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。

极地钻探装备动密封失效分析及改进措施研究综述

南极地区资源的开发和利用是世界能源可持续发展中的重大课题之一。在极地钻探装备研究中,密封技术是决定钻探装备能否安全、高效、经济运行的关键性技术。在此背景下,本文分析了极地钻探装备密封现存的问题,根据密封材料和密封技术的新发展,综合考虑到密封结构、材料的力学性能和极地低温钻井工况,指出了极地钻探装备密封目前常见的失效形式,并综述了已有改进方案,系统归纳了国内外现有极地装备类型及其技术特点,剖析了国内外之间存在的技术差距。

美国极地钻探科学目标分析与钻探技术进展

极地钻探是获取极地冰层或冰下环境样品和在极地冰层或冰下布放科学观测仪器的最直接方法,是开展极地科学研究的必要技术手段。美国是开展极地钻探较早的国家之一,也是极地钻探强国。相比美国,我国极地钻探技术尚处于起步阶段。本文以《美国冰钻委员会长期科学规划2021-2031》为基础,结合其官方网站和相关文献资料,梳理了美国极地钻探科学目标和极地钻探技术现状,并简要介绍了过去10年美国极地钻探的现场工作情况及其在未来3年的工作计划,以期为我国极地钻探发展提供参考。

极地地质钻探冰孔液压致裂分析

极地地质钻探是获取地层样品、研究极地地质和气候演变等的重要手段。钻遇脆冰层、暖冰层和冰岩夹层等复杂冰层时,易出现孔壁失稳问题,尤其是冰孔液压致裂,造成钻井液流失和钻孔事故。针对冰孔裂缝萌生和扩展问题,基于近场动力学方法(PD),建立了冰孔裂缝模型,实现了对冰孔周边连续和非连续空间的统一描述,避免了经典连续介质力学微分方程在裂缝尖端的奇异性,分析了裂缝动态扩展过程,探究了液压和断裂韧度的影响机制。实例研究表明,孔内液柱压力促进裂缝萌生和扩展,液压从4.0 MPa增加到6.0 MPa和8.0 MPa,冰孔裂缝萌生和分支数量显著增加,裂缝体积占比从4.88%增加到9.61%和12.54%。断裂韧度阻碍冰孔裂缝扩展,从155 kPa·m0.5加到165 kPa·m0.5和175 kPa·m0.5,裂缝体积占比从13.72%降低到12.13%和9.61%。基于近场动力学的冰孔液压致裂分析表明,钻遇韧脆转换冰层时,应及时调整钻井液密度和液柱高度,控制孔内液压,保证安全高效钻进。

极地冰层取心钻进超低温钻井液理论与试验研究

南极冰层取心钻进的关键之一是钻井液的耐温能力。根据南极冰层钻进的特点及对钻井液的特殊要求,在综合分析国内外冰层钻进钻井液应用经验的基础上,对有机硅、氟代烃、一元脂肪酸酯及二元脂肪酸酯进行了理论上的分析研究,测试了各自在不同温度条件下的粘度和密度,分析了粘度与密度变化的机理。确定出分子间相互作用中无氢键形成的物质的粘温系数最小,脂肪酸酯的粘温系数受到分子间氢键的数量影响最大,指出了介质密度的增加是由于体积收缩所致,与介质的分子结构与形态无关。所得到的结论对于极地冰层取心钻进钻井液的选择与确定具有重要的理论与实际意义。

极地冰层回转钻进切削热量测试装置的研制

极地冰盖深部"暖冰"层钻进时,由于冰层的温度较高,接近甚至达到冰的压力熔点,回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑融化,导致机械钻速慢、取心率低、卡钻事故频发。钻压、转速、切削具结构等参数均对切削热量有一定的影响,有必要设计一套实验装置对切削热量进行测试,从而为设计切削具结构、优化钻进参数组合提供理论依据。以XY-1型岩心钻机钻进系统为平台,利用无线信号传输原理设计了冰层回转钻进切削热量测试实验台。初步测试结果表明,该实验装置能够准确测量钻压、扭矩、切削温度等参数,可用来进行相关的实验研究。

基于RecurDyn的极地冰下基岩取心钻具反扭装置的运动仿真及运动分析

在极地钻探技术领域中,铠装电缆式电动机械取心钻具应用广泛,优化、设计可靠的反扭装置,提高其反扭力矩,是冰下基岩电动机械取心钻具钻进成功的关键所在。为了分析反扭装置的全部性能,提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。反扭装置的组成机构是平面六杆机构,在RecurDyn中导入由inventor软件建立的反扭装置几何模型进行运动仿真及分析。介绍了利用RecurDyn软件来实现平面六杆机构(反扭装置)运动仿真及分析的方法和步骤。以反扭装置作为研究对象,在RecurDyn/post模块中,用动画来表现反扭装置的运动过程,用图表来反映运动仿真的结果。仿真的结果证明反扭装置设计的科学性、合理性以及实用性,可以实现预定位置变化,满足极地钻探中平衡钻进的要求。

