潜孔锤反循环钻进中心通道内岩屑运移数学模型

针对潜孔锤反循环钻进中上返岩屑回落堵塞中心通道问题,将气力输送理论应用于反循环携屑。采用气力输送理论对潜孔锤反循环钻进中心通道内岩屑颗粒进行受力分析;从动力学角度建立潜孔锤反循环钻井中心通道内岩屑运移数学模型;通过编程计算求解岩屑在不同初始条件下速度随时间、空间变化特性。结果表明:初速度大于沉降末速度的岩屑颗粒作减速运动,初速度小于沉降末速度的岩屑颗粒作加速运动,最终岩屑颗粒沉降末速度趋于同一个值,与初速度无关;气固速度比与岩屑尺寸有关,随着岩屑颗粒直径增大,气固比降低。该数学模型为改善反循环钻进携屑能力提供了理论依据。     

泥浆对水平孔岩屑运移影响分析

泥浆的主要功用之一是通过自身的循环,有效地清除钻孔内破碎下来的岩屑,特别是对于水平孔,可以避免砂床的形成,减少钻孔内的事故。结合室内实验及相关工程应用,采用水力学的方法,对泥浆中影响水平孔岩屑运移的各种参数进行了分析,提出了建立室内实验评价系统的总体构架。     

岩屑对泡沫剂性能影响的试验研究

针对岩屑类型、粒径、浓度对泡沫剂的发泡性和半衰期影响进行试验研究,从而为泡沫剂的实际应用提出指导,使泡沫钻进工艺更好地发挥其优势,解决钻探施工中遇到的许多难题。经过多年的性能改进,ADF-3泡沫剂的发泡性能和半衰期不断提高,广泛应用于水井、瓦斯排放井等施工中,尤其是在气动潜孔锤钻进中发挥了其独特的作用。     

引射孔倾角与孔径对钻头体反循环形成影响的仿真分析与实验研究

介绍了引射装置的工作原理及其在反循环取心钻头体上的应用，运用FLUENT流体工程仿真软件分别对不同倾角与不同直径引射孔内部形成的负压进行模拟，得到对应压力分布云图与数值，并根据所得结论制造出带有不同角度和不同孔径的引射装置，在实验室进行试验研究，所得数据与仿真结果比较，二者基本吻合，说明运用仿真技术对引射结构进行优化设计是可靠的，并且过程简单，与过去常用的经验法与试验法相比，成本低，周期短，结论更准确。     

CO2流体对岩屑长石砂岩改造作用的实验

通过密闭容器中CO2-H2O-砂岩体系相互作用实验,研究了不同温度和压力下CO2流体对岩屑长石砂岩成分的改造。反应后溶液中总矿化度的变化、样品质量的损失及扫描电镜(SEM)的观察结果表明:长石、方解石和石英的溶蚀强度随温度的升高而增大,CO2流体对岩屑长石砂岩的溶蚀作用与温度正相关;同时通过扫描电镜观察发现,200℃和300℃时样品表面均有一种未知的铝硅酸盐矿物生成,并通过反应液的pH值及各种离子浓度的变化解释了CO2流体-砂岩相互作用过程中矿物溶解、沉淀的机制。     

回填压注对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究

受隧道建设过程中施工条件等因素的影响,衬砌背后与围岩之间常有空洞存在,而使衬砌受到不均匀的荷载作用,同时因空洞部位不能产生被动抗力约束衬砌的变形,结构极易产生病害而使隧道尽早的进入到维修管理阶段。文章以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,全面研究结构在同级围岩中相同缺陷形式下,采用相同加载方式至结构产生病害后进行不同补强方式的破坏性试验。通过对回填压注的效果进行对比性分析得出:对于存在空洞的病害隧道,回填压注应作为首选补强形式。     

排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究

在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P₃₂作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:（1）在块体单元边长较小（即预制裂缝密度较大）的试样中,体积压裂的效果更加显著;（2）小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;（3）随着排量的增加,试样压裂后的P₃₂值会升高;但排量增加到一定程度后,P₃₂值不再增长,甚至略微下降。     

注水井泄压对井壁围岩应力场的影响

注水井泄压过程中的套管损坏现象在中国许多油田十分普遍,根据油藏流体渗流与地应力场耦合作用理论,建立了套管承载计算的力学模型,利用有限元方法,通过数值模拟的手段研究了泄压过程中井壁围岩应力场的变化规律以及油层孔隙压力的变化规律。根据计算结果提出,控制注水井泄压流量是有效防治泄压过程中套损的一种有效手段,并给出了具体的计算方法,从而,为油田现场预防和减少套管损坏提供了理论依据。     

