钻井利器的故事之“井下动力钻具”

钻井是能源矿产勘探开发最直接的工程技术手段,井下动力钻具作为破碎地层岩土的有利器具,或直接驱动钻头形成滑动钻进,或与顶驱(或转盘)的回转共同组合驱动钻头形成复合钻进,具有降耗增速、减小井下事故风险等优点。为促使井下动力钻具被更多技术人员了解和认识,物尽其用充分发挥其钻井优势并利用技术特点开发新功能、新器具,本文从科普的角度介绍了井下动力钻具的用途、主要种类、工作原理及发展历程,并综合对比不同井下动力钻具的优劣势。最后,结合深井、超深井等钻井新形势对钻探器具、工艺等的新要求,以及材料、测控、智能化等新科技的在钻井工程中的应用趋势,指出了当前主流井下动力钻具的更新换代、技术革新的发展方向。

全金属螺杆钻具定子精密电解加工成形阴极设计

为缩短全金属螺杆钻具定子电解加工阴极设计周期同时提高成形精度,提出了一种粒子群优化BP神经网络的精密成形阴极设计方法,建立了全金属螺杆钻具定子电解加工精密成形阴极设计模型,完成了多弧面成形阴极设计。采用自主研制的大型卧式电解加工设备,在选定参数下实现了材料为38CrMoAlA的4 m长金属螺杆钻具定子的稳定加工,轮廓成形精度为±0.03 mm,表面粗糙度达Ra0.848μm。

螺杆钻具十字万向轴运动副球面磨损规律

螺杆钻具十字万向轴是传递扭矩和转速的关键结构,其运动副中锁紧轴与球座之间产生相对滑动而导致本体结构加速磨损,显著降低了万向轴的使用寿命。为研究锁紧轴与球座的圆弧面半径对滑动磨损的影响规律,建立多种圆弧面半径的三维磨损仿真物理模型;基于赫兹接触理论和Archard磨损理论研究不同半径条件下的体积磨损量、最大变形量、最大滑移距离和最大穿透深度的变化规律;借助现场试验进一步研究非密封十字万向轴的锁紧轴和球座之间滑动磨损后所呈现的结构形态和易磨损区域分布。结果表明:在一定范围内,随着圆弧面半径逐渐增大,体积磨损量呈现先减小后增加的趋势,最大滑移距离和最大穿透深度逐渐减小,最大变形量受圆弧面半径的影响较小,推荐最优半径为28~30 mm。仿真分析和现场试验结果表明,锁紧轴和球座侧滑会导致锁紧轴圆弧凸面沿圆周方向出现明显的磨损且边沿处出现“尖角”,球座圆弧凹面边沿厚度减小,形成环形凹槽且呈“卷曲变形”。该研究可以为十字万向轴的运动副的结构优化设计及耐磨性的提高提供参考。

新型气液驱动式螺杆钻具设计及研究

为了解决常规气体螺杆钻具失效事故,本文设计了一种新型气液驱动式螺杆钻具,利用地面压缩气体驱动定子腔内液体的循环往复运动,从而推动万向轴和转子转动,给钻头传递平稳的扭矩和钻压。该结构可以有效减少螺杆钻具飞车和憋泵事故,实现高效气体钻井作业。针对常规结构的传动轴经常发生断裂的问题,本研究对易损件传动轴进行了结构改进,对退刀槽和轴径进行了改进,改进后的传动轴最大应力及最大位移变形在许可范围内,表明改进后的传动轴承载强度可以满足现场使用要求。

王坡煤矿碎软煤层气动定向高效成孔工艺研究

针对王坡煤矿碎软煤层区域瓦斯治理的需求,对现有气动定向钻进工艺及装备进行优化升级。通过对气动螺杆钻具升级改造,将额定扭矩提升至450 N·m以上;研制的89 mm低风阻螺旋通缆钻杆配套有线通缆测量系统,施工孔深提升至300 m以上;基于“波浪式”精准探测煤层顶底板钻孔轨迹工艺,从侧钻开分支原理出发,改进钻具造斜强度实现快速开分支;系统性分析气动定向工艺在不同地层钻进时轨迹变化特点,形成精准轨迹控制技术,大幅提升施工效率。现场试验期间,共计完成34个主孔,49个分支孔,总进尺17 287 m,平均成孔深度350 m,平均日进尺103 m/d,最高154 m/d,钻孔平均瓦斯抽采体积分数60%以上,百米钻孔抽采纯量是邻近区域普通钻孔2.7倍。

