激光钻进煤岩技术的研究进展

激光钻进技术是一种极具潜力的创新技术,也是钻探领域的研究热点。作为一种非接触式钻进技术,对破碎松软岩层扰动破坏小,将激光钻进应用于煤层气定向钻进中可发挥出非常明显的优势。梳理和总结了激光用于煤岩钻进的成孔机制、钻进效果的影响因素。在激光钻进过程中,激光与煤岩相互作用伴随着复杂的理化作用,指出激光钻进煤岩主要的成孔机制是烧蚀成孔。从激光参数、岩石性质、外部环境等方面阐述了影响激光钻进煤岩效果的因素,论述了激光钻进用于煤岩这一特定钻进对象的特殊现象和问题,指出煤岩在激光照射下,组分的挥发、热解、升华、烧结和氧化构成了煤岩在高温下主要的热烧蚀机制。从钻进机理、工艺、装置等方面着手,建议加强激光钻进煤岩的多物理场耦合作用机制、钻进工艺、钻进装置研制等适应性研究,为激光用于煤岩的高质高效钻进研究提供参考。      

激光热裂砂岩可钻性及力学参数特征研究

目前浅部易开采煤炭资源逐渐枯竭,传统钻进技术在深层煤炭资源勘探开发时往往面临破岩效率低、钻进成本高和环境污染等问题。因此,亟需引入新型辅助钻井破岩技术破解此类难题。聚焦于新型激光辅助破岩技术,以坚硬砂岩为研究对象,系统开展了不同时长激光作用后砂岩的力学、可钻性试验,旨在探究激光作用下坚硬砂岩温度场时空演变特性、砂岩表面裂纹的扩展特征及力学参数和钻进效率。结果表明,随着激光作用时间的增加,砂岩表面裂纹由2条逐渐扩展为5条,裂纹面积由6.78 mm²增加到36.85 mm²;温度场的演化特征符合高斯分布规律,由热熔融区向低热区呈环状递减,激光照射15 s后达到热平衡,温度场演化趋于稳定;激光照射50 s后砂岩抗压强度、弹性模量降幅最高分别可达74.6%、92.7%,轴向峰值应变从0.52%不断增加到1.65%,表明岩石经激光作用后呈现由弹性状态向半塑性/塑性状态转变的趋势;激光作用50 s后砂岩进尺速率由0.09 mm/s增加到4.30 mm/s,失重比由2.73%增加到27.36%;合理设置激光参数有助于提高破岩效率与降低钻进成本,在照射20 ...     

激光辐照煤岩的热效应数值模拟分析

探究激光辐照煤岩的热效应,有助于理解激光作用于煤岩的成孔机制,从而为激光应用于煤层气水平钻进提供理论支持。基于传热学理论,建立了激光辐照煤岩的数学模型,通过多物理场仿真分析软件COMSOL Multiphysics对激光破岩过程中温度场分布情况进行数值计算,探讨了激光光束辐照在煤岩表面时激光功率、光斑半径及辐照时间等因素对激光作用于岩石的热效应影响。再考虑到煤岩在极高的升温速度下将发生相变,建立了其发生气体相变的数值仿真模型,对其气化后形成的烧灼孔进行模拟仿真。仿真结果分析表明,影响钻孔深度的主要因素是激光功率和辐照时间,影响孔口直径大小的主要因素是光斑直径,激光辐照煤岩的成孔机理主要是激光高温烧蚀成孔,如果用于实际钻进过程中将大幅减少固体岩屑,有助于降低排屑工艺的难度。      

大庆葡萄花油层氮气专打技术实践

大庆油田外围葡萄花油层作为中浅层探评井开发的主要目的层,属于“三低”油藏,常规钻井方式开发成本高,经济效益差。由于受“三低”油藏地质特点的影响,常规钻进时钻井液在压差作用下产生滤液从而对储层造成一定程度的损害,受地层本身特性以及过平衡钻井2个因素共同作用,造成单井产量低。氮气作为一种循环介质在储层进行气体钻井,在储层发现和保护上具有明显优势。2011年在外围中浅层进行了葡萄花油层氮气专打钻井技术实践,从井身结构、钻井方式和完井方式3方面进行技术创新,现场试验4口井,平均钻速达24．43m／h,为邻井常规钻井相应井段机械钻速的2倍以上,钻进过程中排砂口处即发现油流,储层保护效果好,预计增产效果显著。     

压裂液对煤岩储层解吸–扩散性能的影响

为预防压裂液自吸侵入煤岩基质孔隙,影响煤岩储层的解吸-扩散性能,以沁水盆地石炭统太原组15号煤为研究对象,开展了低伤害活性水压裂液对煤岩储层解吸-扩散性能的损害评价实验,并基于红外光谱、低温氮气吸附和扫描电镜分析了压裂液作用前后的煤岩表面性质和孔隙结构变化。实验结果表明:压裂液处理后,煤样的甲烷解吸率下降了10.23%,扩散系数损害率为16.67%;煤岩表面亲水性增强,液相滞留效应加剧,煤岩基质孔隙比表面增大、孔隙连通性变差、平均孔径减小,这些变化从根本上揭示了压裂液损害煤岩储层解吸-扩散性能的微观机理。最后,提出了基于纳米颗粒封堵技术和表面活性剂技术的煤岩储层解吸-扩散性能损害预防措施。      

