高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩流场及携岩增强机理

对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复合破岩技术,并采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件与实验室试验相结合的方法,分析了喷嘴直径、喷距、压降对高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩井底流场的影响,进而分析了井底高压CO_(2)射流携岩增强的机理。研究结果表明:(1)提高喷嘴压降和增大喷嘴直径有利于增强射流对岩石的打击效果,增大喷嘴直径还可以增加射流冲击范围;(2)增大喷距会导致高压CO_(2)射流对岩石表面打击力大幅度降低;(3)岩屑的运移轨迹规律在有、无射流切削的情况下差别明显,花岗岩在射流的作用下,切削齿前部的累积岩屑很少,岩屑在射流携带作用下沿切削齿两侧呈扇形向后运移;(4)高压气体射流可以显著提高岩屑的排出,进而提高PDC齿切削效率。结论认为,该研究成果可以指导高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩工具的研制,有助于欠平衡高压气体钻井技术的进一步完善。

油气钻井中的分离式冲击-切削复合破岩机制研究

近年来高频冲击类钻井提速理论及工具飞速发展,有效解决了聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,简称PDC)钻头在复杂难钻地层存在的黏滑、回弹震荡等问题,但PDC齿在冲击载荷下的失效问题较为突出。为此,提出了一种新型分离式冲击-切削复合钻头,有效地解决冲击载荷对PDC齿寿命的不利影响。该钻头与传统冲击类工具作用机制不同,破岩机制尚不明确,亟需开展相关研究。基于新型分离式冲击-切削复合破岩形式,分别开展了单元齿冲击、切削以及两者不同组合形式下的破岩试验研究,并进行了相应的数值分析。结果表明,冲击齿冲击岩石形成冲击坑后,冲击波在岩石内部进一步传递,降低了冲击坑附近区域岩石的强度,有效地减少了切削时切削齿所受切削力,提高了破碎体积。同时基于正交试验,对冲击速度、冲击角度以及冲击坑与切削齿偏移距离等因素进行参数敏感性分析,研究了不同冲击参数对冲击-切削复合破岩的影响。上述研究揭示了冲击-切削复合破岩机制以及冲击齿与切削齿最佳组合方式,对油气钻井中的冲击破岩工具设计研究具有重要参考价值。

超硬全岩巷复合破岩技术的探索

为了解决目前国内外超硬全岩巷掘进存在的进尺慢、安全性差、效益低等问题,采用超高压水力破岩技术和液压冲击破岩技术进行超硬岩破碎。在简要阐述超高压水力破岩技术和液压冲击破岩技术的典型结构和原理之后,对2种破岩技术的可实施性进行了分析和计算。

基于滚刀复合破岩物理实验的盾构刀间距设计

刀具布置是盾构刀盘设计中的重要组成部分,直接影响到掘进的切削效果、出土状况和掘进速度。针对不同地质条件下,为满足盾构地质适应性,实现高效破岩。采用盾构刀具破岩机理实验台,对工程样岩开展不同刀间距破岩实验,分析破损岩渣质量,探究不同地质条件下的最佳破岩刀间距。与经验数据进行对比,结果表明:合理的刀间距能够提高破岩效率、减少刀具损耗,有效降低刀具成本,为不同地质条件下开展其他盾构工程进行刀间距设计提供了一种可行的方法。

新型复合破岩PDC钻头在川中高磨区块的应用

川中高磨区块前期实钻表明,下部二叠系龙潭组和寒武系筇竹寺组等层段,岩性坚硬、致密,加上井深和使用高密度泥浆的压实作用,地层具有较强的硬塑性,针对使用常规PDC进尺少、机械钻速低的现状,江钻石油机械有限公司针对性开发了311.2 mmKS1652DGRX和215.9 mmKS1652DGRX新型复合破岩PDC钻头,先后在黄202井、合201井的龙潭组,及高石001-X36井的筇竹寺组应用,获得了显著提高机械钻速的效果。

