超协调元

该文提出一类超协调的单元理论。不同于在普通协调元中采用的线位移协调插值格式,超协调元的单元插值函数首先引入转角自由度等线位移导数的高阶协调假设,并通过积分推导,进而获得超协调的线位移模型。基于超协调元理论,该文构造了一类新型的三结点三角形平板壳元SCT。数值算例表明:与其他类型单元相比,基于超协调元理论的单元具有计算精度高和计算效率好的优势。该文所提出单元理论构造简单,超协调元理论可以成为构造高性能数值算法的一种新的通用理论。

超硬磨料套料钻水下钻削P110钢的磨损实验

P110钢具有良好的综合力学性能,广泛用作油气井的套管,使用硬质合金工具对其进行水下钻削时工具磨损严重。实验研究3种不同超硬磨粒及结合剂的套料钻水下钻削P110钢的磨耗比,跟踪观察套料钻表面的磨粒形貌变化,并分析金刚石磨粒表面的石墨化情况。结果表明:在相同加工条件下,3种不同套料钻的端面磨耗大致相同,但使用金刚石磨粒的套料钻侧面磨损明显小于使用立方氮化硼(cBN)磨粒套料钻的;在水下加工条件下,端面金刚石磨粒会产生石墨化,但其仍保持一定的切削能力;结合剂硬度影响磨粒出露,从而导致套料钻在不同工作状态下的性能产生差异。

近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

富满油田超深井尾管送入技术应用

富满油田井深超过7300 m以深的井,下尾管施工时经常面临尾管送入组合中井口钻杆抗拉情况不足的情况,现有尾管送入组合受力计算方法误差较大,难以满足方案设计及施工需求。针对尾管下入过程中的受力情况进行分析,建立尾管送入组合悬重力学计算方法,对比Landmark分析数据,验证了该计算方法在钻井工程前期设计阶段校核钻柱的可行性。结果表明:悬重计算方法与Landmark模拟计算误差率小于5%,证明了使用所提出的计算模型开展校核的可行性,对超深井钻井工程前期设计、中期现场施工尾管送入组合中钻柱组合的悬重计算具有重要的指导作用。同时,针对特深层提出采用更大尺寸钢制钻杆及多种材料、多种规格复合钻柱下入尾管的方案,可为特深层油气钻探提供方法支撑。

超长大管棚在砂卵石地层的施工工艺研究

以北京地铁3号线一期工人体育场站为例,打设直径108 mm、82.3 m超长大管棚在砂卵石地层进行超前支护,砂卵石地层粒径和地层阻力较大,钻进过程中可能出现轨迹偏移、钢管断裂等情况。从钻机、空气压缩机、钻头和钻杆、管靴和108钢管等方面进行试验对比,选择适合超长大管棚在砂卵石地层施工的设备型号、材质类别。测量放线、钻机就位、导向管安装钻机、跟管钻进施工、注浆封口、监测等工序,证明了潜孔冲击器跟管钻进法打设超长大管棚砂卵石地层是可行的。

北徐楼煤矿超大口径投料孔施工技术

煤矿企业开采过程中地面倾倒大量煤矸石,通过从地面煤矸石仓附近施工一口到达井下巷道的超大口径钻孔,将生产的煤矸石固体废弃物输送至井下采空区,不仅可以解决地面倾倒煤矸石对环境的污染,同时可以有效控制地表移动变形,实现煤矿的绿色可持续发展。在山东滕北矿区北徐楼煤矿超大口径投料孔的施工实践中,采用预先施工小孔径先导孔,一开5级扩孔,二开4级扩孔,配合使用泥浆正循环、牙轮钻头气举反循环等工艺进行钻进,钻成一口煤矿超大口径投料孔,探索出对于超大口径投料孔钻孔的施工技术,其成熟的施工方案对于超大口径钻孔工程具有一定的指导意义。

