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。      

新型扭振冲击工具的结构设计与工作特性分析

现有冲击破岩及旋冲破岩技术大多利用轴向冲击及PDC钻头的剪切作用来进行高效破岩,但是过度的轴向力会造成PDC钻头剪切力失效,并发生黏滑和卡钻现象。鉴于此,设计了一种新型扭振冲击工具。在进行新型扭振冲击工具结构设计和工作原理分析的基础上,分析了工具的运动特性,建立了撞击发生器偏心环对传动轴的撞击时间模型,并对撞击时间与流量和频率之间的关系进行研究。分析结果表明:流量越大,撞击发生器偏心环与传动轴相互作用下的撞击时间越短,撞击频率越高,钻头冲击岩石的速度越快,越有利于提高钻头的破岩效率和机械钻速。研究结果可为新型扭振冲击工具的理论研究和现场应用提供借鉴。     

复合谐振钻井工具的研制及现场试验

为了提高软硬交错及偏软地层的机械钻速,提出了同时给PDC钻头提供高频低幅的往复轴向谐振载荷和扭转谐振载荷的复合谐振钻井方法。建立了复合谐振作用下切削齿的运动轨迹模型,研究了切削齿的动态前角及切削齿前端岩屑的摩擦力变化。分析结果表明:复合谐振钻井方法能增加切入状态时的动态前角,降低切深抗力,增加切削深度;能使切出状态时岩屑所受的摩擦力的方向发生反转,有利于岩屑的排出。基于提出的复合谐振钻井方法,研制了复合谐振钻井工具并在钻井现场进行了试验。试验结果表明,使用复合谐振钻井工具后,与邻井相同层位相比,平均机械钻速提高了37. 9%,且起出后的PDC钻头新度较高。研究结果可为应用复合谐振钻井方法提高软硬交错及偏软地层的机械钻速提供依据。     

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。     

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。     

复合冲击频率配合特性模拟研究

目前,对于传统的轴向冲击破岩和扭力冲击破岩机理的研究较多,而复合冲击钻井破岩机理的研究正处于起步阶段,且现有的研究成果极少。鉴于此,利用ABAQUS动力学冲击模块计算平台建立了PDC钻头单齿-岩石相互作用的动力冲击数值模型,考虑切削齿在钻压、转速、交变冲击扭矩和交变轴向冲击力等多个载荷的共同作用下,分析了复合冲击破岩方式、轴向冲击和扭向冲击频率配合方式、钻压等几个因素对复合冲击破岩效果的影响。研究结果表明:岩石单元内部拉应力与压应力破坏区域交替分布;冲击条件相同,且在轴向冲击频率为扭向冲击频率的1/2时,岩石破碎效率最高;如果冲击频率太小,而不能及时有效地破碎钻遇岩石,即发生黏滑振动;如果冲击频率太大,载荷作用时间太短,则破岩过程中冲击能量无法及时分配,冲击力微弱,因此,复合冲击频率配合数量关系存在一个冲击频率极值。复合冲击钻井技术破岩机理的研究为新型钻井工具的进一步开发和优化改进奠定了理论基础。     

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。     

三维振动冲击器钻井提速工具研制与现场试验

为消除PDC钻头的黏滑振动现象,降低滑动导向钻进摩阻,提高机械钻速,延长PDC钻头的使用寿命,研制了一种新型钻井提速工具——三维振动冲击器。三维振动冲击器结构紧凑,无橡胶件和电子元器件,耐高温高压,工作安全可靠;轴向冲击减小了整个钻柱的摩阻力,增强了PDC钻头吃入硬地层的能力,周向冲击消除了钻进过程中的黏滑现象,有利于钻头均匀切削,在中海油临兴致密气区块5口井的现场试验中,工具的工作寿命超过150 h,较邻井提高机械钻速45%以上,可以与螺杆钻具配合使用。研制的三维振动冲击器改善了定向钻进工具面的控制,有效提高了定向能力和定向钻进速度。     

新型多重复合切削钻头的研制

为提高钻头在研磨性硬地层中的机械钻速,延长钻头寿命,研制了新型多重复合切削钻头。该钻头采用"PDC复合片+锥形PDC齿+金刚石孕镶块"3级切削结构,以PDC复合片作为1级切削元件、以锥形PDC齿作为2级切削元件,以金刚石孕镶块作为3级切削元件。多重复合切削钻头具有PDC钻头、牙轮钻头和孕镶金刚石钻头的优点,使钻头既具有较高的机械钻速,又能保持较长的寿命。在青海东坪地区基底花岗岩地层的现场试验中,新型多重复合切削钻头进尺137 m,纯钻时间114.9 h,机械钻速1.19 m/h,比同井段HJ537G牙轮钻头进尺提高128.3%,机械钻速提高40%。多重复合切削钻头为强研磨性硬地层钻井提速提供了一种新型高效的破岩工具。     

SLTIT型扭转冲击钻井提速工具

在我国钻井大提速的背景下,提出了一种集机械剪切、水力和扭转冲击3种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新技术及装备。旋转钻井过程中,在不影响钻进的情况下,扭冲工具利用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击,将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的井底机械破岩能量,并直接传递给钻头。5口井的现场试验结果表明,扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国的钻井技术环境,能够有效消除PDC钻头的卡滑现象,减轻钻柱扭转振荡,能够有效保护钻头和钻具等配套部件,有效降低钻井成本。     

