An Analysis on the Transmission Shaft Fracture of Screw Drill

The transmission shaft of the underground screw drill fractured when milling-shoe and grinding bridge plug was applied to the coiled tubes in a horizontal well of Sichuan province, but the position of this transmission shaft fracture did not occur at the minor-diameter retracting position and reducing position that were easy to fracture. An analysis of the transverse planes of the fracture found that the cause of the transmission shaft fracture surface was that the defects of the initial surface were propagating to cracks and gave rise to the fracture under torque load. To specifically know well the strength of the transmission shaft under damaging fracture, a statics analysis was conducted on the transmission shaft through ANSYS finite element simulation software, and the finite element models under no cracks, different-depth circumferential cracks, and similar situation of the transverse planes of fracture were established respectively. An analysis of the crack-free finite element model found that the fracture of the transmission shaft was really not caused by the self-structure of the transmission shaft; an analysis of circumferential crack finite element model found that strong stress concentration would appear in the tip of cracks, and the value of the stress would increase along with the increase of the circumferential crack depth, the stress of the entire crack top tended to fluctuate like waves, and also the strength of the transmission shaft was greatly impacted by the presence of cracks; an analysis of the similar crack finite element model found that stress concentration would appear in the tip of cracks, and the initial cracks always started to propagate from the tip of the external surface of the transmission shaft and would propagate inward until the propagating areas of two cracks overlapped, and finally reached the position of transient interruption, and then the transmission shaft fractured completely and the fracture strength was onlv 1/5 of that under no cracks.

3D打印椎弓根导航模板在下颈椎椎弓根置钉中的临床应用

目的:探讨采用优化设计的3D打印椎弓根导航模板辅助下颈椎椎弓根螺钉置入的安全性和准确性。方法:回顾性分析2016年8月~2022年10月在我科行颈椎后路椎弓根螺钉内固定手术的患者42例,年龄32~74岁(50.1±9.8岁),随访13~25个月(19.6±3.2个月)。根据置钉方式分为导板组(n=22)和徒手组(n=20):导板组采用优化的椎弓根钻孔导航模板设计方案,3D打印制作下颈椎椎弓根导航模板辅助椎弓根置钉,其中男性12例,女性10例,颈椎损伤或颈脊髓损伤6例,后纵韧带骨化症(OPLL)9例,颈椎管肿瘤5例,脊髓型颈椎病2例;徒手组根据术前颈椎CT测量椎弓根角度、直径等参数,采用徒手置钉,其中男、女各10例,颈椎损伤或颈脊髓损伤4例,OPLL 10例,颈椎管肿瘤5例,脊髓型颈椎病1例。两组患者性别构成、年龄、诊断、术前VAS评分、JOA评分比较无统计学差异(P>0.05)。记录两组患者手术时间、术中出血量;术后1周颈椎CT扫描,按照Kaneyama方法评估椎弓根置钉的准确性:0级,螺钉完全位于椎弓根内;1级,穿破椎弓根的部分<螺钉直径的50%;2级,穿破椎弓根的部分>螺钉直径的50%;3级,椎弓根螺钉完全位于椎弓根外。0级或1级定义为椎弓根置钉准确,2级或3级为螺钉误置。记录患者的围手术期并发症,统计并比较两组术后12个月疼痛视觉模拟评分(VAS)、日本骨科学会(JOA)评分。结果:42例患者手术顺利,导板组手术时间102.2±16.1min,术中出血量89.3±17.7mL;均少于徒手组142.8±20.9min,133.3±34.0mL(P<0.01)。42例患者共置入下颈椎椎弓根螺钉216枚:导板组118枚,其中0级90枚,1级22枚,2级5枚,3级1枚,置钉准确率94.9%(112/118);徒手组98枚,其中0级48枚,1级36枚,2级10枚,3级4枚,置钉准确率85.7%(84/98)。导板组置钉准确率显著性高于徒手组(P<0.05)。两组患者均未出现螺钉相关神经血管损伤,无内固定松动断裂并发症,术后12个月VAS评分较术前显著性降低(P<0.01),JOA评分较术前显著性提高(P<0.01),两组间比较无显著性差异(P>0.05)。结论:3D打印椎弓根导航模板的优化设计方案有助于提高下颈椎椎弓根置钉的准确性。

