孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

钻柱腐蚀疲劳寿命评价和影响因素分析

油气钻井过程中钻柱受力复杂,容易发生断裂情况,根据现场情况评价钻柱腐蚀疲劳寿命可以为钻柱安全使用提供依据。从现场实用角度,通过轴向力、循环应力和疲劳极限的计算,对比了基于疲劳系数、寿命百分数和旋转计数的钻柱疲劳评价方法,并考虑了腐蚀的影响。分析结果表明,当在严重狗腿度的井段钻进时,弯曲应力和屈曲增加将加快钻柱疲劳失效;当对应的机械钻速降低、转速增加时,钻柱的剩余使用寿命将进一步降低;当发生较严重的腐蚀时,钻柱剩余使用寿命将迅速降低。在高抗拉井段和狗腿度变化大的井段的钻柱应定期倒换使用,以保障现场钻具安全规范使用。

基于仿真数据驱动的激光钻进气体喷嘴结构优化

激光钻进采用气体作为循环介质进行清孔,合理的气体流动特性是高效清孔的保障,气体喷嘴是影响气体流动特性的直接因素,其结构设计不合理会严重影响激光钻进的效率。针对激光钻进实验平台中的气体喷嘴,构建喷嘴基本型态,对影响气体清孔效率的喷嘴结构尺寸进行分析,制定仿真方案,通过Fluent模拟气体流场,对清孔效果进行分析,采用神经网络分析喷嘴结构及仿真结果,训练神经网络模型,得出最佳清孔效率时的喷嘴结构参数并进行验证,为喷嘴结构设计提供参考。

孕镶金刚石钻头磨损机理研究

孕镶金刚石钻头通过钻头胎体的持续磨损实现金刚石的自锐和高效破岩。因此,研究金刚石钻头磨损的影响因素及其影响程度和影响机理,对孕镶金刚石钻头的设计和使用非常重要。本次研究探讨了岩石物理力学性质、钻头胎体性能和钻进工艺参数等因素对孕镶金刚石钻头磨损过程和磨损机理的影响。分析表明,对钻头磨损最为显著的影响因素是岩石中的硬质颗粒导致的磨粒磨损,其次是钻头胎体与岩粉之间的粘着磨损,以及冲洗液中岩粉颗粒导致的冲蚀磨损。在此基础上,以不同硬度的钻头胎体摩擦磨损试验结果为例,探讨了钻头胎体性能及其内部硬质点对钻头磨损的影响机理。该研究成果可为科学设计与合理使用孕镶金刚石钻头提供依据。

深井高速涡轮钻配套同径取心技术研究

分析了涡轮钻具结构特征及性能特点,在深井、特深井的高温高压、强研磨性地层中,涡轮钻具基本上成为唯一可选的用于复合钻进提速降本的井下动力钻具。针对深部资源的勘探开发需求,阐述了现有涡轮钻具同径取心技术的优势及存在的问题,利用数值模拟仿真技术分析和研究了涡轮钻具同径取心过程中钻井液的流动状态对取心效果的影响,认识到涡轮钻具可耐高温,适于深井、特深井全面钻进及取心钻进,但其高转速在取心钻进过程也容易造成岩心磨损、岩柱螺旋,而改善同径取心钻具高速单动性能、加长涡轮钻具螺旋稳定器、利用反螺旋扰流板等技术措施,有利于减小取心钻具井底的涡动、降低岩心内外管轴向速度差,从而提高涡轮钻同径取心钻进的岩心质量。

基于Profinet与S7‑1200 PLC的RN254型铁钻工电控系统的研发与应用

RN254型铁钻工是勘探技术所自主研发的井口自动化拧卸设备,可在3.5~10 in范围内安全、快速、平稳地实现钻具连接、上卸扣操作。基于对一般钻井井台自动化设备集成应用和功能需求特点分析,以井台设备模块化、集成化为设计思想,结合RN254型铁钻工的作业工况、机械结构及液压系统,设计了RN254型铁钻工电控系统。该系统以S7-1200PLC为控制核心、Profinet为通讯方式,将铁钻工所有元件有序地整合到一起,实现了动作单步控制或多个动作顺序组合的一键自动控制。经野外实际生产试验及厂内联合调试,RN254型铁钻工各动作执行良好,主机控制稳定有序,验证了电控系统的可行性及可靠性,提高了孔口作业自动化程度和作业安全性,为后续钻井智能化装备研发提供了参考。

