冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

冲旋钻头破岩机理仿真研究

介绍了冲旋钻井中冲旋钻头与岩石互作用有限元模型的建立过程,并对冲旋钻头在冲击旋转和单纯冲击载荷作用下的破岩过程进行了计算机仿真研究,描述了冲旋钻头破岩过程,求出了相应的钻头破碎岩石的深度、体积时程关系对比曲线,揭示了冲旋钻头的破岩机理——钻头在冲旋作用下破碎岩石的过程可分为4个阶段、钻头破碎岩石深度主要取决于冲击作用而与旋转作用关系不大、破岩体积在冲旋作用下比单纯冲击载荷作用下要大一倍左右,为冲旋钻头在石油工业中的进一步推广应用提供了理论依据。

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题。以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式。这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差。为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了空气冲旋钻井机械钻速。使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选。

冲旋钻头的现状及发展趋势

介绍了冲旋钻进技术的应用概况,阐述了国内外冲旋钻进用冲旋钻头的技术现状,包括改装牙轮钻头、冲击类专用钻头(硬质合金钻头、金刚石钻头)、新型钻头等,并分析了它们各自的特点,提出了冲旋钻头的发展趋势。对我国冲旋钻头的结构优化和新型冲旋钻头的研制具有指导作用。

基于GBDT算法的空气冲旋钻井机械速度预测方法

在石油开采中,为在坚硬且严重倾斜的地层中准确感知钻井速度、避免增加井斜角,提出一种基于GBDT算法的空气冲旋钻井机械速度预测方法。在建模分析冲旋钻头的基础上建立坐标系,平移、旋转处理位于坐标系上的齿头点,使其全部处于在冲旋钻头上。采集钻井机械在工作状态下的各项参数,利用GBDT算法的基函数线性组合分类方式,在反复训练过程中不断减小分类残差,分类并回归处理钻井机械参数,明确机械工作参数与钻速间的关系,完成对钻井速度的预测。实验结果表明:该方法的预测结果与真实结果之间具有较高的拟合度,且具有理想的泛化能力,可降低预测过程陷入过拟合的概率。

空气冲旋钻井冲击力和机械钻速仿真研究

在钻井机械钻速预测研究中,以前常根据现场数据或试验数据统计拟合得出经验或半经验方程,方程一般含有一些很难确定的系数甚至是不可靠的。为此,借鉴三牙轮钻头仿真理论,建立了冲击旋转钻井系统仿真模型,包括冲击器动力学模型、冲旋钻头真实仿真模型、动态变化的真实井底模型和牙齿与井底岩石相互作用模型,用计算机仿真方法预测出冲击器活塞的冲击力、冲击功和空气冲旋钻井机械钻速。仿真结果和试验数据吻合较好,模型可靠,研究成果可用于冲旋钻头、冲击器设计和钻井参数优选。

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.

基于LS-DYNA的冲旋钻头牙齿破岩机理仿真研究

介绍了显式动力学有限元软件LS-DYNA的功能特点,阐述了冲旋钻井中钻头牙齿与岩石相互作用数值研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。利用LS-DYNA对3种不同齿形牙齿在冲击载荷下破碎岩石进行了计算机仿真,描述了牙齿破岩过程,并求出了相应的应力、位移时程关系曲线,得到了3种不同齿形牙齿的破岩机理。经过分析发现,在弹头齿和锥形齿冲击下裂纹首先出现在岩石内部,齿和岩石接触面下端最早出现裂隙,而在球形齿冲击下裂纹首先出现在齿和岩石接触面边缘;3种牙齿齿尖应力波峰值由大到小依次为:弹头齿、锥形齿、球形齿;布齿时锥形齿宜分布在钻头头部端面中心、球形齿分布在边缘,弹头齿或者锥形齿可分布在中心与边缘之间,这样有利于提高钻井破岩效率。

