mm套管替代φ339.7mm套管、开眼用φ346.1mm钻头替代φ444.5mm钻头,使得套管尺寸缩小了19.61%,井眼尺寸缩小了22.14%。研究分析表明,相同条件下,φ273.1mm套管柱比φ339.7mm套管柱强度更高,抗拉安全系数提高了10.58%～10.81%,抗挤安全系数提高了39.81%～39.67%,抗内压安全系数提高了14.29%。现场应用结果表明,采用φ273.1mm套管作为表套的井身结构优化设计方案可行,既能保证钻井井控安全,又能满足后期采油作业的要求,同时降低了钻井综合成本,达到了低渗油田高效开发的目的,具有重要的应用价值。     

水平井仿生磨鞋钻磨复合桥塞的设计与仿真

针对水平井可钻式复合桥塞技术钻塞效率低及返屑困难等问题,以土壤动物蜣螂的胸节背板为仿生原型,设计出一种仿生孕镶金刚石取心磨鞋(以下称仿生磨鞋)。仿生磨鞋以“套铣”的方式钻磨多级复合桥塞,与传统磨鞋相比其钻塞速度更快,返屑成功率更高。为了验证仿生磨鞋的改善效果,在有限元分析软件ABAQUS中对常用的5翼PDC镶齿平底磨鞋与仿生磨鞋进行了钻除复合桥塞仿真对比试验。仿真结果表明：两种磨鞋在钻塞方式上存在较大的差异,仿生磨鞋的钻塞速度明显快于常规磨鞋;仿生磨鞋钻除下来的钻屑尺寸更小,返屑成功率更高,卡钻的可能性更低;增加钻压与转速对提升磨鞋的钻塞速度都具有促进作用,但增加钻压的增速效果更明显;磨鞋底面最外圈边缘的磨损量最大,在加工磨鞋时应该对其优化加强。研究成果可为国内可钻式复合桥塞工艺技术的进一步发展提供理论基础。     

新型智能钻头的设计

介绍了智能钻头和它的最新进展,并详细介绍了一种新型智能钻头的设计原理和设计方法.该钻头系统由部分组成:传感器测量部分,计算机数据处理和存储部分,电源供给部分和通讯控制部分.它可以完成许多智能钻井的工作.对智能钻头在21世纪钻井工程中的应用前景进行了分析和预测.     

惠州区块深层火成岩地层钻井提速技术

南海东部惠州区块前古近系为火成岩地层,岩石强度高、地层可钻性差,导致钻速低、钻头进尺短和磨损严重。为提高火成岩地层钻井效率,通过地层岩性特点分析、钻头磨损评价,并根据测井数据开展了岩石力学分析,设计了高攻击力提速工具和钻头提高机械钻速,采用了强抗冲击性斧型齿和双排齿钻头增加进尺,并提高了钻头心部位置强度减轻磨损。钻井提速技术在惠州D井进行了成功应用,相比较于前期作业的惠州A井:在相同地层岩性的前古近系闪长岩和花岗岩段,钻头机械钻速分别提高了88%和69%,火成岩井段单只钻头平均进尺增加了31.5%,且出井钻头磨损较轻。该技术较好地解决了区域火成岩地层钻井效率低的难题,也为火成岩地层提速提效探索了解决方法。     

复合钻井用新型金刚石钻头研制及现场试验

针对复合钻井钻头转速高、井下动力钻具的输出扭矩受限制的特点,研制了一种尖圆混合布齿、低扭矩的新型金刚石钻头.现场试验证明,新型金刚石钻头扭矩小,寿命长,在相近条件下,比邻井常规金刚石钻头的机械钻速提高30.1%～36.2%,能更好地适应复合钻井的需要.     

综合考虑成本和钻速的PDC钻头钻进参数优化设计

传统的钻进参数优化模型不适用于PDC钻头。针对传统模型的不足,在牙轮钻头钻进参数优化理论的基础上,引入钻井成本和钻速权重系数,结合PDC钻头钻速方程、磨损方程和钻速随累积进尺的变化规律等基本方程,建立了钻井成本和钻速双目标约束下的PDC钻头钻进参数优化模型。该模型可根据降低成本或提速的具体目标设置钻井成本系数和钻速系数,在同时考虑成本和钻速的条件下对钻进参数进行优化设计。川西新场地区实钻资料的计算结果显示,经过参数优化后PDC钻头的单位进尺成本降低,同时钻速提高,这表明该模型可以用于双目标下PDC钻头钻进参数的优化设计。      

长庆气田水平井优快钻井配套技术

长庆气田水平井钻进具有地层条件复杂,岩石可钻性差的特点。为探索适合长庆气田水平井提速的配套技术,从复合钻井工艺、钻井液体系性能、防托压和事故复杂预防4个方面进行了生产应用。实践表明,高效PDC钻头配合螺杆复合钻井可显著提高机械钻速,缩短建井周期;膨润土、聚合物和聚磺钻井液体系可通过控制钻井液性能参数防止不同井段的地层漏失、坍塌,并满足钻具润滑要求;采用倒装钻具组合和应用水力加压器可减小钻具摩阻,减缓托压现象,从而提高滑动钻进速度;此外,应做好井下复杂事故的防治方案并在施工中严格执行。该配套工艺可为长庆地区同类结构水平井钻进提供参考,对提高勘探开发效益具有重要意义。