基于仿真的复合冲击破岩流固热耦合场分析

为了揭示复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩机理,以温度为纽带,通过迭代算法建立复合冲击载荷下PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型,同时以PDC钻头切削齿温度为评价指标验证仿真模型;从动态破岩过程、力学变化行为、温度演化规律和流场分布特征等4个方面完成复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩工作特性分析。分析结果表明:PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型误差在10%以内,满足工程分析精度需求;PDC钻头破岩过程分为单齿破岩、平面破岩和深度破岩3个阶段,增加复合冲击载荷后PDC钻头最大扭矩增大66.3%,平均扭矩增大28.0%;PDC钻头的高温区域分布在钻头最底部切削齿表面,最高温度达到166.9℃;钻井液在PDC钻头刀翼外侧切削齿产生高压区域,最大压力达到107.9 kPa;钻井液在喷嘴出口处流速最大,达到6.1 m/s。研究结果可为揭示复合冲击破岩机理、开发高效PDC钻头提供理论指导和技术支持。

顺北油气田二叠系火成岩钻井技术研究与应用

塔里木盆地顺北区块二叠系火成岩地层厚度大、硬度高、裂缝发育、非均质性强,导致机械钻速低与堵漏耗时长,相比邻区平均钻井周期增加达1.5倍。近几年,通过持续强化钻井液堵漏技术与优选高效钻井工艺,漏失量与堵漏时间逐步缩短,钻井指标逐年提高。本文分析了影响堵漏时间长与机械钻速低的主控因素,提出堵漏浆中加入竹纤维、变形颗粒以改善堵漏工艺技术,明确了冲击工具的适用条件,优选攻击性与抗冲击性的PDC钻头,改进混合钻头结构以及配套大扭矩、长寿命螺杆等技术对策,提速降本成效显著,为加快顺北油气田的高效勘探开发提供了指导。

凸棱非平面聚晶金刚石齿的破岩机理及在含砾地层中的应用

为提高聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在含砾、软硬交错等不均质地层中的抗冲击性能,开展了凸棱非平面PDC齿的研究。通过仿真和室内实验对比分析了凸棱非平面齿与常规平面齿的破岩机理。与平面齿相比,凸棱非平面齿与岩石的接触应力分布更均匀,切削破岩过程中的载荷波动幅度明显更小,切削稳定性更高。凸棱齿特殊的非平面结构改变了切削齿与岩石的互作用方式,在不均质地层得到成功应用。

冲-切混合钻头工作动态分析与破岩效率研究

针对现有钻头在深部复杂难钻地层的破岩效率低的问题,本文提出冲击-刮切分离式混合钻头,冲击齿与PDC齿相互独立工作。通过有限元分析得出冲击齿先对岩石预损伤,弱化岩石性质,再依靠PDC刮切岩石,钻头通过冲击-刮切的方式切削地层,仿真结果表明,冲切方式的破岩的最大轴向力和最大切削力都有所减小,平均轴向力减小34.93 N,降低12.1%,平均切向力减小26.09 N,降低9.1%,降低PDC齿破碎比功,从而提高混合钻头的破岩效率。根据混合钻头切削齿运动特点,运用复合坐标系统分析切削齿与钻头的几何关系,进而建立切削齿的速度、加速度以及动力学方程,通过MATLAB软件来模拟混合钻头的切削齿破碎岩石的动态过程,并得到混合钻头的井底形貌以及切削齿的切削截面、切削体积、切削力等参数,为新型混合钻头的研发提供了理论基础。

多向耦合冲击工具在玛中409井的应用

准噶尔盆地中央坳陷玛湖凹陷玛中4井区二开井段钻遇侏罗系八道湾组地层,含砾砂泥岩不等厚互层,PDC钻头地层可钻性极值为5-6级,地层非均质性强、研磨性强、可钻性差,是制约二开提速的关键难点。通过优选PDC钻头和钻井参数,配套多向耦合冲击工具钻井技术,攻克玛中4井区二开提速难点,相较于螺杆钻具组合,平均机械钻速提高了76.5%。在玛中409井进行了成功应用,实现了进尺和机械钻速的有效提高,为该地区的钻井提速提供了积极借鉴。

