柔性钻具水力导向射流喷嘴流场分析

现有柔性钻具钻井技术和水力喷射径向钻井技术在控制钻进方向上存在困难或有局限性。为实现钻井导向可控,设计了一种能够水力导向的高压射流喷嘴结构。建立导向喷嘴流体数值模型,利用数值模拟的方法进行流场分析,研究喷嘴倾角、喷嘴直径、喷嘴开启个数等参数对导向力、射流速度的定量关系,给出了导向力方向确定方法。结果表明:随着关闭喷嘴个数的增加,喷嘴导向力呈指数逐渐增大;轴向倾角越大,喷嘴导向力和最大喷射速度越大;喷嘴内径减小时,导向力和喷射速度都显著增大。通过数值模拟验证了射流喷嘴水力导向的可行性,分析结果和导向力的拟合公式对水力导向喷嘴钻进方向的研究具有指导意义。

顺层钻孔水力化增透抽采效果分析

针对本煤层顺层钻孔抽采量低,钻孔抽采量衰减快,严重影响了本煤层瓦斯抽采的达标时间,通过顺层钻孔水力化增透措施,单孔抽采纯流量是普通孔的2~4倍,抽采流量衰减期较普通钻孔延长,这对于缩短工作面的抽采达标时间,缓解矿井的抽—掘—采衔接,以及保证工作面的安全高效回采,都具有重要的指导意义。

井下全金属非圆齿轮动力钻具设计与可行性研究

高温高压井下动力钻具受高温的影响,其所含的橡胶等不耐高温件的寿命会大大降低,进而严重影响井下动力钻具的性能和使用寿命。而全金属非圆齿轮钻具作为一种新型的全金属容积式动力钻具对温度的变化并不敏感,十分适合高温井下工况,具有良好的发展前景。本文介绍了非圆行星齿轮马达的基本原理和特性,调研了国内外非圆行星齿轮马达的发展现状,分析了非圆行星齿轮液压马达节曲线的设计和使用寿命等关键技术。在此基础上,开展了行星马达应用于井下动力钻具的可行性研究,研制了非圆齿轮动力钻具原理样机,提出了该钻具的研发建议与方向。并通过流体力学对该钻具的端面泄漏量进行了分析,得出了对端面泄漏量影响最大的因素为端面间隙的大小,然后对改进前后的结构分别进行了有限元分析,得出改进后结构的端面间隙为+0.11~0.18μm,远小于改进前的端面间隙-0.13μm,验证了该结构的可行性。

深部低透气煤层高压水力割缝技术应用及效果分析

深部煤层开采时,煤体透气性低、瓦斯压力大,采前瓦斯抽采困难,严重制约煤矿企业的安全生产。为了提高深部矿井低透气性煤层的瓦斯抽采效率,防治煤与瓦斯突出危险,提出采用顺层钻孔高压水力割缝技术的煤层增透方案,并将该技术应用于平顶山十矿己_(15-16)-24130工作面。结果表明,实施水力割裂后钻孔内瓦斯流量大幅提升,变化最小的检验孔瓦斯流量由0.08 m^(3)/min提升至0.12 m^(3)/min,升高50%;高压水力割缝孔布置间距为8 m、水力割裂半径为1 m时,割裂孔的影响半径为4 m;高压水力割缝后距割裂孔1.5 m和4.0 m处煤层透气性分别为2.76 m^(2)/(MPa^(2)•d)、1.28 m^(2)/(MPa^(2)•d),相较割裂前煤层透气性分别提升了145.3倍和67.15倍。

充分利用水力能量 提高深井钻井速度

从深井水力能量分析入手,阐述了深井水力能量利用应重视和研究的问题,探讨充分利用水力能量,提高深井钻井速度的可行途径。

瓦斯抽采钻孔修复增透技术与装备

针对瓦斯抽采钻孔易发生失稳堵孔导致抽采量严重衰减的问题,研发出瓦斯抽采孔水力作业机,采用外径16 mm连续可缠绕钢管,以高压水射流为核心,形成高压力、变流量、连续修复钻孔技术体系。利用瓦斯抽采孔水力作业机产生的高压水射流对瓦斯抽采钻孔进行冲孔解堵和水力喷射压裂增透,从而达到了卸压和造缝双重增透的目的,使得已有的瓦斯抽采孔重复利用,避免施工新钻孔。该技术在郑煤集团大平煤矿现场应用表明,钻孔修复、增透后瓦斯抽采纯流量可提高800%以上。