大扭矩螺杆钻具定子用橡胶材料的研究

从生胶、硫化体系、补强体系和特种功能助剂等着手,通过拉伸性能表征和耐磨性能、弹性模量及门尼粘度等实验比对,制备了大扭矩螺杆钻具用橡胶材料。结果表明,所获橡胶材料Shore A硬度为88,弹性模量在19 MPa以上,比常规产品提高1倍,而且加工性能优良,综合性能佳;通过对成品样机进行台架试验,表明采用该橡胶的螺杆钻具整机效率可提高20%,满足大扭矩螺杆钻具目标要求。

螺杆钻具三卡瓦偏心打捞筒的研制及应用

钻井过程中螺杆钻具断落事故时有发生,对于螺杆钻具外筒壳体脱扣、转子断裂抽芯等事故形成的轻质“落鱼”,使用常规卡瓦打捞筒作业时的适用性不足、打捞成功率低。基于此,设计了螺杆钻具三卡瓦偏心打捞筒,通过打捞筒的锥形导向面驱动上卡瓦、中卡瓦和下卡瓦共轭环空收缩卡紧,实现对该类“落鱼”的有效打捞。三卡瓦的偏心排布结构设计,增加了有效夹持面积,提高了打捞筒对螺杆钻具的综合打捞力。结合打捞筒的工作原理,建立了卡瓦常规夹持力和挤压夹持力的计算公式,对比得出三卡瓦偏心打捞筒所需的卡瓦常规夹持应力可减少50.46%,捞牙咬深可减少13.92%。试制的打捞筒在施工现场进行了打捞实践,表明其结构设计合理,打捞性能可靠。

柳州地区页岩气地质调查井钻探技术研究与应用

页岩气地层裂隙发育,胶结性差,表现为岩石破碎、水敏性强、孔壁强度低。在钻进过程中容易出现坍塌、掉块、缩径等复杂情况,从而引发孔壁失稳、卡钻、埋钻等孔内事故。对广西柳州地区页岩气地质调查井工程进行钻探技术研究,应用PVA1788成膜体系无固相冲洗液和成膜防塌体系无固相冲洗液、绳索取心液动锤钻进技术、膨胀波纹管护壁新技术、螺杆钻具定向钻进纠斜技术,在现场勘探施工中取得了良好的效果,保证了项目的顺利施工。

配套井底动力钻具用金刚石全面钻头的研究与应用

针对油气勘探开发中钻遇的高抗压强度和高研磨性的难钻进地层,从配套不同井底动力钻具出发,开展了配套的孕镶金刚石钻头研究,并在不同区块的难钻进地层进行应用。通过钻头高强耐温胎体配方、结构、混合布齿、制造工艺的研究,研制的出新型孕镶金刚石全面钻头,在川东北元坝气田、松辽盆地、塔里木油田博孜区块等地区成功应用。该钻头的平均机械钻速最高可达3.49 m/h(配合涡轮钻具使用),较牙轮钻头提高50%~300%,平均寿命达到牙轮钻头的3~8倍,大幅度减少起下钻趟数,缩短了施工周期,降低了勘探成本。

