渭北油田岩石性能参数下PDC钻井破岩研究

PDC钻头几何结构复杂性、岩石材料差异性以及钻井工况的系统性,使得钻头切削破碎岩石的机理研究与钻头对地层的匹配适应性一直存在很大困难。基于渭北油田取心所测得岩石力学参数,获得了该区块的H-J-C岩石响应模型参数,通过三维CAD软件和有限元软件建立PDC钻头破岩的三维非线性动态仿真模型,开展PDC钻头在该区块的破岩规律研究,并深入研究钻头破岩过程中的响应规律。结果表明,该区块下钻头垂向加速度为0.1 m/s²,钻头垂向速度稳定在0.006 m/s,破岩功呈周期性变化、总体上升的规律趋势。该计算方法针对性较强,计算灵活便捷,为后期钻头—地层的适配性研究提供了技术手段。     

煤层底板灰岩层注浆定向水平井用PDC钻头个性化设计

针对煤层底板灰岩层定向水平注浆井钻进工艺特点及灰岩层地层特性,通过分析现场地质特征及构造、钻孔设计以及井身结构等特点,对拟钻地层特性、钻进工艺以及常规钻头磨损情况进行研究,对钻头剖面形状、切削齿排布、切削齿安装角度以及金刚石复合片优选进行优化设计。新设计钻头采用抛物线剖面,极限密度布齿并针对关键部位增加后备齿加强的方案,降低钻头关键部位磨损,提高钻头攻击性,以通过数值模拟分析异形切削齿破岩效率,以强化鼻部切削齿,提高钻头抗冲击韧性,防止钻头冲击破坏。采用优化设计的钻头进行现场试验,使用寿命较常规PDC钻头提高58.18%|复合钻进平均速度较常规PDC钻头提高50%|定向钻进平均速度较常规PDC钻头提高56.52%,实现了灰岩层底板注浆施工优快钻井需求,为硬岩裂隙地层定向井钻进施工提供了钻头设计方案,为同类地层注浆井的施工提供了技术支撑。     

基于有限元的PDC钻头单齿工作参数仿真研究

采用显式动力学中的接触、侵蚀有限元分析方法,对PDC钻头的单齿工作参数变化进行了仿真。当绕钻头中心轴线旋转的单粒PDC切削齿在切削深度为2mm时,研究了具有不同前倾角、侧倾角破岩时切削齿的受力分布及岩石破碎情况。仿真结果较真实地表明了单粒PDC切削齿应力分布、接触压力分布随钻头破岩过程的动态变化情况,为PDC钻头的设计提供了有效的依据。     

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。     

PDC切削齿后倾角与破岩关系的数值模拟

PDC钻头在煤炭行业中应用广泛,但在煤层顶、底板硬岩穿层钻进中出现了效率低的状况。基于这一问题,以切削齿为单位对钻头破岩作用机制进行研究,在有限差分软件FLAC~(3D)中建立切削齿与岩石相互作用仿真模型。通过改变切削齿空间参数,模拟不同后倾角对切削齿破岩效果的影响。研究结果表明,切削齿的后倾角为15°时,切削齿对岩石产生应力及位移最大,破岩效果最为明显。     

弱胶结砂砾岩地层钻头研制及提速工具配套研究

针对弱胶结砂砾岩地层钻井过程中面临的PDC钻头崩齿、碎齿严重,钻头先期损坏使得单只进尺少,钻井成本高等技术难题,从弱胶结砂砾岩地层岩石力学特性分析、锥齿PDC钻头研制及提速工具配套等方面着手,研究形成了适合弱胶结砂砾岩地层钻井提速的锥齿微心PDC钻头;并通过选用恒扭矩工具配合该型钻头在胜利油田利567区块进行现场应用,取得了良好的效果,大大延长了钻头的使用寿命,起到了提高机械钻速和降低钻井成本的目的。     

