Φ89涡轮钻具叶栅设计及性能预测

国内尚未有成熟可用外径89mm的涡轮钻具,因此急需研制该口径的涡轮钻具。涡轮钻具设计最关键的一环是叶栅设计,为此介绍了Φ89涡轮钻具叶栅的高度、叶片数、安装角以及进出口结构角等设计参数,并采用计算流体力学软件对不同转速下单级涡轮的性能进行了数值模拟,对定、转子流道内流场压力和流速分布进行了分析,并根据模拟结果预测了具有该种叶栅的涡轮节的输出性能。预测结果表明,以清水为流体介质,流量为6 L/s时,该规格的涡轮节最优转速为1750r/min,涡轮节制动扭矩约267Nm,最大功率可达32kW,满足要求,设计合理。     

基于钻井液流变性的涡轮钻具性能预测研究

为探究钻井液流变性变化对涡轮钻具性能的影响,针对Ф89 mm取心涡轮钻具涡轮级进行叶片建模,采用CFX进行不同钻井液性质下的多级涡轮仿真。流场及数值模拟结果表明：随着钻井液粘度增加,涡轮级的转矩呈对数增长、压降增大,效率降低,钻井液在涡轮级的出口速度减小;而钻井液密度的增加增大了其在涡轮定转子中的流速及压降,同时涡轮效率有所提高。结果为优化涡轮叶片的设计提供依据;现场使用涡轮钻具,也应考虑其对钻井液流变性变化的适应能力,及时调整泵压、钻压保证最佳工况。     

涡轮钻具叶片型线设计及流场模拟分析研究

涡轮叶片的型线设计对涡轮钻具的性能影响很大。以外径为127mm地质钻探用涡轮钻具为例,采用五次多项式来设计涡轮叶片的型线,使用SOLIDWORKS三维造型软件绘制了涡轮叶片的三维模型,并导入ANSYSFLOTRANCFD模块,对不同粘度下的涡轮叶片的水力性能进行了分析,获得了较为直观的速度场和压力场分布状况。结果证明,通过CFD分析,可以很好地将叶片型线的缺陷和不同状态下的涡轮钻具水力性能展现出来,对涡轮叶片的水力性能预测具有指导作用。     

φ127 mm涡轮钻具在干热岩钻井取心钻进中的试验研究

干热岩地层以火成岩为主,地层温度高,可钻性差。为解决干热岩钻探机械钻速低、钻具磨损严重等问题,针对干热岩特点研制了一套耐高温φ127 mm涡轮钻具,并在福建省漳州市干热I井进行了试验,试验井段平均机械钻速与φ165 mm螺杆配合金刚石钻头相比提高了30.3%,与转盘配合牙轮钻头相比提高98.5%。试验结果表明,该φ127 mm涡轮钻具结构设计合理,能够满足干热岩高温钻探的需要。     

超短高能涡轮钻具研制及应用

针对超深层强研磨、高硬度地层机械钻速慢的问题,研制了一种超短高能涡轮钻具,并对其进行了参数校核和现场应用。该涡轮钻具创新设计了多曲面3D转子叶片,基于流体力学CFX软件,优化了转子叶片空间形态布局,使叶片的水力能量转化效率提高45%,扭矩增加了43.55%;通过将装有叶片的动力端和装有止推轴承的轴承端合二为一,使分体式的涡轮芯轴改进为一体式结构,长度由进口涡轮钻具的15 m缩短至8.3 m,大幅提高了涡轮钻具的可下入性和安全性,缩短了划眼和通井作业时间;最后采用有限元仿真对涡轮钻具产生的扭矩和丝扣连接强度进行了校核测试。该涡轮钻具先后在博孜、元坝等区块石英砂岩、火成岩、砾石层地层的48口井中成功应用,应用混合钻头后机械钻速平均提高100%,为我国深层超深层钻井提供了有力保障。     

涡轮钻具的研究进展

涡轮钻具由于其耐高温、高转速的特点,使其在高温和硬岩地层的钻进过程中发挥着重要的作用,并成为干热岩钻井和高温油气井钻井等领域的研究热点之一。本文从涡轮钻具的发展历程出发,对涡轮钻具的特点进行了系统地总结,从涡轮钻具的结构优化、涡轮叶片的设计与加工、轴承节的性能提升、减速涡轮钻具的研发、钻进新工艺的探索等5个方面对国内外涡轮钻具的研究进展进行了综述,发现总结了涡轮钻具研究过程中存在的一些问题,并结合我国在相关领域的实际需求,对未来我国涡轮钻具的重点研究方向提出了建议。     

