绳索取心钻头在钾盐勘探的应用及优化技术——以JG-2井为例

JG-2井是中国地质科学院矿产资源研究所为进一步查明思茅盆地勐野井组钾盐资源而布置于景谷凹陷盆地的地质调查井,设计井深1800 m。全孔取心分别采用金刚石和PDC绳索取心工艺技术,施工中出现岩盐、泥岩、砂岩及泥砾岩互层频繁、反复交替,致使岩石可钻性及研磨性变化快,钻头机械钻速快-慢不均、泥包及岩心磨损严重等问题,对钻头选型带来较大的困难、影响了钻进效率。本文针对上述问题,分析总结了钻遇地层岩性特征和使用钻头类型、结构后,优选了八刀翼PDC绳索取心钻头类型、同时优化了孕镶金刚石钻头结构与钻进参数,改善泥浆流变及清洁性能,较好地解决了上述问题,提高了钻头时效及取心质量。最后终孔深度1829.44 m,终孔直径133 mm,钻获了直径≥78 mm的优质岩盐矿心,岩矿心平均采取率达到97.51%,为类似地质条件钾盐调查勘探提供一定的借鉴依据。

基于仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头探讨

潜孔钻机是矿山爆破穿孔的主要设备,使用量很大,潜孔钻头是潜孔钻机关键部件之一,决定潜孔钻机成孔效率和最终成孔质量。本文利用仿生穿山甲楔齿形原理对潜孔钻头进行了结构设计,并探讨了加工安装工艺。经矿山现场工业性试验,在同等工况条件下,此种潜孔钻头钻孔效率提高,以φ152钻头(6吋)配套高气压潜孔冲击器测得的凿孔速度数据综合分析表明,仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头凿孔速度比普通球齿潜孔钻头提高12%~18%。

孕镶金刚石钻头优化设计及其在甘青隧道应用

孕镶金刚石钻头是通过胎体超前磨损,促使金刚石出露形成微切削刃,在钻压和扭矩的作用下对岩石进行磨削碎岩,可广泛应用于硬地层和复杂地层钻进。然而,常规金刚石钻头存在坚硬地层钻速低、进尺慢、费用高等问题。本研究首先采取甘青隧道S2Z-45钻孔相邻孔不同深度的岩石样品,对其硬度、矿物组成及可钻性进行测试分析,确定了岩层大部分以闪长岩为主,岩石可钻性等级为8级;然后针对甘青隧道的地质特点对孕镶金刚石的胎体硬度和底唇面形状进行了优化设计,并进行了现场试验,通过分析钻头的实际使用情况研究了孕镶金刚石钻头性能的影响因素。试验结果表明:胎体硬度为HRC 15~20、金刚石粒度40~50目、金刚石体积分数为20%、底唇面为环槽尖齿型的孕镶金刚石钻头性能最佳,寿命达到321 m,钻速为1.17 m/h;在相同金刚石参数下,胎体硬度为HRC 10~15的滚齿型孕镶金刚石钻头在钻速方面具有优势,最大钻速能够达到1.44 m/h。环槽尖齿型底唇面和高胎体硬度有助于提高钻头寿命,滚齿型底唇面和低胎体硬度有利于提高钻进效率,但钻头寿命偏低。

单牙轮钻头楔形牙齿偏转角优化方法

为了解牙齿偏转角对单牙轮钻头破岩效率的影响,获得最优的牙齿偏转角,结合单牙轮钻头的运动特性和牙齿的工作特点,采用数值分析方法进行了楔形牙齿刮切破岩模拟,并建立了单牙轮钻头楔形牙齿偏转角优化方法,同时开展了不同楔形牙齿偏转角单牙轮钻头的破岩试验。数值分析表明:刮切破岩过程中,单牙轮钻头楔形牙齿的工作面和刮切体积在不断变化;楔形牙齿偏转角优化方法能准确、快速地计算楔形牙齿刮切体积,找出最优的偏转角;优化计算发现楔形牙齿的最优偏转角都在90°附近。破岩试验结果验证了楔形牙齿偏转角优化方法的可行性和计算结果的准确性。研究结果表明,利用单牙轮楔形牙齿偏转角优化方法,可以求得单牙轮钻头楔形牙齿的最优偏转角,可以为单牙轮钻头布置楔形牙齿提供指导。

