扭力冲击器在新疆地区的应用研究

新疆某井A位于克拉玛依东约35km,区域位于准葛尔盆地,地质条件复杂。在地层深度2500~3300m的井段,PDC钻头钻进困难,钻速缓慢,于是使用了扭力冲击器提速。分析了扭力冲击器在A井的适用性,与邻井相比,钻速可提高138%;与上下邻井段相比,可使钻速提高286%,并且有效减少了钻头黏滑现象,延长了钻头使用寿命,这为该区块的钻井提速提供了新途径。     

一种改进杨格模式的新钻速方程

从修正的杨格模式钻速方程出发，根据刮刀钻头和PDC钻头的特点，提出了一种改进的钻速方程。该方程修正了钻压和转速对钻速的影响关系，认为在钻头剪切破坏弹塑性岩石时，转速和钻头牙齿的吃入深度直接影响钻速，钻压是通过影响牙齿的吃入深度而影响钻速。通过岩石的压入试验，可以确定钻压和牙齿吃入深度的关系。由于改进的钻速方程没有地层可钻性系数，因而表达形式更简单，其意义更明确。     

一种岩石可钻性评价新模型

目前确定地层岩石可钻性的方法主要是基于室内微钻头实验测算岩心抗钻能力,这种方法需要大量的岩心,费用高,周期长,且常常滞后于实际钻进。通过分析实钻参数与钻头破岩的体积功密度之间的关系,从能量耗散的角度建立了应用岩石破碎比功评价岩石可钻性的模型,通过现场实际应用证明该模型能动态的反映实钻条件下的岩石可钻性,有利于实现随钻随测,弥补了传统可钻性评价方法的不足,为优快钻井技术中实时钻头优选和钻井设计提供了理论依据。     

潜孔钻头研究现状及展望

在调研国内外研究现状的基础上,从潜孔钻头的工作原理、潜孔钻头的结构、潜孔钻头的静力学研究、潜孔钻头的计算机仿真研究和潜孔钻头的材料研究几个方面阐述了国内外研究学者对潜孔钻头的研究情况。在现有研究现状的基础上,通过现场调研潜孔钻头在服役过程存在易断裂、掉齿、磨齿失效的问题,使用大型软件CAD/CAE/CFD可研究钻头在实时动态钻井过程钻头牙齿的受力情况、钻头的破岩机理、钻头结构参数及钻进过程流场特性,优化设计出满足空气锤钻井配套的高效破岩、长寿命的潜孔钻头。该研究为提高潜孔钻头使用寿命和提高充气锤钻井时效奠定了理论基础。     

水平定向钻管道穿越技术的最新发展

为了实现更大管径、更长距离的管道穿越,提高我国水平定向钻的穿越施工能力和装备水平,对国内外水平定向钻管道穿越技术的最新发展情况进行分析,总结了近几年国内外大型水平定向钻穿越工程和采用的新工艺、新装备,目前水平定向钻管道穿越技术开始向大型工程、大型钻机和大型钻具的方向发展。研制开发了最大回拖力高达1 500 t的水平定向钻机,壁厚为一般钻杆厚度两倍的厚壁钻杆,杆体直径为244 mm的钻杆,机动灵活的模块化钻机,用于硬岩地层的PDC钻头和PDC扩孔器牙轮等水平定向钻新装备。此外,水平定向钻正向扩孔技术也得到越来越多的应用。这些最新发展对于促进我国水平定向钻施工技术与装备水平的提高和业务发展具有重要的指导意义。     

全孔反循环气动冲击潜孔锤设计及其冲击碰撞性能研究

设计了一款全孔反循环气动冲击潜孔锤,主要由逆止阀系统、气缸、锤体、芯管、钻头等组成,可在井底形成冲击回转破岩效果,提高硬质地层机械钻速。为使该潜孔锤达到破岩要求,并防止高频冲击导致井底岩屑重复破碎,建立了该潜孔锤的虚拟样机,采用多体动力学和显示动力学仿真方法,对锤体与钻头间的冲击碰撞作用进行了仿真模拟,分析了潜孔锤工作过程中冲击运动组件的碰撞特性及其结构强度,并应用回归分析方法获得了锤体回弹速度与上一循环的冲击末速度关系的计算方程,通过强度分析得出了锤体冲击末速度的最适合范围为5.8～7.2m/s。     

