绳索取心钻头在钾盐勘探的应用及优化技术——以JG-2井为例

JG-2井是中国地质科学院矿产资源研究所为进一步查明思茅盆地勐野井组钾盐资源而布置于景谷凹陷盆地的地质调查井,设计井深1800 m。全孔取心分别采用金刚石和PDC绳索取心工艺技术,施工中出现岩盐、泥岩、砂岩及泥砾岩互层频繁、反复交替,致使岩石可钻性及研磨性变化快,钻头机械钻速快-慢不均、泥包及岩心磨损严重等问题,对钻头选型带来较大的困难、影响了钻进效率。本文针对上述问题,分析总结了钻遇地层岩性特征和使用钻头类型、结构后,优选了八刀翼PDC绳索取心钻头类型、同时优化了孕镶金刚石钻头结构与钻进参数,改善泥浆流变及清洁性能,较好地解决了上述问题,提高了钻头时效及取心质量。最后终孔深度1829.44 m,终孔直径133 mm,钻获了直径≥78 mm的优质岩盐矿心,岩矿心平均采取率达到97.51%,为类似地质条件钾盐调查勘探提供一定的借鉴依据。

基于仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头探讨

潜孔钻机是矿山爆破穿孔的主要设备,使用量很大,潜孔钻头是潜孔钻机关键部件之一,决定潜孔钻机成孔效率和最终成孔质量。本文利用仿生穿山甲楔齿形原理对潜孔钻头进行了结构设计,并探讨了加工安装工艺。经矿山现场工业性试验,在同等工况条件下,此种潜孔钻头钻孔效率提高,以φ152钻头(6吋)配套高气压潜孔冲击器测得的凿孔速度数据综合分析表明,仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头凿孔速度比普通球齿潜孔钻头提高12%~18%。

牙轮钻头牙齿破岩机理研究进展

井眼形成是通过钻头牙齿破碎岩石形成岩屑来实现的,对钻头牙齿侵入破岩机理的认识有助于优化钻头结构,提高工具破岩效率。阐述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,分别从弹性力学、裂纹扩展、数值模拟等几个方面,综述了钻头牙齿与岩石相互作用机理的研究进展,指出了今后的研究重点。虽然前人开展了众多的物理实验与数值模拟研究,但是由于钻头牙齿破岩过程及井底环境的复杂性,目前为止其机理并没有被完全认识清楚。理论与实验研究证明,井底压力是影响机械钻速的重要因素之一,针对钻头牙齿与岩石相互作用机理的复杂性,建议采用先进实验和数值模拟技术,将物理实验和数值模拟结合开展研究,揭示井底复杂应力环境下钻头牙齿的破岩机理将成为未来的研究重点。

加载速度对单齿压入破岩过程的影响

由于试验条件及途径对单齿压入试验结果有重要影响,因此,应用三维显示有限差分程序,模拟了单齿压入岩石的破碎过程,分析了不同加载速度对单齿压入破岩过程的影响。结果发现,随着加载速度的加快,破坏单元的累计总数减少,破坏单元的累计数曲线波动幅度加大;随着加载速度的加快,峰值强度及所对应的侵入深度增大,侵入载荷曲线的波动幅度增大;当加载速度较低时,侵入载荷曲线的波动幅度不大,并呈现出逐渐上扬的趋势;当加载速度较快时,侵入载荷曲线呈现出波动衰减趋势。

围压下牙轮钻头单齿对不同岩石的破岩试验

为牙轮钻头的设计提供可靠的试验数据,利用模拟深井井筒试验架模拟深井钻井环境,选取具有代表性的3种岩心进行试验,测量得到了牙轮钻头单齿在不同的围压条件和岩石下载荷、位移、围压—单位能量破碎体积以及围压—破碎坑体积等试验数据。对试验结果进行分析,得到了围压作用下对于所试验的岩石和齿形,压入载荷和压入位移成线性关系;岩石破碎坑的体积随压入载荷的增加而减小;在以相同齿形压入相同岩石的条件下,岩石的破碎面积和体积随围压的增加而减小。在相同的岩石和相同围压的条件下,抛物线形齿破碎岩石所需载荷最小,楔形齿次之,球齿所需载荷最大。同时还得到了岩石性能对破碎效率的影响规律以及破碎比功随破碎体积的变化规律。

基于岩石性能试验的冲旋钻井钻齿破岩仿真

利用空气冲旋钻井技术进行钻进时,易出现钻齿脱落、折断以及磨损严重等失效问题。针对该问题,应用岩石力学试验机和SHPB试验装置,开展了花岗岩动态劈裂拉伸、单轴压缩和围压下的压缩性试验,为数值模拟提供了必要的岩石材料模型参数。数值模拟选用H-J-C动态本构模型,结合试验结果确定了材料模型参数,选择花岗岩的拉应变作为失效准则。在此基础上,对钻齿的齿形参数和破岩的钻齿侵入深度、破碎体积进行了数值模拟。研究表明,相同工况下锥形中心齿的破岩效率最高,边齿角度取30°可显著提高岩石的破碎体积。在此基础上,对齿面布齿进行选配研究,发现"中心球形齿+周围锥形齿"的破岩效率最高,"中心球形齿+周围球形齿"组合的破岩效率最低。