RN254型铁钻工冲扣钳设计与力学分析

铁钻工作为安全、高效的钻杆拧卸工具,逐步取代了液气大钳,成为自动化钻探装备的标准配置。作为铁钻工核心部件的冲扣钳对于整个铁钻工的工作性能至关重要。通过分析冲扣钳的结构原理及工作方式,进行油缸选型与力学分析,为RN254型铁钻工设计了一套高效率的冲扣钳结构装置,并进行了野外生产试验。试验表明,冲扣钳结构设计科学,油缸选型合理,极大地提高了铁钻工的工作效率,为铁钻工的设计制造提供了借鉴。

中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的研制与试验

针对大洋钻探硬岩取心钻具钻进效率低、取心效率低等问题,本文介绍了中国地质科学院勘探技术研究所研制的Ø185 mm规格中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的基本研制情况及陆地试验情况。研制过程中,通过理论计算和Ansys Workbench有限元仿真模拟,对中空式螺杆马达螺旋线型的结构进行了优化设计及动力学分析,并对万向节进行了受力安全分析,优选了材质,钻具攻克了多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节等关键技术,通过在陆地开展花岗岩块取心试验,验证了该取心钻具原理样机工作性能的可行性,为该钻具的工程应用提供了工作参数指导及匹配钻头的优选,也可为我国大洋钻探及深地科学钻探提供硬岩取心技术支持。

BH-N型不提钻换钻头钻进技术研究与应用

地质钻探施工时起下钻更换钻头,需要占用大量时间,且存在一定的安全隐患,大大影响钻探效率,采用不提钻换钻头钻进技术可以很好的解决这个问题。以N规格绳索取心钻杆为使用平台,沿用BH-75钻具基本结构,并针对其存在问题,研制BH-N规格的不提钻换钻头钻具,同时根据N规格钻具的具体结构完善BH-75钻具,提高了钻具的承压能力和钻具收敛(投送)稳定性,增设了自动除沙机构等。在山东乳山金青顶金矿ZK43-1钻孔进行了现场应用,在孔深2081.20~2211.40米实现了不提钻换钻头,钻具岩心采取率达到100%,岩心质量好,最大限度减少起下钻次数,有效预防起下钻引发孔内事故。不提钻换钻头钻进技术为深孔地质勘探中钻进强研磨性、打滑、软硬频繁交替等地层,提供了及时优化钻头使用方案,降低能源消耗,有效的保护孔壁安全和减少劳动强度。

新型耐磨损ONYX切削具制作的PDC钻头

PDC钻头在石油天然气钻井和地质勘探钻进中得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,钻进中产生的PDC切削具非正常磨损,影响了这种先进方法的机械钻速和钻头进尺的提高。俄罗斯史密斯钻头(Smith Bits)公司研发了一种钻进过程中可以沿着自身轴线回转的ONYX切削具,抑制了PDC切削具的非正常磨损,具有创新性和实用价值。НecкopoMныx B.B.教授等对镶有ONYX切削具的钻头的结构和性能参数进行了分析研究。试验表明,这种ONYX切削具的耐磨性比常规固定式PDC切削具的耐磨性好,钻头钻进效果也比较好,俄罗斯正在积极推广使用,建议中国有关专家和部门对此进行研究和试验。

