碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备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,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

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。

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响，取得上千组试验数据。试验结果表明：随环空返速增加，小井眼环空压耗增加很快；在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降，但下降幅度很小，在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大；随偏心度增大，环空压耗降低；随环空间隙减小，压耗对钻柱旋转变得更为敏感；随钻井液幂律流性指数增加，环空压力损耗增大；随宾汉塑性粘度增加，环空压耗增加；随钻井液密度增加，环空压耗增大；钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。

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。

深水钻井隔水管段大尺寸环空压耗数值模拟

深水钻井过程中海水段隔水管环空中的水力学特性与常规井有较大差别。运用理论分析的方法对海洋深水钻井隔水管段大尺寸环空中的压力损失进行了研究,分析了环空泥浆返速、钻杆旋转速度、钻井液性能和环空尺寸等对压耗的影响,并与常规井眼环空压耗进行了对比。研究结果表明:在大尺寸环空中,对于幂律流体,在层流状态下环空压耗随钻杆转速的增加而减小;随着环空尺寸的增大,环空压耗急剧降低;随钻井液流变指数和稠度系数的增加,环空压耗呈指数增大和线性增大。本文可为研究隔水管环空螺旋流携岩规律提供帮助。

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。

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。

影响空气潜孔锤跟管钻进速度和跟管深度因素的分析

通过对空气潜孔锤跟管钻进钻具的受力分析，得到影响潜孔锤跟管钻进速度和跟管深度的因素。

钻杆轴向运动对水平井段岩屑床的清洗效果

为了研究倒划眼或短起下钻对水平井段岩屑运移规律的影响、指导现场短起下钻作业和短起下钻时对井眼清洁程度的评价,基于CFD数值模拟方法并结合欧拉双流体模型,探讨了钻杆起钻速度、钻井液黏度等参数对岩屑床破坏作用的机制。研究结果表明:①起钻速度介于0.10~0.25 m/s时,钻杆起钻这种轴向运动只破坏了原始的岩屑床形态,使岩屑重新沿轴向扩散分布,对提高井眼清洁效率没有作用;②当起钻速度大于0.25 m/s时,钻井液的反向流动冲蚀作用使岩屑重新堆积成较高的丘状岩屑床,有可能影响再次下钻,增加了卡钻风险;③钻井液黏度小于30 mPa·s时,环空岩屑运移以钻杆的机械拖拽作用为主导;④钻井液黏度大于30 mPa·s时,环空岩屑运移以抽吸压力作用为主导;⑤钻井液黏度固定时,钻杆轴向运动速度选择不合理有可能导致井内压力波动增大,增加了井涌和溢流的风险。进而提出建议:现场在起下钻作业时,井眼内钻井液黏度小于30 mPa·s时使用0.25~0.75 m/s的起钻速度,钻井液黏度大于30 mPa·s则使用0.10~0.25 m/s的安全起钻速度。

钻杆刺穿原因统计分析及预防措施

对某油田2004年钻杆刺穿情况进行了调查研究,得到钻杆内加厚过渡带部位刺穿是钻杆刺穿失效的主要形式。分析认为,大多数钻杆内加厚过渡带刺穿裂纹起源于钻杆内壁,其刺穿机理和过程为,钻杆内壁腐蚀或者涂层破坏后腐蚀→形成腐蚀坑→腐蚀坑底产生腐蚀疲劳裂纹→裂纹扩展→刺穿或断裂。钻杆从内加厚过渡带部位刺穿的原因与钻杆内加厚结构尺寸、材质抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力有关,同时也与井身质量、井身结构和转盘旋转速度有关。为防止或减少深井和超深井油田钻杆刺穿事故提出了预防措施。

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。

钻杆反转运动及其弯曲频率分析

根据塔里木油田井身结构尺寸、钻井参数 ,详细地分析了塔里木油田钻杆反转转速、弯曲频率和其环隙比与反转运动的关系。钻杆内不但存在自转转速 ,而且还存在反转转速 ,其弯曲频率为钻杆自转转速与其反转转速之和。在钻杆自转转速一定时 ,钻杆的反转转速与环隙比值 β有关。研究结果表明 ,预防塔里木油田钻杆刺漏失效措施可用 :(1 )转盘转速控制在 (4 4 .5～ 92 .0 )r/min ;(2 )在钻杆尺寸不变的情况下 ,可以增大套管结构尺寸 ,来降低钻杆的弯曲疲劳应力频率 ;(3)采用井底动力钻具。研究的结果为深井。

随钻数据传输新技术

长期以来 ,油气勘探与钻井业致力于随钻高速数据传输技术的研究。文章介绍了钻杆存储式测量、电磁传输、一次性光纤遥传系统三种新兴的钻杆遥传技术 ,重点阐述了IntelleServ公司开发的钻杆高速数据遥传系统IntelliP ipe。它解决了钻杆耦合问题 ,使随钻数据高速传输得以实现。IntelliPipe的核心是特殊设计的钻杆接头嵌入式非接触式耦合器 ,使得该系统比以前的硬导线式数据传输方法更可靠、结构更牢固 ,而且数据传输速度比目前使用的泥浆脉冲遥传系统快。