颗粒粒径对格栅-土界面静、动力直剪特性的影响

为研究颗粒粒径对格栅-粗粒土界面单调直剪和循环剪切特性的影响,利用大型直剪仪进行了一系列室内大型单调直剪试验、循环直剪试验和循环后单调直剪试验,并将单调直剪试验与循环后单调直剪试验的结果进行了对比分析,研究了循环剪切应力历史对界面直剪强度特性的影响。结果表明:单调直剪试验中,随着粗粒土粒径的增加,界面似黏聚力和内摩擦角增加;循环剪切中界面抗剪强度发生硬化,同一循环位移幅值下颗粒粒径越小,界面在循环剪切过程中的硬化速度越快;遭受循环剪切后界面残余应力比降低,峰值似黏聚力显著增长。     

流速及介质粒径对As(Ⅲ)迁移影响的实验研究

为了解潜流带中地下水流速和介质颗粒对As（Ⅲ）迁移的影响,选用天然河砂为介质,配制地下水含As（Ⅲ）模拟液,开展室内批实验和动态柱实验并进行表征分析,探讨流速和介质粒径对As（Ⅲ）迁移的影响及机制.结果发现：（1）粒径越小的河砂与As（Ⅲ）相互作用平衡时间越长,As（Ⅲ）的单位吸附量（Qe）随着河砂粒径的增大而减小（0.15～0.18 mm的粒径河砂除外）,单层最大吸附量（Qm）随着粒径的增大呈减小趋势;（2）As（Ⅲ）在河砂上的迁移行为表现出明显的粒径和流速效应;一方面,河砂粒径越小,比表面积越大,增加了水-砂相互作用时间和限制了地下水冲洗速度,不利于As（Ⅲ）在河砂中的迁移;另一方面,流速越大导致空隙通道内的水力剪切力增强,紊流强度的提高减小了滞留边界层厚度,利于As（Ⅲ）在河砂中的迁移.     

冰层空气反循环快速钻进方法及冰屑运移研究

空气反循环钻进技术具有钻速快、能耗低、可不提钻连续取心取样、能有效避免积雪层漏失等优点,在冰层钻探中极具应用潜力。本文针对冰层钻探技术特点,提出了双壁钻杆式、双通道高压胶管式和寄生高压胶管式等三种空气反循环冰层钻探技术,分别介绍了其工作原理及特点。基于气力输送和气体钻井基本理论,对冰屑颗粒气体介质中的悬浮速度进行了分析,建立了单颗粒冰屑悬浮、运移方程和冰屑颗粒群悬浮方程,并设计了冰屑悬浮实验台,对冰屑悬浮所需的风速进行了实验测试。理论计算值与实验实测值吻合较好,最大误差约10.91%,可用本文建立的冰屑运动方程来计算实际钻进时携带冰屑所需的风量,为后续在极地实施冰层空气反循环钻进技术提供了依据。     

空气潜孔锤孔底局部反循环封堵工具研究与应用

空气潜孔锤钻进工艺钻进效率是常规钻井工艺的10~20倍,对提高矿产资源勘探开发效率,促进贵州省经济发展具有重大意义。西南（贵州）喀斯特地区是全球最大的喀斯特连片分布区,碳酸盐岩地层分布广泛,溶洞及溶隙、裂隙发育,在使用空气潜孔锤钻进工艺钻进时,容易发生漏风现象,导致返渣困难,甚至发生卡钻、埋钻事故。双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺可以有效解决喀斯特地区空气潜孔锤钻进工艺使用困难的问题,但该工艺使用的封堵工具极易磨损,限制了该工艺在深井钻探中的使用。本项目主要以双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环封堵工具为对象,通过调整封堵工具结构,增加封堵环旋转性能等手段,对封堵环进行改良和优化设计,增加封堵工具的使用寿命,实现双壁钻杆空气潜孔锤局部反循环钻进工艺在深井钻探中的应用。     

气举反循环钻进中空压机的启动风压初探

随着气举反循环钻进技术及配套设备的不断发展和完善,其应用日益广泛,用于煤矿勘探开发领域时,确定合理的工艺参数十分关键。基于气举反循环钻进双壁钻具系统结构特点,依据牛顿第二定律求解出气举反循环钻进中岩屑被举升排出的临界速度模型,然后根据能量守恒定律,考虑压缩气体的沿程损失和局部阻力损失,建立了气举反循环钻进的启动风压模型。用Matlab对模型进行计算,分析发现井深、气液混合器的下入深度、沉没比和钻井液密度都对启动风压有影响。计算结果为确定合理的启动风压奠定了基础,为空压机的合理选配提供了依据,对保证良好的钻进效果具有重要意义。     

气举反循环钻进井壁稳定及适用性探讨

气举反循环工艺具有钻进效率高、携带岩屑能力强、防漏效果好以及钻头寿命长等优点,同时还可以提高流体矿产的产能。但是一般认为气举反循环钻进抽吸作用会产生负压,不利于井壁稳定,不宜在松散地层应用。本文通过计算气举反循环钻进环空水力参数,并从环空压力以及冲洗液流态、流速等方面探讨研究气举反循环钻进中井壁稳定及其适用性,指出通过选取合适的钻具组合以及调节冲洗液性能,可使气举反循环工艺对不同地层的适应性更广。     

