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。

地浸砂岩型铀矿松散岩层单动双管取心钻具的研制与试验

为解决单管钻具取心工艺方法在深部目的层/矿层等松散岩层取心中存在的取心质量差、取心效率低和操作难度大的问题,开展了地浸砂岩型铀矿松散岩层单动双管钻具的研制和试验。通过设计和改进单动机构、断心结构、液力退心机构和快拆机构,研制了两类分别具有可直接液力退心和快速拆卸功能的SD型单动双管钻具。试验结果表明:SD110型双管钻具可在免拆内管的情况下实现地表快速液力退心,提高双管钻具退心效率;SDKC110型钻具可快速拆装更换内管,实现退心和钻进平行作业。与单管钻具相比,SD系列单动双管钻具在松散岩层的平均回次长度提高28.62%,平均机械钻速提高11.61%;与常规单动双管钻具相比,退心操作时间降低了32.69%。SD系列单动双管钻具适用于在松散破碎地层进行取心钻进应用,可有效提高岩心采取效率和岩心质量。

钻井利器的故事之“护壁堵漏材料”

近年来,作为入地最为关键手段的钻探所面临的地层越来越复杂,钻孔垮塌、掉块、缩径和超径等事故发生概率增加,严重制约了钻探工程质量与效率的提升。护壁堵漏材料是钻探工程不可或缺的关键性工程材料,护壁堵漏技术则是保证钻进工作安全、快速以及持续进行的重要技术环节,是复杂地层钻孔处理的主要内容。本文从科普的角度介绍了护壁堵漏材料的基本概念与组成、冲洗液护壁堵漏作用、水泥基材料护壁堵漏作用、护壁堵漏材料的进一步发展空间等,以期加深对护壁堵漏材料的认识,促进新型护壁堵漏材料的研发和应用。

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。

弹性体型胶粘材料在大庆油田裂缝性漏失中的应用研究

针对大庆油田深部裂缝性地层漏失严重、桥塞堵漏材料堵漏效果不佳的问题,引入了弹性体型胶粘材料,与桥塞堵漏材料复配,形成了热塑性复合堵漏技术,室内实验表明该技术可抗温160℃,承压5 MPa,封堵4 mm内裂缝。在大庆油田25口深井中进行了现场试验和应用,现场数据表明热塑性复合堵漏技术较桥塞堵漏技术堵漏效果更佳,堵漏成功率100%,承压7.5 MPa,未发生由于恶性漏失导致提前完钻的情况。

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。

基于阵列声波测井估算碳酸盐岩储层岩石力学和地应力参数——以顺北4号带为例

地质力学分析在油气藏勘探开发过程中发挥着重要作用,顺北油气田中—下奥陶统一间房组—鹰山组储层地应力研究相对滞后。对比分析了顺北4号带下古生界中—下奥陶统一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学和地应力特征,同时探讨了微观颗粒结构对碳酸盐岩储层地应力和岩石力学参数的控制作用,为顺北地区超深层碳酸盐岩储层评价提供了基础地质依据。基于弹簧组合模型,通过岩石力学实验和阵列声波测井确定了岩石力学和地应力特征,通过铸体薄片和X射线CT扫描表征碳酸盐岩的微观孔隙结构。研究结果表明:顺北4号带一间房组—鹰山组杨氏模量分布在50~89 GPa,抗压强度在99~136 MPa,泊松比在0.25~0.32;地层最大水平主应力为200~225 MPa,最小水平主应力为125~160 MPa。一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学参数和地应力存在明显差异,从Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类到非储层段碳酸盐岩的杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力明显增大,而泊松比和最小水平主应力变化不大。相比于一间房组—鹰山组泥晶灰岩,砂屑-生屑灰岩方解石颗粒较大,颗粒黏结程度降低,导致岩石抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩部分方解石颗粒呈次圆状或圆状,颗粒三维空间球度较大,颗粒之间咬合作用减弱,使得岩石的抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩存在大量的孔隙和裂缝,灰岩易沿着潜在的微裂缝面或者颗粒接触面摩擦滑动甚至破裂,同样导致岩石抗压强度和杨氏模量减小。此外,一间房组—鹰山组泥晶灰岩受热液作用影响,部分白云石交代为石英,导致泥晶灰岩的抗压强度和杨氏模量增加。岩石的宏观力学特征和岩石力学参数受岩石微观颗粒结构的制约,一间房组—鹰山组杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力低值区即为顺北4号带优势储层发育区带。