极地深冰钻用减速传动装置设计

在前期研发的极地深冰钻用减速传动装置中,行星齿轮减速传动装置易发生疲劳破坏,因此减速传动装置寿命相对较低。针对上述问题,对铠装电缆电动机械钻具的减速传动装置进行改进设计,确定装置的结构和尺寸、分析该装置的啮合受力情况并进行强度估算。利用Inventor软件建立该减速传动装置三维实体模型。结合ANSYS Workbench软件对装置的结构进行静力学分析。研究结果表明,该活齿传动减速传动装置满足设计要求,为优化极地深冰钻用减速传动装置提供了依据。

南极冰岩界面钻进过程孔斜规律研究及调控装置设计

南极冰层下基岩取心,对于研究南极冰川形成的历程和全球气候变化等方面具有重要的意义。钻遇冰层和岩层的倾斜交界面时,极易发生孔斜,影响基岩取心的质量甚至成败。本文分析了钻头在冰岩界面钻进过程中的受力状态,探究了地层倾角、钻压、转速、机械钻速、单位体积切削功等因素对钻头受力及孔斜规律的影响。最后,基于满眼防斜的原理设计了针对冰岩界面防斜的垂直入岩装置。

冰层回转钻进钻头切削具温度理论计算分析

极地冰盖底部暖冰层冰的脆性小而粘弹性大,且温度和压力较高,可钻性差。回转钻进时产生的切削热量极易使冰屑处于熔融或半融状态,致使冰屑相互聚结成团,甚至会在钻具局部位置再次冻结,导致孔内事故频发。为了解冰层回转钻进时切削具的温度变化规律,本文对切削具的受力特性和传热规律进行了理论研究,建立了钻井液循环条件下切削具温度计算理论模型,对切削具的温度变化及影响因素进行了深入分析。结果表明,回转速度、切削深度、冰与切削具间的摩擦系数、切削具刃前角及冰的抗剪强度等参数对切削温度均有重要影响,而低温钻井液虽有良好的冷却、降温效果,但仍可使切削具温度升温2~5℃,为暖冰层钻进带来不利影响,需深入优化钻进参数组合。

钻掘工程国内外发展水平与差距及建议(上)

简介钻掘工程领域国内外发展水平。重点概述在固体矿产岩心钻探、水井钻探、石油天然气钻探、大陆科学钻探、大洋钻探、极地钻探和外星钻探及掘进工程等方面的国内外发展状况与差距,并提出重点研究开发和引进建议。

冰层取心回转钻进模拟实验台的设计与测试

极地钻探实践表明,冰盖底部冰岩交界附近地质情况异常复杂,不但可能存在暖冰、基底融水,甚至还存在厚度不等的冰岩夹层,取心钻探异常困难,而优选钻头类型、确定合理的钻进参数是保证其安全、快速钻进的重要因素。本文设计了一套能够模拟冰层回转钻进的实验台,其技术参数为：钻压、转速分别可在0~10 k N、0~300 r/min范围内调节,最大扭矩约100 N·m。该实验台能够测量钻头切削具温度、钻孔深度及钻进速度等参数,为深入研究钻头类型及结构参数、钻进参数对扭矩、钻速和切削温度的影响规律提供了手段。采用PDC复合片钻头进行了冰钻实验,结果表明,实验台能够准确调节钻压和转速,可满足实验要求。

冰层空气反循环快速钻进方法及冰屑运移研究

空气反循环钻进技术具有钻速快、能耗低、可不提钻连续取心取样、能有效避免积雪层漏失等优点,在冰层钻探中极具应用潜力。本文针对冰层钻探技术特点,提出了双壁钻杆式、双通道高压胶管式和寄生高压胶管式等3种空气反循环冰层钻探技术,分别介绍了其工作原理及特点。基于气力输送和气体钻井基本理论,对冰屑颗粒气体介质中的悬浮速度进行了分析,建立了单颗粒冰屑悬浮、运移方程和冰屑颗粒群悬浮方程,并设计了冰屑悬浮实验台,对冰屑悬浮所需的风速进行了实验测试。理论计算值与实验实测值吻合较好,最大误差约10.91%,结果表明冰屑粒径、冰屑密度和风量是影响其悬浮和上返速度的关建因素。可用本文建立的冰屑运动方程来计算实际钻进时携带冰屑所需的风量,为后续在极地实施冰层空气反循环钻进技术提供了依据。

基于遗传算法的深水无隔水管钻井液举升系统锚泊定位方案优化

为了对深水钻井钻井液举升系统进行有效优化,本文根据遗传算法中求函数最大值优化问题建立有针对性的数学规划模型,以钻杆和返排管线不发生碰撞时返排管线底部位置和水下井口间的距离最小为最优化目标,以返排管线定位位置、顶部张力、返排管线的外径、返排管线壁厚为求解集合,并根据数学模型建立锚泊定位的遗传算法模型,确定了返排管线的顶部张力、返排管线的外径、返排管线的壁厚作为遗传算法的个体基因,并采用排名法即适应度的排名次序从未得到评判个体的最优解。最后采用该模型对1500 m水深的某低温钻井作业的无隔水管锚泊定位实例方案进行优化验证,在随机产生的10个个体中,确定个体7为最佳方案,得出个体7的水下井口间的距离302 m为最优定位距离。研究结果表明,本文提出的遗传算法可用于优化钻井液返排回流海底锚泊定位模型,该方法可使计算成本大幅减少,但在求解过程中要注意个体基因、遗传机理、最优化函数以及约束条件的合理运用。