考虑钻杆转速和偏心度耦合作用的环空摩擦压降CFD模拟及预测模型研究

深井钻井时,准确预测环空摩擦压降是保证井筒压力预测精度的关键,钻井液流速、钻杆转速及环空偏心度是影响环空摩擦压降的重要因素。为研究多种因素耦合作用下环空摩擦压降的变化规律,建立了水平井环空钻井液流动模型,对幂律流体在层流和湍流条件下的流动特性开展了数值模拟。模拟结果表明:层流状态下,偏心度和钻杆转速单独作用时,都会导致环空摩擦压降减小;偏心度和钻杆转速共同作用时,环空摩擦压降随偏心度先增大后减小,这与偏心环空中惯性效应对螺旋流的破坏作用有关。湍流状态下,钻杆转速对同心环空的摩擦压降几乎没有影响;偏心环空中,随着钻杆转速增大,不同偏心度下的环空摩擦压降值逐渐增加,且都逐渐趋近于同心环空摩擦压降。基于数值模拟数据,建立了层流和湍流条件下考虑钻杆转速和偏心度耦合作用的环空摩擦因子预测模型,该模型对模拟数据的最大拟合误差为9.18%,对试验数据的最大预测误差为8.33%。研究结果可为深井钻井时井筒压力控制和水力参数优化提供参考。

深部开采钻孔校验中钻进速度对钻杆转速影响的试验研究

通过对钻孔过程中的钻头破煤机理及影响钻杆转速变化的因素进行理论分析,提出了钻进速度与钻杆转速的对应变化关系,并利用钻进装置、加载装置及自主研制的钻孔多参量测试装置进行试验分析,验证了利用钻杆转速法测定煤体应力大小的可行性,同时对不同钻进速度下钻杆转速的变化规律进行研究。结果表明:在钻头、钻杆、煤岩体参数及钻孔前钻杆空转转速一定时,钻杆转速与钻进速度大致呈现负指数的函数关系,钻进速度越小,钻杆转速越大,反之,钻杆转速越小。研究钻进速度对钻杆转速的影响,可以减少利用转速指标对冲击地压等动力灾害的预测误差,实现高效预警。

钻杆转速受煤体强度影响的试验分析

为研究煤体强度对钻杆转速的影响,通过对钻机钻进煤样试件时煤样-钻头-钻杆的受力分析,建立了煤体钻削机理模型、钻头刀具切削煤体受力模型和钻杆力学模型,理论上给出了钻杆转速与煤体强度之间存在负相关性的依据。在实验室利用自制的钻杆转速测试装置进行钻孔试验,结果表明:在煤体应力及钻进速度相同的条件下,对试件钻孔过程中,钻杆转速与煤体强度呈负相关关系。

基于钻杆转速和钻屑量测定煤体应力实验研究

通过对钻孔过程中煤岩体应力场、钻杆转速及钻杆排屑力、排屑扭矩进行理论分析,提出利用钻杆转速和钻屑量综合预测煤体应力大小的可行性,并利用自主研制的钻孔多参量测试设备进行实验室试验和现场钻孔实验。研究结果表明：在钻进速度、钻杆参数一致的条件下,钻杆转速与煤体应力呈负相关趋势,钻屑量与煤体应力呈正相关趋势,且钻杆转速与钻屑量保持很好的对应关系,证实了依据钻杆转速和钻屑量来综合预测煤体应力大小、集中程度是可行的;依据现场测试数据可得某矿实际工作面卸压区、集中应力区及原始应力区的大致分布位置,且集中应力区钻杆转速最小约为517.2 r/min,对应的钻屑量最大为5.1 kg/m。依据大量钻屑转速测试数据,提出利用一孔双指标对冲击地压进行预测预报,为煤矿动力灾害的防治提供新思路。

钻杆推力转速及扭矩相结合法测定煤体应力试验研究

为了准确判定煤体应力的大小,采用钻杆推力转速及扭矩相结合的方法来反推判断煤体应力。通过对新型钻机钻孔过程中钻头、钻杆的力学分析,建立了钻头、钻杆的动力学模型和动力学方程,得出了钻杆推力、转速、扭矩与煤体应力的关系以及转速与扭矩、推力的关系。在理论上给出了利用钻杆推力、转速、扭矩计算煤体应力的可行性。利用推力-转速-扭矩数据采集传感器装置,测试了不同煤体应力下钻杆推力、转速、扭矩的变化规律。试验结果表明:随着钻进深度的增加,钻杆推力、转速、扭矩均呈现出先增大后稳定再减小的规律,但三者相比,转速、扭矩稳定时间段较长;在相同钻机及钻具条件下,钻杆推力和转速随煤体应力的增大而减小,钻杆扭矩随煤体应力的增大而增大;钻杆转速越大,钻杆推力相应呈线性递增关系,反之,钻杆速度越小,钻杆推力越小;钻杆扭矩随钻杆转速的变化相应呈二次方增加的关系。研究结果为煤矿冲击地压的预测和研究提供了参考。