水文水井钻探泥浆特征参数在线监测技术

水文水井钻探是开发地下水资源的一项重要技术手段,钻探过程中产生的泥浆排放会对生态环境造成一定程度的破坏。为对泥浆进行有效净化并循环利用,开展了泥浆在线监测方案的研究,首先利用管道黏度计对泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力进行实时监测,然后通过预先训练基于泥浆密度、流变性参数和含砂量的神经网络模型,预测经过固相控制之后的泥浆中的含砂量。结果表明:通过管道黏度计监测的泥浆密度、表观黏度、塑性黏度、动切力的平均误差分别为0.2%、1.7%、3.4%、3.7%;通过神经网络模型预测的含砂量的平均误差为15.9%,预测模型不依赖模型训练中使用的泥浆配方,能够适用于相同体系的其他泥浆配方,表明预测模型具有一定的泛化性。该泥浆在线监测系统能够满足绿色勘查的要求,适合水文地质及水井钻探的现场应用。

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。

钻井利器的故事之“全液压岩心钻机”

钻机作为钻探工程中最重要的地面设备,是当之无愧的钻井利器。全液压岩心钻机是岩心钻机的主要发展方向。本文从科普的角度,介绍了岩心钻机在破岩过程中提供压力和旋转运动的主要作用,类比杠杆分析液压传动的工作原理,回顾了立轴式手把钻机、立轴式油压钻机到全液压岩心钻机的发展历程,阐述模块化轻便岩心钻机的特点及适合绿色勘查要求的优越性,并指出全液压岩心钻机的智能化、高效化、绿色化的发展方向。

延长东部浅层煤层气水平井井下固井工具附件可靠性实验探索

延长气田东部区域煤层埋深浅、存在低压、易漏失层,该区域内的煤层气井在固井过程中易发生地层破裂、水泥浆漏失现象,井下固井工具附件可靠性直接影响固井质量。本文从固井技术难点分析出发,对于可靠性较高的弹簧球式浮箍浮鞋、固井碰压关井阀等设备完成仿真模拟分析及性能试验;研发的碰压关闭式浮箍,提高了工具可靠性。设计工具附件组成固井管串结构,现场应用2口水平井,结果表明优选的固井工具附件能够满足浅层大位移水平井固井施工的技术要求。

钻井利器的故事之“井下动力钻具”

钻井是能源矿产勘探开发最直接的工程技术手段,井下动力钻具作为破碎地层岩土的有利器具,或直接驱动钻头形成滑动钻进,或与顶驱(或转盘)的回转共同组合驱动钻头形成复合钻进,具有降耗增速、减小井下事故风险等优点。为促使井下动力钻具被更多技术人员了解和认识,物尽其用充分发挥其钻井优势并利用技术特点开发新功能、新器具,本文从科普的角度介绍了井下动力钻具的用途、主要种类、工作原理及发展历程,并综合对比不同井下动力钻具的优劣势。最后,结合深井、超深井等钻井新形势对钻探器具、工艺等的新要求,以及材料、测控、智能化等新科技的在钻井工程中的应用趋势,指出了当前主流井下动力钻具的更新换代、技术革新的发展方向。

新型单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中的适用性研究

北方地区铀矿地质钻探施工地层大多为砂泥岩,在钻进过程中,冲洗液固相含量较高、孔底净化困难,严重降低钻探施工进尺效率以及成孔质量。为了提高铀矿地质钻探的效率,改善孔底净化条件,设计和研制一种新型3翼单水口PDC(Polycrystalline Diamond Compac,聚晶金刚石复合片)钻头,通过数值模拟验证该钻头在结构与材料方面的可靠性;通过流体场模拟验证该钻头水路结构设计的合理性;通过现场4个钻孔试验,并与传统4翼多水口PDC钻头钻探指标进行对比,验证该钻头在实钻中能够更快在泥岩地层钻进,提高机械钻速约20%,且能预防较为严重的烧钻事故。新型3翼单水口PDC钻头在铀矿地质钻探中具有较强的适用性和推广应用价值。