基于CFD的自进式喷嘴参数优化

为了有效穿透井眼污染带,扩大泄油面积,提高油藏采收率,最终实现增产增注的目的。通过建立喷嘴三维模型,采用Fluent软件进行模拟,研究自进式喷头在不同前后喷嘴直径、前后喷嘴角度下的流场特性,利用流场中速度的分布规律结合公式计算出反冲力、破岩力、推进力的变化趋势。结果表明:随着后喷射角直径和前喷射角角度的增大,反冲力、推进力增大,破岩力减小;随着前喷射角直径和后喷射角度的增大,反冲力和推进力减小,破岩力增大。最终得到喷嘴的匹配方案,为实际生产提供了可靠依据。

新型钻扩一体水力化防突集成技术

为了有效预防煤与瓦斯突出，根据掘进工作面主要防突措施的优缺点、防治煤与瓦斯突出的技术原理及水力化局部防突措施的机理，提出了新型钻扩一体水力化集成技术，研究了该集成技术的基本原理、成套设备和集成工艺，采用该技术进行扩孔后：孔洞直径变为扩孔前的4～8倍；单孔瓦斯浓度是扩孔前的6～500倍；最大百米钻孔瓦斯流量为扩孔前的7倍多。结果表明：新型钻扩一体水力化集成技术可有效增加煤体的可塑性，降低煤体内部的应力集中，提高煤体的透气性，促进瓦斯的释放，增强防止煤和瓦斯突出的能力。

零半径水射流径向钻井技术的研究与应用

新型水射流径向钻井技术以零半径(套管外)从现有井筒内径向钻入地层,可为老油田、边际油田、低渗透油气藏和煤层气开发提供一种能有效恢复或提高单井产量的经济手段。采用集成式井下工具的水力深穿透技术,水平钻孔长度可达2m,能有效穿透近井带污染区,用定向穿透辅助压裂可有效改造低渗透裂缝性油藏。采用分步作业方式的水射流钻径向分支井技术,利用连续管起下钻具,水平钻孔长度可达20～50m或更长。最后指出喷嘴的牵引能力和钻孔性能是对水平钻孔长度及适应地层范围影响最大的关键因素。

高压喷射钻井水力参数优化研究

高压喷射钻井技术在国内外诸多油田都已进行了多次试验研究。进行水力参数优化研究可以指导现场作业,提高钻井速度、改善井眼的净化能力。通过对排量和喷嘴组合优选计算,分析了排量和喷嘴组合对立管压力、钻头压降、钻头水功率以及喷射速度的影响规律;并给出了一种高压喷射钻井技术水力参数优化方法。研究表明：当钻井泵排量增大后,各水力参数总体均呈上升趋势但增长速率不同;钻井液过流面积一定时,喷嘴组合的变化对立管压力影响较小;钻井液的过流面积发生微小变化时,钻头压力损耗的变化幅度最大,钻头水功率次之,对立管压力影响最小。最后针对塔河油田盐区某井中深部地层497-4 673 m井段,经优选水力参数后,以得到的推荐参数进行现场施工作业,平均机械钻速达到55.48 m/h,与邻井同井段（15.32 m/h）相比提高262%,该开次完井用时15.33 d,与设计相比节约30.79 d,节约率达到65.5%。

九里山矿突出煤层巷道掘进防突技术

突出煤层煤巷掘进防突直接关系到煤矿的安全生产和采掘接替.在长期的生产实践中,煤矿科研工作者进行了深入地研究,试验了不同的防突技术措施和工艺,并在不同时期取得了较好的效果.通过焦作矿区九里山矿15011工作面巷道掘进期间的瓦斯防治技术实践,阐述了煤巷掘进防突技术在焦作矿区的应用与发展,并对焦作矿区的煤巷掘进防突技术进行浅要的分析与展望.

