大直径反循环钻头底面形状设计

针对大直径反循环钻头底面形状对反循环形成效果的影响,分析了反循环钻头孔底循环介质流动的特点;基于反循环钻头孔底流动模拟实验器对凸面型、凹面型和凸凹组合型3种典型的钻头底面形状进行了对比测试;运用CFD技术对不同底面形状反循环钻头孔底局部流场进行了数值模拟,揭示了其各自的流动特征及影响反循环形成效果的机理。实验结果表明,凹面型钻头底面形状更有利于反循环的形成。反循环钻头底面形状设计研究对改善和提高大直径反循环钻头的性能具有重要的意义。      

基于Fluent的空气射流切削式反循环钻头参数优化

针对黄土地层,提出利用空气代替钻井液的反循环气体喷射技术。但现有技术对反循环气体喷射钻头切削土体的能力没有具体优化讨论。利用fluent软件,优化反循环喷射钻头结构参数,对不同底喷孔直径、底喷孔数量、底喷孔扩大段直径、底喷孔扩大段数量、喷射孔数量5个结构参数进行模拟分析。分析结果表明,在进风流量一定的情况下,增加底喷孔的数量或增大底喷孔的直径会削弱钻头的空气射流切削能力和反循环能力。底喷孔直径为3 mm,底喷孔个数为2个,底喷孔扩大段直径为8 mm,底喷孔扩大段长度为5 mm,内喷孔数量为5个时,反循环喷射钻头喷射能力和反循环能力最优。     

内喷孔式反循环钻头结构优化设计及CFD模拟分析

为解决贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）技术在钻进“硬、脆、碎”等复杂地层时反循环排不出渣或者排渣不彻底的现象,在现有贯通式潜孔锤反循环连续取心钻头结构的基础上,优化设计一种新型内喷孔式反循环钻头,能在孔底形成强有力的多股引射抽吸流场,并模拟分析了内喷孔轴线水平偏角和内喷孔轴线与钻头中心的偏距2个结构参数对新型反循环钻头结构抽吸能力的影响。通过模拟分析的验证,此种反循环钻头的结构更加简单,反循环效果比较优良。     

空气反循环钻井井底流场模拟实验器的研制

井底流场是空气反循环钻井能否高效携岩和有效形成反循环的核心流场,而井底流场模拟实验器是开展相应研究的关键设施和必要手段。基于反循环井底流场形成特点,设计了空气反循环钻井井底流场模拟实验器装置,并对主要零部件的设计过程进行了详细分析。井底流场模拟实验器可模拟不同切削具底出刃对应的中心孔压力变化;内喷孔与底喷孔不同组合情况下孔底流量分配;及不同类型内管倾角变化对中心孔压力影响的实验研究。进而也可考察不同结构参数变化对井底流场的影响,为空气反循环钻井井底工具的结构优化设计提供重要的理论和试验依据。      

空气反循环钻头井底流场分析及结构优化

为改善空气潜孔锤反循环钻进技术在大口径嵌岩桩施工中的应用效果,运用Fluent软件对嵌岩桩施工用反循环钻头底喷孔水平倾角θ_d和扩压槽水平倾角θ_k做了进一步的分析和研究,得到θ_d和θ_k对反循环钻头抽吸系数ω的影响规律。在分析中发现原有反循环钻头中心贯通孔结构设计中的不足之处,并进行了优化,优化后的反循环钻头抽吸效果明显增强。采用优化后的结构加工了一个直径为660 mm的反循环钻头,并进行现场钻进试验,试验效果良好,平均钻进效率为6.00 m/h,成功嵌入微风化岩层表面,能够满足嵌岩桩施工对嵌入微风化岩层和孔壁稳定、无塌孔的要求。     