煤矿智能打钻造穴一体化技术应用

为了进一步提高煤矿安全生产效率,改进防突治理工艺,保障作业人员的身体健康,释放人力资源,研究了煤矿智能打钻造穴一体化技术。以某煤矿具体巷道为例,分析了智能钻冲一体化成套装备,主要为自动化控制打钻车和自动化控制钻杆车,并对比分析了智能打钻造穴一体化装备与普通打钻造穴设备的平均钻进速度、平均扩充速度等指标。研究表明,引入自动化施工设备来代替原始设备,配套使用智能水力冲孔造穴来提高防突治理效率,保障煤矿安全生产,降低人力资源输出和工人的劳动强度,保障工人作业安全。

预测宾汉流体中最大下套管速度的实用方法

波动压力的大小与井眼系统稳定密切相关，而管柱下放速度又是影响波动压力的主要因素。因此，基于平衡压力钻井和井控要求而确定合理的管柱下放速度，对确保安全快速钻井具有重要意义。文中以宾汉流体为例，从理论上推导了控制管柱最大下放速度的非线性方程组，并在地层破裂压力梯度给定的情况下分析了影响管柱最大下放速度的主要因素。计算结果表明：随钻井液屈服值、塑性粘度增加，最大下放速度应该减小；随环空内外管径比增加，最大下放速度应该减小；随地层破裂压力梯度增加，最大下放速度可以增大。文中还给出了计算实例。主题词##4非牛顿流体;;波动压力;;井身结构;;井眼稳定;;钻井液性能;;地层破裂压力;;下套管;;

微流量控制钻井中两相许用钻杆下行速度研究

针对微流量控制钻井中气液两相许用钻杆下行速度问题,考虑气体滑脱、相与环空壁面阻力、回压及井底压差,开展了对不同井深的气液两相许用钻杆下行速度半经验模型的研究,获得了气液两相许用钻杆下行速度的变化规律。当钻杆在气液两相中下行运动时,回压的增大使井筒空隙率减小、气液两相密度增大,加载在井底的有效压力增大,从而使许用钻杆下行速度减小;当井底气侵量增大,此时井底压力小于地层压力,许用钻杆下行速度增大,可借助增大的激动压力消除一部分井底与地层欠压差;当井底安全压差减小,许用钻杆下行速度呈减小趋势。控压钻井中精确计算钻杆许用下行速度,可增大钻井时效。

钻探新技术在溪洛渡电站中的开发和应用

针对溪洛渡电站急需解决的钻探技术难题 ,结合水利水电钻探的薄弱环节进行了 4项研究 :1.研制SDQ定向取心器 ,可随钻定向取心 ,并具有数学计算和作图求解岩层层面和断裂面产状等功能。 2 .针对岩石特点 ,确立了 6 33—Cu为基础粘结料并加入WC、Co、Ni、Ti为组元的金刚石钻头胎体方案 ,引入了两次级配的金刚石粒度设计 ,确立了最佳烧结参数。 3.通过原料筛选和优化配方 ,获得了可人工种植的植物胶和合成高分子聚合物复合胶的无粘土冲洗液 ,用量少、成本低、搅制工艺简单。 4.研制冲击式取心跟管钻具 ,经在厚约 135m的岸坡松散堆积层钻进表明 :取心率高 ,同径跟管 ,进度提高了一倍以上 。

三棱钻杆粉体负载扭矩计算模型研究

为了实现三棱钻杆转动过程的定量化计算,在分析了三棱钻杆排粉机理的基础上,提出了基本假设,建立了扭矩基本物理模型,并阐述了物理模型的求解过程,得到了基本参数的解析解。在此基础上,对相关参数的求取方法以及最小扭矩问题进行了分析讨论,求得了钻孔内煤粉密度ρ的解析解以及降低钻杆整体扭矩的方法,提出了实际应用环节测定临界转速w_界的实验方法,并得到了提高钻孔长度的理论方法。

BTA钻杆的涡动研究与仿真

对理想状态下BTA钻杆的涡动进行研究。通过对涡动模型的简化,得到两端铰支座转子杆,并对钻杆的涡动机理进行分析。假设工件内孔与钻杆始终为线接触,在钻杆外圆上取一点A,即可得到固定点A的运动轨迹。最后运用MATLAB中的plot应用对其运动轨迹进行仿真,得出转速和间隙对钻杆涡动频率的影响规律,以提高钻杆的稳定性。

磁耦合有缆钻杆关键技术与发展趋势

作为高速井下网络通讯部件,磁耦合有缆钻杆利用水眼内的同轴电缆实现信号的高速传输,利用钻杆两端的磁耦合线圈实现了钻杆间的无线通讯,磁耦合通讯使磁耦合有缆钻杆不影响常规接单根等钻井工艺。借助数据服务器、无线短节、中继器、井下单元及各种有缆钻具等功能部件的配合,磁耦合有缆钻杆系统能够实现地面及井下数据的组网通讯,具有高速、双向、全天候的传输特性。磁耦合有缆钻杆的关键技术包含:高速调制解调器、井下令牌环网、虚拟串口技术及分布参数测量等(基于高速调制解调器的井下令牌环网是高效的组网技术);虚拟串口技术便于第三方厂家快速利用磁耦合有缆钻杆连接自己的测量工具;分布参数测量以较低的成本实现了全井筒的状态监控,在控压钻井、井控安全、钻井参数优化等方面有重要作用。智能(自动化)钻井是钻井业的发展趋势,磁耦合有缆钻杆的独特特性使其适用于智能(自动化)钻井。在减少应用成本的情况下,磁耦合有缆钻杆能够进一步开拓市场。