井下钻柱减振增压装置工作特性的仿真研究

井下钻柱减振增压装置是一种用于实现井底超高压射流辅助破岩的钻井工具,该装置的工作原理是利用井底钻柱振动能量,采用活塞激励的方式调制超高压射流。为研究各参数对该工具工作特性的影响规律,为其现场应用提供理论依据。基于该工具的工作原理,建立了数学模型并进行了仿真分析,对其工作特性进行了研究,以有效破岩水功率(单位时间内装置输出钻井液携带的有效破岩能量值)为优化指标,得出了钻进参数及超高压喷嘴当量直径对其工作特性的影响规律:装置输出压力的峰值随着超高压喷嘴直径的增大逐渐降低;随着钻压、转盘转速的增大而升高;当喷嘴直径为3 mm时,装置输出的有效破岩水功率最大;有效破岩水功率随着钻压、转速的增大而增大。为使单位时间内装置输出的有效破岩水力能量最高,钻进参数与超高压喷嘴直径之间存在最优参数配合。

水力喷射径向钻孔技术在江苏油田的应用研究

随着多年持续开发生产,江苏油田的老井数量不断增加,同时存在多块低渗油气藏和稠油油藏,开采难度越来越大,一些区块无法实施压裂改造等工艺措施,而水力喷射径向井钻孔技术提供了一种新的开采工艺。水力喷射径向井钻孔技术具有定层位、定方位、定深度等优点,可以准确地对剩余油富集部位进行有目标的挖潜增产,其措施半径最长可达到100m以上。到目前为止,该技术在江苏油田现场应用6井次,作业过程进展顺利,为江苏油田增产提供了一种经济高效的开采途径。

高水头压力下竖井井壁渗漏水封堵技术研究

采取在无水状态下进行封堵的施工方法,封堵渗漏水效果较好,但同时会影响到水利水电工程发电、灌溉、航运、养殖等效益,带来巨大的经济损失。以磨子潭水库放水底涵竖井井壁的渗漏水为背景,针对高水头压力下水工建筑物的渗漏水封堵方法进行研究,制订与之相对应的封堵方案,并付诸实施,成功封堵了渗漏水,有效解决了高水头压力下的渗漏水封堵难题,经济和社会效益显著。

煤层顶板深孔“钻—切—压”预裂防冲技术试验研究

针对现有顶板定向水力压裂技术中缝槽预制工序繁琐、成缝质量差的问题,提出钻孔、高压水射流切缝、高压水力压裂(钻-切-压)一体化预裂顶板防冲技术,并在葫芦素煤矿进行了试验研究。试验结果表明:“钻-切-压”一体化技术与装备在不退钻杆的前提下能够进行人工切槽,并采用单孔后退式多次压裂,提高了施工效率;使用的对称双孔型高压射流器能够高效形成4~5 mm宽度的人工缝槽,增大了切缝效果,并降低了压裂时裂缝起裂压力,扩展了压裂半径,单轴抗压强度为50~60 MPa的顶板岩层,单次压裂半径最大可达15 m;“钻-切-压”技术弱化顶板使得巷道围岩应力水平降低,临空巷道附近高能微震事件数量大幅减少,微震频次和能量无急剧变化,保证了工作面顺利回采。

超高压水力割缝煤层增透成套装置研制及应用

现有割缝(扩孔)装置对于中硬或坚硬煤层割缝效率低,配套安全防护措施相对较少,未能实现远程操控割缝作业。为了解决中硬或坚硬煤层安全、高效割缝增透难题,亟需研制更高压力的割缝成套装置。在综合考虑设备效率、割缝深度及割缝排渣所需流量的基础上,研制了高压清水泵;通过分析钻孔流场分布规律,依据水射流理论,研制了高低压转换割缝器;依据钻孔排渣原理,采用整体加工工艺,研制了浅螺旋整体钻杆;依据窄缝黏性流体流动理论,采用间隙密封设计,研制了超高压旋转水尾;基于煤矿井下巷道条件的多变性,根据高压清水泵的额定压力、额定流量确定了溢流阀的设计要求,研制了高压远程操作台;综合分析耐压性及远距离割缝作业沿程阻力损失,研制了超高压液压软管。通过关键部件的研制,成功研制了ZGF-100(A)型超高压水力割缝装置,成套装置工作压力达100 MPa,具备钻割一体化功能,可实现100 m以上远程操控,并配套研制了安全防护装置,形成了超高压水力传输的安全防护系统,同时,对成套装置空载运行、工作压力、工作流量、密封性能、耐压性能等8项内容进行了安全检测,检测内容均符合国家相关检测要求。现场应用结果表明:采用超高压水力割缝装置对煤层进行卸压增透,穿层钻孔割缝平均单刀出煤量0.85 t,割缝半径1.78~2.18 m,可提高钻孔瓦斯抽采纯量2.0倍以上,缩短抽采达标时间50%以上;顺层钻孔在钻孔工程量减少47%条件下,单孔抽采纯量提高2.0~2.5倍,缩短掘进循环施工周期60%以上,说明该方法割缝效率高,割缝后煤层卸压增透效果显著。