龙凤山气田火山岩地层个性化PDC钻头设计与应用

长岭断陷龙凤山气田主力储层主要分布在火山岩发育的营城组和火石岭组。储层岩石石英含量高、研磨性强,导致机械钻速低、单只钻头进尺短,大幅增加了起下钻换钻头等非生产时间,严重制约钻井提速。本文通过开展岩石力学实验研究,利用测井资料建立并修正岩石力学剖面,开展了异型PDC齿研发和钻头切削结构设计优化,研发出一种适合该区块火山岩地层的6刀翼异形齿PDC钻头,现场应用3井次,较其他普通PDC钻头平均进尺提高42.2%,平均机械钻速提高36%,提速降本效果显著。     

基于数字钻孔的钻头磨损与随钻参数关系研究

通过随钻参数反演岩石力学参数是数字钻孔技术的核心问题，PDC钻头是数字钻孔技术中破岩的主要结构。为了分析PDC钻头磨损程度对随钻参数的影响，基于煤矿液压锚杆钻机建立了数字钻进系统。利用该系统进行了钻头不同磨损程度下的数字钻进试验，同时结合有限元软件对钻进过程进行模拟，研究了PDC钻头磨损条件下随钻参数的变化规律。研究结果表明：钻进过程中各随钻参数之间的相关性与岩石强度变化规律显著；随钻参数对钻头磨损程度响应明显，在相同动力以及岩石强度条件下，钻进速度随着钻头磨损程度的增大而减小，钻杆扭矩随磨损程度增加而增大。试验结果与数值计算结果变化规律一致，证明了钻头不同磨损程度对于数字钻孔技术确定岩石性质具有重要影响。该研究为PDC钻头在数字钻孔中合理调整钻进参数以及反演岩石力学参数提供了参考。     

硬地层PDC钻头优快钻井配套技术研究进展

PDC钻头配合动力钻具、水力设备等辅助设备钻进能够有效提高硬地层破岩效果,降低硬地层钻井成本。在调研近年来国内外硬地层PDC钻头优快钻进配套技术研究成果的基础上,总结分析不同配套设备及配套技术的使用特点及局限性。针对我国现有配套设备和配套技术的发展现状,指出应加强对动力钻具、水力设备等使用寿命的研究,提高其性能、可靠性和使用寿命。同时,应加快对动力钻具+水力设备配合PDC钻头钻进作用机理的研究,实现机械-水力联合高效破岩钻进,提高硬地层钻井破岩效率。     

基于离散元方法的PDC钻头切削齿破岩机理数值模拟

工具破岩机理研究对于石油钻探、煤炭和矿物开采、隧 道和地下硐室建造等工程领域具有重要意义.切削工具的 结构参数及真实物理环境对破岩效果影响显著.采用离散 元方法模拟 PDC齿在不同切削速度、切削角度、切削深度以 及围压参数下的切削破岩效果,得出 PDC 齿受到的切削力 及岩石裂纹发育情况的变化规律.研究结果表明:在 PDC 钻头切削岩石过程中,切削力随切削速度和切削深度的增加 呈近似线性增加,切削角度为１０°时其切削力最小,围压会显 著增强岩 石 的 强 度 和 塑 性,从 而 影 响 PDC 切 削 齿 的 破 岩 效果.     

等离子技术在矿山中的应用

破岩方法可分为机械能破岩和热能破岩2种。对于中等硬度以下的岩石,如硬度系数(f)≤6～8的岩石利用机械方法破岩效率较高;而对于f≥8的坚硬岩石,热能破岩的效果就远远高于机械破岩。从实际应用出发,重点介绍了低温等离子体破岩、凿岩的原理和方法,等离子装置的结构及其特点。     

难采煤岩的高效破碎方法研究

针对我国难采煤岩比例日渐上升,传统煤岩开采方法效率低下的问题,开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类,将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩,阐述了各煤岩破碎技术的工作原理,并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状,对当前国内研究基础进行了概括,并根据现有研究分析了各技术的局限性,通过建立的局限度指标,对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价,其中射流破煤岩局限度最低,激光破煤岩最高,冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩,在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同,具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析,在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上,提出了“高地应力的克服或利用”“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想,另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善,提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同,是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想,从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。     