三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力测试分析

采用应力电测法对三牙轮钻头牙轮齿孔表面装配应力进行了实际测试 ,测试结果表明 :单齿压入时 ,齿孔变形将受到牙轮纵横向刚度差异的影响 ,在一定过盈量情况下 ,齿孔变形呈椭圆趋势 ;随着过盈量的增加 ,齿孔孔表的周向应力和径向应力将全部变成拉应力 ,这是导致齿孔产生裂纹的重要因素 ;邻孔压齿对测试孔装配应力有明显的影响 ,影响程度与齿孔距有关 ;齿孔计算模型以及牙轮设计和加工过程中 ,必须考虑牙轮纵横向刚度以及邻孔压齿的影响。

Ф14.0mm钻齿与钻头本体齿孔的过盈分析

掉齿是影响空气钻井潜孔钻头寿命的主要原因之一,而钻齿与本体齿孔的安装过盈量直接影响固齿强度。通过建立Ф215.9 mm潜孔钻头Ф14.0 mm钻齿与钻头本体齿孔过盈装配的力学模型,对过盈量为0.040、0.060、0.065、0.070、0.075、0.080和0.100 mm时的装配应力及本体材料的径向位移进行了模拟计算,并对钻齿施加工作载荷,检验了其固齿效果。通过分析可知:过盈量小于0.065 mm时本体材料处于弹性变形状态;过盈量不小于0.080 mm时,本体齿孔的应力值较大,局部接触位置超出材料的抗压强度;过盈量为0.065～0.075 mm时,既有弹性变形又存在轻微的塑性变形,此时的固齿强度能够满足实际工况的需要。考虑到塑性硬化的作用,推荐该钻头下钻齿与本体齿孔的安装过盈量为0.065～0.075 mm。

高温地热井三牙轮钻头的研制与应用

由于深部地层温度高、井下环境十分恶劣,高温地热井钻井施工过程中所使用的三牙轮钻头普遍存在着掉齿的现象,给钻头的寿命和单趟进尺都带来了非常不利的影响,因而亟待开展适应高温地热井钻井的钻头固齿力学和钻头延寿方面的研究。为了解决高温地热井钻井过程中的三牙轮钻头掉齿问题,基于实验分析和数值模拟,开展了三牙轮钻头固齿强度研究,研制了个性化的三牙轮钻头新产品并进行了现场应用。研究结果表明:(1)在同等齿型直径及固齿过盈量参数条件下,180℃高温环境下固齿强度下降幅度介于14.7%~83.3%;(2)切削齿直径和镶齿过盈量对于三牙轮钻头固齿强度的影响十分显著,增加齿孔间接触面积及优化镶齿过盈量能够有效提高齿孔对切削齿的固紧力;(3)新产品在东非大裂谷OLKARIA区块地热资源钻探现场应用的效果表明,该新钻头能够有效地防止高温地热钻井钻头掉齿、提高综合破岩效率、降低钻井成本。结论认为,该研究成果对于我国青海、西藏及海南等省区高温地热井钻井用钻头设计与应用具有重要的参考价值。

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解(误差在2%以下);结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。

岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨

研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。

孕镶齿切削效率数值模拟及实验研究

PDC钻头和牙轮钻头在深部难钻地层中钻进时出现钻头钻进效率低、磨损速度快、寿命短等现象,相对而言,孕镶金刚石钻头凭借其特殊的破岩机理和"自锐性"在此类地层中具有良好的钻进性能,已成为提高深部难钻地层破岩效率的重要手段之一。本文以金刚石浓度、粒度、钻压、转速与孕镶齿的切削效率内在影响规律研究为目的,利用离散元软件PFC3D建立孕镶齿磨削砂岩的物理模型来进行数值模拟,然后进行孕镶齿磨削实验,实验数据与模拟结果的对比,验证了孕镶齿选取平行黏结模型来进行模型建立及仿真的正确性,从而粒度、钻压、转速、浓度对切削效率的影响逐渐降低,同时为孕镶钻头工作性能分析、个性化设计、地层适应性评价及钻头选型提供了依据。