特深孔地质岩心钻探钻孔口径及管柱规格研究

针对5000 m地质岩心钻探基础准则与依据缺失,油气钻井与岩心钻探工艺及装备差异大等问题,本文梳理分析了国内外深部地质岩心钻探口径系列及管柱规格,厘定了基本外界条件及相互关联要求,开展了特深孔岩心钻探环空水力学计算与绳索取心钻杆的等强度设计,初步构建了以绳索取心钻进工艺为主体的5000 m特深孔钻探口径系列与钻（套）管柱规格。     

空气反循环取样钻探技术应用于金矿勘查的地质效果对比研究

长期以来,由于地质方面对岩样认知的限制,空气反循环取样钻探技术（RC工艺）在我国矿产勘查中的应用并不广泛。本文根据RC工艺在云南鹤庆北衙金矿等矿区的试验情况,从找矿地质效果对比分析角度提出了一些认识。首先明确了此次RC工艺与常规岩心钻进工艺对比示范性应用试验的目的及试验内容;介绍了试验孔选取依据;从岩样收集与采样方法、岩样采取率、地层与矿层丢失情况、岩样获取地层的岩性及原生结构、推算岩层产状方面的准确性、岩心污染程度、计算矿品位的准确性等7个方面对比分析了RC工艺与常规岩心钻进工艺应用于金矿勘查的地质找矿效果;认为RC工艺具高效、低成本等施工优势,且在岩样代表性、岩心污染、矿品位等找矿效果方面优于常规岩心钻进。最后进一步指出了RC工艺目前应用于矿产勘查仍存在的一些问题,并提出相关建议。     

考虑卸荷效应钻孔灌注桩孔径时空变化规律研究

对上海地区某实际工程的钻孔灌注桩试成孔进行成孔测试,首先,统计分析测试所得孔径数据,得出了钻孔灌注桩考虑成孔卸荷效应的孔径随时间及空间的变化规律,孔径缩小量与时间呈正相关,且缩小幅度逐渐减小,最后趋于稳定;不同土层的孔径变化量不同,黏聚力c越小,内摩擦角φ越大,孔壁稳定性就越差,表现为该土层的孔径变化量越大。其次,采用科学合理的拟合公式对不同土层孔径变化进行拟合,拟合度较高,能够真实反映出孔径变化的特点和规律。最后,基于Kelvin模型,运用弹性理论,结合拟合公式,推导出更符合实际的孔径变化公式和反映孔壁稳定性的公式,并合理地解释了不同土层稳定性存在差异的原因。得出的结论对上海地区的成孔施工质量控制具有重要的价值。     

东胜气田刘家沟组易漏地层随钻防漏技术研究

东胜气田刘家沟组钻井井漏频发,钻井液漏失量大,井漏治理效率低,导致钻井周期长。借助地质和测井资料、电镜扫描等方法,分析刘家沟组裂缝宽度,明确裂缝型井漏机理。统计刘家沟组漏失数据,基于漏失速率与压差关联性,经数据拟合建立漏失压力预测模型,绘制东胜气田漏失压力横向分布剖面,为钻井防漏技术优化提供定量依据。基于循环压耗、激动压力计算模型,形成井筒压力预测方法,分析循环排量、机械钻速、下钻速度和钻井液性能对井筒压力影响规律,进而优化钻井参数。优选刚性颗粒、纤维材料和片状变形材料,优化粒径级配和组分配比,开发随钻预承压堵漏体系,砂床承压能力可以达到7 MPa以上。经现场应用,东胜气田水平井漏失率由57%降至25.7%,平均单井钻井液漏失量减少80.6%,平均单井漏失次数减少88.1%,助力钻井周期缩短。     

岩溶漏失层气助正循环水井钻探新技术的研究

气助正循环水井钻探新技术主要适用于以岩溶地层为特征的严重漏失地层。该技术通过在双壁钻具的内外管之间泵入压缩空气,举升在钻具与孔壁之间的“环空”形成的空气泥浆。“环空”的气举加速作用阻碍了钻井循环液在地层方向的漏失,并且加速了钻屑的上返速度。该技术的优点在北京房山区岩溶漏失地层的600m水井钻探生产试验中得到了证实。试验结果表明,利用该技术可使泥浆正循环中因严重漏失造成的循环液中断得以恢复,“环空气举作用”大幅度提高了上返的泥浆流量。经对比试验证明,气助正循环工艺在岩溶漏失层的钻进速度高于气举反循环和泥浆正循环,是解决岩溶漏失层钻井液循环中断、钻头烧钻、埋钻等钻探事故的有效方法。