极地钻探用铝合金双壁钻杆结构强度的有限元分析及试验研究

为了实现钻穿冰盖、直接获取冰下基岩样品的科研目标,本文设计了一种极地钻探用铝合金双壁钻杆,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、冰岩夹层和冰下基岩等不同地层的空气反循环、水力反循环、绳索取心钻进相配合等钻进需求。依据铝合金双壁钻杆在极限拉伸、极限拉扭组合工况下的受力情况,开展了双壁钻杆的有限元分析,并对双壁钻杆外管与钢接头连接试样进行了拉伸试验与扭转试验。双壁钻杆有限元分析结果表明:在极限拉伸和极限拉扭组合工况下铝合金双壁钻杆中产生的最大应力分别为183.8 MPa与161.9 MPa,均小于铝合金材料的屈服强度489.99 MPa。双壁钻杆外管与钢接头连接试样强度试验结果也表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5 kN,远大于提升1000 m双壁钻杆所需的拉力(208.11 kN);扭转试样破坏时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,同样大于钻杆在正常钻进过程当中所承受的最大扭矩(1990.56 N·m)。上述结果表明,极地钻探用铝合金双壁钻杆设计方案可以满足极地钻探使用要求。

石油钻杆的发展趋势分析

随着钻井工况的复杂化、钻井深度加深以及其他特殊钻井的需求,钻杆定制化生产的要求越来越多,如抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆。目前,国内石油钻杆生产厂家都以生产API标准的石油钻杆为主,同质化竞争严重,针对深井、深海井、高腐蚀性井等领域发展所需的抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆产品目前涉足厂家较少,在特殊用途钻杆市场内还未形成竞争力。石油钻杆未来发展趋势一定是以满足特殊用途的定制化钻杆为前提的高端石油钻杆。本文立足于国内市场现状,放眼石油钻杆发展趋势,为今后我国钻杆的发展方向提出建议。

广谱性金刚石钻头国内外研究现状及发展趋势分析

随地球浅层资源消耗殆尽,资源勘探开发不断向深部进军,所遇地层条件愈加复杂,坚硬致密地层、强研磨性地层等复杂地层条件成为深部钻探的重大阻碍。金刚石钻头广泛应用于地质资源开发,因此对金刚石钻头综合性能要求也随之提高,然而现有的金刚石钻头只能适用于某一地层,需要经常更换,因此,研发地层适用性好、钻进效率高、钻头寿命长的广谱性金刚石钻头是克服深部钻探任务的重要内容。近年来,金刚石钻头发展迅速,在结构、品类与性能等方面都得到了较大提升,同时也存在一定提升空间。本文介绍了近年来广谱性金刚石钻头的研究现状与取得的重要进展,包括钻头结构及胎体性能方面的提升及应用,随后针对现有的广谱性金刚石钻头研究成果,提出了金刚石钻头的研究难题以及未来发展方向。通过本文对广谱性金刚石钻头的发展趋势总结,揭示了金刚石钻头制作技术和应用领域的新型研究方向,对我国油气勘探及矿产资源开发领域广谱性金刚石钻头研究有一定借鉴意义。

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。

PDC钻头钻进岩石破碎过程及其与钻进规程参数关系的分析研究

PDC复合片钻头在地质勘探和石油天然气钻井等领域得到了广泛的应用,取得了很好的技术经济效果。但是,对于其碎岩过程及其与钻进规程参数间的关系研究不够深入,影响了技术经济指标的进一步提高。俄罗斯钻探工作者在这方面做了很多工作,取得了一定效果,值得引起我们的注意。例如,他们建议,由于岩石破碎方式是变化的,所以,尽量使岩石破碎处于体积破碎状态;如果把钻头每转进尺能耗量指标作为一个评价指标考虑进去,则评价系统会更加科学和更加全面;钻头每转进尺,不是越高越好,有一个最优值,这个最优值与钻进规程参数密切相关;提出了临界钻进规程的概念,即当轴载和转速的乘积高达一定数值时,切削具温度急剧上升、钻头磨损明显加剧,冲洗液量再大也无济于事,因此,此时应该采取措施,及时调整规程参数,避免钻进过程处于临界规程状态,以便使钻进处于正常状态,继续钻进下去。

