Study on drilling mechanism and optimization of percussion-extruding DTH hammer bit

The authors tested the percussion-extruding Down-the-hole(DTH)hammer bit with five different structures and mainly analyzed the drilling mechanism between conical bit and stepped bit.In addition,aiming at "the pile effect" in combination with the advantage of stepped bit,we design a new cam spinning bit and test it outdoors.The result shows that using cam spinning bit can solve the problem of "the pile effect",which can also obtain higher drilling efficiency than using conical bit in high confining pressure strata.It is characterized by novel structure and high drilling speed as well as good guiding,and it is significant for improving efficiency in percussion-extruding drilling technique.

冲旋步进钻井提速方法的井底裂纹拓展特性

针对深部地层井底岩石硬度高、强度大和应力集中现象导致的岩石可钻性差、破岩效率低和使用寿命短的问题,提出旋冲钻井和差压步进破岩方法相结合的冲旋步进钻井提速新理念。为了研究冲击作用下差压步进钻头破碎地层岩石的裂纹拓展规律,采用有限-离散元(FDEM)方法建立了球齿冲击三维薄板模型,开展了球齿在不同冲击能量、冲击位置及岩石种类等条件下的冲击破岩过程模拟,获得了阶梯型井底岩石在冲击作用下的裂纹扩展规律。研究结果表明:由于阶梯面的存在,球齿在冲击作用下对阶梯型井底造成的预损伤区域比常规井底更大,冲击位置靠近阶梯面的裂纹扩展效果更好;双球齿冲击阶梯井底容易形成较大范围的岩石破碎区,降低了破碎阶梯井底地层岩石的难度;球齿冲击过程中对青砂岩造成的预损伤区域比花岗岩大,在冲击能量相同的情况下球齿冲击破碎花岗岩更为困难。利用冲旋步进钻井方法理论上可以进一步提高难钻地层钻井速度,但具体效果需要经现场试验及优化。所得结论可为深部难钻地层钻井速度的提升提供新的思路。

川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻施工技术

川西甲基卡锂矿3000 m科学深钻位于青藏高原中北部的松潘甘孜造山带,采用绳索取心钻进和绳索取心液动冲击回转钻进、硬岩地层金刚石钻头优选、加长型内涂层内管和改进型打捞器、环保型无固相聚合物冲洗液技术等关键技术,终孔孔深3211.21 m,创造了高原地区小口径固体矿产勘查孔深新纪录和当时全国同类型钻孔施工效率纪录。对甲基卡伟晶岩锂矿成矿模式、成矿机制的理论创新,具有重要的科学意义,也为高原地区深部钻探施工提供了借鉴。

基于LS-DYNA的冲旋钻头牙齿破岩机理仿真研究

介绍了显式动力学有限元软件LS-DYNA的功能特点,阐述了冲旋钻井中钻头牙齿与岩石相互作用数值研究的模型建立、网格划分、材料定义、接触定义及边界条件等相关问题。利用LS-DYNA对3种不同齿形牙齿在冲击载荷下破碎岩石进行了计算机仿真,描述了牙齿破岩过程,并求出了相应的应力、位移时程关系曲线,得到了3种不同齿形牙齿的破岩机理。经过分析发现,在弹头齿和锥形齿冲击下裂纹首先出现在岩石内部,齿和岩石接触面下端最早出现裂隙,而在球形齿冲击下裂纹首先出现在齿和岩石接触面边缘;3种牙齿齿尖应力波峰值由大到小依次为:弹头齿、锥形齿、球形齿;布齿时锥形齿宜分布在钻头头部端面中心、球形齿分布在边缘,弹头齿或者锥形齿可分布在中心与边缘之间,这样有利于提高钻井破岩效率。

冲旋钻头破岩机理仿真研究

介绍了冲旋钻井中冲旋钻头与岩石互作用有限元模型的建立过程,并对冲旋钻头在冲击旋转和单纯冲击载荷作用下的破岩过程进行了计算机仿真研究,描述了冲旋钻头破岩过程,求出了相应的钻头破碎岩石的深度、体积时程关系对比曲线,揭示了冲旋钻头的破岩机理——钻头在冲旋作用下破碎岩石的过程可分为4个阶段、钻头破碎岩石深度主要取决于冲击作用而与旋转作用关系不大、破岩体积在冲旋作用下比单纯冲击载荷作用下要大一倍左右,为冲旋钻头在石油工业中的进一步推广应用提供了理论依据。