压裂水平缝油井产能数值模拟研究

为了预测低渗透油藏中的压裂水平缝油井产能,建立了一套完善的二维单相油藏线性渗流数学模型,同时采用有限差分法对数学模型求解,把数学偏微分方程离散化,然后对该方程求解,实现对压裂油井生产动态模拟,并编制相应的模拟程序,分析了低渗透油藏水力裂缝参数对油井产能的影响。结果表明,当裂缝半长一定时,裂缝的渗透率对油井的累计产能影响较大,在产油天数一定的情况下,裂缝长度的大小对累计产液量的影响不是很大,此结果对压裂增产方案优化设计及选择具有一定的指导作用。

弱风化硬岩中大口径旋挖钻机钻进新工艺实例分析

对旋挖钻机在硬岩(如弱风化砂岩、灰岩)地层中进行大口径钻进的方法进行了研究。设计了筒式和螺旋式两种截齿钻头,创新并应用了以截齿钻头为主的多钻头组合工艺方法。工程实践证明,这些方法成功地解决了上述条件下弱风化硬岩中大口径钻进的难题。

PDC钻头布齿参数分析系统开发及应用

针对聚晶金刚石复合片(PDC)钻头切削齿布齿参数难以直接测量的问题,开发了1套布齿参数分析系统。该系统结合三坐标测量机测量数据与PDC钻头几何结构特性,建立了布齿法相角、侧倾角等分析计算模型,重点解决了测量数据输入、模型算法实现、数据可视化等问题,利用Matlab完成了软件开发。该系统软件能够实现PDC钻头几何结构模拟、钻头布齿参数分析,计算PDC钻头加工误差并根据误差结果对钻头质量进行分析评价。在完成某型号PDC钻头切削齿空间位置测量后对其布齿参数分析以及加工误差计算的结果表明,该系统在PDC钻头布齿参数分析等方面计算便捷且可靠性高,具有一定推广应用价值。

单牙轮钻头牙齿网状切削破岩试验研究

通过在平面岩样上进行牙齿网状切削组合试验,获得每种情况下的岩石破碎平均深度、破碎面积和破碎体积。根据获得的切削力和破碎体积,计算出单位长度破碎体积和单位体积破碎功,研究这2项指标与各种组合试验参数之间的关系,得到牙齿齿形、岩石性质、切削深度、切槽间距和切槽交叉角度对牙齿破岩的影响规律,找出每种牙齿的最佳切削参数组合,并对齿形的优劣进行评价。试验研究结果表明,网状切削破岩效果优于单向切削破岩方式和以压入为主的破岩方式。此外,无论是软砂岩地层还是硬砂岩地层,在单牙轮钻头上采用楔形齿要优于锥球齿。加大钻压,相当于加大切深,可以获得好的破岩效果。不同的切削组合,各有合理的间距。

三牙轮钻头瓢形齿齿面结构的空间解析式及积分处理

本文以空间解析几何的数学理论,推导出了三牙轮钻头瓢形齿的横截面积、体积与瓢形齿吃入岩石深度之间的数学关系式,为研究钻头牙齿破碎岩石坑的形状大小提供了基准,也可作为三牙轮钻头工作行为计算机仿真研究的参考资料。

空气锤钎头失效机理研究

分析2005～2008年8月期间四川盆地空气锤钎头的失效形式,可知空气锤钎头的失效主要包括牙齿失效和本体失效两部分,其中牙齿失效占空气锤钎头失效的比例高达90%,钎头本体失效主要是钎头端面部分的径向磨损。开展空气锤钎头的失效机理研究,提高钎头的使用寿命,具有重要的科研意义和实用价值。

牙轮钻头牙齿滑移量规律的仿真研究

通过计算机编程与仿真得出钻头主要结构参数的改变对井底牙轮钻头牙齿运动轨迹和滑移量的影响,并作定量对比分析。根据牙轮钻头几何学、运动学基本方程建立牙轮钻头几何学、运动学仿真模型,编写牙轮钻头牙齿运动轨迹程序。研究结果表明,当其它参数不变时,牙齿井底滑移量随轮底中心臂长C的增大而增大,随钻头外径D的增大而减小,移轴距S对牙齿滑移量的影响不明显;运用井底牙齿轨迹仿真方法能方便地得到井底牙齿滑移量的定量值,避免了通过速度计算得出牙齿滑移量的大量繁琐计算,也大大改善了牙齿滑移量对比分析的不直观性。

全尺寸PDC钻头切削齿载荷分布规律的实验研究

根据实验应力分析原理,研究了三种剖面形状的全尺寸PDC刮刀钻头在常压下钻进红砂岩和白砂岩时,切削齿上的工作载荷.重点研究了切削齿上的轴向力、切削力、侧向力及其合力沿半径的分布规律及其与钻压和转速的关系,还分析讨论了岩石类型和钻头剖面形状对载荷分布规律的影响.结果表明,钻头形状不同,切削齿上的载荷分布亦不同;转速对切削齿上的载荷分布基本无影响.