复合式扭力冲击器在坚硬地层中的应用

近年来我国油田开发以深井、超深井为主,存在钻井成本高、机械钻速慢等问题,PDC钻头的黏滑效应是导致这些问题的主要原因,为此,研制出一种新型钻井提速工具——复合式扭力冲击器。工具内部独特的流道结构可以将钻井液的流体能量转换成高频的、周期性的扭转和轴向冲击力,抑制PDC钻头的黏滑效应,使钻头由单一持续的扭转冲击破岩转变为扭转和轴向冲击相结合破岩。复合式扭力冲击器在吉林油田J1井(营城组营四段)和J2井(营城组营一段)进行了现场试验。现场试验结果表明,复合式扭力冲击器能有效保护钻头,在较硬地层中提速效果更明显。     

多维冲击钻井提速技术在新疆油田的应用

为克服新疆油田重点探井二叠系地层岩石可钻性差、含砾地层严重粘滑振动,石炭系地层岩性致密、硬度高、研磨性强等难点,利用多维冲击振动结构实现大体积破岩、有效控制扭矩波动、抑制钻头粘滑振动,缩短钻井周期、降低钻井事故发生率。现场应用表明,多维冲击钻井技术能在可钻性差、深部硬岩地层实现高效破岩、钻井提速,有效地控制了钻井成本,值得在适宜地层进一步推广应用。     

新型涡轮扭力冲击器的试验研究

PDC钻头广泛应用于深部硬岩钻井中,在其钻进过程中经常出现粘滑振动现象,导致钻进效率低、钻头寿命较短,针对这一难题,研制了一种新型涡轮扭力冲击器,不仅能够通过扭转冲击技术来减轻PDC钻头的粘滑振动现象,还能够适应深孔的高温钻井环境。为了充分利用泥浆的能量,考虑使用涡轮组作为动力源,然后通过万向节和减速器进行扭矩传递,最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击。根据这一设计思路,进行了扭力冲击器的结构设计、样机试制、测试平台搭建及性能测试等工作。测试表明,新型涡轮扭力冲击器的设计方案是可行的,其冲击频率为4～5 Hz,经过计算可得单次冲击扭力为651.45～814.28 N·m,实现了初期的设计目标。     

旋冲螺杆钻具在临盘油田的试验应用

本文阐述了旋冲螺杆钻具的结构原理及主要性能参数,该工具可以将冲击破岩和PDC钻头剪切破岩相结合,集合冲击钻井和螺杆钻井的各自优势,改善钻头的工作状态,大幅度提高机械钻速;该工具降低钻具摩阻,应用于定向井可以提高定向钻井效率。该工具冲击力与钻压成正相关关系,冲击频率与马达转速成正比。φ178 mm旋冲螺杆钻具分别在临盘油田直井和定向井进行了试验应用,复合钻进机械钻速与邻井相比提高了22.1%～41.8%,滑动钻进机械钻速同比提高了51.1%,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。     

页岩气钻井用机械式螺杆冲击器结构设计与应用

为突破深层页岩气钻井过程中遇到的难钻地层提速提效瓶颈,本文引入旋冲破岩理念,将螺杆钻具和轴向冲击器的功能机构进行融合,研制了可实现旋转切削+轴向冲击双作用的机械式螺杆冲击器。通过对机械式螺杆冲击器进行结构设计和原理分析,明确了其工作特点;通过对凸轮机构和冲击执行机构进行强度校核,明晰了其结构强度可以满足使用要求。将机械式螺杆冲击器应用于西南页岩气工区现场2口井,结果表明,与常规螺杆钻具相比,机械式螺杆冲击器在2口井的机械钻速分别提高了20.4%和24.4%,说明其具有进一步推广应用的价值。     

