TORKBUSTER扭力冲击器+PDC钻头技术在玉北6A井的应用

TorkBuster扭力冲击发生器配合PDC钻头一起使用,其破岩机理是以冲击破碎为主,并加以旋转剪切岩层,主要作用是在保证井身质量的同时提高机械钻速。TorkBuster消除了井下钻头运动时可能出现的一种或多种振动(横向、纵向和扭向)的现象,使整个钻柱的扭矩保持稳定和平衡,巧妙地将泥浆的流体能量转换成扭向的、高频的、均匀稳定的机械冲击能量并直接传递给PDC钻头,使钻头和井底始终保持连续性。引进扭力冲击器配合专用PDC钻头在玉北区块玉北6A井应用,能够较好地克服地层硬度高、软硬交错的影响,在提高机械钻速的同时,延长钻头的使用寿命。     

复合冲击钻井工具在大庆徐深气田现场试验

大庆油田徐深气田区块登娄库组至营层组层位研磨性强、可钻性差,导致在该段钻井工程中,单只钻头进尺少、钻头寿命短、机械钻速低,为解决难钻层位钻井效率低问题,在该区块深层应用了复合冲击钻井工具,该工具能够实现轴向和周向冲击,在减少钻头粘滑现象同时增加切削齿进入地层深度,提高破岩效率。在大庆徐深气田应用复合冲击钻井工具进行现场试验,提高机械钻速、降本增效效果显著。     

新型涡轮扭力冲击器的试验研究

PDC钻头广泛应用于深部硬岩钻井中,在其钻进过程中经常出现粘滑振动现象,导致钻进效率低、钻头寿命较短,针对这一难题,研制了一种新型涡轮扭力冲击器,不仅能够通过扭转冲击技术来减轻PDC钻头的粘滑振动现象,还能够适应深孔的高温钻井环境。为了充分利用泥浆的能量,考虑使用涡轮组作为动力源,然后通过万向节和减速器进行扭矩传递,最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击。根据这一设计思路,进行了扭力冲击器的结构设计、样机试制、测试平台搭建及性能测试等工作。测试表明,新型涡轮扭力冲击器的设计方案是可行的,其冲击频率为4～5 Hz,经过计算可得单次冲击扭力为651.45～814.28 N·m,实现了初期的设计目标。     

砂岩、泥岩地层旋冲工具提速效果分析

为解决深部地层机械钻速低、单趟进尺少的技术难题,基于共振理论研制了一种旋冲工具,通过在钻头周向附加高频振动冲击力,提高深层破岩效率。现场应用200多口井,提速效果明显,但在应用过程中出现泥岩软地层破岩效率不及砂岩硬地层的问题。针对上述问题,进行了旋冲工具参数检测和砂岩、泥岩破岩试验,结果表明工具在砂岩、泥岩地层提速方面均有较好的效果,但砂岩固有频率更接近目前工具的振动冲击频率,能量利用率高破岩效果更好,而泥岩在频率1000次/min时破岩效果最佳。     

深部难钻地层提速工具现状及发展趋势

通过对深部难钻地层的地质特点及钻井提速难点的分析,研制出适合该层位的冲击辅助破岩工具,并进行了大量的现场应用,同时对未来钻井提速工具,如复合冲击钻井工具等新工具新技术进行探索性研究。     

旋转冲击钻井工具在塔河油田12区块应用效果分析

简述了旋转冲击钻井工具的特点以及使用原理,其较以往其它提速工具不同之处是结合了机械冲击和水力脉冲破岩两方面的破岩能力。重点分析了该工具在塔河油田12区块使用后的提速提效对比情况以及不同地层的提速情况。目前该工具已经在塔河油田12区块多口井进行了使用,都取得了明显的效果,最低提速为25%,最高提速近45%。分析认为,该工具对于12区块哈拉哈塘组地层而言,提速效果不很理想;对于使用常规"PDC+螺杆"钻具组合可钻性较差,机械钻速不高的井段和地层钻速提高明显,原来钻速较低的井段,钻速提高越快,比如卡拉沙依组和东河塘组地层钻速提高明显很多,最高达到60%以上,一般也在30%以上;同时使用该提速工具后,钻时变得逐步均匀,每米钻时驱于平均,钻头的破岩能力均向化。     

