S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆”形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。

钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

基于改进YOLOv8n的煤矿井下钻杆计数方法

为提高煤矿井下钻杆计数的效率和精度,提出了一种基于改进YOLOv8n模型的煤矿井下钻杆计数方法。建立了YOLOv8n−TBiD模型,该模型可准确检测矿井钻机工作视频中的钻杆并进行有效分割:为有效捕获钻杆的边界信息,提高模型对钻杆形状识别的精度,使用加权双向特征金字塔网络(BiFPN)替换路径聚合网络(PANet);针对钻杆易与昏暗的矿井环境混淆的问题,在Backbone网络的SPPF模块后添加三分支注意力(Triplet Attention),以增强模型抑制背景干扰的能力;针对钻杆在图像中占比小、背景信息繁杂的问题,采用Dice损失函数替换CIoU损失函数来优化模型对目标钻杆的分割处理。利用YOLOv8n−TBiD模型分割出的钻杆及其掩码信息,根据打钻过程中钻杆掩码面积变小而装新钻杆时钻杆掩码面积突然增大的规律,设计了一种钻杆计数算法。选取综采工作面实际采集的钻机工作视频对基于YOLOv8n−TBiD模型的钻杆计数方法进行了实验验证,结果表明:①YOLOv8n−TBiD模型检测钻杆的平均精度均值达94.9%,与对比模型GCI−YOLOv4,ECO−HC,P−MobileNetV2,YOLOv5,YOLOX相比,检测准确率分别提升了4.3%,7.5%,2.1%,6.3%,5.8%,检测速度较原始YOLOv8n模型提升了17.8%。②所提钻杆计数算法在不同煤矿井下环境的视频数据集上实现了99.3%的钻杆计数精度。

含表面双裂纹的钻杆管体断裂性能研究

钻杆刺漏是钻杆在服役过程中最常见的失效形式,而钻杆表面裂纹的扩展是钻杆发生刺漏的直接原因。为更有效地评估钻杆表面含有多条裂纹时的安全性能,以某超深直井G105钻杆井口段为研究对象,建立管体外表面双裂纹有限元模型,分析了拉扭载荷下裂纹间距、次裂纹尺寸以及走向对环向主裂纹前缘J积分的影响。结果表明:轴向排列的环向次裂纹是相对最安全的,可大幅消减钻杆主裂纹前缘的J积分;环向排列的环向次裂纹相对最危险,可大幅增大钻杆主裂纹前缘的J积分;轴向次裂纹可增大钻杆主裂纹前缘或部分前缘的J积分,但增幅相对环向排列的环向次裂纹来说要微弱得多。次裂纹对主裂纹前缘J积分的影响强度随两裂纹间距的增大或次裂纹尺寸的减小而减小。因此在对含表面双裂纹的钻杆进行分析时,在次裂纹尺寸较大且距离较近的情况下应考虑次裂纹的影响;在次裂纹尺寸较小或距离较远时则可忽略次裂纹,将模型简化为单裂纹钻杆模型进行分析。

钻杆在扭转作用下的变形及抗扭性能分析

钻杆在煤矿勘探开发过程中占据着重要地位,因工作条件恶劣,易失效并造成钻井事故。基于材料力学、工程力学等对钻杆扭转时的切应力及变形量进行分析,建立钻杆在施加纯扭矩作用下的剪应力、单位长度扭转角及抗扭强度计算的力学模型。同时,通过ANSYS仿真得出切应力分布规律及扭转变形量。通过对比,ANSYS仿真结果与理论模型计算结果基本一致,为钻杆失效等进一步研究提供了理论依据。

超深井控温钻井隔热涂层参数影响机制研究

为揭示隔热涂层对超深井井筒温度场的影响规律,针对隔热涂层与钻杆的导热特点,采用传热热阻形式计算钻杆的综合传热系数,构建了考虑钻杆内隔热涂层影响的超深井井筒–地层瞬态传热模型,并采用有限差分法对模型进行离散,利用高斯–赛德尔算法进行迭代求解。通过理论分析和现场数据验证了模型的准确性。研究发现,钻杆内隔热涂层的导热系数对井底循环温度影响显著,随着导热系数减小,井筒环空温度迅速降低,出口温度升高;隔热涂层的厚度和长度对井筒温度也有重要影响,隔热涂层厚度越大,井底循环温度越低。这些发现为超深井钻井过程中井筒温度的调控和隔热钻杆参数的优选提供了重要理论依据。

基于DeepSORT和改进YOLOv5的煤矿井下钻杆计数方法

针对煤矿井下钻杆计数存在精度较差、效率较低等问题,提出一种基于DeepSORT和改进YOLOv5的煤矿井下钻杆计数方法。首先,设计DR-C3模块,提高YOLOv5网络提取特征的能力;其次,引入GAM注意力机制,减少复杂背景的干扰;然后,通过CARAFE上采样算子扩大感受野;最后,结合DeepSORT算法对钻杆进行实时追踪计数。实验结果表明,改进后的YOLOv5 mAP@0.5提升了2.8%;钻杆计数平均精度达99.4%,检测速度达到93帧/s,计数精度高,满足实际需求。