小口径涡轮钻具减速器非对称齿轮弯曲强度分析

小口径涡轮钻具减速器是小井眼深井钻探钻具的重要部件,具有体积小、承载大的特点。采用非对称齿轮代替传统齿轮是提高减速器承载能力的有效手段。非对称齿轮两侧的齿根圆角半径和压力角是区别于对称齿轮的关键参数,通过改变齿轮的齿形结构进而影响了齿轮的齿根弯曲强度。为了进一步研究齿根圆角半径和工作侧压力角对齿根弯曲应力的影响规律,以φ127 mm涡轮钻具减速器中太阳轮为研究对象,建立非对称齿轮的受力模型,基于平截面法得到非对称齿轮齿根弯曲应力的理论计算公式,并通过有限元法对对称齿轮和非对称齿轮进行对比分析,仿真结果表明：增大齿根圆角半径能增大齿轮齿根过渡曲线的曲率半径,从而改善齿根处的应力集中;工作侧压力角的增大能有效降低齿根弯曲应力,但压力角超过一定值时,齿根弯曲应力逐渐趋于稳定。理论分析和仿真结果基本吻合,研究结果可以为优化减速器非对称齿轮的主要参数提供依据和参考。     

煤矿井下硬岩定向钻进孔底水力加压技术

为解决煤矿井下硬岩深孔滑动定向钻进过程中因钻柱托压效应引起的给进压力大、钻进效率低、钻孔深度受限等问题,提出了采用孔底水力加压方式提高钻头钻压的技术思路。通过借鉴石油钻井领域水力加压器结构并结合煤矿井下近水平孔钻进工况进行了孔底水力加压器结构设计,运用理论计算和数值模拟方法进行了水力参数设计。对样机进行了室内测试,测试结果表明,采用φ12 mm、φ13 mm、φ14 mm活塞水眼在流量200~450 L/min范围内输出轴向压力2~10 kN。在淮南张集矿进行了现场试验,并总结出了一套孔底水力加压和水力辅助加压工艺,试验结果表明,滑动定向钻进方式下钻孔深度由464 m顺利延伸至578 m,深孔钻进时最大钻效由之前托压孔段的1 m/h以下提高至3 m/h以上,试验进尺内平均给进表压较托压孔段降低了23.8%、平均钻效提高了137%。      

钙质石灰岩中桩基轴向承载特性的有限元分析

为了研究钙质石灰岩中桩基的合理设计理论及开发相关的变形破坏数值分析方法,利用弹塑性有限元方法对以硫球石灰岩作为持力层的桩基现场轴向载荷试验进行了数值分析。有限元分析中钙质石灰岩被假定为理想弹塑性材料。结果表明,如果能在有限元解析中合理地考虑桩侧摩阻力的低减效果,弹塑性有限元计算可以较好地模拟与分析钙质砂土中桩基的轴向承载力特性。最后还对开口钢管桩基的土塞效应的发生机制进行了分析。     

φ89 mm等壁厚螺杆钻具实验分析

等壁厚螺杆钻具与现有常规螺杆钻具相比具有长寿命、大扭矩、适用范围更广的特点。目前等壁厚螺杆钻具相关的研究工作都还停留在理论分析的阶段。本文系统地介绍了螺杆钻具的理论特性和实际工作特性,并结合室内实验及现场应用分析了等壁厚螺杆钻具的性能特点,验证了φ89 mm等壁厚螺杆钻具的理论性能,建立了等壁厚螺杆钻具容积效率、转速、扭矩、功率的计算模型。可以为等壁厚螺杆钻具设计及现场钻进参数优化、钻具选型提供指导和参考。     