泵注反循环岩屑粒径对最低排量的影响实验

介绍了泵注反循环钻井的基本原理和特点。利用泵注反循环岩屑运移模拟实验装置,以清水为循环介质,对6种不同粒径的岩屑上返所需要的最低排量(流速)进行了实验。探讨了最低排量和循环压耗随岩屑粒径的变化规律。实验结果表明:岩屑上返的最低排量和循环压耗随岩屑粒径的增大呈现非线性的增加,当岩屑粒径超过4.75mm后,循环压耗的增幅加大;岩屑在水平段运移所需的最低排量小于在弯曲段和直井段运移所需的最低排量。实验结果为泵注反循环钻井方法的应用和水力参数的优化提供了依据。     

贯通式空气锤反循环连续取芯钻井技术在油气勘探工程中应用的可行性探讨

贯通式空气锤反循环连续取芯钻进技术在矿产勘察、水井钻凿等领域的复杂地层条件下的钻孔工程中,解决了系列技术难题;在油气勘探钻井中,空气锤的使用使硬地层的钻进效率提高5倍以上.为克服空气正循环钻井工艺的缺陷与不足,钻探界开始了空气反循环钻井技术的先行研究.本文通过实验研究,对贯通式空气锤反循环连续取芯钻井技术在油气勘探工程中应用可行性展开探讨,研究了潮湿、易糊钻地层,严重漏失及喀斯特溶洞地层,钻井卡堵,井内压力平衡等钻进难题及相应的解决措施.     

循环水岩作用下煤岩组合体力学响应及劣化机制

煤矿地下水库的建立解决了我国西部干旱-半干旱生态脆弱区的缺水问题。地下水库不断进行着蓄水-抽水,地下水库水位的反复升降对水库坝体产生反复损伤作用,而半煤岩坝体、煤岩夹矸坝体为地下水库常见的坝体。基于此,设计进行了不同“干燥-饱和”循环次数的砂岩-煤组合体不同围压下的轴向压缩试验,分析循环浸水作用下煤岩组合体力学特性劣化规律和劣化机制。结果表明：(1)随着循环次数的增加,组合体的饱和含水率逐渐增大。饱和含水率与循环次数呈对数关系。(2)随着循环次数的增加,应力-应变曲线压密阶段增长,弹性阶段斜率减小,峰值应力降低,峰值应变增大,屈服阶段愈加明显,应力跌落变缓。(3)随着循环次数的增加,组合体抗压强度逐渐降低,循环1～3次,抗压强度劣化幅度较为明显。抗压强度阶段劣化度具有非均匀性。(4)循环1～5次,黏聚力下降了70.87%,内摩擦角下降了60.65%。(5)循环1～3次,组合体弹性模量下降了53.06%,变形模量下降了61.10%。(6)循环浸水作用下,试样微观裂纹逐渐发育,矿物颗粒由原来的棱角分明的多边形向浑圆形逐渐发展,大的矿物颗粒逐渐崩解为小颗粒,颗粒间胶结作用逐渐弱化,由紧凑致密...     

循环剪切作用下三维粗糙裂隙非线性渗流特性数值模拟研究

研究了循环剪切过程中剪切位移和循环次数对三维粗糙裂隙非线性水力特性的影响。首先,基于天然粗糙裂隙面的高程数据生成三维裂隙面,并通过前人的研究结果确定循环剪切过程中的法向位移变化值,建立了16个开度空间模型,从而得到了不同剪切位移和循环次数下接触面积和开度分布情况,发现当循环次数一定时,随着剪切位移的增加,原本吻合的上下表面发生错动,平均开度和各向异性增大,接触面积减小;剪切位移一定时,随着循环次数的增加,上下表面起伏在剪应力作用下被磨平,接触面积增大,平均开度减小。将模型导入数值模拟软件进行计算得到流量数据,结果表明,水力梯度随流量变化规律符合Forchheimer定律。循环1次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了88.3%,非线性Fochheimer系数减小了95.2%;循环2次时,随着剪切位移从4 mm增加到10 mm,线性Fochheimer系数减小了95.4%,非线性Fochheimer系数减小了99.7%,两系数减小的幅度随循环次数增大而增大。进一步分析发现,剪切位移的增加对裂隙渗透性有促进作用,循环次数增加对渗透性起抑制作用。此外,...     