某油井G105钻杆断裂失效分析

在某油井深400~500 m处,钻杆1在解卡时断裂,随后钻杆2在打捞落鱼时断裂。采用断口形貌分析、化学成分分析、显微组织分析、力学性能测试等手段分析了两根钻杆断裂的原因。结果表明,钻杆1与井壁摩擦过程中发生相变,强度下降塑性增加,发生韧性断裂;钻杆2与井壁摩擦时,形成大量马氏体,韧性恶化,当再次承受拉力时发生脆性断裂。建议监测井内结构变化,保证钻井液的循环畅通,优化钻具结构设计,防止钻杆因相变而断裂,同时禁止工人违规操作,避免钻杆因超载发生断裂。

近千米大直径穿强厚含水层降温管井钻孔设计

制冷降温是深部矿井热害防治的有效技术手段。以核桃峪矿井制冷降温系统建设工程为背景,针对降温管井钻孔深度大,穿过洛河组巨厚强含水层,长距离输送冷媒保冷等技术难题,在分析工程及水文地质条件基础上,确定管井钻孔两次开孔分段设计参数;通过调研管路保冷材料性能,提出复合钢管、静态空气、玻璃微珠增强水泥、钢基复合保温套管四种保冷方法条件下基岩段护壁管设计方案;综合考虑保冷效果、固井可靠性、施工难度等因素,优选工作管采用钢基复合保温套管;并根据套管受力计算,校验护壁管规格参数。工程实施效果表明,井上下降温管始末端温度损失约1℃,可以满足冷媒长距离输送冷量损失要求,对于类似工程具有借鉴价值。

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。

复合载荷作用下矿用定向钻杆接头的三维力学特性分析

煤矿钻杆在严苛的服役环境和复杂的受力状态下易失效,不仅影响正常生产,而且还因打捞困难致使事故恶化。针对上述问题,以煤矿φ73 mm外平定向钻杆为研究对象,对不同载荷下钻杆接头进行了受力分析,并通过单轴拉伸试验获得了接头材料的力学性能参数,构建了接头材料的本构模型。在此基础上,应用虚功原理、Von Mises屈服准则和接触非线性理论建立了钻杆接头螺纹的弹塑性有限元分析模型,分析了不同工况载荷作用下接头部位的受力状态及应力场分布规律。研究结果表明:在预紧扭矩为2000 N·m时,该钻杆接头具有良好的密封性能和联接强度;单扭和拉扭载荷下,靠近主台肩的第一螺纹牙为主要失效部位;在压、弯、扭载荷下,主台肩为主要失效部位;在钻机最大扭矩与推进力的作用下,接头的抗弯能力达到3°/3 m。

考虑钻杆接头的小井眼环空压耗计算模型

小井眼钻井作为开发深部油气资源的重要技术手段越来越受到重视。小井眼往往具有更高的环空压耗,这给环空压力控制带来了一定挑战。准确预测钻柱偏心旋转情况下的环空压耗是小井眼钻井的重要理论与实践基础,但常规预测模型适用性非常有限,往往忽略了钻杆接头的影响,无法满足现场的精度需求。为此,利用数值模拟技术,分析了钻杆接头对环空流场、压耗的影响规律,并据此确定了压耗修正因子经验模型的构建方式。分析结果表明:钻杆接头所产生的额外压耗受钻井液类型、钻杆转速、偏心和环空返速的影响,压耗修正因子的构建应考虑多种因素的耦合关系。利用152组数模结果,建立了针对新疆玛湖油田的小井眼环空压耗预测模型,该模型计算结果表明,在钻杆低偏心度情况下存在临界转速,使得环空压耗达到最大,而钻杆处于高偏心度时,环空压耗会随转速增大而增大;而偏心度对环空压耗的影响规律也会因转速不同而变得更加复杂。利用环空压耗预测模型,计算了玛湖油田MHHW-X井的当量循环密度,结果与PWD数据进行对比,平均误差仅为1.18%,模型具有较高的准确性。研究结果表明,利用数模结果建立的考虑钻杆接头的小井眼环空压耗模型可以满足现场预测精度需要,能够为现场环空压力控制提供指导。