Ø76 mm小直径钢齿三牙轮钻头设计

针对小口径不取心钻孔,开展了Ø76 mm钢齿三牙轮钻头规范性的系统设计。本文参考国产石油三牙轮钻头结构设计参数取值,设计了Ø76 mm钢齿三牙轮钻头结构参数值,校核了牙轮钻头计算直径。系统介绍了井底击碎图和齿圈啮合图的绘制方法,并对铣齿牙轮的齿圈布置进行了优化。采用非密封滑动轴承结构,钢球锁紧牙轮,对滚珠轴承进行了设计计算,确定了滚珠数量、滚道尺寸及间隙。精确计算了楔形齿的相关参数,确定了铣刀角和铣刀安装角。阐述了小直径钢齿三牙轮钻头的零件细节、加工工艺。利用Excel函数运算功能和三维参数化实体模拟软件,解决了牙轮钻头传统的繁重的手工计算和繁琐的二维投影手工绘图的问题,提高了设计效率和设计精度,为类似牙轮钻头的设计提供了借鉴。

砾石层异型齿PDC钻头的设计及现场试验

塔里木盆地库车山前盐上砾石层发育,砾石含量高、粒径大、抗压强度高,地层可钻性差,钻速慢,井下复杂多。为此,文章针对山前盐上大段砾石层进行了地层砾石层特征和钻头失效模式分析,并在此基础上进行了PDC钻头的异型齿结构设计、优化布齿及冠部形状等设计,形成抗冲击、强攻击性的异型齿PDC钻头设计方案,从而提高了PDC钻头的抗冲击、抗涡动及破岩效率,有效扩大钻头在砾石层中的适用范围。钻头在山前高含砾地层进行了现场试验,取得了优异的应用效果,单只钻头平均进尺达到530 m,平均机械钻速达到4.28 m/h,同比邻井在该地层钻井效果最好的10只PDC钻头的单只钻头进尺提高了42%,平均机械钻速提高了52%,成功解决了塔里木盆地库车山前盐上砾石层钻井的低机械钻速及短进尺的问题。

煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔双级双速扩孔钻头研究

双级双速扩孔工艺技术可以实现煤矿井下顶板高位大直径定向钻孔的一次高效扩孔,克服常规正向多级扩孔技术方法提下钻工作量大、辅助钻进时间长和钻具安全性较差等局限性。扩孔钻头是实施多动力双级双速扩孔技术的关键工具,为进一步提高双级双速扩孔的碎岩效率,对双级双速扩孔钻头的冠部剖面形状、切削齿直径和切削齿结构参数进行优化设计;在此基础上建立了双级双速扩孔钻头和对应地层三维模型、有限元模型,采用动态分析软件模拟研究3种不同钻头直径的碎岩效果;优选一级钻头ф165~ф152 mm、二级钻头ф165 mm的钻头直径配比,利用新设计的双级双速扩孔钻头进行现场试验,完成2个120 mm钻孔一次钻扩至200 mm实钻施工,累积扩孔进尺474 m,扩孔综合钻效为5.6 m/h,最高钻速可以达到7 m/h。结果表明:双级双速一级钻头能够有效减少二级钻头的碎岩难度,延长钻头寿命,满足双级双速工艺要求,大大提高顶板高位大直径综合钻进施工效率。

