分散剂影响煤粉采出效果的实验研究

为了研究井筒中煤粉在排采过程中的产出规律,促进地层产出煤粉的有效排出,利用自主研发的CBM-WS型高压煤储层井筒模拟装置进行了模拟实验来探索井筒中煤粉采出的影响因素。实验结果表明,井筒中煤粉颗粒受地层中煤粉产出、排采速度和煤粉分散情况等因素的影响。当排采速度较低时,井筒中采出煤粉颗粒粒度<20 μm,大部分粒度40～100 μm的煤粉颗粒没有采出;随着排采速度的增加,采出煤粉数量显著增加,粒度也明显增大;在流体速度达到临界流速,煤粉采出量趋于稳定。加入FYXF-30分散剂后,能够将进入井筒中的较大颗粒煤粉分散并采出。     

煤层气井煤粉颗粒表观机械运移规律

煤粉颗粒在煤层气井的排采过程中会随着流体运移至井筒,研究煤粉颗粒在井筒中的运移规律,对于优化排采参数、避免煤粉在井筒内沉积甚至埋泵非常必要。自行设计了煤粉颗粒运移实验装置,开展了煤粉颗粒静态沉降实验和动态运移实验,得到了煤粉颗粒静态沉降末速和最小携带速度。结合球形颗粒自由沉降末速的理论计算公式,建立了煤粉颗粒实际沉降末速的计算模型,并确定了不同目数煤粉颗粒的最小携带速度与实际沉降末速间的关系,最终建立了煤层气井最小日排水量的计算公式。研究表明,对于产水量较小的井,流体携带煤粉颗粒的能力与煤粉颗粒的粒径、井筒内流体流速间的关系敏感,本文提出的最小排水量计算公式对于煤层气井的排采参数设计具有一定的指导作用。     

鼓泡流化床排渣流动的模拟与实验研究

基于计算颗粒流体力学(CPFD)方法,研究了鼓泡流化床的排渣流动特点,获得了不同管径的排渣管对流化床排渣流率的影响,并对排渣流动的流场进行了详细分析。模拟结果表明,布风板上开孔排渣会影响床内的正常流态化,随排渣管径的增大所影响的区域也会逐渐增大;排渣流率与流化风速、床层压降和管径的平方呈现出正相关性。根据流体力学拟流体理论所建立的公式能较好地预测排渣流率的变化趋势,从排渣流动过程中颗粒体积分数的梯度分布可知,布风板上排渣口的上方存在一个拱形临界面,此临界面是排渣过程中颗粒流动形态发生转变的分界面。     

复合排渣钻进技术在松软突出煤层中的应用

分析了复合排渣钻进技术的原理、特点和工艺参数,介绍了在松软突出煤层中复合排渣钻进技术的配套设备和应用情况。实践表明,复合排渣钻进技术在松软突出煤层钻进中取得了较好的应用效果。     

煤层钻孔风力排渣模拟实验研究

基于两相流的有关原理对煤层钻孔风力排渣进行了研究，结合现场情况，建立了煤层钻孔风力排渣实验装置，对风力排渣进行模拟实验．测定了排渣系统中各段的压力损失，分析了各段压力损失的比重，研究了风量、风速、钻屑运动速度、固气比和压力损失等之间的内在规律．结合理论分析得出了最小排渣风速公式，该公式反应了煤层瓦斯突出钻屑量指标、钻孔直径、钻杆直径、钻进速度等参数对排渣过程的影响．实验得出的结论为现场选择设备型号提供了理论依据．     

模拟月壤螺旋钻进力载特性分析

月球钻探取样具有钻进对象松散、钻机功率小、质量轻、钻进过程无冲洗介质等难点,螺旋钻进因其连续排屑和干式回转钻进的能力,成为最具可行性的月球钻探取样方式之一。为确保在设备能力和月表环境限制下实现深层月壤钻探取样目的,针对月壤/模拟月壤物理力学特性,对螺旋钻探取样过程进行力载特性分析。分析表明,月球钻探具有螺旋叶片宽度窄、回转速度高的特点,可采用钻屑颗粒模式求得临界回转速度,然后选择合理的钻进工艺。螺旋钻进功耗包括钻头切削月壤的功耗和钻进排屑功耗,可根据功耗模型研究各变量对功率的影响规律,从而为钻具结构优化和钻进参数优选提供理论指导。     