考虑岩石疲劳损伤的空气冲旋钻井破岩数值模拟研究

以川东北PGP-X井为研究对象,对2 140～4 914 m地层进行分段采样,运用静态试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对采样岩石进行动、静态力学性能室内试验。利用LS-DYNA建立空气冲旋钻井活塞–钻头–岩石相互作用系统模型,仿真模型中岩石采用H-J-C动态本构,为考虑冲击载荷往复加载对岩石造成的损伤积累,在每次冲击后,对井底岩石进行强度修正。在此基础上,研究PGP-X井钻井参量及空气锤结构参量与冲击功及破岩比功的关系,探索冲击功、冲击末速度、钻压、冲击频率、转速、井深及岩性对破岩能效的影响。分析发现冲击功–破岩比功曲线具有界限明显的波动区与稳定区,由此得到空气冲旋钻井的临界冲击功及临界钻压;临界冲击功及临界钻压与井深和岩性密切相关,随着井深和岩石硬度增加,临界冲击功和临界钻压都有逐渐减小。通过以上研究,推荐了典型深部地层的临界冲击功、临界钻压、最佳转速与冲击频率组合,这些结果可以作为现场空气冲旋钻井实践的参考。

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论 ,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型 ,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速。应用结果表明 ,该模型可靠 ,计算结果与实际机械钻速基本一致 。

冲旋钻井中钻柱纵向振动模型的建立与求解方法

根据动力学的基本理论分析认为 ,影响冲旋钻井中钻柱纵向振动的因素主要来自钻头与井底岩石的相互作用和冲击器的冲击作用。据此 ,在适当的简化条件下 ,利用弹性杆理论和单元法建立了在冲击器作用下的钻柱纵向振动的动力学模型 ,并采用数值差分法求解了这一模型 ,与旋转钻井情况下的结果进行了比较。为进一步研究钻柱在冲旋钻井中的实际运动规律和动力学性能 ,推广冲旋钻井技术在油气田中的应用奠定了基础。

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。

空气冲旋钻头牙齿失效分析与新材料实验研究

针对目前空气冲旋钻头钻进中牙齿频繁断裂、脱落以及磨损严重,导致破岩效率低、使用寿命短等问题,采用纳米改型技术,在硬质合金中掺杂纳米Al2O3制备出Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料,对其性能、组织结构进行分析,对其耐磨性、耐冲击性进行实验研究,结果表明:加入3%的纳米Al2O3并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构、细化晶粒,复合材料的耐磨性和耐冲击性能得到大幅提高,较硬质合金YG8提高4～8倍。为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性。

冲旋钻头结构对其寿命及破岩效率的影响研究

为研究气体冲旋钻头结构对其破岩性能的影响,文章采用非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,以岩石力学和有限元理论为基础,选择适合岩石侵彻问题的Drucker-Prager本构模型,建立了气体冲旋钻头破岩的有限元模型,模拟不同结构气体冲旋钻头破岩的过程,得到了钻头破岩过程中力与时间的变化曲线以及平均力、比能随结构参数变化的曲线;当第2齿面倾角取25°、第3齿面倾角取44°、露齿高度取7.25mm、钻齿半径取6.75mm时,钻头所受的阻力平均值和钻头破岩所需比能较小,有利于延长气体冲旋钻头的使用寿命,并能提高能量利用率。

气动冲旋钻头破岩过程仿真研究

运用有限元软件LS-DYNA对气动冲旋钻头一次冲击情况下的破岩过程进行了仿真研究,阐述了冲旋钻井过程中钻头与岩石互作用数值研究的相关问题,并对钻头破碎岩石的几个阶段进行了详细的描述。研究表明:钻头破碎岩石的过程分为四个阶段:①中心齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。②第二排齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。③边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段。④整体破碎坑形成阶段。在冲击旋转作用下岩石破碎形态主要有三种:破碎坑、损伤区和无损伤区。钻头产生破碎坑区域越大,钻头破岩效率就越高;损伤区能不同程度地降低了岩石的强度,有利于旋转刮削破岩和下一次冲击破岩,文中所示钻头破碎岩石形成的破碎坑脊部过宽,不利于钻头刮削破碎岩石,原因是钻头部分牙齿之间距离过大。