旋冲钻井在塔河工区超深井段的应用

为提高新疆塔河工区深部地层机械钻速,在该区块试验应用了旋冲钻井技术。针对新疆塔河工区深部地层岩性特点和钻头选型情况,优选出旋冲钻井匹配钻头,优化并确定出射流冲击器结构性能参数。使用改进后射流冲击器首先在塔河工区S116-3井中配合PDC钻头在超深井段进行探索性应用,验证射流冲击器＋PDC钻头的可行性,应用井深达6 086 m。随之,在TP324井进行了长井段现场应用,实现了液动射流冲击器与PDC钻头配合实质性应用。S116-3井应用井段：5 998.41~6 086 m,TP324井应用井段为6 151.65~6 912 m,总进尺847.94 m,总纯钻时间314.02,机械钻速同比提高32%~45%。S116-3、TP324井应用结果验证了该技术在深井超深井的提速效果及可靠性,为塔河工区深部地层探索了新的途径。

潜孔钻头破岩机理仿真研究

利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析软件建立潜孔钻头与岩石的互作用动力学模型,对潜孔钻头的破岩过程进行仿真分析,通过对破岩总体过程、钻头的应力、破碎坑的形状和分布及钻头的位移等四个方面的分析,完整地描述潜孔钻头的破岩机理,认为钻头破碎岩石的过程分为三个阶段:中间齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;边齿破碎岩石,形成破碎坑阶段;钻头的反弹阶段。在钻头侵入岩石的过程当中,钻头既有轴向的位移,也有横向的位移。破岩过程中,牙齿3峰值最大,最容易发生破坏。

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。

冲旋钻井条件下的岩石破碎机理

冲旋钻井因其具有较高的钻速和较小的井斜,而广泛应用于矿山、石油与天然气领域的钻井工程中.为了揭示冲旋钻井的破碎机理,考虑静压、冲击和旋转的耦合作用,分别建立了牙齿和12 1/4″全尺寸平底钻头与岩石的三维冲击动力学模型.对所建立的模型进行有限元求解,结果显示:拉应力破碎是岩石破碎的主要形式,剪切应力、压应力破碎次之;岩石的破碎主要发生在岩石的拉应力失效阶段和卸载后的静压-旋转剪切破岩阶段;岩石在单齿的作用下可以显著地分成4个半球形区域;全尺寸钻头的破岩过程可以分成5个破碎阶段;边齿倾角越大,破岩侵深越小,破碎体积越大,齿顶应力越高;钻头边齿齿顶和齿孔应力均远高于中心齿,极易最先破坏;岩石越硬,牙齿侵入深度越小,破岩体积越大.研究结果与一系列的室内实验研究结果一致,可用于冲旋钻井钻头的优化设计及冲旋钻井参数的优选.

复合冲击钻具的研制及现场试验

为了进一步提高硬地层的机械钻速,同时控制PDC钻头的黏滑振动,将扭力冲击器和旋冲钻具的特点相结合,研制了同时给PDC钻头提供高频单向轴向冲击和往复扭转冲击的复合冲击钻具。通过地面试验验证了复合冲击钻具的可行性并测试了其性能,结果表明,复合冲击钻具能实现轴向冲击和扭转冲击功能,冲击频率、冲击功和压降随排量增大而增大,随喷嘴直径增大而减小。在葡4-32井的现场试验结果表明:使用复合冲击钻具后,与邻井"螺杆+PDC钻头"复合钻井相比,机械钻速提高了60.2%;试验过程中,PDC钻头未出现黏滑振动和崩齿现象。研究结果表明,复合冲击钻具能提高硬地层机械钻速,并能控制PDC钻头的黏滑振动,起到保护PDC钻头的作用。

冲旋钻井钻头仿真模型的建立研究

针对钻井机械钻速预测研究中的不足,提出用计算机仿真方法来研究冲旋钻井的机械钻速。为此,首先对冲旋钻头常用的牙齿面进行离散化后,再结合冲旋钻头的结构特点和尺寸,利用坐标变换建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型。该模型能准确可靠地描述钻头的形状和结构,是冲旋钻井机械钻速预测的基础。

旋冲钻井参数对破岩效率的影响研究

通过理论和试验相结合的方法,分析了旋冲钻井参数对破岩效率的影响及钻井参数与冲击器性能参数间的关系,讨论了石油钻井中常遇到的泥岩、砂岩、灰岩的基本特性参数与冲击器的冲击功和冲击频率的关系,给出了岩石强度、可钻性及硬度与冲击器性能参数的关系。