电磁波随钻测量系统在兰陵铁矿钻探工程中的应用

为进一步查明山东省兰陵县古林-兰陵矿区小寨子-古林矿段铁矿矿层产状、厚度及品位等情况,加强矿体控制程度,探明资源储量,按照勘探间距加密钻孔。2023~2024年度,矿区布设9个钻孔,矿区上部为泥岩地层,岩石硬度低、可钻性低,易造斜,钻探过程中均出现不同程度偏斜状况。针对此情况,采用了电磁波随钻测量系统联合螺杆钻具进行纠斜,承担的ZK1101钻孔经过4次、ZK1102钻孔经过1次纠斜作业,经偏移距计算,满足靶点允许偏移距范围要求。电磁波随钻测量系统能够实时捕获所钻位置顶角、方位角等数据,利用极低频率电磁波传递收据,与泥浆脉冲随钻测量系统相比,不受泵压、泵量和冲洗液性质影响,具有时效高、实时性高、可靠性高、维护成本低等优点。电磁波随钻测量系统配合螺杆钻具在兰陵铁矿勘查项目的成功应用,解决了钻孔轨迹偏离的技术问题,同时为今后深部地质岩心钻探施工孔身轨迹控制提供了借鉴。

双翼弧平式长螺旋锚杆成孔钻具设计

针对传统锚杆成孔钻具在松散土层中存在的孔径缩小、孔壁不稳定和施工效率低下等问题,对双翼弧平式长螺旋锚杆成孔钻具进行改进和优化,开发一种新型成孔钻具。该钻具设计有双翼三角板钻头和弧平式旋板,有效提高了成孔的准确性和对土壤位移的控制,从而显著提高了锚杆的安装质量和施工效率。所设计的翼弧平式长螺旋锚杆是一种用于地下工程和斜坡稳定的先进锚固设备,尤其适用于松散或复杂的地质结构。

螺杆钻定向钻探技术在煤层气钻井中的应用分析

随着我国经济的快速发展,能源需求越来越大,传统煤炭资源已经不能满足国家的发展需要。我国煤层气资源丰富,分布广泛,开采成本低,它是一种清洁高效的能源。与石油井和天然气井相比,煤层气井存在井壁坍塌、漏失和卡阻等问题。螺杆钻进法是一种新型钻孔技术,可用于煤层气开采。结合螺杆钻定向钻探技术的原理,以某煤矿一号井为例,分析该技术在煤层气钻井中的应用,然后评价技术应用效果,从而保障煤层气开采安全,更好地开发和利用煤层气资源。

煤矿井下定向钻孔轨迹跟踪算法研究

针对近水平定向钻孔实钻轨迹跟踪设计轨迹,较为依赖工人操控经验的问题,通过研究单弯螺杆钻具的钻进过程,搭建类似圆锥底面边缘的钻孔轨迹预测模型,分析钻杆受到重力影响,引入挠度计算,提出一种钻孔轨迹预测算法。用预测轨迹代替实钻轨迹,以设计坐标与预测坐标距离为目标函数,通过对目标函数求导推得最佳工具面角的计算公式。通过MATLAB软件仿真验证该算法满足实际施工要求,具有应用价值,并使用LabVIEW软件依据上述算法搭建上位机系统,指导实际钻进过程中工具面角的调整。

渤海油田变质岩潜山油藏钻井关键技术

渤海油田某潜山构造的深部变质岩潜山具有巨大的成藏潜力,但该构造地质条件复杂,目的层较深,钻井面临机械钻速低、储层保护难度大、井壁失稳和漏失风险高等技术难点,为此,进行了钻头及提速工具优化设计、井壁稳定技术、储层保护技术、螺杆钻具优化、防漏堵漏技术等方面的研究,形成了渤海油田变质岩潜山油藏钻井关键技术。该构造的7口探井应用了该技术,克服了该构造存在的技术难点,机械钻速得到提高,其中3口探井获得高产油气流。研究和现场应用结果表明,渤海油田变质岩潜山油藏钻井关键技术可为渤海油田深层变质岩潜山油气藏的勘探开发提供技术支持。