挖坑机钻头的有限元分析与试验

为进一步合理设计钻头结构,采取理论与试验相结合的研究方法,对挖坑机钻头进行了挖坑试验和有限元法的静态与动态分析。通过挖坑试验得到2种典型工况下钻头的最大扭矩和铅垂阻力,将试验得到的最大阻力作为外载施加到钻头的三维实体模型上,利用有限元方法对挖坑机钻头进行静力学和模态分析。结果表明:钻头的最大等效应力为111.0 MPa,位于主刀架和主刀的连接螺栓孔内壁上;最大变形位移为0.68 mm,位于主切削刃最外角点。前6阶固有频率振型中,除了体现钻头整体扭转振动的第3阶模态有利于减小阻力及应力集中外,其余5阶振型均不利于钻头的平稳工作,应尽量避免。      

涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能试验分析

涡轮钻具是一种有效的钻井工具.但是,仅有性能良好的涡轮钻具而没有与之配套的钻井工艺技术,会导致涡轮钻具的应用受到限制,使涡轮钻具的优越性得不到充分发挥.在试验和理论分析的基础上,进行了涡轮钻具及PDC钻头联合工作性能研究,建立了钻压与涡轮转速关系,回归出试验钻头、试验岩石在不同泥浆密度和粘度下钻压与涡轮转速关系的计算式,对指导涡轮钻具的应用,加快勘探速度,降低勘探成本具有十分重要的意义.     

新型AlTiN涂层钻头高效干式钻削40Cr的开发与试验

针对40cr的高效干钻削,开发了含铝质量百分比分别为40%和55%的AlTiN涂层钻头.通过刀具耐用度、加工表面质量、刀具磨损、切削变形等方面的研究,分析了不同含铝量的涂层对干钻削加工的影响.试验结果表明,AlTiN涂层钻头适合高效干钻削,并能保持良好的加工表面质量,特别是含铝量为55%的涂层,其耐用度在90 m/min的切削速度下是含铝40%涂层的1.3倍.试验还揭示了这两种涂层干钻削的磨损机理:两种AlTiN涂层都出现了氧化磨损,高含铝量的涂层在切削温度下易形成致密的氧化膜,使刀具抗高温性增加并减少涂层剥落,最终以涂层塌陷形式失效;低含铝量涂层刀具以涂层剥落、微崩刃形式失效.同时高含铝量涂层改善了加工过程中的润滑条件.     

钻头振动信号传播试验及应用研究

通过安装在地面套管头处的传感器采集由钻头破岩产生的振动信号,对振动信号进行分析和处理,得到钻头距邻井套管的距离与振动信号特征之间的关系,预测出钻头在钻进过程中是否靠近邻井套管,从而达到防碰预警的效果。通过室内试验研究了振动信号在钢材、水泥石、花岗岩及砂岩中的传播及衰减规律,分析了频率、管径及接头数目对传播规律的影响,并在海上某平台进行了现场应用。室内试验结果表明传播介质材料强度越低、胶结质量越差、接头越多、震源频率越高,振动信号衰减越严重;振动信号传播速度不受震源频率及传播管径的影响。现场应用表明钻头振动可应用于海上丛式井和加密调整井钻井过程中的井眼防碰监测,效果良好。     

花生米静压破损试验研究

为了研究花生米脱壳过程中破碎等损伤形式、规律和机理,探索花生米在静压下的破损形式与力学特性.测量了花育23和四粒红花生米的物理特性.并用电子拉压试验机进行了花生米不同位置的静压破损试验.得到了所选花生米静压下载荷-时间特性曲线、破损力以及破坏时的状态与规律.沿花生米不同位置加载时,破损载荷存在一定差异,破损表现形式也不相同,花生米最大破损力为55～80N,是花生壳破损力的1.5倍.     