煤体应力与钻杆转速关系的试验研究

为通过监测煤体应力来预测冲击地压,分析钻孔过程中钻头与钻杆相互作用的力学特性,建立煤体应力与钻杆转速的力学模型,研究钻孔过程中煤体应力对钻杆转速影响规律,理论上给出了利用钻杆转速判断煤体应力的可行性。利用钻杆转速测试系统,对预先自制的相同强度煤体试件进行钻孔试验,分析不同煤体应力时钻杆转速变化规律。研究结果表明:在相同试验条件下,使用同样钻进设备,按照预定推进速度钻孔,钻杆转速与煤体应力近似呈负相关。为进一步验证理论模型和试验测试可行性,在实际矿井工作面进行现场试验,并通过钻屑量指标证明转速测试结果与理论分析有较好一致性。

钻杆转速对石油套管磨损的影响

为得到钻杆转速对石油套管摩擦磨损性能的影响,采用N80碳钢材料加工制作销盘,G105钢材加工制作销钉,在油基钻井液润滑条件下使用UMT摩擦实验机开展了套管摩擦磨损销盘实验。分析了销盘磨损速率、摩擦系数、表面形貌、磨损产物的组成以及不同钻杆转速下钻井液温度的变化。结果表明:在实际钻杆转速范围内(60 r/min~140 r/min),套管磨损率随着转速的增加先降低后逐渐增加;在较低转速下(60 r/min),套管磨损机理主要为氧化-磨粒磨损;在高转速下(140 r/min),套管表面磨损机理转变为腐蚀-磨粒磨损;钻杆转速越高,套管受腐蚀磨损越严重,套管失效风险增加。在中等钻杆转速80 r/min下,套管磨损率最低。研究结果可为钻井工程师、产品供应商和相关行业的制造商减少套管磨损提供参考。

钻杆多指标法测定煤体应力试验研究

为准确预测矿井冲击地压,采用钻杆推力、钻杆转速及动态钻屑量相结合的方法判断冲击地压的危险性。通过对新型钻机钻孔过程中煤岩切削破碎模型、钻杆的力学分析,建立钻头、钻杆的动力学模型和煤岩应力学模型,得出钻杆推力、钻杆转速、动态钻屑量与煤体应力的关系。从理论上分析了利用钻杆推力、钻杆转速、动态钻屑量测定煤体应力的可行性,提出了通过钻杆推力、钻杆转速与动态钻屑量相结合来预测煤矿冲击地压危险性的方法。利用推力-转速数据采集系统,测试了不同煤体应力下钻杆推力、钻杆转速的变化规律。试验结果表明:随着钻进深度的增加,钻杆推力、钻杆转速数据曲线均呈现出先增大然后稳定再减小的规律,但二者相比,转速稳定时间段较长。在相同参数条件下,钻杆推力、钻杆转速与煤体应力呈线性递减关系;动态钻屑量与煤体应力呈线性递增关系。多指标共同预测时,钻杆转速越大钻杆推力越大;反之,钻杆推力越小,二者一致性良好。研究结果可为煤矿冲击地压的预测提供技术参考。

多层互剪搅拌桩工法的工艺因素模型试验研究

采用模型试验方法,对多层互剪搅拌桩工法(contra-rotational shear deep soil mixing,简称CS-DSM工法)的工艺因素进行了试验研究,探索了水泥掺量、单位桩长搅拌次数T、单位体积搅拌能量E以及内外钻杆转速比RN等工艺因素对搅拌桩均匀性与强度UCS的影响。模型试验研究发现,通过多层互剪搅拌能够根除地表冒浆、防止糊钻抱钻、提高固化材料利用率。18组模型试验结果阐明搅拌桩在T-E-UCS之间存在固有关联,并揭示出机械参数、输出能量与桩身强度之间的本质关系。提供的计算方法可以定性指导选取合理的工艺参数,实现桩身设计强度目标。作为重要工艺因素,内外钻杆转速比RN与桩身强度试验曲线存在极值点,建议在工程中将1.80~2.20作为获取桩身峰值强度的最优RN值域。CS-DSM工法应用的系列研究结果为高质量搅拌桩工艺控制原则和质量保障体系提供了试验依据。

页岩气井眼参数对岩屑运移规律的仿真分析

大位移井在钻进过程中所产生的钻屑由于重力作用容易沉积在井眼底部,形成岩屑床,进而导致高摩阻、高扭矩,影响钻进效率。本文建立了水平井岩屑运移三维仿真模型,研究在不同钻杆尺寸及钻杆转速下的岩屑运移规律。结果表明:井壁直径不变,增大钻杆尺寸和提升钻杆转速有利于破坏岩屑床,减小岩屑床高度,降低岩屑体积分数。