顺层长钻孔超高压水力割缝增透技术研究与应用

为解决低渗透性中硬煤层顺层钻孔抽采半径影响范围较小、抽采效果较差等问题,研究了工作面顺层长钻孔超高压水力割缝技术。通过应力波效应研究了水射流破煤机理,分析了超高压水力割缝卸压增透原理,研制出工作压力达100 MPa的超高压水力割缝成套装置,实现了超高压状态下不退出钻杆的钻割一体化工艺和远程操作功能,考察了超高压水力割缝参数,形成了顺层钻孔超高压水力割缝工艺技术。现场试验得出:割缝钻孔平均单刀出煤量为0.32 t,等效割缝半径达1.51～2.08 m;割缝后钻孔瓦斯抽采浓度同比提高了1.44倍,瓦斯抽采纯流量提高了3倍,有效抽采半径为对比普通钻孔的3.6倍,钻孔施工时间缩短约30%,抽采达标时间缩短40%左右。应用表明,采用超高压水力割缝增透技术后,煤层的透气性明显改善,达到了快速卸压增透的目的。

基于单柱齿破岩过程的高压液动冲击回转钻进试验研究

针对煤矿井下穿层钻孔硬岩钻进效率低的难题,基于冲击回转钻进机理和Wassara高压液动冲击器主要特点,分析柱齿在冲击荷载下形成的破碎坑形态,并将其划分为崩解区、密实区、开裂区和弹性区。在此基础之上,对柱齿连续破岩的大间隔冲击和小间隔冲击2种情况进行过程分析,结合淮南潘三矿现场试验条件讨论高压液动冲击回转钻进工艺参数,优选高压液动冲击回转钻进配套钻机、冲击器、钻杆、钻头和清水泵,及主要技术参数。试验结果表明:当清水压力在15 MPa以上时,高压液动冲击回转钻进的平均机械钻速为24.67 m/h,与采用该技术之前的8.48 m/h机械钻速相比提高了约1.9倍;并采用回归分析拟合得到机械钻速与水压之间的线性关系,经过数理统计的F检验,F=8.82大于F_(0.05)(1,7),验证了回归结果是显著的,机械钻速随水压的增大而线性增大。高压液动冲击回转钻进技术可有效提高煤矿井下硬岩层钻进效率,保障煤矿安全高效生产。

急倾斜特厚煤层高压水力“割-压”钻孔周围煤体润湿范围演化规律研究

为了明确急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔间距的合理布置问题,采用数值仿真结合现场实测的方法,对单孔、双孔及六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围进行分析。研究结果表明:在注水压力40 MPa、注水时间16 d左右时,六孔高压水力“割—压”钻孔饱和状态的注水湿润半径达15.3 m,可以更大范围地湿润煤体;与普通高压注水技术相比,采用水力割缝技术辅助湿润煤体时,钻孔周围煤体的注水润湿范围更大、注水效果更显著;在乌东煤矿北区+500 m水平45^(#)煤层现场实施高压水力“割—压”技术时,其“割—压”钻孔的布置间距选择30 m较为合理。

高压大流量水力钻割一体化技术在常村煤矿的应用

传统水力割缝技术水射流压力低、流量小,无法满足对强度高、硬度大煤岩体的高效割缝需求。针对此难题,国家安全生产监督管理总局总局信息研究院研发了一种水射流切割压力达98MPa,水流量125L/min的高压大流量水力钻割一体化技术并在常村煤矿进行了应用试验,取得了理想的效果。试验结果表明:高压大流量水力切割半径可达1.5m,切割钻孔的百米瓦斯自排量是未切割钻孔的6.03倍,瓦斯抽放量是未切割钻孔的3.73倍。