加临时浮力塞双塞自平衡下管法参数计算方法及工程应用

在煤矿瓦斯抽排井钻孔施工过程中需要下入超重特大套管,而套管总质量一般远超施工钻机提拉最大量程,研发合适的下管工艺对确保套管成功下放至关重要。为此,基于浮力定律推导了加临时浮力塞双塞自平衡下管法下管过程中各参数的理论计算公式,介绍了采用该方法下放超重特大套管的流程,并在顾北煤矿瓦斯抽采系统改扩建钻孔施工中进行工程示范,按照理论计算公式获得的下管过程中的各项设计参数进行施工,实现了超重特大套管的安全下放,研究结果可为超重特大套管浮力法下管的参数设计提供一定参考。

徐工XR580HD、XR400E旋挖钻机在硬质泥岩超长桩基中的应用

G244线庆阳过境段公路工程火巷沟特大桥16号主墩桩基工程的墩位出露地层为第四系风积黄土夹古土壤,下伏白垩系泥岩,桩身上部黄土地质中粉质黏土层极易塌孔,加之下部泥岩层抗压强度大,具有桩基数量多、桩长深、孔径大、地质复杂,成孔难度大、施工工期紧等难点。文章根据技术分析,选用了徐工XR580HD、XR400E旋挖钻机进行成孔,取得了良好效果。在此基础上,总结了前述不利条件下的大直径超长桩基主要施工技术,旨在为今后黄土地区超长桩基底部泥岩层旋挖成孔施工提供参考。

深层常压页岩气工程技术新进展与发展建议

与中浅层页岩气勘探开发相比,深层页岩气埋藏深、构造复杂、压力体系多变,钻井提速难;储层可压性差、体积改造难。如何提高钻完井效率、降低钻完井成本,是实现深层页岩气经济效益开发最大的挑战。为明确当前深层常压页岩气钻完井技术水平和存在的问题,总结分析国内外深层页岩气钻完井工程新进展,指出了当前存在的问题并提出了发展建议。在四川盆地威荣、永川等区块已经实现了深层常压页岩气的经济效益开发,基本形成了以低成本高性能油基钻井液、强化钻井参数、配套大扭矩螺杆和个性化钻头、长水平井精准导向和高效控制、钻井实时监测与智能优化为核心的深层页岩气长水平井高效钻井技术体系,水平段最长长度达4386 m,最长一趟钻进尺达4225 m。但与北美地区先进钻井指标相比,国产螺杆寿命、旋转导向工具稳定性和可靠性、超级一趟钻技术与比率、近钻头推靠工具还存在一定差距,需进一步加大核心配套工具和技术研发,进一步提高深层页岩气井的钻井效率。北美地区受经济开发效益限制而较少开发4200 m以深的深层页岩气,国内已经突破了4700 m深层页岩气体积压裂技术,形成了以压裂工艺、分段工具、主体材料和监测技术为核心的独立自主的4700 m以浅深层页岩气压裂技术体系。但在复杂构造区深层和超深层页岩储层中形成复杂裂缝网难度大,还需进一步完善裂缝扩展机理研究,研发降阻性能更好的压裂液体系和175 MPa压裂装备,以尽快突破4700~6000 m埋深页岩气井高效压裂瓶颈。

上软下硬地层中超长灌注桩循环钻进结合旋挖钻进技术

浙江省龙港市人民医院建设工程(二期)桩基础采用钻孔灌注桩形式,桩基工程体量大,工期紧,质量要求高,针对桩基工程中遇到的难点,通过循环钻进结合旋挖钻进分段成孔方式得以解决,并列举了本技术施工进度快、用电用水负荷小、节能环保、施工质量高等优势,说明了该技术能够有效处理上软下硬的复杂地质。

