空气锤钻具防斜机理研究

空气锤在提高气体钻井机械钻速的同时可以有效控制井斜。通过对井底应力及空气锤破岩过程的研究,利用摩尔-库伦准则建立了考虑岩石本身以及周围压力的各向异性指数计算公式。结合空气锤的破岩特性得出空气锤钻具的防斜机理为:空气锤钻具的破岩力主要来自于内部冲击力,较小的钻压使钻具变形较小;空气锤的半圆形牙齿以及巨大冲击载荷使待破碎岩石的局部各向异性指数变小;空气锤低转速条件下的高频冲击有利于克服岩石的各向异性而实现平衡破碎。      

空气钻井提高钻速机理研究

我国一些地区为提高深井和大尺寸井眼的机械钻速，降低钻井成本，采用了气体钻井技术，因此需要对气体钻井技术提高钻速的机理进行研究。首先对石油钻井过程中降低井底压降、旋冲钻井、提高清洁效率、避免重复破碎等提高破岩效率的方法进行了简单总结．然后通过对相关文献提供的数据和图表资料的分析，比较了空气钻井与常规钻井液钻井的差别，最后指出空气钻井能大幅度提高机械钻速的主要机理是：负压差作用、井底岩石力学性质和应力状态发生变化、钻头旋转；中击破碎岩石、井底清洁及热应力等。这为进一步研究提高空气钻井的机械钻速机理提供了参考依据。     

空气锤钎头破岩机理仿真分析

基于非线性动力学理论,利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析软件建立空气锤钎头与岩石的破岩机理仿真模型,对钎头的破岩过程进行仿真分析,认为钎头破碎岩石的过程分为4个阶段,即弹性变形阶段、塑性变形阶段、裂纹萌生阶段和破碎完成阶段。最后对花岗岩、砂岩、白云岩、页岩、灰岩5种不同类型的岩石在同一条件下的破岩结果进行比较。结果表明,花岗岩的侵入深度最小,灰岩的侵入深度最大;页岩的体积破碎量最小,花岗岩的体积破碎量最大。由仿真发现,岩石体积破碎主要发生在卸载阶段。不同类型岩石的体积破碎量和侵深虽然不同,但整体的破岩曲线走向是一致的,即破岩规律是相似的。     

空气锤钎头现状及发展趋势

空气钻井用空气锤钎头（常称平底钻头）是以冲击破岩为主、旋转为辅联合作用破岩钻进的。对国内外空气锤钎头进行了分析,阐述了空气锤钎头的种类、齿形、工作端面以及流道结构的发展现状,提出了增强硬质合金齿和双弧度面齿、3喷嘴大排屑槽流道结构、保径齿和防钎头掉落卡套结构,以适应于各种地层;并采用计算机仿真方法用于空气锤钎头的研究,为空气锤钎头的结构优化设计和新型空气锤钎头的研制提供一定指导。     

�꾮��Ч�����½�չ

钻井工程作业要破碎厚达数千米厚的岩石，其破岩效率的主要影响因素是井下地层岩石性质、破岩工具和方法。文章对岩石性质进行了基本分析，进行了喷嘴射流水力冲蚀辅助破岩门限压力的实验研究。提出了在现有旋转钻井方式下，钻头的机械破岩、喷嘴射流的水力辅助破岩和降低井底压差是提高钻井破岩效率的三个重要途径。分别阐述了它们能够提高钻井速度的机理、方法、关键技术和研究方向。同时介绍了激光钻井和电热能钻井新方法的研究与发展趋势。     

���������꾮��Ч���һ����о�

现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

哈山101井火成岩地层空气锤钻井技术

准噶尔盆地哈山地区火成岩岩石坚硬、研磨性强、可钻性差,采用常规空气/泡沫+牙轮钻井技术存在着单只钻头进尺少、井斜增长快等技术难题。首先分析了空气锤结构特点、破岩机理及其在火成岩中的适应性,指出采用以冲击动载为主、剪切破碎为辅的空气锤钻井技术钻进火成岩,较常规气体钻井方式具有明显的防斜打快技术优势。在邻井空气锤钻井试验基础上,通过优化空气锤复合结构钻头齿材料与气流布局,改进空气锤保径结构与防掉机构设计,并且建立了空气锤钻井的钻压、转速、耗风量及风压等参数计算方法,形成了火成岩地层空气/雾化+空气锤钻井技术。经在哈山101井火成岩中进行现场应用,在保证井斜始终控制在1°以内情况下,单只空气锤平均进尺367.86 m,较邻井提高了56%以上,取得了显著的应用效果,为今后准噶尔盆地火成岩地层防斜打快提供了一种有效手段。     

等离子体电脉冲钻井破岩机理的电击穿实验与数值模拟方法

等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现,电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌,并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击穿角度明确了单次脉冲破岩效率的评价指标——能量转换效率η_e,并提出了一种新的岩石介质击穿模型——概率发展模型(PDM),借助PDM和简化的电击穿电路研究了单脉冲击穿时电路结构参数对破岩能耗分配的影响规律。基于电脉冲击穿实验参数和PDM生成的等离子体通道轨迹提出了等离子体电脉冲钻井破岩机理研究的数值模拟方法,利用该数值模拟方法研究了在地层压力为0～30 MPa下、直径为41 mm的电极钻具在加载峰值电压为60 kV时的破岩规律。     