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。

承德县张营子矿区zk0806孔的纠偏技术

张营子矿区于2011年开始施工,累计完成钻孔18个,钻探工作量25 328.19 m。矿区太古代单塔子群白庙组以片麻岩为主,节理、片理发育,岩层倾角60°~70°,个别产状更陡,钻遇此层极易发生钻孔偏斜,增大施工难度。zk0806孔采取陀螺仪高边角定向法进行孔内定向,选择1.25°螺杆和95 mm表镶金刚石单管钻进工艺进行两次技术纠偏,最终达到地质要求。

中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的研制与试验

针对大洋钻探硬岩取心钻具钻进效率低、取心效率低等问题,本文介绍了中国地质科学院勘探技术研究所研制的Ø185 mm规格中空螺杆马达井底动力绳索取心钻具的基本研制情况及陆地试验情况。研制过程中,通过理论计算和Ansys Workbench有限元仿真模拟,对中空式螺杆马达螺旋线型的结构进行了优化设计及动力学分析,并对万向节进行了受力安全分析,优选了材质,钻具攻克了多头小偏移量短节距中空转子和柔性中空万向节等关键技术,通过在陆地开展花岗岩块取心试验,验证了该取心钻具原理样机工作性能的可行性,为该钻具的工程应用提供了工作参数指导及匹配钻头的优选,也可为我国大洋钻探及深地科学钻探提供硬岩取心技术支持。

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。

工艺参数对6082-T6/AlSi10MnMg异种铝合金热融自攻丝接头成形性的影响

为探究工艺参数对6082-T6/AlSi10MnMg真空压铸铝合金热融自攻丝接头成形性的影响,采用正交试验法,将穿孔转速、进给速度和拧紧扭矩作为试验变量,通过极差分析研究了工艺参数对最小衬套高度和平均螺牙深度的影响规律。在正交试验结果的基础上,建立了参数值与被测指标的响应面模型,研究了各参数对成形质量影响的显著性。对最优工艺参数组合的接头进行了强度测试。结果表明,穿孔转速和进给速度对最小衬套高度影响显著,但二者的交互作用对最小衬套高度影响较小。平均螺牙深度主要受拧紧扭矩的影响,穿孔转速和进给速度对平均螺牙深度的影响较弱。在拉拔和拉剪工况下,工艺参数对接头强度有较大影响,参数优化后接头强度分别提高了9.48%和8.64%,剪切工况下接头强度变化较小。

一种移动式端面钻孔攻丝机的研制

自动化设备生产需要加工很多螺孔用于连接安装板,加工较长安装板的螺孔多选用立式加工中心垂直装夹,由于零件伸的太高造成装夹刚性太差;而采用卧式加工中心,设备昂贵成本太高。本文研制一款简易的端面钻孔攻丝装置,设计可移动式的工作台以降低设备占地空间,设计快速钻孔装置以提高钻孔攻丝的便捷性,增加一组工作台调节装置以扩大加工行程,改装一套攻丝系统以实现钻孔与自动攻丝功能,加装数显装置以提高孔坐标位置的精度,经过样机试制与切削实验,解决了较长安装板螺孔加工工艺问题,节约了生产成本。

高柔性弹夹式流钻螺钉铆接系统研究

流钻螺钉工艺主要应用于空间狭小、封闭管腔等只能单边可达的铝型材、铝铸件部位。汽车行业主要采用的吹钉式流钻螺钉铆接设备受送钉管限制,存在可达性差、节拍慢等不足。传统弹夹式流钻螺钉铆接设备一套只能使用一种规格的螺钉,每增加一种规格螺钉,需要额外增加一台机器人和一套设备,设备利用率低,投资成本高。对此,提出兼容多规格螺钉的高柔性弹夹式流钻螺钉铆接系统,解决了吹钉式流钻螺钉铆接设备和传统弹夹式流钻螺钉铆接设备存在的问题,满足柔性、高效的生产需求。介绍了高柔性弹夹式流钻螺钉铆接系统的组成、原理和特点,分析了系统中的拧紧枪和充钉站。