煤层气井循环补水排采工艺

针对在煤层气的排采过程中大部分井的采出液量较少,不能满足进入井筒的煤粉排出条件,导致煤粉在井筒内堆积,造成卡泵、埋泵频繁发生的问题,提出在不停产情况下,通过循环补水,增加井液流量,将进入井筒的煤粉排出地面的工艺条件和要求,延长煤层气井无故障排采周期。根据煤粉颗粒的沉降末速度,综合考虑浓度及速度分布的影响,将杆管环空煤粉颗粒排出的最小水流提升速度定为自由沉降末速的2倍,计算了不同杆管组合满足煤粉排出条件的最小排量,根据煤粉最大粒径为0.3 mm的假设,给出了沉降罐体积。通过现场连续循环补水试验,实现连续运转6个月以上不修井的良好效果。     

煤矿巷道底板锚固孔排渣机理及应用

针对煤矿巷道底板锚固孔钻进过程中排渣困难的问题,分析了底板锚固孔钻进过程中的排渣过程,提出了底板锚固孔钻进排渣困难是由于"钻渣三区"的存在,得出"钻渣三区"是动态的依次逐步形成的,并最终同时存在;利用流体力学的基本原理,推导了冲洗液循环过程的沿程水力损失及在固液耦合作用下钻渣在冲洗液中上返的力学公式。根据现场基本情况,得出冲洗液在冲洗钻孔及排渣过程中的沿程水力损失对钻渣上返的速度vt影响极小,并确定了"钻渣三区"形成的条件。结果表明:在底板锚固孔钻进过程中,钻孔机具的选择、冲洗液流量的要求以及钻机转速、钻压的控制必须协调一致,控制钻渣聚集区的形成,在很大程度上避免钻渣聚集区的形成是加快钻进速度的关键。     

煤矿井下近水平钻孔大直径套管长距离下放技术

孔口套管封孔是后续钻孔施工与安全保障的基础,大直径套管通过能力、套管孔段轨迹偏斜控制和钻孔排渣效果是影响煤矿井下近水平钻孔大直径套管长距离下放成功的关键。为了提高套管近水平长距离下的成功率,建立了大直径套管刚性模型和弹性模型,获得了煤矿井下常用Φ178 mm、Φ146 mm和Φ127 mm套管在弯曲钻孔的通过能力数据;分析了近水平大直径套管孔段排渣困难与易发生偏斜的原因,提出采用大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头进行保直钻进和高效排渣的技术方案,开发了相关钻具,制定了钻具组合,并分析了保直钻进和高效排渣机理。在赵固一矿进行了现场试验,完成3个钻孔施工,与常规工艺相比,套管孔段施工时间由110班次缩短至21班次,轨迹偏斜仅为0.042°/m,套孔下放成功率达到100%,有效解决了大直径套管近水平长距离下放难题。     

贵州碳酸岩地层地热深井空气潜孔锤钻进技术应用研究

研究了空气潜孔锤钻井工艺在贵州省碳酸盐岩地层地热深井中的应用,涉及溶隙、裂隙发育,涌水、漏风、掉块、排渣困难等情况频发的碳酸盐岩地层的10~1100 m井段和216~406 mm井径的条件,探讨了在这样环境下空气潜孔锤钻进机具设备配置、钻具组合和钻进参数;分析了空气潜孔锤钻进工艺钻进过程中的常见问题并提出了相应的技术措施;总结了深井碳酸盐岩地层复杂井况的空气潜孔锤钻进效率与经济效益。研究结果表明,通过合理的设备机具配置和技术措施,可有效提高贵州省碳酸岩层空气潜孔锤钻进效率,进而大幅度提高贵州地热深井的钻进效率和经济效益。     

煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术

基于渭北某矿井煤层底板奥灰水害防治定向钻孔工程,对成孔关键技术进行了研究。研究结果表明:煤层底板以下46 m层位可实现深孔探查;空气钻进工艺可解决孔内排渣不畅及难成孔的问题;通孔钻具可保障套管下至设计深度;利用引导钻头,采用回转钻进工艺可实现深孔下套管;孔内高压注浆、环空静压补浆可确保套管封固质量;滑动定向钻进、回转钻进相结合可提高稳斜段钻进效率;以低于0.5 MPa的钻压在增倾角孔段顺利侧钻开分支;利用不同钻进方法判断含水地质异常体性质;回转钻进方式快速多回次透孔,或大角度定向钻进可穿过易塌孔层位。研究成果为渭北煤田底板奥灰水害防治提供了技术支撑与理论依据。     

千米钻机施工技术中固孔工艺的改进

千米钻机施工过程时,一般采用水泥砂浆对套管与开口孔的间隙进行固孔。由于水泥砂浆固结时间长,影响了钻进的工效;若在砂浆凝结强度不够时进行钻进作业,则钻孔施工的排渣水会将部分砂浆冲出,影响套管的稳定性和成孔质量。提出采用瑞克化学材料进行固孔的施工技术,不仅大大提高了钻进的工效,而且避免了砂浆易被冲出的问题。该工艺在晋城煤业集团公司寺河矿进行了试验,取得良好效果。     

?140mm大直径可更换冲管总成及工程应用

2015年5月在山西晋煤集团坪上矿使用空气反循环钻进工艺施工大直径救援钻孔,车载钻机顶驱动力头主轴内通孔及冲管总成经常发生堵塞现象,在简要介绍空气反循环钻进工艺过程的基础上剖析并定位堵塞原因,进而提出设计?140 mm大直径可更换冲管总成。设计过程中重点突破冲管总成下盘根盒内4组盘根与冲管旋转密封,并在鹅颈管处设计了可更换易损模块,大幅降低使用成本。工程应用结果表明,?140 mm大直径可更换冲管总成及排渣管线的应用使得该集束式潜孔锤空气反循环钻进过程中排渣顺畅,钻进效率提高,工人劳动强度大幅降低。     

软煤层钻进钻穴区钻屑运移动态特征及应用

软煤层钻进过程中孔壁失稳破坏形成钻穴是致使钻进困难的主要原因。建立常态钻孔、开放型钻穴和填充型钻穴排渣模型,对孔内钻屑运移进行气固耦合动力学分析。研究结果表明,开放型钻穴对钻屑运移的影响较小,仅带来一定的压力损耗;填充型钻穴在钻孔底部的钻屑质量分数成倍增长,钻屑颗粒运动轨迹曲折,排出需要更长时间;填充型钻穴区出现瞬间动压波峰,压差损耗是常态钻孔、开放型钻穴的数倍。基于钻穴区钻屑运移特征,提出降低钻杆排渣阻力、增大排渣空间的钻具设计方法,研制了刻槽螺旋钻杆、低螺旋钻杆、等离子熔涂螺旋钻杆等系列钻杆,通过工程应用,软煤层钻进深度和钻进效率得到了有效改善。     

低螺旋钻杆排渣流阻分析及减阻方法研究

为提高松软煤层钻孔气力排渣,改善钻孔施工工艺,基于两相流的相关理论对松软突出煤层低螺旋钻杆气力排渣钻进工艺进行了研究。具体进行了气力排渣流阻分析、钻杆腔体内部流阻计算和环形排渣空间流阻分析。通过分析和讨论影响流阻的因素,得出在钻进过程中流动阻力越大,压力损耗越大的结论,提出了降"内阻"和减"外阻"的方法。分析计算表明:增大钻杆接头内孔直径、减小接头处变径角和优化螺旋叶片的结构参数,可有效降低流阻,为低螺旋钻杆的设计生产提供参考依据。     