空气携岩能力数值模拟分析

井斜、环空偏心率、钻杆转速等对井筒压降与空气携岩能力有着显著影响,但因其变化范围大,变化组次多,将影响程度定量化还比较困难,而这些恰是指导安全钻进的主要依据。文章基于计算流体动力学方法建立了空气钻井环空内气固两相流动的数学模型,通过数值模拟得出了不同井斜角、不同环空偏心距、不同钻杆转速条件下环空内流场与气固相体积浓度分布,分析了井斜、偏心、钻杆转速对空气携岩能力的影响,为空气钻井安全钻进与井眼净化评价提供依据。

顺层钻孔水力割缝煤渣运移及排渣工艺技术研究

由于钻孔排渣空间狭小、煤体颗粒易堆积等原因,顺层钻孔在水力割缝过程中容易出现喷孔、堵孔及抱钻等现象,严重影响顺层钻孔割缝施工成功率及安全性。针对以上问题,研究了顺层割缝钻孔钻进时的钻孔形态,通过分析钻孔下沉现象,将割缝钻孔分为加速下沉段、倾斜下沉段及开孔段3个阶段,分析了各阶段钻孔堵孔模型及堵孔现象。研究得到割缝钻孔各阶段煤渣的运移情况:加速下沉段钻孔煤渣运移以水流升力及拖拽力为主,煤水混合两相流体通过钻杆旋转的扰动作用充分混合;倾斜下沉段则以钻杆外螺旋旋转动力为主带动煤渣运移。通过大量现场试验,得到了不同煤层坚固性系数条件下的割缝压力及钻杆转速参数。研究发现,随着煤层坚固性系数的增大其最优割缝压力随之增大,但合理钻杆转速随之减小,形成了包括合理选择割缝压力及钻杆转速参数、控制压力调节梯度、孔口返水返渣情况观测,以及延长割缝后低压洗孔时间等4个方面措施的顺层钻孔割缝排渣工艺技术。现场试验结果表明,割缝排渣工艺技术能有效避免割缝堵孔风险,保障顺层钻孔割缝安全实施,提高割缝成功率,大幅提高钻孔瓦斯抽采效率,有效推进了顺层钻孔水力割缝卸压增透技术的应用。

砂土液化与水泥粉煤灰碎石桩施工参数关系的试验研究

饱和细砂液化一直阻碍长螺旋钻孔水泥粉煤灰碎石(cement fly-ash gravel,简称CFG)桩施工技术的发展。但CFG桩施工参数与饱和细砂液化的关系模型尚未得到研究。深入分析了CFG桩施工参数中桩间距l和钻杆转速w对饱和细砂液化的影响,建立了施工参数和饱和细砂液化的关系模型。然后搭建试验平台,通过模拟饱和细砂中长螺旋钻孔CFG桩施工,分析了不同施工参数下的超孔隙水压力变化规律、饱和细砂液化现象和桩身形状。结果表明:随着转速增大和桩间距减小,饱和细砂液化加重,桩长变短,桩径变大;为减轻饱和砂土液化,应减小钻杆转速和增大桩间距。

水平井段超临界CO_2携岩数值模拟

超临界CO2是一种极具潜力的钻完井介质,研究其携岩机制是超临界CO2钻井技术的重要发展方向。以实测数据设置环空入口岩屑粒径分布,考虑流场中CO2密度和黏度与温度、压力条件的耦合关系及钻杆转动的影响,对温度、压力、排量、转速、岩屑直径、岩屑体积分数及偏心度对携岩效率的影响进行数值模拟分析。结果表明:岩屑床中小颗粒的体积分数下降,大颗粒体积分数的增幅随直径增大而减小;CO2携岩能力随温度的降低和压力的升高而增强,影响规律与室内试验结果相符;增大排量、降低机械钻速可提高CO2携岩效率,而钻杆转速对携岩效率影响甚微;偏心度为0.8时携岩最为困难;水平井钻进时应添加增黏剂以改善CO2携岩效果。

无线指令电控式智能扩眼技术

针对目前常规液压式随钻扩眼器只能安装在定向井随钻工具的上部、扩眼后无法使用大排量循环等问题,研制了无线指令电控式液压扩眼器。该扩眼器将投球激活的液压扩眼器球座总成替换为传压系统,增加了脉冲器总成和电控系统总成,可通过钻井液脉冲信号和钻杆转速信号下传指令,控制刀翼的伸出与缩回。计算分析了传压系统传压孔打开时脉冲器活塞的受力情况,并利用流体仿真软件分析了传压孔的冲蚀情况。通过现场测试,无线指令电控式扩眼器设计合理,3种方式的指令下传成功,刀翼张开及回收正常,为智能扩眼器的进一步研究奠定了基础。

方圆SPR650连续墙钻机

SPR650连续墙钻机是方圆集团独立研制开发并具有独立知识产权的专利产品（专利号：ZL98111757.0)．不仅可用于超过30m深的搅拌水泥土防渗墙(与SMW工法相似）．而且可用于25m深以内的钢筋混凝土地下连续墙施工。