工程钻井泥浆压力对泥浆失水过程影响实验分析

工程钻进过程中钻井泥浆在井液压力作用下通过孔壁泥皮失水是导致水敏性地层失稳的主要原因。为了深入了解井液失水规律,本文通过改变井液的压力差,对不同井液压力作用下钻井液漏水情况进行了模拟试验研究。实验结果表明:在相同时差内,失水量随井液压力的增大呈现先减小后增大规律; 在相同井液压力下,失水的速率随时间逐渐减小,并最终趋于稳定值,失水速率的稳定值与井液压力大小没有明显的相关性; 不同井液压力下,随钻井液压力的增大,前期失水量所占的比重增加; 形成泥皮的质量随着井液压力的增大而增大。标准失水量随形成泥饼质量的增加呈现先减小后增大的规律。研究成果为钻井泥浆的失水特征评价、失水量的控制提供了参考依据。     

潜孔锤反循环钻进技术及应用

贯通式潜孔锤的研制为流体介质反循环开辟了通道，采用计算机模拟仿真电算方法，实现了潜孔锤的计算机辅助设计，优化了潜孔锤性能，将多喷嘴引射器原理用于钻头的结构设计，使反循环形成稳定可靠，并能取出柱状岩矿心，在复杂地层地质岩心勘探，水文水井钻凿，大直径硬岩基桩孔钻进等领域全面应用，取得了显著经济与社会效益。     

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。      

超临界二氧化碳钻井技术

当温度和压力分别达到31．10℃、7．38 MPa及以上时,CO2成为超临界状态,超临界CO2具有类似于液体的密度,而其粘度又比空气和氮气大,可以驱动井下动力钻具旋转破岩,并携带岩屑,形成超临界CO2钻井技术。超临界CO2钻井具备破岩速度快、油气层保护好、驱替效率高等优势,对于非常规油气藏开发具有明显优势。超临界CO2钻井与连续管钻井技术相结合,应用于压力欠平衡钻井和压力衰竭地层前景广阔。介绍了超临界CO2物理特征、超临界CO2钻井技术流程及其技术优势,最后阐述了超临界CO2钻井技术的研究进展及发展趋势。     

煤矿井下硬岩定向钻进螺杆马达选型及试验

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进效率,在分析硬岩定向钻进螺杆马达要求的基础上,选择了4种不同类型的螺杆马达在陕西韩城桑树坪煤矿进行井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,四级7︰8头螺杆马达和五级5︰6头螺杆马达在定向钻进硬岩时,其平均机械钻速分别为2.52 m/h和2.15 m/h,累计纯钻进使用时间可达550 h。这2种类型的螺杆马达表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层。      

液氮应用于干热岩钻探的可行性探讨

干热岩是一种清洁、可再生的地热资源,其开发需通过钻井实现。分析了目前干热岩常规钻探技术面临机械钻速慢、井下工具和钻井液性能不稳定、易发生复杂井下事故等挑战,讨论了液氮在干热岩钻探中的应用前景。认为液氮在干热岩钻探过程中具有破岩效率高、有效提高干热岩热能提取效果、解决钻井液不耐高温和井漏问题等优势,并提出了液氮在干热岩钻探过程中的工具耐低温性能、液氮携岩规律和效果、井筒压力控制、钻进参数优化、井壁稳定性等关键技术问题。     

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。     

空气反循环钻探在紫金山金铜矿生产勘探中的应用

金山金铜矿经过几十年的大规模生产,金矿开采已进入矿体的边部和底部,矿体规模小,形态、产状复杂,矿石性质变化大,保有资源储量仅能满足矿山未来几年的生产需要,急需勘探接替资源。结合矿山生产实际和矿区地质条件,选择空气反循环钻探作为主要探矿手段。在分析空气反循环钻探工艺原理和适用条件的基础上,对施工机具的选取进行了详细阐述。通过对比,分析空气反循环钻探在紫金山金铜矿露采生产勘探、北口排土场含金废石（人工堆渣“矿床”）勘查中的成效以及问题。实践证明,空气反循环钻探技术可以用于紫金山金铜矿的生产勘探。     

岩层联络孔冲剪复合碎岩原理可行性研究

“以孔代巷”是煤矿井下钻探技术研究的重要方向,具有效率高、成本低等优点,但在岩层中施工大直径联络孔时,采用多级扩孔方式,存在提下钻等辅助时间长,成孔效率低的问题。在不改变钻探装备配置基础上,通过结构和工艺创新,提出冲击和剪切复合碎岩原理,即将高压水-冲击器-内钎头冲击碎岩和钻机-钻杆柱-外切PDC钻头剪切碎岩创造性地结合在一起,以冲击功预裂地层,破坏岩层的整体构造应力,同时钻机驱动外切PDC钻头对预裂后的外侧岩石进行剪切破碎,由此实现“小马拉大车”的应用效果。研制了?153 mm冲剪复合钻头,采用ZDY3200S分体式小型钻机在硬质砂岩地层中进行试验,平均机械钻速8.3 m/h,最大机械钻速可达10 m/h,且转速和钻压对机械钻速影响较小,结果证明冲剪复合碎岩原理具有可行性,为煤矿井下岩层联络孔优快成孔提供了新的研究思路。