新型钢球冲击器及其试验效果

从固体力学理论着手,利用岩石变形时的应力计算公式,分析讨论了“冲击回转”钻进的破岩机理;介绍了中俄合作开发的“新型钢球冲击器”的结构及工作原理。通过对室内及野外实验数据的分析,获得了该冲击器的各种参数关系。实践表明,采用普通硬质合金(或金刚石)钻头加钢球冲击器进行冲击回转钻进,可明显提高机械钻速,降低成本。      

脉冲式振动破岩工具设计及模拟分析

为解决深井超深井机械钻速普遍较低的问题,基于水力脉冲与旋转冲击钻井技术,设计了一种新型的脉冲式振动破岩工具。该工具把水力脉冲射流技术与旋冲钻井的优点相结合,通过建立物理模型与数学模型有限元分析的方法对其可行性与影响因素进行分析,结果验证了其原理的可行性,并对工具叶片的个数以及流道的过流面积进行优选。该研究从理论上证明了脉冲式振动破岩工具的可行性,为深部地层的提速工具设计与实际应用提供了理论支持。通过现场应用对工具的实际使用效果进行了评价。     

新型高效破岩钻井技术及工业化应用研究

高效破岩技术对提高破岩效率、减少钻进时间和降低钻井成本有重要作用。近年来,针对当前油气田钻井深、地层硬度高、研磨性强、可钻性极差等特点,形成了新型的高效破岩技术。主要包括:新型气体安全高效钻井技术、孕镶PDC钻头+涡轮复合钻井技术、PDC钻头+扭力冲击器钻井技术以及新型ONYX360旋转钻头技术,现场应用表明,这些钻井技术对提高破岩效率、机械钻速和节约钻井周期和成本有较好的效果。     

旋转冲击钻井工具在塔河油田12区块应用效果分析

简述了旋转冲击钻井工具的特点以及使用原理,其较以往其它提速工具不同之处是结合了机械冲击和水力脉冲破岩两方面的破岩能力。重点分析了该工具在塔河油田12区块使用后的提速提效对比情况以及不同地层的提速情况。目前该工具已经在塔河油田12区块多口井进行了使用,都取得了明显的效果,最低提速为25%,最高提速近45%。分析认为,该工具对于12区块哈拉哈塘组地层而言,提速效果不很理想;对于使用常规“PDC+螺杆”钻具组合可钻性较差,机械钻速不高的井段和地层钻速提高明显,原来钻速较低的井段,钻速提高越快,比如卡拉沙依组和东河塘组地层钻速提高明显很多,最高达到60%以上,一般也在30%以上;同时使用该提速工具后,钻时变得逐步均匀,每米钻时驱于平均,钻头的破岩能力均向化。     

高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法

针对现有岩石破碎研究的现状以及不足,进行高频微幅冲击振动作用下的岩石破碎行为计算方法研究。首先建立高频微幅冲击振动模型,在此基础上建立求解破岩体积、破岩比功、岩石裂纹长度的计算方法,并分析冲击频率、幅值对岩石破岩效率的影响。通过对比试验与算例结果,验证了计算方法的可靠性。结果表明:当冲击频率增加到2 000 Hz时,冲击时间的周期将减小到0.001 s,冲击力将会增加到12 900 N,钻头吃入岩石的深度以及冲击末速度也对应增加;并且高冲击频率、低幅值能够增加破岩体积、减小破岩比功、增加岩石裂纹长度。研究结论对于提高破岩效率,进行高频微幅冲击振动破岩的技术研究与工具研制具有参考价值。     

物探冲击器与钻头和岩石相互作用仿真研究

冲旋钻井技术已广泛应用于矿藏、油气等资源的勘探开发领域,但仍存在钻具损坏严重、能量传递效率低等不足。冲击器的能量传递和破岩效率是冲旋钻井技术的关键参数之一。结合冲旋钻井技术的实际应用情况,阐述了计算假设、三维模型的建立、材料属性及单元类型、划分网格、定义接触、施加载荷等问题,建立了物探冲击器与钻头和岩石相互作用的有限元模型并进行了计算仿真。得到了活塞撞击钻头的能量传递效率;钻头在单次冲击旋转作用下,破碎岩石的深度为6.4 mm;冲击器活塞在运动过程中存在径向速度与位移,危害非常大,应尽量减小或消除。为研究冲击器与钻头和岩石的能量传递关系、钻井工艺参数和钻具结构的优化奠定了理论基础。     