小井眼水平井洗井岩屑清除效率研究

为研究小井眼水平井洗井钻柱旋转时的岩屑清除规律,针对玛湖深层三叠系长水平井小井眼洗井工况,进行了相似试验设计,开展了岩屑启动流速和岩屑清除效率的试验研究。试验发现,采用不同排量冲洗岩屑床时,岩屑床呈现稳定运移、沙丘式波浪运移和整体运移等3种运移形态。试验研究了岩屑床稳定运移形态下岩屑粒径、排量和钻柱转速对岩屑启动流速及钻柱转速对岩屑床高度和形成稳定岩屑床所需时间的影响规律,分析了岩屑床整体运移形态下岩屑粒径、排量和岩屑床初始质量对岩屑床清除效率的影响。研究结果表明,岩屑粒径越小所需启动流速越低,钻柱旋转后等效岩屑启动流速降低45.5%,钻柱转速升高会使形成稳定岩屑床所需时间缩短,岩屑清除效率提高;当岩屑床发生整体运移后,较低排量下岩屑床清除速度受岩屑粒径影响较小,高排量下大粒径岩屑床的运移速度快。排量和钻柱转速是提高洗井过程岩屑床清除效率的关键,而现在洗井时钻柱转速较低,可适当提高钻柱转速,以提高洗井效率。

工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

特厚煤层孤岛煤柱水力扩孔防冲卸压技术研究

砚北煤矿2502采区大巷保护煤柱两侧采空,为孤岛煤柱,应力集中程度高,由于煤层较厚,传统大直径钻孔卸压无法取得较好的防冲效果,针对该问题,提出了煤层水力扩孔卸压的技术。通过理论分析研究了水射流破煤和扩孔的卸压机理,水力扩孔通过增加钻孔孔径扩大了单孔的卸压范围;确定了砚北煤矿特厚煤层水力扩孔的主要技术参数,采用数值模拟分析了钻孔内分段扩孔的卸压模式;开发了相应的配套设备,采用双层高压钻杆实现煤体的“钻-割”一体化卸压,提高了卸压效率。通过砚北煤矿现场试验表明,煤层水力扩孔在水压40 MPa和高压喷嘴作用下,扩孔半径能够达到0.35~0.5 m,钻屑量在扩孔区域明显降低,表明水力扩孔能够显著降低煤体内应力集中,达到冲击地压防治的目的。

钻具熔切用铝热剂及其喷射机构研制

为实现管柱的快速解卡,采用铝热药剂燃烧产生的高能火焰经特殊的喷射机构引流后,对遇卡管柱实施快速环向熔融,是深井管柱遇卡故障高效快速处置的重要手段之一。文章结合大量地面金属板熔融穿透烧蚀测试,研发了适用于管柱熔融切割作业的专用铝热药剂,同时根据喷射火焰特征,研制了可对火焰实现径向引流作用的喷射机构,并开展了实验测试。实验结果表明:专用铝热药剂对金属板具有较强的烧蚀穿透能力,采用直径38 mm、高90 mm的铝热剂药柱在5 s内实现了厚度12 mm金属板的有效熔融穿透。喷射机构对轴向高速火焰经过流孔加速和引流面径向转向后,可完成对管柱的360°环向全覆盖,保证了管柱环向熔融切割的顺利实施。该研究为高温熔融井下钻具内切割工具的研制提供了重要技术支撑,为遇卡管柱高效快速切割技术的形成奠定了关键基础。

直连绳索取心钻杆分区热处理技术研究

为了提高绳索取心钻杆的性能,对直连绳索取心钻杆的受力情况、结构特点以及传统处理工艺进行分析,提出了分区热处理的工艺。通过对两端进行热加工处理,使钻杆中间管体区域和两端热处理螺纹区域性能出现差异,提高两端综合强度的同时改善螺纹部分的受力状态,可使钻杆柱既具有高强度又兼具柔性,大幅提高钻杆机械性能以及耐磨性。其中调质硬度HRC33~38能在保证管体延伸率与正火、回火基本一致的情况下,强度提高37.7%,硬度提高40%,抗冲击性提高46.7%。调质硬度HRC38~42时,材料的耐磨性提高9.1%。更适合全液压钻机施工及深孔钻进,为钻探施工提供了钻机、钻杆配套性的优选方案。

高强韧钻杆用低碳高铌钢的动态CCT曲线测定与分析

利用MMS-200热力模拟实验机对高强韧钻杆用低碳高铌钢进行模拟轧制压缩试验,测定绘制低碳高铌钢动态连续冷却转变(CCT)曲线,并研究了冷却速率对显微组织的影响。结果表明,冷速为0.5℃/s时,组织主要由多边形铁素体(PF)和少量珠光体(P)组成,同时观察到极少量的针状铁素体(AF);冷速为1℃/s时,组织以针状铁素体(AF)为主,珠光体消失,但仍可见一定比例的多边形铁素体(PF);冷速升高到2℃/s时,转变组织完全为粒状贝氏体(GB);冷速升高到5℃/s时,转变组织以粒状贝氏体(GB)为主,同时出现少量的铁素体贝氏体(FB);冷速升高到30℃/s时,转变组织以铁素体贝氏体(FB)为主,同时出现少量的马氏体(M)。

煤矿用钻机钻杆自动更换机构分析

煤矿用钻机在钻进过程中,钻杆的上杆与下杆都需要人工进行操作。在操作过程中劳动强度大、效率低且存在很大的安全隐患。针对此问题,提出一种自动换杆机构的思路,并对换杆机构的运动学进行可行性分析。