机械式复合冲击器的工作特性分析

常规冲击器采用的水力脉冲方法存在的冲蚀问题对冲击器的工作寿命影响较大。为此,提出一种机械举升及碟簧蓄能冲击方法并设计了一种机械式复合冲击器,通过实例模型验证了机构的可行性,在此基础上采用理论计算与数值分析相结合的方法对其压缩蓄能、扭冲、轴冲特性展开分析。研究结果表明:在10~100 MPa轴向压缩下,数量为11的碟簧组其总变形量增长率是数量为5的碟簧组变形量的约2.66倍,但其等效应力曲线特性相近;扭冲特性与径向冲击力成正比,下轴体端面总速度和总变形量与冲击力均呈线性相关,4对扭转冲击力作用的端面总速度约是2对的2.54倍;摆线轨迹线的举升座在30 r/min的运动状态下,12 mm冲程的最大冲击速度为0.2 m/s,最大冲击加速度为5.6 m/s^(2),为防止冲击过程接触应力过大需合理选择冲程大小,可通过增加扭冲对数、提高组合碟簧数量来增强冲击特性。研究结果可为复合冲击器的设计选型提供理论支撑。

复合冲击钻井技术在北部湾盆地中的发展前景

涠西南凹陷石炭系是北部湾盆地勘探开发的重点层位,根据区域地质构造研究以及前期钻井实况,石炭系地层受制于地层、层积特征和凹陷断裂带等因素的影响,实钻机械钻速远低于上部地层、实际钻井周期远高于设计,导致钻井成本的大幅增加和勘探开发进度的严重推迟。为打破石炭系机械钻速慢、钻井周期长的僵局,引用复合冲击钻井提速工具,实钻应用效果良好,机械钻速由原来的4m/h提升至8~20m/h,至少能够节约一趟钻,从作业的源头控制成本,实现安全、优质、高效的钻井作业。

复合冲击相位差对破岩效率影响数值模拟研究

现有复合冲击破岩效率的研究均未考虑轴向冲击和扭转冲击载荷相位差对于破岩效率的影响,为此,进行了复合冲击载荷相位差对破岩效率影响的研究。建立了轴-扭复合冲击钻具PDC钻头单齿破岩数值模型,分析了轴向和扭转冲击应力波不同相位差对钻齿侵彻深度、切削面下岩石损伤以及钻后形成岩屑形态及数量的影响规律。研究结果表明:在轴向和扭转冲击载荷等振幅条件下,当相位差为50%时,侵彻深度最佳,切削面以下岩石损伤的程度更为明显;当轴向振幅较大,相位差为75%时,对于岩体侵彻深度效果的提升最为明显,破岩效果最佳;相位差为100%时,侵彻深度较深,且钻齿波动较小,产生的岩屑颗粒较小。研究结论可为复合冲击钻具结构的优化和运动参数的调整提供理论基础。

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明:复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大,但钻齿所受的切削力也会同步增大;冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果,较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大;提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积,但钻齿所受的切削力也相对较大,不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。

PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果,利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型,研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性,再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明:在其他条件相同的条件下,复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高;岩石在复合冲击作用条件下,钻压对PDC齿破岩效率影响较大,且存在明显差异,增大钻压有利于破碎岩石;转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值,未达到这个值时,增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。

基于三维复合冲击的延长气田钻井钻进参数自动控制技术

在钻井过程中受到多方面参数的影响,导致钻机钻速波动,为此提出三维复合冲击下延长气田钻井钻进参数自动控制技术。根据气田地层对钻压的敏感程度选择钻头,计算钻头的扭矩变化、轴承的磨损速度以及钻头磨损系数,利用PID控制算法,获得泥浆的消耗量参数、孔深参数、钻压参数、漏水状态参数、烧钻参数以及岩层的软硬变化参数所对应的电流和电压信号,得到标准的参数数据,自动调整钻速、遇到岩石层增大扭矩、降低钻压以及确认钻井的方向,实现自动控制技术。实验证明技术可有效降低钻速的大幅度波动,提升工作效率。