复合锥单牙轮钻头牙齿磨损研究

复合锥单牙轮钻头是基于球形单牙轮钻头的新型单牙轮钻头,其独特破岩方式能提高钻头效率。但现场试验发现,钻头牙轮小端一侧切削齿和保径齿磨损严重,牙轮大端切削齿和保径齿基本没有磨损,导致整个钻头钻进速度降低。为弄清偏磨机理,通过有限元分析方法对钻头各齿圈牙齿载荷变化规律进行了分析,并分析了各齿圈牙齿的切削轨迹形状和牙齿与岩石的接触时间。结果表明:牙轮大端的牙齿载荷大于牙轮小端的牙齿载荷,但牙轮小端牙齿与岩石的接触时间更长。综合分析牙齿破岩时间和牙齿轴向载荷,理论上⑥号齿圈牙齿磨损应该最小。现场试验结果表明:不但⑥号齿圈磨损较小,①、④、⑤号齿圈的磨损更小;钻头一侧保径齿磨损严重,且⑦、⑧号齿圈磨损严重,根据研究结果分析认为钻头钻进过程中向井壁一侧发生倾斜,导致钻头一侧切削齿和保径齿磨损严重。

定向双齿结构对PDC钻头破岩效率及侧向力的影响

针对钻头在软硬夹层中钻进时,由于PDC钻头破岩效率低以及侧向力激增引发钻柱横向振动和涡动,导致钻头过早失效的问题,设计了一种具有定向双齿结构的PDC钻头,并通过双齿切削有限元模拟,研究了不同布齿参数的定向双齿结构对破岩效率和局部侧向力平衡的影响。结果表明:定向双齿结构能够有效提高破岩效率,双齿间距对机械比功的影响较小,相比单齿切削机械比功减小约5.60%~6.50%;双齿夹角能够显著影响机械比功,当双齿夹角为160°时,相比单齿切削,机械比功减小约96.36%~113.82%;相同侧转角情况下,双齿夹角布齿的侧向力比单齿切削减小约33.40%~74.20%,能够有效提高钻头在过渡地层和定向钻井时的局部侧向力平衡,从而提高钻头整体力平衡效果。该研究可为PDC钻头布齿优化设计提供参考和依据。

混合钻头切削齿工作部位几何面离散化研究

为更好地研究混合钻头的性能,分析混合钻头与岩石相互作用机制,使用C#语言对混合钻头牙齿的几何表面进行离散化,再将离散化得到的数据导入MATLAB软件生成模型。结果表明:用离散点绘制的牙齿模型与牙齿的三维实体模型基本一致,牙齿离散化的可行性和准确度非常高。切削齿工作部位几何面离散化有利于改进牙齿设计,优化钻头结构,从而提高破岩效率,为后续钻头的工作行为研究及钻头与岩石相互作用的研究提供参考。

四翼弧角形PDC钻头在煤矿穿层钻孔中的应用

穿层钻孔是煤矿邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯治理的常用手段。针对在软硬互层及硬地层穿层钻孔施工中现用三翼内凹钻头存在寿命短、钻进效率低的问题,研制了四翼弧角形PDC钻头。采用内锥线与抛物线结合的流线形布齿方式,增加了切削齿密度,实现了多轨道分层错峰碎岩;优化钻头切削倾角与侧转角,增大了切削自由面。对2种钻头进行了现场对比试验,结果表明,在穿层孔钻进中四翼弧角形钻头钻进稳定,寿命提高3.74倍,钻进效率提高33%,各切削齿均匀同步磨损,钻头失效形式优于三翼内凹钻头。

牙轮钻头牙齿破岩机理研究进展

井眼形成是通过钻头牙齿破碎岩石形成岩屑来实现的,对钻头牙齿侵入破岩机理的认识有助于优化钻头结构,提高工具破岩效率。阐述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,分别从弹性力学、裂纹扩展、数值模拟等几个方面,综述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的研究进展,指出了今后的研究重点。虽然前人开展了众多的物理实验与数值模拟研究,但是由于钻头牙齿破岩过程及井底环境的复杂性,目前为止其机理并没有被完全认识清楚。理论与实验研究证明,井底压力是影响机械钻速的重要因素之一,针对钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,建议采用先进实验和数值模拟技术,将物理实验和数值模拟结合开展研究,揭示井底复杂应力环境下钻头牙齿的破岩机理将成为未来的研究重点。