万米井用超高强高韧套管的研制及组织表征

根据万米特深井超高温超高压工况需求,开展超高强高韧套管合金化技术和制造工艺研究,开发出具有良好韧性、高温强度、抗挤毁和抗延迟断裂性能的BG155V超高强高韧套管,批量试制的性能检测结果表明屈服强度达到1100 MPa以上,0℃横向夏比冲击功平均值达到名义屈服强度的10%。对套管不同服役温度下强度、低温韧性以及微观组织进行了分析,发现采用热轧后控制冷却工艺的管体晶粒度达到11级,通过细小的晶粒保证材料良好韧性和抗延迟断裂性能,提升了万米特深井油气资源开发用套管安全服役的可靠性。

兰陵铁矿小口径定向钻进PDC钻头设计与应用

小口径定向钻进是解决高精度控矿勘探钻进的重要技术。针对兰陵铁矿区中硬岩石薄软互层小口径定向钻进施工碎岩PDC钻头广谱适应性问题,通过对钻头的冠部形状、刀翼布置、PDC切削齿镶焊角度、钻头水力结构及钻头胎体等几个方面的优化设计,研制了Ø98 mm定向钻进PDC钻头。经过中等硬度以上非均质地层3个定向钻探孔的应用验证,PDC钻头在抗冲击破坏、耐磨性、钻头寿命等方面取得了满意的效果,达到高效碎岩、连续稳定控向钻进的目的,为小口径定向钻进PDC钻头的设计及制造提供了一个有效解决方案。

液力驱动无绳索取心系统泥浆正反循环切换机构设计及其流体通道优化

为解决超长水平孔取心钻探效率低的问题,提出通过泥浆液力驱动完成内管总成的投送和回收的无绳取心钻进工艺。为此,本文设计了一种辅助内管投送与回收的孔口泥浆正反循环切换机构。该机构通过两个双通道球阀的相互配合,改变泥浆流动方向,就可实现正反循环的切换。通过ANSYS软件,对正反循环切换机构的L形双通道进行了仿真模拟,结果显示,流体通过L形通道后,高速流体只占总量的50%,流体经过球阀通道的压力降为1008.1 Pa,且靠近通道内侧的流体会产生大量紊乱,产生了不同程度的回流。为此,将通道形状进行了优化,将原来的L形通道改为圆弧形通道,仿真模拟结果显示,流体通过圆弧形通道后,高速流体占总量的90%,流体经过球阀通道的压力降仅为105.3 Pa,且流体迹线整体平滑,仅有少量流体发生回流。优化后的流体通道,有效降低了水头压力损耗,保证了流体的稳定运移。

硬质合金在井下工具中的应用与关键技术分析

硬质合金作为一种常用的高硬度材料,具有良好的耐温性与耐磨性,在井下工具中的应用非常广泛,具有良好的发展前景。文章在阐述当前硬质合金主要类别和研究现状的基础上,调研分析了硬质合金材料在井下工具常见零部件中的应用现状,重点分析了目前钻探行业对硬质合金材料的性能需求,提出了在地球深部高温钻探领域,井下工具所用硬质合金材料的关键技术,为硬质合金材料在钻探行业的应用与发展提供参考。

深井钻杆接头耐磨防护技术研究综述与展望

在深井、特深井钻探过程中,井下钻具处于高温、高压、高腐蚀环境,钻杆与外部岩层以及套管发生激烈的碰撞和磨损,钻具耐磨防护是需重点关注的问题。目前在钻杆接头上敷焊耐磨带是深井钻具防护的主要方法,对减少钻具磨损、延长钻具寿命起着重要作用。本文综述了国内外耐磨带技术发展研究现状,阐述了耐磨带失效原因以及关键性能评价测试方法,分析目前耐磨带技术发展的关键为耐磨带防脱落、耐磨带修复技术和套管友好型耐磨带材料研究。最后对耐磨带技术在深井、特深井应用发展趋势进行展望。