定北区块优快钻井技术研究与应用

定北区块古生界探井机械钻速低,钻井周期长,在一定程度上制约了该区勘探开发进程.为有效提升该区块的钻井指标,针对该区上部地层钻头易泥包、井眼易缩径、阻卡,石千峰、刘家沟地层研磨性强,下古生界地层易漏失等钻井技术难点,从优选适配地层的高效PDC钻头、复合钻进模式、钻井液技术、井身结构优化等方面开展了技术措施优化和现场试验.现场试验的定北11井、定北12井较优化前探井平均机械钻速提高了29.83％,平均钻井周期缩短了23.46％,定北12井钻进至3539m,仅17.46d,全井平均机械钻速9.59m/h.应用效果表明,采取的提速技术措施是可行的,基本形成了一套适合该区的优快钻井技术,对该区探井的进一步提速增效具有指导和借鉴意义.     

预制装配式SRC柱-钢梁组合边节点受力性能分析

为探究预制装配式SRC柱-钢梁组合边节点在单调荷载作用下的力学性能,在此基于已有的试验结果,通过有限元软件ABAQUS建立该边节点在低周往复荷载作用下的数值模型。分析表明,有限元计算结果与试验结果具有较高的吻合度,所建模型有效且可靠;在此基础上,分析了节点核心区节点盖板悬臂段长度(l)、翼缘连接板厚度(t)和翼缘连接板焊缝长度(wl)对该新型节点受力和变形性能的影响规律,得到了不同影响因素作用下新型节点的破坏形态、荷载-位移曲线和关键路径上的应力分布规律。结果表明:增加节点盖板悬臂段长度能有效改善节点的破坏形态,但对提升节点的承载能力影响较小;增加翼缘连接板厚度有利于提高节点的承载能力和延性性能,承载力和延性分别提升30.3%和43.0%,但增加了节点核心区的剪切变形,不利于塑性铰外移;翼缘连接板的焊接长度可有效改善节点的破坏形态和延性性能,但焊缝长度为100 mm的节点承载力下降约为13.2%,建议焊缝长度取值110～130 mm。     

新型反作用液动冲击器的设计及碰撞性能分析

研制了一款新型反作用液动冲击器,主要由蓄力弹簧、冲击组件及分流机构等元件构成,该冲击器具备较大的冲击力,可为井下钻进过程提供较大的冲击功,从而提高钻进效率。先根据冲锤运动方程求得不同弹簧刚度下冲锤末速度和频率大小,确定满足结构设计要求;再选定特定冲击组件材料,采用ADAMS软件建立了冲锤与砧座的冲击碰撞模型,结合Ansys Workbench软件模拟了冲锤冲击砧座的碰撞过程。根据最小破岩冲击功的计算公式及冲击组件结构强度分析,最终获得冲锤冲击末速度的适用范围为5.24～8.05m/s,为冲击器的结构设计提供了理论指导。     

水稻芽种静力有限元分析及性能的试验研究

采用ANSYS软件对水稻芽种基体进行了静力有限元分析,其模拟结果为静载荷下芽种基体的应力变化呈扩散型分布,其受力点处所受破坏最大,愈向外其破坏性愈小。模拟结果与压缩破坏敏感性试验结果相吻合,以受力4.5 N作为芽种基体的静压载荷的极限,超过这一极限,将会破坏水稻芽种的内部生理组织,影响芽种生长;同时推导出水稻芽种基体在静压载荷下的数学模型及试验水稻芽种继续生长率与静压载荷回归方程。     

新疆油田吉25井区致密油探井钻井提速技术探讨

根据新疆油田吉25井区地质特征、钻井难点和钻井实施技术现状,从钻井工具、钻井液体系及配套钻井工艺等方面提出了相关钻井提速措施,即在三叠系以上井段采取优选PDC钻头并优化钻头组合等钻井提速技术;在三叠系以下井段采取多项钻井提速技术（包括使用个性化PDC钻头、采用自激振荡武旋转冲击钻井工具、实施自激式谐振多级脉冲射流钻井技术、实施PDC钻头＋螺杆复合钻井提速技术）;优化钻井液（包括控制钻井液密度、滤失量和控制钻井液的抑制性和封堵性）;优化配套钻井工艺。现场应用表明,采用上述措施可以提高吉25井区钻井质量和钻井速度。     