PDC钻头复合冲击钻进动力学研究

深部地层的环境温度高,岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式,钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型,并进行对比分析,得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现,复合冲击作用下岩石裂纹发生快,更容易产生体积破碎,岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑,相比常规钻进能够提速30%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据,对深井油气田开发具有重要意义。

复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头(PDC)的破岩机理,利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型,模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程,分析了复合冲击破岩机理。结果表明:在复合冲击作用下,轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度,同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进,应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。

同频异位式复合冲击器的研究开发与现场试验

为了提高PDC钻头在硬地层中的破岩效率,增加切削齿吃深,同时消除井底钻头的“黏滑”现象,研制出同频异位式复合冲击器。该复合冲击器具有轴向冲击和扭向冲击2种功能,且2种冲击频率相同、但相位不同。基于同频异位式复合冲击器的结构特点和工作原理,确定了轴扭冲击相位角θ2为20°,建立了PDC切削齿轴向冲击力和扭向冲击力的数学模型,明确工具扭冲系统与轴冲系统消耗水力能量比值的合适范围为2.0~3.0。现场试验结果表明,带有复合冲击器钻进时,井底钻柱扭矩平稳,与邻井扭力冲击器+PDC钻头的钻具组合相比,其进尺和机械钻速分别提高111.36%和46.83%,节省1趟钻,且出井PDC钻头复合片磨损轻微。该工具使用效果良好,可为复杂难钻地层提速增效提供一种有效手段。

加强型复合冲击器在渤海潜山地层钻井中的应用

渤海油田潜山花岗岩地层可钻性差,机械钻速较低、单只钻头进尺普遍较短。为提高潜山地层的钻进效率,对复合冲击器进行了优化设计,设计了双冲击锤结构,以提高复合冲击器的冲击性能。现场应用表明,使用优化后的复合冲击器可以提高冲击频率,大幅提高机械钻速,且能有效保护钻头,具有较大的推广前景。

东海L区块螺杆马达搭配复合冲击器提速技术研究与应用

中海油东海海域L区块地层可钻性较差,瓯江组存在大段含砾中砂岩和砂砾岩,单只钻头进尺短,灵峰组以泥岩、粉砂质泥岩为主,钻头吃入困难,机械钻速(ROP)低、井眼浸泡时间长,易发生钻具遇阻和卡钻等复杂情况。为提高该区块钻井效率、缩短钻井周期,加快L区块油气田勘探开发进程,开展了钻井提速实践探究。该文总结分析L区块已钻井提速现状,综合考虑螺杆马达和复合冲击器两种不同类型的提速工具工作原理,将螺杆马达与复合冲击器配套使用,强化钻头攻击性和布齿技术,应用于L区块直探井瓯江组砾石层和灵峰组泥岩段,提速效果显著,很好地解决了该区块单只钻头进尺短、磨损严重、机械钻速低和井斜不易控制等难题,创该区块单只钻头最长进尺记录,实现了12-1/4″井眼一趟钻工程。该技术可在类似区域直探井推广应用。

双冲击锤复合冲击器在东海某区块探井的提速应用

东海海域某区块探井前期作业中普遍存在深部平湖组地层机械钻速偏低,不时出现钻具遇阻卡钻等问题。为提高该区块钻井效率,开展了双冲击锤复合冲击器的适用性研究。双冲击锤复合冲击器具有冲击能量大、周向与轴向冲击分配精准、冲击频率快等特点,在总结分析东海某区块地层特性、岩石抗压强度的情况下,优化了井身结构,采用双冲击锤复合冲击器提速工具很好地解决了该区块深部机械钻速偏低、钻头磨损严重的难题。双冲击锤复合冲击器在该区块探井的应用结果表明:12-1/4"井段机械钻速为35.9m/h,刷新该区块12-1/4"井段最高机械钻速纪录;8-3/8"井眼机械钻速为21.04m/h,相比前期邻井平均机械钻速提高97.2%,相比前期最高机械钻速提高24.57%,创造了东海海域平湖组地层最高机械钻速新纪录。