贵州省贞丰县金矿勘查小口径定向分支钻进技术

贵州省贞丰县者相二金矿勘查是贵州省重点矿产资源大精查项目之一,该金矿设计的ZK61724孔因位于某Ⅰ级水源保护区内而无法施工。为解决该问题,采用“小口径定向分支钻进技术”,从邻近的ZK61708孔内实施定向分支孔,由地下深处侧向钻进至ZK61724孔目的层,精确命中靶区,达到勘查目的。在贵州省中硬岩地层开展小口径定向分支钻进试验研究,取得以下成果:(1)钻头选型:侧钻分支开窗阶段使用表镶金刚石钻头效果最优,増斜稳斜钻进阶段使用平底PDC钻头效果最优;(2)造斜工具弯度选择:侧钻分支开窗阶段选用1.5°~2°弯外管效果最好,増斜稳斜钻进阶段采用有线随钻测量时选用1°~1.5°弯外管效果最好,采用无线随钻测量时选用0.5°~1°弯外管效果最好;(3)使用绳索取心钻杆,安全造斜强度控制阈值为6°/30 m;(4)电磁波无线随钻测量仪性能稳定,有线光纤陀螺随钻测量仪减震机构有待改良完善。小口径定向分支钻进技术能促进勘查理念和方式的革新进步,从源头上落实绿色勘查少破坏的理念,有效节约钻探成本。本文阐述小口径定向钻进的技术要点,可为该技术的推广应用提供借鉴。

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。

复杂软弱煤层条件下高转速大扭矩钻探装备设计及试验研究

复杂软弱煤层的钻孔成孔效果对矿井瓦斯抽采具有重要意义。针对王坡煤矿复杂软弱煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题;设计了一种具有高转速、大功率、大扭矩性能的ZDY6000LR型高转速履带式钻机,其最大扭矩6 000 N·m,最大转速400 r/min;通过对钻机的布局、动力头、调角机构、给进机身及液压系统的优化设计,确保在施工过程中能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题;开发具有强度高、不易崩齿等优点的Ø95/Ø60.3 mm宽翼片插接密封螺旋钻杆,以及具有强度高、断齿风险低等优点的Ø113 mm、Ø120 mm、Ø133mm三角梯齿PDC钻头。在王坡煤矿3 206工作面现场工业性试验表明:该套钻探装备及钻具组合有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,百米以上钻孔成孔率超过70%,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

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。

松软煤层用泡沫发生器结构优化及发泡效果模拟

【目的】空气螺杆钻进技术用于松软煤层瓦斯抽采孔钻进,存在粉尘污染严重、钻头寿命低、钻孔净化困难等问题。采用空气螺杆泡沫钻进技术是解决问题的有效途径,拥有良好发泡性能的泡沫发生器是实现泡沫钻进技术的关键之一,但目前大多泡沫发生器无法满足要求。【方法】针对此问题,基于螺旋式泡沫发生器,增设空气动能转化装置,设计了一款小尺寸泡沫发生器。采用数值仿真分析方法,对空气动能转化装置结构设计的合理性和涡轮搅拌段搅拌叶片的安装角度进行了评价和优化。【结果和结论】结果表明:(1)空气动能转化装置能有效驱动泡沫发生器的主轴转动,在0.8 MPa空气压力条件下,叶片平均转速可达621.61 r/min。(2)完成动能转化后,气体可以继续进入泡沫发生器内部,与泡沫基液进行气液混合,达到设计目的。(3)通过混合相的迹线分布、流体域湍流分布、气相分布以及气泡粒径分布等情况对比分析,安装角度为30°的搅拌叶片,其搅拌效率和气液混合效果好。研究成果为空气螺杆泡沫钻进工艺在松软煤层瓦斯抽采孔的成功应用奠定了基础。

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。