岩溶区地基极限承载力上限有限元数值模拟分析

岩溶区基础下伏空洞时,其地基承载力计算变得十分复杂。为考虑多种因素对地基承载力的影响,基于上限分析有限元法对岩溶区地基极限承载力进行数值模拟分析。首先,提出合理的计算假定简化,建立可考虑多因素影响的地基计算模型;其次,利用Matlab平台编制上限分析有限元程序,对地基承载力作数值计算,得到各种工况的地基极限承载力上限解,并绘制相应的分析图表;再次,分析地下空洞埋置深度、洞径和岩土体内摩擦角对地基极限承载力的影响规律;最后,通过算例分析验证本文方法的合理性。研究结果表明:地基极限承载力随D/B(径宽比)增大而减小,随H/B(深宽比)和φ增大而增大,且φ值越大H/B和D/B对地基极限承载力影响越显著;岩溶区地层中空洞存在一个影响地基极限承载力的临界埋置深度,该临界埋置深度受D/B和φ影响。     

18公斤小管床试用情况

在钻探施工中,机台每年要加工大量的岩心管用及取粉管.因此,管子车床是地质勘探队必不可少的设备.为了适应地质勘探队流动性大、施工点分散的特点,我队采用了解放军沈阳某部研制成的18公斤轻便小型管床.现将试用情况作一介绍:一、管床性能与结构1.能车制φ89～φ146范围内各种规格的岩心管和取粉管的方扣.2.能切断φ89～φ146范围内备种规格的岩心管和取粉管.     

粗糙条形基础极限承载力系数N_γ的计算

假定土体为服从Mohr-Coulomb屈服准则的理想刚塑性体,利用滑移线理论求解粗糙条形基础极限承载力。采用有限差分方法并结合边界条件对承载力进行数值计算,进而得到非叠加假定下地基承载力系数N_γ。计算公式表明,N_γ不仅与土的内摩擦角φ有关,还与无量纲系数F有关,当φ和F为定值时,N_γ即为定值。将N_γ的数值与现有学者的解答进行了对比发现,学者采用的不同假定是导致结果与精确解产生误差的主要原因;计算了不同φ和F取值对应的N_γ,并与朱大勇等的计算结果进行了对比分析。最后,根据数值计算结果提出了N_γ的两个拟合公式,分析了拟合公式与数值解之间的误差。计算结果表明,采用拟合公式的计算结果与精确解接近,具有较好的应用价值。     

涡轮取芯钻进工艺在干热岩钻井中的应用

我国干热岩勘探刚刚起步。为准确评价干热岩型地热资源的资源量,需要钻获高质量的干热岩岩心,但目前针对高温、高硬度、高研磨工况下的干热岩取芯钻进工艺研究较少,严重制约了干热岩型地热资源的准确评价。为此,自主研发了Φ127 mm涡轮钻具,在福建漳州HDR-1井和青海共和GR1井进行了干热岩钻井取芯应用研究,研究验证了研发的涡轮钻具与KT-140取芯钻具的适配性、涡轮钻具与金刚石取芯钻头的匹配性,揭示了高温和硬岩井况下涡轮钻具工作特性,经受住了孔底236 ℃高温考验,钻获了高质量岩心,取得了涡轮钻具现场测试应用的各项参数;涡轮取芯钻进工艺与常规取芯钻进工艺相比,既充分发挥了涡轮钻具高转速的性能,也发挥了其耐高温、耐研磨、耐高地应力、使用寿命长和现场劳动强度低的特性,干热岩取芯钻速和质量大大提高。该工艺是高温深孔干热岩井下动力回转钻具驱动取芯钻头进行取芯钻进的首次成功尝试,为干热岩涡轮钻具复合取芯钻井技术的进一步科研攻关、现场试验与推广应用提供了宝贵的施工应用经验和借鉴,也将为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供新的技术支撑。     

岩土工程分析中的非协调模型及其应用

针对岩土及地下工程结构的特点,基于修整后的位移型Reissner泛函中引入独立转动场的变分原理,转动场采用结点真实转角来插值。结合平面四结点单元讨论了有效附加非协调位移的合理形式,引入适用于任何四边形单元的非协调位移函数,建立了一种带转动自由度的平面四结点内参型非协调元模型,给出了相关数值计算列式。四结点单元能通过分片检验,并易于与带转动自由度的梁单元相容,对若干算例及地下隧洞工程实例计算的数值结果表明,采用所建的计算模型,具有较高的计算精度,为岩土及地下工程结构计算提供了一种理想的数值分析方法。     