川渝地区9000 m级超深超高温超高压地层安全钻井技术实践与认识

四川盆地蓬莱区域蓬深6井以9 026 m的钻达井深创下亚洲陆上最深直井纪录。其最高地温超过200℃,最高地压超过150 MPa,地层岩性复杂,井漏、垮塌、缩径、污染、溢流事件多发,对钻井作业中的工具、仪器、工艺提出严峻挑战。为此,设计了精细的钻井方案:(1)建立超深超高温小井眼防卡与井眼轨迹控制技术,实现了1 246 m长段小井眼安全钻井;(2)针对性采用长段漏垮同存安全钻井技术、长段膏盐层进行缩径与盐溶预防、酸性气体污染治理、大井眼长段重负荷套管安全下入等技术,有效预防了上部地层漏、塌、卡、缩事件的发生,全井故障复杂时率控制在10%以内;(3)集成应用长寿命强攻击型PDC钻头、复合钻头,高抗扭抗高温螺杆、垂直钻井系统,完善钻井泵、高压管汇等关键设备配套,以提高钻井速度。实钻结果表明:集成应用9 000 m超深超高温超高压钻井技术,不仅安全完钻,钻井周期仅561 d,且创下川渝地区套管下入的最大重量(6 800kN)、上提最大吨位(5 500kN)等20项创新施工纪录,为后续万米特深井钻探积累了经验。

定向钻进技术在高瓦斯矿井大区域瓦斯抽采中应用效果

为满足煤矿井下大区域深部瓦斯抽采的需要,本文介绍了区域瓦斯治理的类型、钻探装备,分析了远端水平对接钻进技术、扇形多分支定向钻进技术和超长定向钻进技术对实际煤炭开采的影响,计算了运用超长定向钻进技术开采的井下瓦斯含量。生产实践表明:超长定向钻孔技术可以覆盖整个待采工作面,使得它比传统常规钻孔技术和扇形、半扇形钻孔技术治理煤矿井下大区域瓦斯效果更好。该技术对煤矿大区域瓦斯超前治理和矿井安全回采具有重要意义。

用于工程勘察的水平定向钻探技术探讨

在工程勘察中采用水平定向钻探技术,可以高效地解决一些垂直钻孔无法解决的问题。论文概述了水平定向钻探技术在非开挖铺设管线、油气钻井、地质勘探等领域的技术现状,认为在工程勘察领域的应用前景广阔。分析了应用水平定向钻探进行工程勘察在适用能力、勘察速度、勘察精度等方面具有的优势,提出水平定向钻探适用于深埋隧道等水平线状工程、既有建筑加固工程、考古发掘探测等领域的勘察。最后对应用于工程勘察的水平定向钻探技术需要研发的重点方向提出了建议,包括超长孔钻进技术、轨迹控制技术、连续取心技术、综合测试技术等。

工作面邻近层超大直径钻孔瓦斯治理技术研究

在煤矿开采中,瓦斯仍然是影响矿井安全生产的关键性因素。万峰矿所回采的1号煤层距离邻近层较近,工作面回采后上邻近层直接垮落于采空区当中,成为采空区瓦斯主要来源,回采期间容易造成瓦斯超限。为了最大程度解决瓦斯涌出问题,选用三轴联动式双向螺旋钻机,在回采工作面邻近层布置22个大直径螺旋钻孔,钻孔宽×高为2 080 mm×800mm,孔深60 m,钻孔施工结束后及时封闭及预埋抽采管,利用顶板裂隙带对开采煤层采空区瓦斯进行抽采。通过该项技术的应用,能有效地将回采工作面回风流及上隅角中瓦斯浓度控制在安全范围内。

巷道与超大孔径射流孔双重开挖下煤体扰动规律

为了揭示巷道与超大孔径射流孔双重开挖对煤体的扰动规律,提高现场作业效率,采用ABAQUS数值模拟软件进行了考虑巷道开挖及支护、钻孔开挖及地应力平衡、煤层倾角及地层属性的模拟。确定了双重开挖下的钻孔周围三维扰动区域分布图,揭示了钻孔周围煤体扰动区域分布特征,并发现竖直方向扰动范围较大、扰动程度较高,巷道两侧和顶板锚杆的支撑区域、巷道与锚杆之间的区域是主要双重开挖扰动叠加的区域。同时,采用现场监测数据佐证了模拟结果的正确性。最终,为制定高效的煤与瓦斯共采作业方案提供了理论支撑。