松南地区深井钻井提速难点与对策

松辽盆地南部地区深部地层是中国石化东北油气分公司勘探开发工作的重点,但该地区深层碎屑岩、火山岩地层可钻性差,可钻性级值达到8～10级,平均机械钻速低,单只钻头进尺少,钻井周期长,超过4 000m的深井钻井周期在6个月左右。同时存在碎屑岩地层井壁易失稳、火山岩地层易发生裂逢性漏失、硬夹层较多且部分井段含有砾岩导致断钻具事故频繁、CO2污染钻井液等技术难点。针对这些技术难点,提出了优化井身结构、针对不同地层特点优选钻头、应用旋冲钻井技术等技术对策。现场实践表明,松南地区采取这些技术对策和措施后,提高了钻井速度,缩短了钻井周期,漏失得到控制。

塔河油田液动射流冲击器+PDC钻头提速技术

为了进一步提高塔河油田深部硬地层的机械钻速，基于旋冲钻井技术理论与实践经验，开展了液动射流冲击器＋PDC钻头提速技术研究与实践，探索液动射流冲击器与PDC钻头配合使用提高深部地层机械钻速的技术可行性。首先根据塔河油田深部硬地层的特点及与冲击器配合的要求，优选了PDC钻头；接着利用液动冲击器性能测试系统，测试了液动冲击器各结构参数对其性能的影响；最后根据测试结果及所优选PDC钻头的抗冲击性能，确定了液动射流冲击器的结构及性能参数。液动射流冲击器与PDC钻头配合在S116—3井、TP324井和TP328X井的奥陶系地层进行了应用，机械钻速与同井上下井段及邻井相同井段相比，提高了32％～45％。这表明液动射流冲击器与PDC钻头配合使用，可以提高塔河油田深部地层的钻速。

冲旋钻井机械钻速仿真研究

结合三牙轮钻头有关的理论 ,建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型 ,用计算机仿真方法预测出了冲旋钻井机械钻速。应用结果表明 ,该模型可靠 ,计算结果与实际机械钻速基本一致 。

机械式旋转冲击钻井工具研制及试验

PDC钻头与螺杆钻具配合使用效果较好,但由于其主要依靠剪切作用破岩,在钻进中硬以上地层时钻速较慢,使用效果不理想。为此,研制了一种旋转冲击钻井工具,形成了旋转冲击破岩方式,改善了钻头的工作状态,提高了定向钻井效率,大幅度提高了机械钻速。工具动力输出特性参数测试和冲击性能测试结果表明,工具空载压耗为4.2 MPa,整体动力输出特性参数满足现场复合钻进工况要求。现场试验结果表明,该钻井工具在同井相同地层机械钻速提高了2倍以上。机械式旋转冲击钻井工具的成功研制,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本具有积极的作用。

空气冲旋钻头牙齿失效分析与新材料实验研究

针对目前空气冲旋钻头钻进中牙齿频繁断裂、脱落以及磨损严重,导致破岩效率低、使用寿命短等问题,采用纳米改型技术,在硬质合金中掺杂纳米Al2O3制备出Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料,对其性能、组织结构进行分析,对其耐磨性、耐冲击性进行实验研究,结果表明:加入3%的纳米Al2O3并添加适量的抑制剂和稀土元素能明显改善Al2O3/WC-Co纳米/微米复合材料的组织结构、细化晶粒,复合材料的耐磨性和耐冲击性能得到大幅提高,较硬质合金YG8提高4～8倍。为大幅度提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命提供了可能性。

物探冲旋钻头破岩机理仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于油气资源勘探领域,但仍存在一些不足,比如钻具损坏严重、能量传递效率低、破岩效率有待进一步提高等。因此,有必要进一步揭示物探冲旋钻井中钻头与岩石的互作用机理,为优化设计冲旋钻头提供理论依据。利用显式动力学分析软件LS-DYNA建立了物探冲旋钻头破碎岩石的有限元模型,并进行了计算机仿真,得到了钻头中心齿、第2排齿、边齿、钻头端面的应力时程图和应力波在钻头中的传播图。仿真结果表明:钻头破岩过程中,各个牙齿的应力变化非常大,第2排齿的应力峰值最大,其次是中心齿,再次是边齿;钻头喷嘴处的应力远大于钻头中心端面和排屑槽的应力;应力波在钻头中传播,危险区域经历了从钻头尾部到钻头喷嘴再到牙齿的过程。

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题。以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式。这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差。为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了空气冲旋钻井机械钻速。使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选。

冲旋钻头的现状及发展趋势

介绍了冲旋钻进技术的应用概况,阐述了国内外冲旋钻进用冲旋钻头的技术现状,包括改装牙轮钻头、冲击类专用钻头(硬质合金钻头、金刚石钻头)、新型钻头等,并分析了它们各自的特点,提出了冲旋钻头的发展趋势。对我国冲旋钻头的结构优化和新型冲旋钻头的研制具有指导作用。