影响高压电脉冲破岩效率的关键因素分析

随着石油、天然气、地热等资源勘探开发钻井深度的不断增加,传统的机械钻井方式表现出效率低、能耗高等缺点,难以满足深层、超深层钻探的需要。为此,在系统梳理和总结高压电脉冲破岩机理、放电破岩类型和电脉冲钻进原理的基础上,开展了高压电脉冲破岩过程中的电学结构参数、岩石特征参数和电极结构参数对高压电脉冲破岩效率的影响研究,并探讨了电脉冲钻井技术的发展趋势与研究方向,最后提出了一种电脉冲—机械复合高效破岩新技术。研究结果表明:①高压电脉冲破岩过程的电学参数对破岩效率有显著影响;②岩石内部裂缝、裂隙倾角和裂隙度同样会直接影响高压电脉冲破岩效率;③电极钻头结构设计需结合其在井底处流场分布并考虑高温烧蚀因素;④复合钻头将高压电脉冲破岩技术与机械旋转钻井技术相结合,既保留了机械钻头修整井壁质量的能力,又加入了电极钻头高效的破岩能力,保证其在硬岩地层的长时间钻进,大大提高了钻井效率。结论认为,高压电脉冲破岩技术作为一种新型高效破岩技术,其合理使用可为钻井提速技术创新提供有益参考,其与机械钻井相复合的新型钻井技术能够实现深部难钻地层和干热岩地层的高效低成本钻井。

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。

PDC钻头复合冲击破岩机理研究及应用探讨

随着钻井提速,PDC钻头结合扭力冲击器的复合钻井技术应用越来越普遍。为了进一步提高PDC钻头复合钻井技术在现场的应用效果,系统分析了钻头的结构及工作原理,对PDC钻头具有的硬度高、耐磨性好、强度高、自锐性好、稳定性差、抗冲击性差的特性进行了分析。通过对复合冲击破岩机理研究表明,在复合钻井条件下,PDC钻头切削齿与地层岩石呈严重不均匀接触状态,承压面积减小,切削齿对地层岩石的吃入深度增加,加之切削轨迹呈交叉状态,显著提升了钻头破岩效率。通过在钻井现场的应用及与牙轮钻头钻井情况对比,结果表明,PDC钻头复合钻井技术能够显著提高机械钻速、缩短钻井周期,具有较好的经济效益和广阔的应用前景。

水射流辅助机械滚刀破岩试验研究

为解决极端软硬不均、极硬岩(硬度超过180 MPa)等复杂地质条件下,隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题,采用滚刀岩机作用综合试验台,搭载高压水射流装置,采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验,研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力,探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。

三塘湖火成岩地层牙轮钻头的开发

针对吐哈油田三塘湖火成岩地层岩石硬度高、可钻性差、机械钻速慢、跳钻严重、钻具和钻头易损坏等特点，设计了一种以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻头。利用有限元分析软件ABAQUS进行了齿形和结构参数的优化，利用复合破岩实验综合评价椭凸顶齿的破岩效率，并最终确定一种试验齿形。钻头现场试验表明，以椭凸顶齿为主切削齿的牙轮钻头在三塘湖火成岩硬地层能较好地发挥其攻击性强的作用。

我国掘进机研制现状、问题和展望

近年来,我国重大隧道工程相继开工,掘进机研发、设计和制造水平不断提高。通过分析国产掘进机的典型工程案例,总结我国掘进机自主设计、制造技术的现状:土压平衡盾构、泥水平衡盾构和岩石隧道掘进机3大机型技术已经成熟,马蹄形盾构、矩形盾构等异形断面掘进机关键技术达到国际领先水平,同时竖井掘进机产品开始应用。分析当前我国掘进机研发制造中存在的关键问题:1)设计软件均是国外产品,信息安全问题日益凸显;2)掘进机主轴承、减速机等基础零部件需要进口;3)创新产品市场突破难度大。结合当前技术水平和市场现状,认为智能化和多样化是今后掘进机研制的重点和趋势,提出多功能多模式掘进机、异形断面岩石掘进机、复合破岩TBM、部分断面TBM等新机型设计理念,期望能够推动我国掘进机技术革新。