单弯螺杆钻具组合造斜能力研究

为了更全面的考虑影响单弯螺杆钻具组合造斜能力的因素，对单弯螺杆钻具组合的造斜能力进行了深入研究。在平衡曲率法的基础之上，考虑地层变井斜力，建立“考虑地层作用造斜率”的计算模型，并进行实例分析。研究结果表明，某水平井造斜井段使用单弯单稳螺杆钻具组合滑动钻进，其中实际造斜率9.2（°）／30m ，考虑地层作用时造斜率10.3（°）／30m ，没有考虑地层作用时造斜率15.8（°）／30m。分析单弯螺杆钻具组合结构参数和钻压对造斜率的影响规律，得出考虑地层作用时造斜率随着钻头到下稳定器距离的增加而大幅减小，随着钻压的增加而减小；没有考虑地层作用时造斜率随着钻头到下稳定器距离的增加而略有减小，随着钻压的增加而增加。实例分析和规律表明：研究单弯螺杆钻具组合的造斜能力时，必须考虑地层作用，这样可以更准确地预测单弯螺杆钻具组合的造斜率；分析单弯螺杆钻具组合造斜率随结构参数和钻压变化的规律，为钻具设计和钻压优选提供依据。     

基于ABAQUS的定向钻穿越钻具受力分析

定向钻导向孔钻进和扩孔过程中,钻杆经常由于疲劳损伤而断裂.在缺少相关规范要求的情况下,对于某超长距离定向钻穿越工程,运用大型有限元软件ABAQUS,建立了钻柱-孔洞全孔模型,综合考虑钻柱服役环境、岩土对钻柱的摩擦碰撞及泥浆的浮力等作用,分别对导向孔钻进、扩孔钻进两种工况下的受力情况进行了有限元分析,对钻杆寿命进行了安全性评价.模拟结果表明:超长定向钻导向孔钻进宜采用对穿；在导向及扩孔过程中,钻杆使用时间超过288 h后,宜更换钻杆.采取有限元法对钻杆受力进行分析,可以有效指导定向钻穿越施工.     

荞麦剥壳机性能参数试验研究

针对砂盘式荞麦剥壳机存在效率较低、重复搓擦、能耗大等问题,改进了剥壳机主要工作部件,分析产生间隙调整误差的原因,在此基础上对提高荞麦剥壳机的出米率及降低相对碎米率进行研究。以粒径为4.6~4.8mm的荞麦为试验原料,将出米率和相对碎米率作为评价指标,对影响剥壳效率的主要因素:剥壳间隙、砂盘转速及间隙周向误差进行试验研究。试验结果表明:剥壳间隙接近5.0mm时,出米率较高而相对碎米率较低;随着砂盘转速的增大,相对碎米率呈二次函数逐渐递升,最佳转速为950r/min。正交试验结果表明:剥壳间隙周向误差对碎米率影响显著;剥壳间隙和砂盘转速对出米率、相对碎米率均有显著影响。最终优化方案为:剥壳间隙4.8mm,砂盘转速950r/min,间隙周向误差±0.05mm,此时出米率为35.4%,相对碎米率5.8%,出米率高于目前荞麦米生产水平10%~25%。     

室内试验确定现场岩石研磨性的实用方法

室内试验和现场工况条件下岩石对钻头磨损机理存在显著差别,针对室内研磨性测试结果与现场研磨性差异较大的问题,综合考虑了岩石自身性能和钻头使用条件对其研磨性的影响,以室内研磨性测试结果和现场实际钻头使用条件为输入参数,建立了现场研磨性神经网络预测模型,提出了通过室内试验确定现场工况下岩石研磨性的方法,现场条件下岩石研磨性预测准确率达到85%以上,为钻头的选取和钻井参数的确定提供了更为准确的依据。