加载速度对单齿压入破岩过程的影响

由于试验条件及途径对单齿压入试验结果有重要影响,因此,应用三维显示有限差分程序,模拟了单齿压入岩石的破碎过程,分析了不同加载速度对单齿压入破岩过程的影响。结果发现,随着加载速度的加快,破坏单元的累计总数减少,破坏单元的累计数曲线波动幅度加大;随着加载速度的加快,峰值强度及所对应的侵入深度增大,侵入载荷曲线的波动幅度增大;当加载速度较低时,侵入载荷曲线的波动幅度不大,并呈现出逐渐上扬的趋势;当加载速度较快时,侵入载荷曲线呈现出波动衰减趋势。

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据,利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境,选取具有代表性的3种岩心进行试验,测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压—单位能量破碎体积以及围压—破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析,得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形,压入载荷和压入位移成线性关系;岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小;在以相同齿形压入相同岩石的条件下,岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下,抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小,楔形齿次之,球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。

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。

三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力测试分析

采用应力电测法对三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力进行了实际测试 ,测试结果表明 :单齿压入时 ,齿孔变形将受到牙轮纵横向刚度差异的影响 ,在一定过盈量情况下 ,齿孔变形呈椭圆趋势 ;随着过盈量的增加 ,齿孔孔表的周向应力和径向应力将全部变成拉应力 ,这是导致齿孔产生裂纹的重要因素 ;邻孔压齿对测试孔装配应力有明显的影响 ,影响程度与齿孔距有关 ;齿孔计算模型以及牙轮设计和加工过程中 ,必须考虑牙轮纵横向刚度以及邻孔压齿的影响。

Ф14.0mm钻齿与钻头本体齿孔的过盈分析

掉齿是影响空气钻井潜孔钻头寿命的主要原因之一,而钻齿与本体齿孔的安装过盈量直接影响固齿强度。通过建立Ф215.9 mm潜孔钻头Ф14.0 mm钻齿与钻头本体齿孔过盈装配的力学模型,对过盈量为0.040、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080和0.100 mm时的装配应力及本体材料的径向位移进行了模拟计算,并对钻齿施加工作载荷,检验了其固齿效果。通过分析可知:过盈量小于0.065 mm时本体材料处于弹性变形状态;过盈量不小于0.080 mm时,本体齿孔的应力值较大,局部接触位置超出材料的抗压强度;过盈量为0.065～0.075 mm时,既有弹性变形又存在轻微的塑性变形,此时的固齿强度能够满足实际工况的需要。考虑到塑性硬化的作用,推荐该钻头下钻齿与本体齿孔的安装过盈量为0.065～0.075 mm。

高温地热井三牙轮钻头的研制与应用

由于深部地层温度高、井下环境十分恶劣,高温地热井钻井施工过程中所使用的三牙轮钻头普遍存在着掉齿的现象,给钻头的寿命和单趟进尺都带来了非常不利的影响,因而亟待开展适应高温地热井钻井的钻头固齿力学和钻头延寿方面的研究。为了解决高温地热井钻井过程中的三牙轮钻头掉齿问题,基于实验分析和数值模拟,开展了三牙轮钻头固齿强度研究,研制了个性化的三牙轮钻头新产品并进行了现场应用。研究结果表明:(1)在同等齿型直径及固齿过盈量参数条件下,180℃高温环境下固齿强度下降幅度介于14.7%~83.3%;(2)切削齿直径和镶齿过盈量对于三牙轮钻头固齿强度的影响十分显著,增加齿孔间接触面积及优化镶齿过盈量能够有效提高齿孔对切削齿的固紧力;(3)新产品在东非大裂谷OLKARIA区块地热资源钻探现场应用的效果表明,该新钻头能够有效地防止高温地热钻井钻头掉齿、提高综合破岩效率、降低钻井成本。结论认为,该研究成果对于我国青海、西藏及海南等省区高温地热井钻井用钻头设计与应用具有重要的参考价值。

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解(误差在2%以下);结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。

岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨

研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。