喷射式局部反循环钻具结构参数数值模拟

喷射式局部反循环钻具的流场主要是由喷反元件的射吸效应形成。为增强喷反钻具的反循环效果,提高岩心采取率,对喷反元件的主要结构参数对反循环效果的影响规律进行了研究;采用正交试验设计方法,借助计算流体动力学CFD软件,对不同结构参数组合下喷反钻具的反循环效果指标进行了回归分析。研究结果表明,喷反装置6个结构参数对目标值的影响由大到小的顺序是:喷嘴直径D1、喷嘴个数N1、喷嘴倾斜角度θ1、承喷孔直径D2、承喷孔倾斜角度θ2、承喷孔个数N2;当冲洗液泵量为1.5kg/s(90L/min)时,喷嘴直径D1=8mm,喷嘴个数N1=8,喷嘴倾斜角度θ1=67°,承喷孔直径D2=8mm,承喷孔倾斜角度θ2=5°,承喷孔个数N2=4为最优参数组合。     

反循环钻头参数优选系统的建立

气动贯通式潜孔锤钻进技术以其独特的技术优势在岩土与钻探界广泛应用.然而在复杂地层钻进中,由于钻头结构不够合理,反循环往往形成困难或难以形成,使该技术的应用受到限制.针对该问题,作者运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的科学研究手段,对影响反循环形成的钻头新增引射孔各参数、底喷孔各参数以及其它相关参数进行优化设计,得到一系列适合不同规格钻头的相关参数值及其回归方程.将研究结论与专家的经验总结汇合编写了钻头参数优选系统.研究结论应用于生产试验中,岩矿芯采取率达到98%以上,反循环形成顺利,岩矿芯完整度好.     

反循环钻头实验器研制

介绍了一种新研制的反循环钻头实验器,旨在深入研究新型反循环钻头形成的反循环机理,以及钻头结构对取心和携粉能力的影响。叙述了这一实验器的主要结构和实验研究成果。      

气动潜孔锤反循环钻头结构改进与优化设计

运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的科学研究手段,对影响气动贯通式潜孔锤反循环形成的钻头新增引射孔各参数、底喷孔各参数以及其它相关参数进行优化设计,得到一系列适合不同规格钻头的相关参数值及其回归方程。运用Visual Basic语言,将研究结论与专家的经验总结汇合,编写了钻头参数优选系统软件。研究结论应用于生产试验中取得令人满意的结论,岩矿心采取率达到98%以上,反循环形成顺利,岩矿心完整度好。参数优选系统的建立为该项硬岩钻进技术的完善提供了参考性依据。     

潜孔锤反循环钻进技术在某水电站的试验应用

水利工程中的钻孔工程具有特殊的工况,采用正循环潜孔锤钻进方法在狭窄封闭的洞室内进行钻孔施工,粉尘污染严重,施工环境恶劣,影响作业工人的身体健康。为了解决施工洞室内的粉尘污染问题,在某水电站的排水孔施工中,首次应用了潜孔锤反循环钻进技术,并在上仰孔和下行孔施工试验中获得成功,有效控制和降低了洞室内的粉尘问题,有利于维护良好的施工环境。设计的A、B两种结构类型钻头主要差别是内喷孔的位置不同,A型钻头的内喷孔设计在花键上的各个平键之间,B型钻头的内喷孔则设计在花键的平键上。CFD数值模拟计算结果显示,A型钻头对环空抽吸的空气量是0.199 987 04 kg/s,略大于B型钻头的0.177 524 64 kg/s,说明A型钻头的抽吸能力优于B型钻头。上仰孔和下行孔的钻进试验结果表明,内喷孔设计在花键上的各个平键之间且具有双排12个内喷孔的A型钻头结构更为合理,在施工中A型钻头比B型钻头的孔口粉尘少。从反循环排渣效果看,A型钻头破碎的大部分岩粉和大颗粒岩块从中心通道排出,反循环排渣效果优于B型钻头。     

基于LS-DYNA的贯通式潜孔锤反循环钻头强度的优化分析

通体花键式贯通式潜孔锤反循环钻头在实际施工中尾部较易损坏,影响反循环钻头的使用寿命。为提高反循环钻头的使用寿命,对反循环钻头尾部结构进行了优化设计,并采用非线性动力学仿真软件LS-DYNA对改进前后的反循环钻头进行了仿真分析。分析结果表明：由于在冲锤的高频冲击作用下,反循环钻头尾部易出现较大的局部应力集中,导致钻头体出现疲劳破坏;通过对钻头尾部结构设计优化后,与通体花键式反循环钻头相比,新结构钻头在无泄风槽情况下,应力集中值减小44%,在有泄风槽的情况下,应力集中值减小19%。数值模拟分析表明,优化后能大幅度提高钻头寿命。     