脉动式扭转冲击钻井工具工作特性分析与测试

为抑制PDC钻头钻进硬地层时的粘滑振动,设计了一种可以为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果表明:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。脉动式扭转冲击钻井工具样机性能室内测试结果表明,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能够为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。      

轴向拉力作用下复合钻柱允许扭转圈数的计算方法

深井、超深井钻井中经常使用复合钻柱,如出现卡钻等井下故障,处理时需要计算复合钻柱允许扭转圈数,但目前尚没有关于复合钻柱允许扭转圈数的计算方法。为此,从材料力学基础理论入手,建立了复合钻柱各分段最大剪切应力与几何尺寸之间的数学关系式和各分段谁先达到许用值的判定式,并推导出了在轴向拉力作用下的复合钻柱允许扭转圈数计算式。实例验算表明,推导出的轴向拉力作用下的复合钻柱允许扭转圈数计算式具有科学性和合理性,对处理深井、超深井复合钻柱卡钻等井下故障具有指导作用。      

自激振荡式冲击钻井工具在大港油田的应用

为进一步提高中深井、硬地层钻井速度,大港油田在段六拨、孔南等4个区块8口井的部分井段应用了自激振荡式冲击钻井工具进行钻井试验。现场施工表明,该工具性能稳定,质量可靠,应用井段机械钻速提高了14.2%~132.63%。这表明应用自激振荡式冲击钻井工具基本能够满足提高钻井速度的要求,但为了充分发挥该工具的提速性能,应分析该工具的最佳适用条件。      

复合阳离子钻井液体系的研究和应用

在室内进行了不同阳离子比例对钻井液性能、页岩抑制性及对粘土吸附能力和离子交换能力影响的试验，结果表明：在比例合适的条件下，由K^＋、Ca^2＋、Al^3＋等阳离子组成的复合阳离子钻井液体系具有强抑制性、低粘切和粗分散特性。现场应用表明，复合阳离子钻井液体系能很好地解决中原油田黄河南硬脆性泥页岩水化分散和膨胀引起的井壁失稳问题及南方海相地层盐膏层污染钻井液、流变性难控制的问题。     

基于RFID技术的石油钻具管理系统研制

为了提高钻具管理的信息化水平,研究了基于RFID技术的钻具信息采集管理系统。选择适用于钻杆的超高频RFID标签作为信息载体,采用有限元方法分析了标签安装孔对钻杆强度的影响;以超高频RFID读取技术为基础,构建了环形阵列天线结构的信息采集硬件系统,天线阵列发出的读写信号能够全向覆盖钻杆;采用.NET技术构建远程信息管理系统,实现了钻具信息采集、存储的远程无人值守;环形阵列天线及读写器安装在钻井平台下方,起下钻作业时钻杆穿过环形阵列天线,即使不知道RFID标签埋入位置也能采集到钻杆信息,通过Web端即可管理钻杆信息。试验结果表明,在RFID芯片位置未知的情况下,钻杆以0～2.00 m/s的速度运动时,系统能准确无遗漏地采集钻杆信息。基于超高频RFID技术的钻杆管理系统的研制,为石油钻具管理信息化提供了有效途径。      

随钻仪器和定向工具实钻及循环试验系统的研制

旋转导向钻井技术长期被国外垄断,国内由于缺乏必要的地面试验设备而严重影响其研发和产业化进程。鉴于此,研制了随钻仪器和定向工具实钻及循环试验系统。该系统由水平钻机试验系统和循环试验系统2部分组成。包含3 122 m室外埋地管线的循环试验系统可进行随钻仪器信号传输和相关工具单元试验检测;水平钻机试验系统配合循环系统可在实验室内进行旋转导向工具的实钻试验。完成的70多项循环试验和7次导向工具实钻试验为随钻仪器和定向工具参数的调整及结构改进提供了试验数据。该系统的成功研制加快了国内旋转导向技术的研发速度。     

一种新型负压脉冲钻井工具的设计及研究

在钻井作业中,为解决深井、超深井机械钻速慢的难题,设计了一种新型负压脉冲钻井工具。工具内装有高压机械自激交互式水力脉动腔,采用流速为50 m/s的高压泵对该腔进行初步的实验研究,实验结果表明,机械自激交互式脉动腔短节能够将稳定来流转换成脉动流体,形成初次振荡效果。为方便现场应用,提出了新型负压脉冲钻井工具在常规钻井中的使用方案。这种新型负压脉冲钻井工具有利于破碎井底岩石。     

自动防斜钻井钻具设计

目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力,在井斜角很小时,降斜力一般很小,在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此,设计了一种自动防斜钻井钻具,该工具包括钻铤体、偏心套筒、钢球、活塞及螺栓等。偏心套筒通过钢球挂在钻铤体外表面上,该偏心套筒一端部的内壁上有一环槽,并且该端部上位于薄边处还沿轴向延伸出一个凸台,该凸台内有一与有环槽贯通的两端封闭的弧形半环槽。在钻铤体上,与环槽对应处有与该钻铤体内腔贯通的通孔,与半环槽对应处有导流孔,该导流孔通过流道与钻铤体上的活塞腔相连通。在活塞腔内有一活塞。该钻具根据不倒翁原理和千斤顶原理,能够自动利用液压力量来产生降斜力,从而防止了井眼的偏斜。