用于颗粒土微观力学行为试验的微型三轴试验仪

颗粒土的微观力学行为（如土颗粒的运动与破碎等）决定着其宏观应力-应变行为,如应变局部化、应力硬化等。为研究颗粒土的微观力学行为,开发了一台微型三轴试验装置。它的轴向加载系统由伺服控制的步进转动马达与涡轮传动的减速器组成,围压由GDS压力控制器提供,压力室采用高透光率,高强度的轻质材料制成。借助于X射线显微CT及图像处理分析技术,该装置能实现对干砂土微尺寸试样（直径为8 mm,高度为16 mm）在三轴剪切条件下微观特性的无损检测。采用该三轴试验装置对粒径为0.60～1.18 mm 的LBS（Leighton Buzzard sand）试样在1.5 MPa的围压下进行了试验。结果显示,试验装置测得应力-应变曲线合理,显微CT 图像特征清晰,能够用于颗粒土体微观土力学行为的试验研究。     

强度参数对初始随机缺陷岩样全部变形的影响

在单轴平面应变压缩条件下, 采用FLAC模拟了初始内聚力及内摩擦角对具有随机材料缺陷岩样轴向、侧向、体积变形及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比的演变的影响。采用编写的FISH函数于试样内部规定随机缺陷并计算其全部变形特征。密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则, 破坏之后呈现应变软化—理想塑性行为。随着强度参数(初始内聚力及内摩擦角)的增加, 应力峰值及对应的侧向应变的值提高, 体积应变的峰值增加, 应力峰值所对应的计算得到的泊松比稍有增加。由于被剪切带所分割的毗邻块体之间的相对滑动, 纵然扩容角为零, 试样在峰后的变形阶段, 仍然可以观察到体积膨胀现象, 这与作者的理论分析结果一致。当强度参数降低时, 侧向应变—轴向应变曲线、体积应变—轴向应变曲线及计算得到的泊松比—轴向应变曲线的峰前非线性部分变得短暂。剪切带倾角的数值解的上限低于Coulomb理论, 下限在Roscoe理论附近波动, Arthur理论的预测结果与本文剪切带倾角的数值解更接近.      

路堤下复合地基“三等沉区模型”

路堤下复合地基桩顶沉降小于桩间土沉降,桩体上部为负摩擦力,因此不能采用常规复合地基理论分析受力和变形。试验和数值分析表明,路堤下复合地基的路堤、桩身、下卧层范围内均存在一个等沉区,等沉区内同一水平面上不同点的沉降相同的区域。据此提出了“三等沉区模型”,该模型不但地基与桩体参数对复合地基的影响,而且可以考虑路堤高度、下卧层厚度、强度等参数对复合地基的影响。实测和数值模拟表明该模型是合理可行的。     

围堰工程对污水管线影响的数值模拟与评估

城市内新建工程周边环境复杂,地下管线种类繁多,在设计之初就需要考虑施工以及工程营运对其安全的影响,但目前缺乏统一的影响评价标准,须按照管线功能以及所属部门的相关规程作为其评价依据。该项目的管线为下穿围堰的2条直径为1.2 m、壁厚为12 mm的排污管,采用FLAC3D建立了围堰工程对大直径有压焊接薄壁排污管道的三维数值计算模型,分4种不同施工工况进行了管道变形和应力计算。依据相关规范的要求,从管道本身的安全性和正常使用要求出发,并采用第4强度理论计算了相当应力,最大值为136.61 MPa,出现在最后抽水工况下管1的外侧。最大沉降量39.3 mm对应的管体倾斜量为0.275%。将其结果与理论值进行对比,理论计算得到的相当应力最大值为188.18 MPa,高于数值计算结果,其原因为理论方法将各影响效应分别计算并进行简单相加。结果表明,拟建围堰工程对该管线的影响可控,数值方法较规范方法计算结果更为合理,为类似工程对管线影响评价提供了参考。     

裘布依R解析法探讨

在计算含水层涌水量和渗透系数时,R值是一个重要的原始数据,人们都要采用R的经验数值或经验公式给予的数值后,应用裘布衣公式计算涌水量和渗透系数。如以R的经验数值来确定,由于数值范围较大(如φ3—5mm的砾石,R=500—1500m),其取值就任人而选定,就其R的经验公式来确定时,由于经验公式繁多,其所得数值相差也大,因此也难选取,它们的共同之处:一、选取不便,精度不高;二,各种经验公式的建立均与裘布衣稳流理论无关,因此它们与裘布衣公式不是匹配的,这就产生能否冲破R的经验公式办法,代之以应用裘布衣稳流理论直接推导出