关于钻探工程中洗孔工艺的分析研究

洗孔是钻探工程中的重要环节。冲洗介质在孔内进行循环,可以达到清洗孔底、携带和悬浮岩屑、冷却钻头和保护孔壁的目的。不同的洗孔工艺可以产生不同的复杂情况。冲洗液孔底反循环,由于冲洗液是反向循环,与岩心进入岩心管的方向一致,因此可以提高在裂隙、破碎、性脆、软硬不均等复杂地层钻进时采取岩心的数量和质量。俄罗斯莫斯科国立地质勘探大学KULIKOV V.V.博士等人在洗孔方面做了很多的研究工作,提出了钻孔钻进时洗孔复杂情况的分类,对地质钻探中常用的无泵钻具钻进、喷射式钻具钻进和气举钻具钻进时的洗井工艺问题进行了分析与讨论,提出了相应的建议。     

煤层顶板大直径定向钻孔用双级双速PDC钻头设计及应用

大直径定向钻进成孔技术的发展, 为“以孔代巷”技术抽采采空区上隅角瓦斯提供了技术支持。受限于井下设备条件, 常规大直径钻孔主要采用逐级扩孔工艺。然而, 逐级扩孔钻进需要多次提钻、下钻, 辅助时间长、工人劳动强度大。为提高煤层顶板大直径钻孔成孔效率, 开发了双级双速钻进工艺, 该工艺采用螺杆马达与钻机分别驱动一级、二级钻头进行单次双级扩孔钻进, 可大大提高成孔效率。通过分析双级双速钻进工艺特点、拟钻地层岩性等, 从剖面形状、切削齿排布、水路设计以及导向器设计等方面设计了双级双速钻头, 该钻头采用球头螺旋形导向器, 更容易沿既有钻孔轨迹钻进; 采用等切削布齿, 提高破岩效率、降低切削齿不均匀磨损, 进而提高钻头寿命与钻进效率。设计的双级双速钻头进行了现场试验, 试验表明双级双速钻头能够沿先导孔钻进, 较常规逐级扩孔钻头综合效率提高25%以上, 使用后钻头磨损均匀, 满足了双级双速工艺要求, 大大提高了煤层顶板大直径钻孔施工效率。      

开闭式反循环钻头的结构设计与工作原理

由于煤层松软和破碎的缘故,松软突出煤层瓦斯抽放孔易垮塌,将导致钻孔成孔率低,瓦斯抽放通道易堵塞,影响了瓦斯抽采效率。为解决这些问题,设计了开闭式反循环钻头,并对其结构特点和工作原理进行分析。这种钻头结合了全程筛管下放和反循环钻进2种工艺的优势。通过降低对孔壁的二次破坏,提高了钻孔成孔率和成孔深度;通过全孔段下放筛管,防止孔壁垮塌堵塞瓦斯通道,提高了瓦斯抽放孔的利用率。介绍了该新型钻头的结构设计、工作原理和应用情况。     

旋流喷嘴钻头在NP32-3646井的现场应用分析

南堡32-3646井是一口四开三段制定向井,设计井深5798 m。3864～4265 m（井斜29.18°的稳斜段）试验了五刀翼旋流喷嘴PDC钻头（主切削齿直径16 mm, 3个φ11 mm常规水眼和4个φ18 mm旋流喷射水眼）。针对深井超深井钻进中常采用的相对较高的钻井液密度和粘度,不利于提高钻头破岩效率的问题,在系统介绍旋转射流发生机理和破岩机理的基础上,对NP32-3646井五刀翼旋流喷嘴PDC钻头现场应用情况进行了分析。试验结果表明,旋转射流因具有切向、轴向和径向三维速度,可在高粘钻井液条件下更好地改善井底清岩效果,并通过剪切、冲蚀、拉伸和磨削等多种方式实现辅助破岩,从而提高钻井效率。试验钻头进尺401 m,平均机械钻速4.45 m/h,可较好地满足现场钻进需要,具有良好的推广应用前景。