煤矿超长定向钻孔双侧瓦斯抽采效果研究

为了解决保德煤矿大区域瓦斯治理问题,在保德煤矿81210工作面完成了3353 m超长定向钻孔,应用COMSOL软件模拟了煤层超长定向钻孔单侧和双侧抽采方式的瓦斯抽采压力分布,观测了3353 m超长定向钻孔的纯瓦斯量和百米钻孔瓦斯流量等抽采数据,拟合了瓦斯抽采率曲线。结果表明:双侧抽采方式超长定向钻孔的抽采效果优于单侧抽采方式,其纯瓦斯量是单侧抽采方式的1.9~2.7倍,百米钻孔抽采量是单侧抽采方式的7倍,衰减速率是单侧抽采定向钻孔的1/3,是常规钻孔的1/20,可以实现高瓦斯矿井在低瓦斯状态下的安全回采。

全套管全回转钻机在断裂带软硬交互岩层大直径超深成桩中的应用

云南省昭通市镇雄县鱼洞乡特大桥5号主墩部分桩基位于断裂带软硬交互岩层,桩基直径达2.8 m,最大深度达94 m,冲击钻成孔和旋挖钻成孔技术难以满足成桩质量和工期要求,本文提出利用DTR3205H型全套管全回转钻机进行成桩施工,介绍了全套管全回转钻机施工工艺,分析了施工流程和关键技术。全套管全回转钻机依靠冲击锤和冲抓斗反复冲击和抓取破碎岩体,可避免出现塌孔、卡钻、埋钻现象,有效阻隔地下承压水的影响,可满足大直径超深桩基施工;双套管分级钻进部分套管取出钻进技术工法成熟,成桩质量高,成桩速度较快,同时节约了工程投入。相关工程经验可为类似桩基工程施工提供借鉴。

川西二叠系超深风险井永胜1井钻井关键技术

针对川西二叠系超深风险井永胜1井在钻探中存在地质条件异常复杂、上部陆相地层软硬交错、易发生井斜超标、可钻性差,海相地层高温高压、含硫化氢等难题,优化必封点位置,设计井身结构为四开备五开;配套采用复合钻井、垂直钻井等提速工艺;优选高效钻头,优化深部井段钻井液体系和性能。实钻结果表明,永胜1井钻井工程设计科学合理,全井钻井周期356.45 d,平均机械钻速2.39 m/h,创川西地区钻达6 000 m井深的最快纪录。该井顺利完钻也为川西地区7 000 m超深井钻井积累了宝贵经验。

川西地区深井非常规井身结构设计与实践--以九龙山构造龙004-X1井为例

位于四川盆地西北部的九龙山构造属于多产层超高压气藏,地质条件复杂,深井钻进过程中,三叠系雷口坡组—嘉陵江组地层缩径卡钻、嘉二段盐水侵、飞仙关组—吴家坪组漏喷同存等故障频发,严重影响了深部井段的钻井安全、加长了钻井周期。为此,通过总结九龙山构造深井钻井施工的特点与难点,以及已钻井常规井身结构不足的原因,结合建立的地层三压力剖面上存在的必封点位置,进而提出了一套深井非常规井身结构优化设计方案,即在深部井段提供3层套管层次,以满足分隔深部窄密度窗口井段地层的要求且可灵活调整,同时下部井段的固井环空间隙能够保证注水泥的基本要求。该设计方案在龙004-X1井实践获得成功,平均机械钻速达到了1.89 m/h,钻井周期缩短至418 d,同比邻井事故复杂损失时间降低了2 589 h,满足了该区深井安全快速钻井的需要,为该区开发二叠系超高压气藏积累了宝贵的经验。

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。