复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用

复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问题。基于弹性力学和冲击力学理论,建立了复合载荷作用下压头的破岩模型,分析了模型因素对压头侵深的影响。同时,应用有限元软件分析了复合载荷作用下岩石位移和应力的响应。通过现场应用进一步证明复合载荷冲击破岩的提速效果。理论研究结果表明:该破岩方法可以在保证钻深基础上,减少钻具失效;还扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域,加剧了岩石振动的剧烈程度;当激励频率与岩石固有频率相同或接近时,岩石产生共振,整体振动位移达到峰值。现场应用效果表明,高频低幅轴向冲击工具应用井段平均机械钻速可达3 m/h,与常规钻具相比,平均提速可达67.65%。

扭转冲击钻井稳态钻进动力学特性及现场应用

为了解决PDC钻头在深井钻进时出现的黏滑效应问题,提出扭转冲击钻井提速技术。保持该技术在稳定的工作状态是提速的关键。为研究扭转冲击钻井稳态钻进时的动力学特性,基于振动学理论,建立考虑钻杆能量耗散的扭转冲击钻井系统力学模型,基于稳态钻进条件对力学模型求解,分析模型特征参数对冲击系统动力学特性的影响规律,最后通过扭转冲击工具的现场应用实例进一步验证扭转冲击钻井稳态钻进的提速效果。结果表明:高钻压低转速配合优选的PDC钻头有利于扭转冲击钻井稳态钻进;钻柱的阻尼和刚度分别有利于扭转切削运动和轴向钻进运动;钻头与岩石相互作用特征参数对扭转冲击钻井稳态钻进影响不明显。文安M井应用实例表明扭转冲击钻井稳态钻进可减缓PDC钻头磨损、显著提高机械钻速。

PDC钻头扭转冲击破岩机理及试验分析

扭转冲击载荷作用可以解决由于黏滑振动引起的PDC钻头过早失效问题,大大提高机械钻速。建立扭转冲击载荷作用下的PDC钻头单刀翼、多刀翼与岩石相互作用模型,并通过室内试验进行了扭转冲击载荷与静压载荷作用下的钻进对比试验,对PDC钻头扭转冲击破岩机理进行研究。红砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,钻进相同深度红砂岩,可节约钻进时间36.6%；有扭转冲击作用的PDC钻头钻速均高于同等条件下静压载荷下PDC钻头的钻速,平均增长幅度为116.8%。黄砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,PDC钻头钻速最高达到静压载荷条件下的152.3%；钻头直径为75mm的PDC钻头的最佳比钻压为0.16-0.24kN/mm。PDC钻头扭转冲击破岩机理的研究为PDC钻头的高效破岩奠定了理论基础。

高频扭转冲击器的PDC钻头适用性研究

在钻进深部硬质地层时,由于粘滑振动的存在,钻头经常出现剧烈的转速与扭矩波动,对钻进有很大的影响。基于高频扭转冲击器的工作特点,建立了入射波应力模型和系统的能量传递效率模型。通过对模型因素分析,优选PDC钻头适用性结构。研究结果表明:PDC钻头质量越小,高频扭转冲击器冲击速度越大,冲击器向PDC钻头传递的应力波随时间衰减的越慢;PDC钻头截面积越大,系统的能量传递效率越高;PDC钻头长度越长,沿途损失的能量越多,能量传递效率与长度近似成线性变化;由现场应用效果可知,高频扭转冲击器和优选的PDC钻头配合使用,提高机械钻速1倍以上。