碎软煤层空气定向钻进煤粉运移规律数值模拟研究北大核心

为研究粒径和风量对煤粉在钻杆与孔壁环空内沉积、运移和分布规律的的影响,以碎软煤层空气定向钻进成孔为背景,利用欧拉-欧拉模型,对压缩空气输送煤粉颗粒形成的气固两相流进行数值模拟。结果表明:风量越大,颗粒粒径越小,煤粉的沉积程度越小,对煤粉的输送能力越强,相应的孔底压强越大;在同一风量下,小粒径煤粉主要呈现螺旋线翻滚向孔口输送,大颗粒煤粉则主要位于中下部沿特定轨迹向孔口移动。     

肋骨钻杆风力排渣与阻塞机理研究

在突出松软煤层钻孔过程中,目前普遍采用肋骨钻杆配合钻杆中部通风的方式进行排渣,由于现有排渣技术的限制,煤渣阻塞现象时常发生并严重影响钻孔深度和成孔率。以肋骨钻杆水平钻进为例,分析排渣过程中煤渣的受力情况与运动规律,认为当煤渣的产生速率大于肋骨钻杆的排渣速率时,肋骨钻杆的排渣通道便会发生阻塞。通过建立的煤渣的产生速率与排渣速率公式,计算出φ73 mm肋骨钻杆排渣通道阻塞的临界煤渣产生速率。实验室验证结果表明:通过控制肋骨钻杆钻进速度来避免排渣通道发生阻塞的方法是可行的。     

牙轮钻进参数的自动调节装置

牙轮钻机钻凿岩层是一个难以用数学描述的过程,对此,我们利用钻具回转扭矩、垂直振动、水平振动和排渣风压等钻进参数来间接反映岩性变化,据此自动调节钻具轴压、回转速度和钻进速度,使钻机在上述参数允许范围内达到较佳的钻进状态。按此设想研制成功了CZT-1型牙轮钻进参数自动调节装置。本文对它的工作原理、调节特性、试验情况和经济效益作了详尽的分析和讨论。     

基于离散元法的煤矿井下护孔筛管防堵性颗粒流分析

基于离散单元法,用PFC3D软件建立了煤粉颗粒通过筛管的颗粒流模型,通过对煤粉颗粒穿过筛眼体积量的模拟,研究了护孔筛管的防煤粉堵塞性能,分析了筛眼直径、粒径比和围压等参数对煤粉颗粒通过筛管性能的影响规律。结果表明:穿过筛眼的颗粒体积随着筛眼和粒径比的增大而增大,且随着筛眼直径的增大其趋势逐步加大,总体上讲,穿过筛眼的颗粒体积整体上随着围压的增大而增大,但存在着"激变"区间,即围压增长到某一范围时,煤粉颗粒通过筛眼的体积量突然增大。     

沁水盆地柿庄地区煤粉发育特征及其对产出的影响

煤粉发育和产出特征对指导煤层气勘探开发具有重要的意义。以沁水盆地柿庄地区为研究对象，收集了钻井取心、测井信息、排采数据和煤层气井产煤粉样品等，基于测井解释、激光粒度测试和煤粉质量分数监测等方法，系统分析了煤粉发育特征及其对产出的影响。研究结果表明：研究区原生煤粉可划分为煤粉发育复杂区、煤层底部发育煤粉区、煤粉不发育区、煤粉较少发育区和煤层顶底发育煤粉区5类地区，产出煤粉粒径分布在0.4～3 300μm，质量分数集中在0～0.5；煤粉发育特征影响着煤层气井初次产粉时间，其中原生煤粉发育复杂区一般在见气之前初次产煤粉，原生煤粉底部发育区和原生煤粉顶底发育区初次产粉时间规律性较差，原生煤粉不发育区和原生煤粉较少发育区一般在见气之后初次产煤粉；排水降压阶段受井筒附近煤粉发育特征的影响，产出煤粉以中、粗颗粒煤粉为主，煤粉颗粒大，质量分数不高；提产放气阶段受排采强度和煤粉发育特征的影响，以中、细颗粒煤粉为主，煤粉颗粒较小，煤粉质量分数高且波动较大；稳定产气阶段主要产出远端裂缝中的原生煤粉或压裂工程产生的次生煤粉，煤粉颗粒更小，质量分数相对较小且波动小；产气衰减阶段的煤粉颗粒最小，煤粉产出量少。