反井钻施工技术在高应力不良岩层溜井中的应用

反井钻技术作为成熟的施工技术在我国得到了广泛应用。金川二矿区目前正在建设深部工程,岩石条件破碎、地应力大,加之基建工期紧张,废石溜井(814～700m)安全快速地完成施工对于深部开采工程建设的推进至关重要。结合现场实际情况提出采用反井钻施工废石溜井,极大地提高了施工效率,及时改善了700m平面的通风效果,一定程度上解决了高应力不良岩层条件下井筒掘进难题,为类似工程项目竖井施工提供了经验。     

“打滑”岩层回转钻进采用低工艺规程初探

通过对岩石破碎机理的再探讨,提出在坚硬致密弱研磨性岩层(俗称"打滑"地层)的金刚石回转钻进中采用低工艺规程,在探索和实际应用中取得很好的效果,尤其在中深孔中转速开不上去时也取得好的效果。     

Breakability analysis of the elastic rock beam based on the winkler model

Based on the Winkler model, a mechanic model was established with formulas derived concerned with the deformations before and after a roof breakage at places in front of and at the back of the working face. In accordance with the theory for rock beam breakage, the beam breaking position in front of the working face is specified. In addition, the formulas were developed for the velocity of the subsidence at observatory point A in front of the working face when the coal wall serves as the coordinate center and the advance distance at time t as the dynamic coordinate. In the application of the above-mentioned achievements to the practice of Xieqiao Mine and the mines of the Eastern Panji Company of Huainan Mining（Group） Co. Ltd., the results concerned with the velocity with which the roof stratum tends to subside before and after breakage as derived from the mechanic model are well compatible to the results based on in-situ observations and measurements.     

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。     

空孔直眼掏槽微差起爆时间的力学模型及分析

工程实践表明, 微差起爆时间是影响掏槽效果的一个重要因素。掏槽孔装药爆破以后, 槽区内的破碎岩石与爆生气体混合并通过槽区口部向槽外抛掷, 工程上要求爆破结束时剩在槽腔内的岩石碎块越少越好。通过分析槽腔内岩石碎块的运动过程, 建立了掏槽爆破微差起爆延期时间计算的力学模型。应用模型对掏槽微差起爆时间进行的优化研究表明, 掏槽微差起爆时间与孔深成正比。     

钻进模拟试验装置及应用

介绍了破岩模拟试验装置。该装置可模拟不同井深（０～５ｋｍ）压力条件进行小井眼钻头实钻破岩或单齿破岩试验。利用此装置为提高塔里木泥岩地层机械钻速所进行的室内试验研究。试验得出泥岩的三轴抗压强度随围压的增加而增加；在相同切深条件下，９０°夹角圆弧顶（弧弦长３～５ｍｍ）的ＰＤＣ楔形齿切割切削比功最小。而圆齿比功最大。     

采动破碎岩体的动态碎胀性物理模拟的研究

通过相似材料模拟试验,研究了长壁全采、部分开采条件下不同区域、不同高度采动破碎岩体的动态碎胀变化规律,总结出长壁全采时位于采空区边界内附近的破碎岩体碎胀系数最大,条带部分开采比长壁全采时岩体的碎胀系数小得多,部分开采时岩体的碎胀系数随高度波浪变化及在加载时煤层区域可压缩量较大的重要规律。     

共振碎岩理论的初步探究

通过对岩石裂隙的探究,结合振动系统发生共振时的破坏作用,提出了共振破碎岩石的新理论.分析了共振碎岩的机理、岩块裂隙扩张过程和裂隙的分布情况,最终得出了岩石在共振作用下的破碎过程,为破碎岩石提供了一种新的方法.