KQC系列空气锤在油田气体钻井中的应用

在油田气体钻井中使用KQC系列空气锤,解决了泥浆钻井在中硬以上地层中钻速慢、易井斜的难题。钻机通过钻杆对井底空气锤施加钻压和转矩,空压机产生的高压气体驱动空气锤钻头对井底岩石进行冲击,形成快速的旋冲式破岩钻进。这种破岩方式要求的钻压和转矩较低,有效地降低了井斜,减少井下事故的发生。现场试验表明,使用KQC系列空气锤钻井,平均机械钻速比泥浆钻井提高5倍以上,同时具备防斜和纠斜的能力。介绍了KQC系列空气锤的结构特点、工作原理、技术参数、台架试验与现场试验情况及空气锤钻进中应注意的问题。     

单粒子冲击破岩实验与数值模拟

粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过破岩实验与数值模拟相结合的方法,以冲击破岩的粒子直径、冲击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度（岩石破碎坑最大深度）之间的内在规律研究为目的,进行了单粒子冲击破岩室内实验,分析了破碎坑模式。同时,利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型,并对粒子冲击破岩的过程进行了数值模拟。模拟结果与室内实验数据的对比,验证了H-J-C模型选取的正确性,并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。     

空气钻井钻柱波动响应规律研究

空气锤钻井具有提高机械钻速、减少储层伤害以及降低钻井成本等优势,因而在国内外各大油田得到广泛应用。而高速冲击的空气锤产生的应力波既有破岩作用．又对钻柱产生了一定程度的损伤．极易导致钻柱失效。文中根据应力波传播理论,对高速冲击工况下产生的应力波进行了模拟研究,求解出了波动响应随时问变量在钻柱中的传播规律,为研究应力波的破坏机理奠定了基础：     

空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺,为了实时评价空气锤钻头的工作效率,提高钻井施工可控性,对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论,分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理,引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型,并提出能量传递效率η_tr,辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型,研制了空气锤钻井机械比能计算软件,可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率,并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明,该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符,本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。     

空气锤钻井技术在哈深201井火成岩地层的应用

准噶尔盆地火成岩地层岩石坚硬、研磨性强、可钻性差,钻进过程中井斜问题突出、机械钻速低、钻井周期长,严重影响了火成岩目的层的勘探开发进程。首先分析了牙轮钻头气体钻井技术难点,通过开展火成岩岩石力学特性实验,分析空气锤破岩机理及其在火成岩中的适应性,结合KQC型空气锤主要结构、技术性能特点,提出空气锤钻井低钻压、低转速、高频率冲击的破岩方式,在实现山前带火成岩防斜打快的同时,能有效避免钻具磨损、疲劳断裂等情况发生。在准噶尔盆地哈深201井火成岩中进行了现场应用,在保证井斜始终控制在2°以内情况下,平均机械钻速和单趟钻进尺较牙轮钻头气体钻井同比分别提高了2.45倍和6.42倍以上,哈山区块?444.5 mm井眼单趟钻机械钻速14.29 m/h,?311.2 mm井眼单趟钻进尺470.62 m,取得了显著的防斜打快应用效果,为今后火成岩地层优快钻井探索出了一种有效的技术手段。     

空气锤钻头保径技术探析

介绍了空气锤钻头结构特点和空气锤保径技术研究现状,把空气锤钻头磨损分成了钻头齿断齿、钻头齿掉齿、钻头齿偏磨、钻头齿齿高磨损、钻头刚体磨损及钻头刚体划伤6种形式,并从材料选择、结构设计和空气锤钻井工艺3方面对磨损进行了分析。从材料选择和结构改进2个方面对现有空气锤进行了改进,提出了"三翼面"保径空气锤钻头。新型空气锤保径钻头在龙岗39井空气锤钻井应用中取得了钻进1 899.35 m只磨损2.5 mm的好成绩。     

SGQ320型气体钻井用贯通式潜孔锤的研制

常规空气锤钻井技术在石油钻探领域得到了较大的发展和应用,为气动潜孔凿岩工具的发展和使用提供了广阔空间。在系统分析总结反循环空气锤气体钻井技术优势的基础上,详细介绍了SGQ-320型贯通式潜孔锤的组成及工作原理、关键结构参数及零部件的设计、性能参数仿真计算等整个研制的思路和过程。根据拟施工的井眼尺寸,以满足钻头体积碎岩所需冲击能量为前提,计算确定活塞的质量及关键参数,进行具体结构设计,并利用计算机模拟仿真程序辅助进行性能参数设计。SGQ-320型贯通式潜孔锤已完成室内调试,各项性能指标均达到了预期设计要求。该工具的成功研制为石油钻探提供了新的技术支持,能够融合气体钻井、冲击旋转钻井、反循环钻井三者优势,提高复杂地层、深井硬岩地层钻井速度。      

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现“中心球形齿+周围锥形齿”的破岩效率最高,“中心球形齿+周围球形齿”组合的破岩效率最低。      

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。      

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速.应用结果表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,这些仿真模型可用于冲旋钻头优化设计和钻井参数的优选.