定向井液力耦合钻井工具研制

滑动导向是钻定向井及水平井常用的导向技术。在定向钻进过程中,钻柱拖压严重,钻井效率和机械钻速低,并且严重限制了水平段长度。针对滑动导向工具在定向钻进阶段摩阻较大的问题,研制了一种定向井液力耦合钻井工具。该工具能够调节上方钻柱传递至下方钻具的转矩,保证在定向钻进阶段其上方钻柱持续旋转,从而降低摩阻。介绍了该工具的结构和工作原理,对工具产生的驱动转矩进行计算分析。通过有限元分析,对该工具的关键零部件进行强度计算,结果显示各零件的强度均满足设计要求,验证了工具结构的可靠性。通过室内试验得到工具的输出转矩曲线。

旋冲螺杆钻具在硬岩地热钻探中的应用研究

针对目前地热钻探中,在花岗岩、片麻岩等硬岩地层中机械钻速低的问题,引入一种机械式旋冲螺杆钻具,先后在JHR-1井花岗岩地层及HG-1井片麻岩地层中进行了试验应用。与普通螺杆钻具相比,旋冲螺杆钻具在JHR-1井Ø215.9 mm井段、HG-1井Ø215.9 mm井段和Ø311.2 mm井段机械钻速分别提高了10%、8.4%和7.6%,同时,旋冲螺杆钻具使用过程中未产生其他副作用。试验证明使用旋冲螺杆钻具可以有效地提高花岗岩、片麻岩等硬岩地层的机械钻速,为旋冲螺杆钻具在硬岩地层地热钻探中的应用推广打下了基础。

螺杆钻具钻孔纠斜技术在诸广矿集区钻探施工中的应用

诸广矿集区铀资源勘查钻探主要采用φ75 mm绳索取心工艺。近年来,随着矿集区勘探程度的提高,钻探深度不断延深,钻孔孔深普遍在500 m以深,钻孔偏斜质量要求更加严格。实际钻探施工中部分钻孔因钻孔轨迹偏斜过大导致钻孔报废的现象时有发生,2018—2020年因钻孔偏斜报废工作量累计超过4000 m。采取了多种防斜控斜技术措施,实践表明:螺杆钻具纠斜方法效果较为明显,较好地解决了工作区部分钻孔因偏斜过大而导致报废的难题。

扭力冲击器-螺杆复合钻进工艺应用实践

扭力冲击器可以将钻井液的动能转化成下部钻具的高频周向动能,从而消除粘滑振动,保护PDC钻头,提高施工效率。在广西百色及贵州毕节2口地热钻井施工过程中,受软硬夹层的影响,粘滑振动效应强烈,导致PDC钻头的复合片迅速崩碎,钻头提前报废。使用扭力冲击器-螺杆钻具复合钻进工艺,通过合理设计钻具组合和钻进参数,与单纯的螺杆钻进工艺相比,因粘滑振动得到有效控制,钻头复合片崩齿现象显著减少,使用寿命增加,平均机械钻速提高了1倍以上,整体提高了施工效率和经济效益,为软硬夹层等易发生粘滑效应的地层施工提供了新的解决方案。

振荡螺杆钻具的关键结构优化与试验研究

针对水平井钻井托压导致的机械钻速低与钻头磨损的问题,研制了振荡螺杆钻具以应对该技术难题。通过数值仿真方法,研究了动阀片位于0°~360°不同旋转位置时,振荡螺杆内部流体的速度和压力分布规律以及旋转角度与阀孔半径对静阀片进出口压降和阀片之间有效过流面积的影响规律,对阀孔内径尺寸进行优化设计;利用振荡螺杆整机试验系统对其压降和过流面积等关键性能参数进行测试,在焦页81-9HF井对样机的使用效果进行了现场测试。结果表明:压降和过流面积曲线以45°为一个周期循环,在0°~360°范围内的总体形态为“波浪形”;阀孔半径为18.5 mm时静阀片进出口压降最大且阀孔通道的过流面积大小适中,产生的振荡力最大且流速不会太低而影响振荡力的传递效果;室内测试的压降、频率与振荡力结果论证了优化结构的可靠性;现场测试表明振荡螺杆可以减小钻头和提速工具的磨损,同时还可以提升钻进效率。该研究可以为振荡螺杆的结构优化设计提供一定的理论和技术参考。

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。