水平定向钻进技术在青海钾盐矿开采中的应用研究

为了提高青海某钾盐矿的开采效率和产量,提出了贯通井的开采方案,首次利用水平定向钻进技术和对接井技术施工了多组贯通井,从水平井注水后从竖井抽取卤水,极大地提高了钾盐的开采量。工程施工初期出现了卡钻事故,通过优化泥浆配方、钻头合理选择、防卡钻钻具的设计使用,避免了卡钻事故的再次发生。该工程完成40条水平井和竖井的对接后,该区域内的钾盐年产量提高3.5万t,证明利用水平定向钻进技术提高钾盐矿开采效率和产量的方案是可行的。相关研究成果可为后续利用水平定向钻进技术进行可溶性矿产开采提供理论依据和实践指导。

近钻头随钻测量系统天线参数试验优化研究

近钻头随钻测量系统能够有效避免传统随钻测量系统所面临的数据滞后问题,而天线的参数设计及优化是提高信号传输距离及稳定性的重要因素。本文对某近钻头随钻测量系统的天线参数展开优化研究,通过试验探讨了天线线圈直径、线圈匝数、负载及磁芯等参数与信号传输距离之间的规律。试验结果表明发射线圈匝数为100匝及线径为0.8 mm,接收线圈为180匝及线径为1 mm,且需引入二级功率放大电路并采用铁氧体磁芯或磁片时,信号传输距离及稳定性最优。相关研究成果可为近钻头随钻测量系统天线的优化设计提供理论依据和实践指导。

水平孔多参数综合测试仪器研发与应用

为研究引大济岷工程隧洞岩体特征、岩溶发育特征、地应力特征和地下水特征等,在泸定取水中线方案的引水线路中布置水平钻孔8个,共计2300 m。为满足对水平孔综合测试的需求,研制了一套适用于水平钻孔的存储式综合测井仪器。本文分析了水平孔多参数综合测试仪器各参数测量的基本工作原理;详细阐述了各功能单元的电路构成选型,主要采用DSP微处理器和大规模集成电路,结合传感器技术实现多种参数的综合测量,包括:水平钻孔的压力、温度、自然伽马、声波波速、孔内电视图像。综合测试仪器集成了模拟传感器、模拟调理电路、数据采集、数据处理、信息存储、数据通讯、信息交换、测控软硬件、电脑显示等功能,是水平孔综合测试不可缺少的技术。在引大济岷工程的水平定向孔中成功应用,一趟起下钻解决了水平钻孔的井斜、方位角、压力、温度、自然伽马、孔内电视测试的难题,尽最大可能保证了钻孔的安全及降低了劳动强度。

鄂西地区颚鹤页3井钻探施工技术

页岩气参数井颚鹤页3井位于湖北恩施湘鄂西褶皱带宜都-鹤峰复背斜鹤峰向斜,钻探的主要目的是主探二叠系大隆组台盆相沉积页岩气,兼探栖霞组混积陆棚相沉积页岩气,设计井深2300 m,完钻井深2326 m。本文介绍了颚鹤页3井的钻探施工情况,针对地表浅层嘉陵江组的失返性漏失处理,防斜打直弯壳体螺杆钻具组合设计,孤峰组和茅口组高硬度硅质灰岩钻头选型等方面开展研究,提高了钻进效率,完成了中国地质调查局自主组建钻井队伍实施的第一口页岩气参数井,获取了目的层岩心实物资料,实现了鄂西地区二叠系大隆组页岩气、栖霞组油气调查新发现,拓展了鄂西地区二叠系页岩气勘探新区和新层系,对鄂西地区页岩气调查评价与开发提供了重要技术支撑。

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。