Penetration and impact resistance of PDC cutters inclined at different attack angles

In order to develop a rotary percussive bit with diamond enhanced cutters assisted by high pressure water jets, it is necessary to study the damage mechanism and the penetration properties of PDC cutters subject to different impact load level and rock types. Therefore the impact experiments of the single PDC cutters with different attack angles in four rocks: black basalt, Missouri red granite, Halston limestone, and a very soft (Roubidoux) sandstone were carried out, and the effects of rake angles of PDC cutters on both the penetration and impact resistance of PDC cutters have been discussed in detail. Test results show that a PDC insert can withstand a very strong impact in compression but is easily damaged by impact shearing, the PDC cutters are more easily damaged by shearing if the attack angles are relatively small, the 45? PDC cutters have the least penetration resistance among the cutters tested. Thus it is suggested that the attack angles of PDC cutters should be larger than 30? for bits which must withstand impact from a hammer.

PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果,利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型,研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性,再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明:在其他条件相同的条件下,复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高;岩石在复合冲击作用条件下,钻压对PDC齿破岩效率影响较大,且存在明显差异,增大钻压有利于破碎岩石;转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值,未达到这个值时,增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。

全尺寸PDC钻头旋转冲击破岩过程数值模拟

旋转冲击破岩机理作为旋转冲击钻井技术的关键基础问题,始终未能得到很好的解决,限制了旋转冲击钻井技术的推广与应用。为了揭露旋转冲击破岩过程,基于有限元方法,依据旋转冲击破岩试验数据,建立并验证了全尺寸PDC钻头旋转冲击破岩数值模型及模拟方法,利用该模拟方法分析了全尺寸PDC钻头在常规破岩与旋转冲击破岩方式下岩石应力的变化情况。分析结果表明:常规破岩岩石的损伤主要发生在齿底与齿前,旋转冲击破岩岩石的损伤主要发生在齿底、齿前与齿周;在冲击力增大阶段,齿前岩石主要受拉、剪作用;在冲击力衰减阶段,齿前岩石主要受压、剪作用;且不同岩石类型的冲击载荷与冲击频率的最佳组合并不一致。所得结论可为旋转冲击钻井技术的推广提供一定的理论支撑。

复合冲击作用下PDC钻齿破岩过程连续-非连续数值模拟研究

复合冲击钻进是兼具轴向和扭转2个维度冲击的新型破岩技术,针对岩石在聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻齿轴向-扭转2个方向冲击作用下破坏机制复杂、复合冲击破岩机理不清晰等问题,基于连续-非连续分析方法(Continuous Discontinuous Element Method,CDEM),建立基于共享节点的FEM-DEM岩石模型,再通过室内单轴压缩实验验证该计算模型的合理性。基于JavaScript二次开发,建立单钻齿复合冲击运动模型,并模拟PDC单钻齿在正弦函数下的复合冲击破岩过程。通过对岩屑、径向剪切裂纹、侧向裂纹和侧向主裂纹等形成过程的分析,揭示岩石在复合冲击作用下的破坏规律。在此基础上,建立单钻齿复合冲击切削力学模型,开发适用于分析复合冲击破岩钻进的连续-非连续数值算法,分析不同切削深度、前倾角度、轴向冲击速度、扭转冲击速度下的破岩效果,探讨不同钻齿参数下的切削力和破岩规律。结果表明:复合冲击作用下钻齿前方和下方岩石均发生大体积破碎,可实现“立体破岩”效果,进而减小钻头的粘滑效应。钻齿与岩层的接触面积、接触弧长、冲击能量的分配效果是影响复合冲击破岩效率的关键因素。岩层的破碎体积随着切入深度的增大而增大,但钻齿所受的切削力也会同步增大;冲击角度影响冲击能量在水平和垂直方向的分布效果,较小的前倾角度下钻齿破岩体积较大;提高轴向冲击速度和扭转冲击速度可提高岩层破碎体积,但钻齿所受的切削力也相对较大,不利于钻具寿命的延长。研究结果可对提高不同工况下的破岩效率、优化PDC钻齿设计参数、延长钻具使用寿命等提供借鉴意义。