阀式正作用液压冲击器的冲击功和冲击频率

阐述了阀式正作用冲击器的工作原理,并介绍一种阀式正作用液压冲击器的冲击功,冲击能量以及冲击频率的理论计算方法,并通过实例对该种计算方法进行验证,结果与预案设计的参数值比较接近,是可行的。     

DH型转阀钻井冲击器结构性能参数优化研究

为了研究旋冲钻井中双液驱动DH型转阀钻井冲击器的冲击运动规律,优化其性能参数,通过分析其在冲程阶段和回程阶段的受力情况,采用有限差分法,建立转阀活塞运动数学模型,利用MATLAB软件编译仿真电算程序,对转阀活塞的动力学过程进行仿真电算,得出DH型转阀钻井冲击器的最优冲击性能参数。同时研究冲击器上下腔面积差、油压系统流量及压降对DH型转阀钻井冲击器冲击性能的影响,并设计关于冲击功、冲击频率和冲击功率的正交分析试验,利用Design-Expert软件对计算结果进行优化,以更好地提高冲击器的工作性能。研究结果表明：活塞杆直径和压降对冲击器工作性能的影响较为突出,流量对冲击器工作性能的影响较小。经优化,冲击功提高21.88%,冲击频率提高12.9%,冲击功率提高37.6%。相关研究对液动冲击器设计及应用具有一定的指导意义。     

厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应研究

针对厚硬顶板覆岩破断释放冲击能量影响采场安全性等问题,基于材料力学及冲击动力学,建立了冲击震源层破断力学模型,研究了覆岩冲击震源层初次破断和周期破断产生的冲击能量大小以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理,分析了厚硬顶板覆岩冲击震源层位能级对下伏采掘空间冲击矿震影响的远近场效应.研究发现:冲击震源层破裂释放能量与采高...     

冲击回转钻进在石油钻井中的应用

冲击回转钻进在石油钻井中的应用陶兴华（德州地矿部石油钻并研究所２５３００５）１概述冲击回转钻进方法的实质，就是在转盘钻进的基础上，再加一个冲击器。由于冲击器作用，钻头上承受着周期性的冲击载荷。液动冲击回转钻进属于井下动力钻井的一种方法，它是以冲击载荷...     

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。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率.采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏.超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果.超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用.     

水压式凿岩破碎冲击器的研究

水压式凿岩破碎冲击器与液动冲击器的工作机理有着本质的区别,它有着很高的工作效率和能量转换率,凿岩速度大大高于气动潜孔锤,但这种水压冲击器不适合泥浆驱动。转阀式水压冲击器的配流不同于以往的配流方式,可能更适合泥浆介质驱动。     

钻孔冲击破岩掘进过程的数值模拟与工艺探讨

为解决现有硬岩掘进方法进尺效率低的问题, 提出了使用液压冲击设备进行超硬全岩巷道快速掘进的新工艺和新方法。通过APDL编程, 利用“生死单元”对超硬岩体的钻孔冲击破碎过程进行了模拟和分析, 并在锦州凌海白台子乡花岗岩采石场进行了现场工艺试验。结果表明, 钎杆冲击位置与钻孔的距离应控制在0.15～0.2 m, 钻孔半径以0.035 m为宜。钻孔冲击破岩的效率约为无钻孔冲击破岩效率的4倍, 钻孔冲击破岩可以实现硬岩掘进, 但工艺还有待进一步优化。     

不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制

深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放机制存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖条件下应变能释放规律,并结合锦屏二级水电站实测深埋隧洞开挖引起的围岩振动的组成分析,讨论了不同开挖方式下的应变能释放机制。研究表明：高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,诱发围岩振动,此时实测振动由爆炸荷载诱发振动和应变能瞬态释放诱发振动二者组成;而TBM开挖条件下,岩体内应变能缓慢释放,不会引起围岩动力响应,实测振动主要是滚刀在机械力作用下破岩或液压加载装置的振动引起的。而应变能不同的释放机制将导致岩体出现不同形式和程度的破坏,且现场对两种方式下围岩损伤及应变型岩爆的监测也证实这个结论。     

煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统及其应用

围岩岩性随钻识别技术能够实时获取巷道围岩力学参数,为煤巷围岩支护提供基础保障。本文基于煤矿巷道液压锚杆钻机研发了煤巷液压锚杆钻机随钻参数采集系统,包括钻进系统、动力系统、监测系统及试件平台。利用该系统进行了不同强度砂浆组合试件的钻进实验,结果表明,系统性能良好,随钻参数变化规律明显,扭矩和推进压强在不同岩层交界处有明显的跃迁现象。为了验证岩石强度随钻识别的可靠性,通过随钻参数计算破岩比能,进一步分析了随钻参数与抗压强度的关系。基于破岩比能法该系统可以实现随钻参数对岩石力学性能的识别。     

物探冲击器与钻头和岩石相互作用仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于矿藏、油气等资源的勘探开发领域,但仍存在钻具损坏严重、能量传递效率低等不足。冲击器的能量传递和破岩效率是冲旋钻井技术的关键参数之一。结合冲旋钻井技术的实际应用情况,阐述了计算假设、三维模型的建立、材料属性及单元类型、划分网格、定义接触、施加载荷等问题,建立了物探冲击器与钻头和岩石相互作用的有限元模型并进行了计算仿真。得到了活塞撞击钻头的能量传递效率;钻头在单次冲击旋转作用下,破碎岩石的深度为6.4 mm;冲击器活塞在运动过程中存在径向速度与位移,危害非常大,应尽量减小或消除。为研究冲击器与钻头和岩石的能量传递关系、钻井工艺参数和钻具结构的优化奠定了理论基础。     

基于ABAQUS的气动潜孔锤球齿碎岩及布齿优化

为提高坚硬地层大直径潜孔锤的破岩效率与使用寿命,运用ABAQUS软件建立了球齿碎岩仿真模型,对比分析?18 mm球齿在不同钻进参数下冲击切削碎岩过程中的破碎比功、侵入深度、破碎范围与应力影响范围等曲线,优选钻进参数和布齿。分析结果表明：当钻压为1.2 kN、冲击功为30 J时,对岩石的破碎效率较高,球齿入岩的位移可达0.67 mm,并对岩石进行应力界限划分,得出应力影响范围为43.4 mm;通过双齿冲击切削模拟确定了较为优秀的圈距与间距：圈距取47.4 mm,间距取43.4~51.4 mm;考虑到球齿的磨损,利用圈距与间距对?711 mm大直径潜孔锤进行了优化布齿。     

花岗岩高温高压条件下冲击凿岩规律试验研究

利用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”、大尺寸（200 mm×400 mm）花岗岩试样研究了花岗岩在高温高压状态下的冲击凿岩规律。研究结果表明,随着温度升高凿岩速度增大,当温度超过约150 ℃时,岩石裂隙数量增多,并且呈现出一定的塑性变形特征,不利于冲击能量的充分利用,冲击凿岩适用于钻进较低温度下（不超过１５0 ℃左右）的坚硬岩层;在高围压状态,冲击凿岩的单位破岩能耗随着温度升高而降低;在高温高压环境下,在一定钻压和冲击功率范围内,凿岩速度随着钻压或冲击功率的增大而增大,单位破岩能耗随着钻压的增大而减小。     

延时间隔对爆破破岩的影响机制及应用研究

为优选适宜的微差延时间隔,指导生产爆破参数控制,采用仿真分析软件建立了二维和三维数值计算模型,研究了不同延时间隔对破岩量的影响规律,分析了延时间隔与破岩量和振动速度的关系,并开展了现场应用试验。研究表明：前后排起爆顺序不影响最佳延时间隔,但影响最终破岩量大小;随着延时间隔的增大,爆破破岩量呈现波动变化趋势,且延时10 ms时可以获得最大破岩量以及较大的振动速度;应综合考虑振动速度和破岩量两个指标,在建(构)筑物安全振动速度范围内,宜优先考虑爆破破岩量,以提高采场生产效率。现场应用后,爆破块度较为均匀,有效验证了优选参数的可行性和可靠性。