PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果，利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型，研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性，再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明：在其他条件相同的条件下，复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高；岩石在复合冲击作用条件下，钻压对PDC齿破岩效率影响较大，且存在明显差异，增大钻压有利于破碎岩石；转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值，未达到这个值时，增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。     

复合冲击相位差对破岩效率影响数值模拟研究

现有复合冲击破岩效率的研究均未考虑轴向冲击和扭转冲击载荷相位差对于破岩效率的影响，为此，进行了复合冲击载荷相位差对破岩效率影响的研究。建立了轴-扭复合冲击钻具PDC钻头单齿破岩数值模型，分析了轴向和扭转冲击应力波不同相位差对钻齿侵彻深度、切削面下岩石损伤以及钻后形成岩屑形态及数量的影响规律。研究结果表明：在轴向和扭转冲击载荷等振幅条件下，当相位差为50%时，侵彻深度最佳，切削面以下岩石损伤的程度更为明显；当轴向振幅较大，相位差为75%时，对于岩体侵彻深度效果的提升最为明显，破岩效果最佳；相位差为100%时，侵彻深度较深，且钻齿波动较小，产生的岩屑颗粒较小。研究结论可为复合冲击钻具结构的优化和运动参数的调整提供理论基础。     

轴扭耦合冲击钻井技术研究

单纯的轴向或扭向冲击破岩技术存在局限性,已经不能满足目前钻井提速的发展需求。为此,在对轴向冲击和扭向冲击破岩提速技术深入研究的基础上,提出了轴扭耦合冲击钻井提速方法,研制了轴扭耦合冲击钻井提速工具,在分析工具性能特点及工作原理的基础上,对工具的轴向冲击力、轴向冲击频率、扭向冲击力和扭向冲击频率进行了分析与计算。分析结果表明:轴扭耦合冲击钻具集轴向冲击与扭向冲击优势于一体,能够最大程度地满足目前钻井提速的技术要求;建议加大轴扭耦合冲击作用下的动力响应机理、性能参数变化规律以及影响因素研究力度,充分发挥轴扭耦合冲击破岩的技术优势。所得结果可为轴扭耦合冲击钻具的室内及现场试验提供依据。     

复合冲击破岩数值模拟研究及现场应用

为了探究复合冲击载荷作用下聚晶金刚石复合片钻头（PDC）的破岩机理，利用ABAQUS有限元软件建立了PDC单切削齿-岩石相互作用的数值模型，模拟研究了常规切削、单轴向冲击、复合冲击下岩石破碎过程，分析了复合冲击破岩机理。结果表明：在复合冲击作用下，轴向载荷分量能够增加切削齿切削深度，同时切向载荷分量的剪切作用使岩石产生大体积破裂。相比于常规钻进，应用复合冲击钻井后机械钻速提高了26.2%。研究成果可为复合冲击钻井技术的现场应用提供理论参考。     

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。      

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。     

轴扭复合冲击工具的研制与应用

为提高PDC钻头破岩效率并减小钻具的粘滑振动,研制了一种轴扭复合冲击工具。该工具以自激振荡脉冲射流为能量来源,通过螺旋面结构将轴向冲击力转换为轴扭复合冲击力进行破岩,具有结构简单和轴向、扭向冲击力同步作用的特点。现场应用结果表明:与常规钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了95.2%～193.8%,单只钻头进尺增加了46.4%～229.2%;与螺杆钻具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了71.0%;与轴向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了66.3%,单只钻头进尺增加了194.0%;与扭向冲击工具相比,轴扭复合冲击工具的机械钻速提高了30.2%～46.8%,单只钻头进尺增加了17.2%～191.8%。研究表明,轴扭复合冲击工具可以提高破岩效率,减小硬地层的粘滑振动,破岩提速效果显著,具有推广应用价值。      

空气锤钻具防斜机理研究

空气锤在提高气体钻井机械钻速的同时可以有效控制井斜。通过对井底应力及空气锤破岩过程的研究,利用摩尔-库伦准则建立了考虑岩石本身以及周围压力的各向异性指数计算公式。结合空气锤的破岩特性得出空气锤钻具的防斜机理为:空气锤钻具的破岩力主要来自于内部冲击力,较小的钻压使钻具变形较小;空气锤的半圆形牙齿以及巨大冲击载荷使待破碎岩石的局部各向异性指数变小;空气锤低转速条件下的高频冲击有利于克服岩石的各向异性而实现平衡破碎。      

水力旋冲钻井工具破岩影响因素模拟及应用

常规的冲击钻井工具不能满足井眼轨迹控制要求、使用寿命有限、缓解脱压不显著等问题,影响了在定向井钻井中的推广应用。建立ø215.9 mm PDC钻头和岩石的有限元模型,分析钻井参数对破岩效率的影响规律,结果表明:冲击频率为17.5 Hz和35 Hz时,破岩效率最优; 破岩效率随钻压增大而增加,而后变化逐渐平缓; 破岩效率随钻头转速增大而增加; 破岩效率随冲击载荷的增加变化平缓。据此研制了新型水力旋冲钻井工具。现场试验表明,该工具符合定向水平井“一趟钻”工艺要求,使机械钻速提高56%,使用寿命达150 h,MWD信号正常。     

PDC钻头复合冲击钻进动力学研究

深部地层的环境温度高，岩石硬度大、研磨性强。采用PDC钻头常规钻井方式，钻头的破岩效率低、机械钻速慢。介绍了1种轴扭复合冲击破岩工具的结构和工作原理。建立PDC钻头破岩理论模型和数值分析模型，并进行对比分析，得出了常规钻进和轴扭复合冲击钻进过程中PDC钻头的运动轨迹和岩石破碎过程应力变化规律。分析发现，复合冲击作用下岩石裂纹发生快，更容易产生体积破碎，岩石表面能够形成连续均匀的破碎坑，相比常规钻进能够提速30%左右。该研究为轴扭复合冲击破岩提供了理论依据，对深井油气田开发具有重要意义。