基于三维复合冲击的延长气田钻井钻进参数自动控制技术

在钻井过程中受到多方面参数的影响,导致钻机钻速波动,为此提出三维复合冲击下延长气田钻井钻进参数自动控制技术。根据气田地层对钻压的敏感程度选择钻头,计算钻头的扭矩变化、轴承的磨损速度以及钻头磨损系数,利用PID控制算法,获得泥浆的消耗量参数、孔深参数、钻压参数、漏水状态参数、烧钻参数以及岩层的软硬变化参数所对应的电流和电压信号,得到标准的参数数据,自动调整钻速、遇到岩石层增大扭矩、降低钻压以及确认钻井的方向,实现自动控制技术。实验证明技术可有效降低钻速的大幅度波动,提升工作效率。

PDC钻头复合冲击钻进动力学研究

深部地层的环境温度高,岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式,钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型,并进行对比分析,得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现,复合冲击作用下岩石裂纹发生快,更容易产生体积破碎,岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑,相比常规钻进能够提速30%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据,对深井油气田开发具有重要意义。

煤岩两用液动锤钻头的结构设计研究

为了提高煤矿井下穿层孔硬岩施工的效率,解决液动锤一趟钻实现煤岩互层钻孔的问题,设计了煤岩两用液动锤钻头,并分析了其工作原理。通过对钻头水力结构参数的计算和模拟分析,得出了可以通过调整切换阀的水力结构以及阀芯和阀座弹簧弹力匹配设计,实现对钻头功能切换所需的压力和钻头切削推力的精确控制,从而达到液动锤随钻切换冲击-切削模式的目的,实现不退钻完成煤岩互层的高效钻进。

同频异位式复合冲击器的研究开发与现场试验

为了提高PDC钻头在硬地层中的破岩效率,增加切削齿吃深,同时消除井底钻头的“黏滑”现象,研制出同频异位式复合冲击器。该复合冲击器具有轴向冲击和扭向冲击2种功能,且2种冲击频率相同、但相位不同。基于同频异位式复合冲击器的结构特点和工作原理,确定了轴扭冲击相位角θ2为20°,建立了PDC切削齿轴向冲击力和扭向冲击力的数学模型,明确工具扭冲系统与轴冲系统消耗水力能量比值的合适范围为2.0~3.0。现场试验结果表明,带有复合冲击器钻进时,井底钻柱扭矩平稳,与邻井扭力冲击器+PDC钻头的钻具组合相比,其进尺和机械钻速分别提高111.36%和46.83%,节省1趟钻,且出井PDC钻头复合片磨损轻微。该工具使用效果良好,可为复杂难钻地层提速增效提供一种有效手段。

准噶尔盆地砂岩铀矿绳索取心钻探适用性研究

20世纪90年代核工业二一六大队开始在新疆准噶尔盆地砂岩型铀矿地层开展钻探施工,一直延用普通单管取心钻进工艺,人工劳动强度高,随着钻孔深度的逐年增加,传统钻进工艺的辅助时间也大幅增加,施工周期变长,钻探生产成本随之上涨。为提高地浸砂岩铀矿钻进效率,减少600 m以深钻孔的提下钻辅助时间占比,大队在新疆准噶尔盆地东部、南缘、西部等地区砂岩型铀矿中进行了绳索取心钻探的试验,通过试验确定适宜的钻具组合和钻进参数,配备的高速离心机等固控设备使冲洗液含砂量降至2%左右,试验了液动冲击器和不同类型的PDC钻头,总结了绳索取心钻进工艺在沉积岩地层中应用的施工经验。

粒子冲击钻井技术理论与现场试验

粒子冲击钻井技术作为高效破岩的前沿技术,有望成为一项解决高研磨性地层钻井速度慢的新型破岩技术,先导性试验评价是理论研究成果进入工业化应用阶段之前不可或缺的重要环节.为此,开展了粒子射流冲击破碎大理岩的室内实验,在粒子射流速度大于100m/s,冲击频率约为500万次/min的实验条件下,粒子射流的破岩体积是水射流破岩体积的3～4倍.进而设计了粒子钻井的工艺流程,研制出与之配套的粒子注入系统、粒子冲击钻头及粒子回收系统,其中关键设备高压粒子罐工作压力为30MPa,磁选机的处理量介于70～120 m3/h,渣浆泵排量为65 m3/h,满足了粒子钻进的安全均匀注入与粒子高效的回收.在四川盆地龙岗气田022 H7井的上三叠统须家河组高研磨性的砂岩地层中成功地开展了第1次现场试验,试验井段比该井上部井段的机械钻速提高了92.7％,表明该技术在提高钻井速度方面具有广阔的应用前景.