物探气动冲旋钻头牙齿纳米复合材料试验研究

针对目前物探气动冲击钻头在工作的过程中,遇到牙齿容易出现磨损和断裂失效的问题。应用纳米复合材料的相关理论和制备技术开展了Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的系列试验研究,采用纳米改性技术,在硬质合金中掺杂纳米Al2O3制备出Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料,并测试其性能,进行组织结构分析和耐磨性、耐冲击性能等试验研究,结果表明:加入3%的纳米Al2O3并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构,晶粒明显得到细化;耐磨性和耐冲击性能得到很大提高,较硬质合金YG8提高了7～10倍;为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性,能较好地满足石油物探冲旋钻井的需要。

冲旋钻井系统能量传递模型分析

能量传递效率是冲旋钻技术的一个关键性能指标,直接影响破岩效率。在现有冲旋钻井系统能量传递效率研究的基础上,建立了2种波形作用下的冲击系统能量传递效率计算模型,同时开展了实例计算,找到了能量传递效率η与匹配参数β之间的关系,为冲击钻具设计及现场作业提供了理论依据。

空气冲旋钻井破岩试验台架研制初探

分析了空气钻井冲旋破岩的井底压力和温度、钻压、转速、空气排量、空气锤、射流作用等影响因素。由于台架和真实钻井的差异,忽略了井底压力和温度,不做模拟井壁,岩屑可以充分排出。在此基础上,提出了台架机械系统的3种实现方案:方案一借鉴了钻机钻井的实现方法;方案二使用了旋转岩样的方案,不再需要水龙头,钻压施加方便,且节省了一个液压缸;方案三使用液压缸模拟冲击。

冲旋钻井钻头仿真模型的建立研究——评《钻井工程》

冲旋钻井技术是将传统的旋转钻进和冲击钻进相结合的一种钻井技术,将冲击钻进的单次破岩作用和旋转钻进的连续破岩作用相结合,在钻遇坚硬地层时,以钻速快,钻井成本低、岩屑大、钻压低和井斜程度轻等优点受到油气田的普遍欢迎。不过,目前冲旋钻井的钻具和钻井工艺仍存在不足,阻碍了该技术的进一步推广应用,其中一个重要原因是冲旋钻井破岩机理的基础论研究滞后。计算机仿真可以随时连续动态地、重复地显示事物的发展,在某种程度上计算机仿真研究比理论研究对问题的认识更为深切、准确和全面。在20世纪50年代,许多学者用大量的现场和试验数据拟合出包含一些系数的经验公式,但是,这些公式是在做了大量简化、假设的基础上得到的,而且包含一些需要用大量试验测定的系数,其中包括一些很难确定的系数,导致其准确性不高,应用受到局限。因此,有学者提出真实井底模型、钻头真实仿真模型、牙齿与岩石的相互作用模型和钻进过程仿真模型,用计算机仿真方法预测机械钻速。在进行仿真计算时,必须建立钻头真实仿真模型、真实井底模型和钻头牙齿与岩石的相互作用模型。

冲旋钻头边齿力学分析及倾角设计

文章通过对钻头边齿的力学分析,找出了危险点。明确了牙齿最可能的破坏不是受压或受拉破坏,而是剪切破坏。分析了危险点的应力与钻头边齿倾角的关系,确定了合理的边齿倾角设计范围是30°～45°。在冲击力较小的情况下可放宽到20°～50°;在冲击力较大的情况下可缩小到35°～40°,为科学设计冲旋钻头边齿倾角提供了理论依据。初步实验结果表明,按照上述准则设计的冲旋钻头寿命得到了有效地提高。