水压式凿岩破碎冲击器的研究

水压式凿岩破碎冲击器与液动冲击器的工作机理有着本质的区别,它有着很高的工作效率和能量转换率,凿岩速度大大高于气动潜孔锤,但这种水压冲击器不适合泥浆驱动。转阀式水压冲击器的配流不同于以往的配流方式,可能更适合泥浆介质驱动。     

基于HHT方法的岩石钻进振动信号分析

为了分析岩石在钻头破岩工作时产生的振动与岩石性质的关系,利用数值模拟软件提取了岩石钻进时的振动信号,并通过希尔伯特-黄变换（HHT）分析方法进行了信号特征分析,获得不同岩石的振动信号的边际谱,从频域特性上分析了岩石的性质与岩石振动之间的关系。研究表明：岩石的性质和岩石振动有着密切关系,不同性质的岩石在不同频率范围内出现振动特征集中现象,并且存在一个与岩石固有频率相接近的特征峰值频率。研究冲击钻进过程岩石的振动特性,对钻进参数设置以及岩性的识别有重要意义。     

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题,通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响,通过分析发现钻头破岩过程中,岩石内部既存在拉应力,也存在压应力,岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下,此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz,在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快;钻压对机械钻速影响较大,两者呈线性正相关关系,并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式;转速对机械钻速的影响较小,两者呈微增趋势,分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大;复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。      

硬岩隧道高压气体膨胀破岩开挖试验

为了解决传统钻爆法在隧道工程中振动大的问题,引入一种新型破岩技术--高压气体膨胀破岩技术。通过在某隧道掌子面采用该技术进行现场试验,获得该技术试验时的振动速度值和试验后的破岩效果,将获得的结果与传统钻爆法得到的相应结果进行对比分析,结果表明,高压气体膨胀破岩技术在施工时产生的振动比钻爆法小,证明了将该技术应用在隧道工程中是可行的,解决了该隧道采用钻爆法施工振动风险大的问题,为类似工程破岩提供了一种新途径。     

基于岩石性质的钻进振动响应分析

岩石在钻头破岩工作时会产生振动,为了研究岩石特性对钻进过程中岩石振动的影响,提出一种基于振动的岩石特性识别方法。通过振动学理论和弹性力学知识建立岩石振动方程,利用数值模拟软件分析不同参数对岩石振动的影响。研究表明：冲击荷载下岩石产生振动,岩石特性对振动有紧密关系;岩石的密度、刚度和抗压强度对岩石的振动都有一定影响,其中岩石强度对振动的影响最为明显;岩石刚度越小,强度越小,在冲击荷载作用下,岩石振动越大。研究冲击钻进过程岩石的振动特性,对钻进参数设置以及岩性的识别有重要意义。     

双粒子联合冲击破岩仿真研究

单粒子冲击破岩与粒子冲击钻井的真实工况有一定的差异,因此,需要研究多粒子联合冲击破岩的规律。在双粒子联合冲击破岩条件下,利用LS-DYNA的参数化设计语言,采用无量纲化分析方法,选择粒子间距、直径、初速度和入射角度为设计变量,建立了它们与岩石破碎体积和侵入深度之间的关系,并绘制了它们之间的变化关系曲线图。进一步分析这些曲线图的变化规律后发现：间距为0.25个左右的基准直径、粒子直径取0.8~1个基准直径、冲击初速度取每秒32 000~40 000个基准直径、入射角度为0°~40°,粒子冲击破碎岩石效果达到最佳或接近最佳。这些结果可以作为深入研究多粒子联合冲击破岩的参考依据。     

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯（0.5°）钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。