钻头扭转冲击器在元坝10井的试验

针对川东北地区尤其是元坝地区陆相下部地层常规钻井机械钻速低、单只钻头进尺少的难题,在元坝10井进行了"钻头扭转冲击器+PDC钻头"钻井试验,试验井段3 233.30～3 503.82 m,进尺270.52 m,纯钻时间81.0 h,平均机械钻速3.34 m/h,与同地层牙轮钻头钻进相比机械钻速提高3.04倍,与该井"螺杆+PDC钻头"复合钻进相比机械钻速提高2.59倍,PDC钻头工作寿命延长53 h。试验结果表明,钻头扭转冲击器配合PDC钻头钻井可解决复杂地层钻头寿命不高和机械钻速低的难题,拓宽了PDC钻头的应用范围。介绍了钻头扭转冲击器的技术背景、工作原理、特点和技术参数及在元坝10井的试验情况。

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。

PDC钻头扭转冲击破岩机理及试验分析

扭转冲击载荷作用可以解决由于黏滑振动引起的PDC钻头过早失效问题,大大提高机械钻速。建立扭转冲击载荷作用下的PDC钻头单刀翼、多刀翼与岩石相互作用模型,并通过室内试验进行了扭转冲击载荷与静压载荷作用下的钻进对比试验,对PDC钻头扭转冲击破岩机理进行研究。红砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,钻进相同深度红砂岩,可节约钻进时间36.6%；有扭转冲击作用的PDC钻头钻速均高于同等条件下静压载荷下PDC钻头的钻速,平均增长幅度为116.8%。黄砂岩试验结果表明：在扭转冲击作用下,PDC钻头钻速最高达到静压载荷条件下的152.3%；钻头直径为75mm的PDC钻头的最佳比钻压为0.16-0.24kN/mm。PDC钻头扭转冲击破岩机理的研究为PDC钻头的高效破岩奠定了理论基础。

钻头齿面堆焊用硬质合金耐磨性试验

为了选择更合适的钻头齿面强化材料，对多种粒度的球状烧结碳化钨和粒状铸造碳化钨堆焊层分别作了磨料磨损试验，以评价其抗磨性能。用 Ｎｉ 基合金作钎料，在高真空度下将硬质合金颗粒焊至２０ Ｎｉ４ Ｍｏ 表面。试验采用多种冲击能量，磨料介质为石英砂、水和少量悬浮剂，用天平称出磨损失重。结果表明：球状烧结碳化钨或不同类型和粒度混合的碳化钨堆焊层都比现行采用的粒状铸造碳化钨具有更好的抗冲击磨料磨损能力。用球状烧结碳化钨代替粒状铸造碳化钨作钢齿钻头齿面堆焊材料是提高齿面强化效果的有效途径。

新型涡轮扭力冲击器的试验研究

PDC钻头广泛应用于深部硬岩钻井中,在其钻进过程中经常出现粘滑振动现象,导致钻进效率低、钻头寿命较短,针对这一难题,研制了一种新型涡轮扭力冲击器,不仅能够通过扭转冲击技术来减轻PDC钻头的粘滑振动现象,还能够适应深孔的高温钻井环境。为了充分利用泥浆的能量,考虑使用涡轮组作为动力源,然后通过万向节和减速器进行扭矩传递,最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击。根据这一设计思路,进行了扭力冲击器的结构设计、样机试制、测试平台搭建及性能测试等工作。测试表明,新型涡轮扭力冲击器的设计方案是可行的,其冲击频率为4~5 Hz,经过计算可得单次冲击扭力为651.45~814.28 N·m,实现了初期的设计目标。