北部湾复杂地层复合冲击器工艺提速增效应用

北部湾盆地钻井技术经过多年发展,探井、开发调整井钻井技术趋于成熟的同时,提高机械钻速问题变得非常普遍和突出。因此如何在复杂地层中提高钻井速度、提高作业效率、保证井眼质量及预防复杂情况的出现是后续钻井作业更加高效、优质的关键。为解决上述技术难题,在分析区块地质特点的基础上,选择一款适用于北部湾区块复杂地层钻进的复合冲击器,根据该工具的工作原理,实现快速钻达设计井深,节约了大量的钻井时间,保证了建井质量。

复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究

为了解决PDC钻头钻遇硬地层时出现的机械钻速低、钻头粘滑振动失效快等问题,提出了PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术,并对该技术的提速机理进行了研究。根据建立的PDC钻头受单向轴向冲击及复合冲击时的扭转振动模型,对PDC钻头的运动规律进行了分析,并利用ABAQUS软件对岩石受单向轴向冲击及复合冲击时所受的剪切力进行了模拟。模拟结果表明,PDC钻头受单向轴向冲击时切削齿的切削深度会增加,但是会造成PDC钻头扭转振动;复合冲击大大提高了PDC钻头对岩石的剪切作用,降低了岩石的阻抗扭矩,从而抑制了PDC钻头受单向轴向冲击所产生的扭转振动。研究表明,PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术能够增加切削齿的切削深度并抑制扭转振动,提高硬地层的机械钻速。

复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井"螺杆+PDC钻头"复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。

复合冲击钻井立体破岩特性模拟研究

利用ABAQUS动力学冲击模块建立PDC单齿-岩石冲击作用数值计算模型,研究切削齿在受转速、钻压、交变冲击扭矩、交变冲击力等多载荷耦合作用下的复合冲击动态破岩方式及破岩效果。研究发现:扭转冲击比旋转冲击的破岩效率提高39.28%,复合冲击比扭转冲击破岩效率提高27.79%;冲击作用时间相同,岩石表面剪切作用力S复合>S扭力>S旋冲;复合冲击侵入岩石深度的特征曲线具有阶跃式的特征。复合冲击钻井破岩机理的研究为工具的进一步优化奠定了理论基础。

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。

高原复合冲击伤伤情特点的研究

目的探讨猪高原复合冲击伤的伤情特点。方法将30只猪分为5组,每组各6只,于海拔3 500m处分别复制单纯冲击伤、15%体表面积Ⅱ°烧伤、一侧后肢高速弹片伤、烧冲复合伤和弹冲复合伤模型。用PCB公司生产的压力传感器测定冲击波的物理参数,观察伤后28小时动物活存情况和大体形态学改变。结果单纯烧伤组和单纯弹片伤组动物全部活存,均未见明显形态学改变。单纯冲击伤组可见中度肺出血和轻度肠道浆膜下出血,且动物均全部存活。烧冲复合伤组和弹冲复合伤组肺出血加重,半数动物(3/6)为重度肺出血,同时伴中度肺水肿,肠道未见加重效应。烧冲复合伤组2只动物分别于伤后16、10小时死亡,弹冲复合伤组1只动物于伤后3小时死亡。结论高原复合冲击伤与单纯冲击伤相比,具有伤情更重,死亡率更高的特点,加重效应的器官主要为肺脏,加重的程度大致为一个等级。

复合冲击钻井工具结构设计与运动特性分析

深部复杂硬地层岩石强度高、可钻性差、抗破碎能力强,易引起PDC钻头黏滑振动及过早磨损。鉴于此,设计了一种复合冲击钻井工具。分析了该工具的轴向冲锤和周向摆锤的受力特征,建立了冲锤和摆锤的运动数学模型,研究了工具的运动特性,并通过室内试验测试其冲击性能。研究结果表明:复合冲击钻井工具的冲锤和摆锤的运动过程分为三个阶段,且在不同阶段运动均呈非线性;工具的冲击功和冲击频率均随排量增加而增大,冲击功计算值要比试验值高出25%,频率计算值比试验值高19%;轴向冲击频率高于周向冲击频率,工具结构参数满足设计要求。研究结果可为复合冲击钻井工具结构的合理设计及现场应用提供借鉴。