复合动力钻进工艺在干热岩钻井中的应用研究

2011年山东省地矿局在山东省利津县实施了国内第一个干热岩调查评价项目,采用转盘回转钻进,但钻效低、能耗高。为提高在高温硬岩条件下的钻进效率、缩短钻井周期、降低生产成本,2015年在福建省漳州市实施的中国地质调查局东南沿海深部地热HDR-1干热岩科学钻探工程井（井深4000.86 m,孔底温度109 ℃）和2017年在青海省共和县完成的GR1干热岩科学勘探井（井深3705 m,孔底温度236 ℃）,在施工中均探索使用了“转盘+螺杆钻具”复合钻进工艺,并在高温取心段首次测试应用了“转盘+涡轮钻具”复合取心钻进工艺,取得了良好的效果并就下一步研究方向提出了意见和建议,为螺杆钻具和涡轮钻具的深入研究提供了宝贵的高温施工经验,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。     

涡轮钻井技术在梨树断陷区块的应用

梨树断陷区块登娄库组、营城组、沙河子组、火石岭组地层可钻性差、岩性较致密、局部含砾严重,并且沙河子组局部层位岩石硬度达到7级,采用常规钻井技术,存在牙轮钻头效率低、寿命短等问题;各种型号PDC钻头试用后效果不理想。通过采用涡轮钻井技术,平均机械钻速提高了4倍,钻井周期缩短,钻井综合成本大大降低。实践证明,高速涡轮钻具＋孕镶金刚石钻井技术是高研磨性、高抗挤强度、高温地层深井钻进提速的有效技术。     

大庆深层涡轮钻井匹配钻头相关技术研究与应用

为提高大庆深层致密砂砾岩气藏勘探效益,缩短钻井周期,降低钻井投资,开展了深层涡轮钻井提速技术研究。首先,依据涡轮钻井技术的工作原理,进行优选匹配钻头等相关技术的研究,通过先导性试验,确定了匹配钻头;其次,综合考虑现场施工条件,开展钻具组合等配套技术的研究。最终形成了大庆深层涡轮钻井的提速技术,并在达深15井成功实施,创造了庆深气田提速新纪录,为深层天然气藏的勘探开发提供了新的技术手段。     

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。     

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。     

博孜区块新型表孕镶金刚石全面钻头的研究与应用

针对塔里木油田博孜区块巨厚砾石层的岩性差异大、可钻性差、钻头机械效率低和使用寿命短的问题,本文从刀翼式结构、中心强化、表孕镶多级人造金刚石配方、分体烧结工艺等方面对配套高速涡轮钻具钻进的新型表孕镶金刚石全面钻头进行了设计与研究。研制的?333 mm表孕镶金刚石全面钻头在博孜区块进行现场应用,钻头的平均机械钻速2.01 m/h,寿命300 m,与进口孕镶金刚石全面钻头相当,但成本远低于进口钻头,大幅度提高了该地层勘探开发的施工效率,降低了勘探成本。     

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。     

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。     

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。     

轴向间隙对φ89 mm涡轮钻具性能的影响分析

涡轮钻具中涡轮定子、转子设置合理的轴向间隙,可以保证转动系自由转动,避免定转子相互碰撞而损坏。轴向间隙对钻具寿命非常重要,但是受零件加工误差和受压变形等因素干扰,定转子轴向间隙难以确定一个最优定值,只能处于一个范围内。为了分析验证轴向间隙对φ89 mm涡轮钻具的性能影响,采用理论分析和数值模拟计算相结合的论证方法,对效率和性能参数计算进行了理论分析,并采用计算流体力学软件对不同轴向间隙的单级φ89 mm涡轮性能进行数值模拟。分析结果表明,在合理范围内,轴向间隙变化对φ89 mm涡轮钻具性能影响细微,可以忽略。