冲击凿岩机动力学融合设计

通过对冲击凿岩典型系统的波动力学分析,提出了反映冲击凿岩机具波动力学和结构特征的参数α,继而确定冲击凿岩机具的动力学特征参数α和运动学特征参数τ,实现了活塞弹性动力学与刚体运动学的融合,为冲击凿岩机具的概念设计提供了较完整的方法。图2,参9。     

旋流分离钻井液油相的实验研究

为了保证欠平衡钻井的安全高效,需要维护钻井液性能,分离由地层进入钻井液中的原油.在分析现有技术的基础上,提出将水力旋流技术应用于欠平衡钻井过程中原油和钻井液的分离.实验探索分析了操作参数和物性参数对旋流分离效果的影响.研究结果表明,操作参数和钻井液物性显著影响旋转分离效果.随着钻井液流量、分流比的增大,旋流分离效率和系统压耗同时增大,但是随着密度差和含有浓度的增大、粘度的减小、旋流分离效率增大的同时,系统压耗则呈现减小趋势.研究结果对实际装置的研制和相关工艺技术的开发提供了理论依据.     

钻井机器人偏心流道冲蚀实验及数值模拟研究

为解决大位移水平井连续油管钻井管柱屈曲的难题,提出了钻井液驱动的“钻井机器人+动力钻具”的连续油管钻井新方法。依据机器人外形尺寸、水力压耗、内部结构、加工制造等优化设计出了三段式偏心圆流道结构。提出了三段式偏心圆流道冲蚀分析方法,首先,建立了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型,分析了粒径参数、速度参数等对冲蚀速率的影响规律;其次,开展了钻井机器人偏心流道冲蚀实验,校准了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型;基于此进一步开展了钻井机器人三段式偏心圆流道数值仿真研究。研究表明,钻井机器人三段式偏心圆流道最佳倾角为5°,当流道壁厚5 mm时,偏心流道寿命超过300 h,满足一般井下工具的工作寿命要求;流道主要冲蚀点位置和冲蚀形态数值仿真与实验基本符合。研究为钻井机器人结构设计及工程化应用提供了理论依据,对促进连续油管钻井技术在大位移水平井的推广及应用具有重要的意义。     

能独立调频调能液压冲击器的研究

在理论研究的基础上分析了国内外液压冲击器的技术现状，提出了一种新型全液压式独立调频调能液压，中击器；阐述了它的结构、工作原理和液压系统：分析了它的技术特性；给出了实验结果．通过实验测试表明，实验结果与仿真结果吻合良好，样机实验达到了预期的效果，证明了理论研究的正确性图5，表2，参4．     

液动冲击器测试系统的研究

分析和比较了测试破岩冲击器冲击能量的各种方法，根据冲击力法的测试原理和特点，选用冲击力法测试破岩冲击器的性能参数，并以ＹＤ系列测力传感器为检测元件，建立了一套比较完善的自动检测系统。实验证明，用这套系统测出的结果比较准确地反映了冲击器的性能特点，对于研究和改进冲击器的结构具有指导意义，同时为研究冲击破岩机理提供了可靠的实验数据。     

地质力学特征评价新方法在导向钻井优化中的应用

针对常规导向钻井技术在适用范围、预测能力与运行成本等方面的局限性,在考察岩石物理及力学参数和地球物理信息之间定量关系的基础上,将地震反演、地质统计、地震属性分析、岩石力学方法与钻井工程实际需求密切结合,提出地质力学特征评价新方法,基于其对导向钻井系统进行优化。新技术以常规地震和测井资料为基础,充分结合钻井、录井等实钻信息,钻前建立地质力学初始模型用于钻井设计,钻进过程中参考实钻资料随钻修正并更新钻前模型用于钻井工艺实时优化,其关键环节是准确预测钻头前方待钻地层的强度、地应力、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等力学参数。以井壁稳定预测及其工程运用为重点,论述导向钻井优化中岩石力学理论和地球物理算法结合运用的思路与技术流程,将该方法在西南、西北复杂探区进行应用。现场应用表明,优化的导向钻井系统可以达到理想的参数预测精度与工艺优化效果,指导安全、优质、快速、低成本钻井的能力得到了提高。     

氮爆式液压冲击器建模与仿真

液压冲击器是工程施工中常用设备。为研究液压冲击器的特性,有必要准确地建立其仿真模型。利用功率键合原理在AMESIM系统中搭建液压冲击器的仿真系统,能综合考虑冲击器主要特点,可快速实现对液压冲击器主要参数的计算。利用DBS500型液压冲击器现有设计参数进行仿真计算后,计算结果与实测参数之误差在6%以内,说明了所建模型的正确性和可靠性。该模型对不同系列冲击器的参数设计和特性研究提供了良好平台。     

反向扩孔气动冲击器内活塞结构的仿真研究与优化设计

分析了反向扩孔气动冲击器工作原理,运用牛顿运动定律、热力学能量守恒定律、定常流动能量方程、波动理论等建立活塞运动的数学模型——冲击器性能(钻头获得的冲击能和破岩的有效功率)与内活塞结构参数的函数关系.利用Matlab数学软件对反向扩孔气动冲击器活塞运动的数学模型进行数值求解.对影响反向扩孔气动冲击器性能的各内活塞结构参数进行了详细的仿真分析,得到了各结构参数与气动冲击器性能之间的关系.钻头所获的冲击能和破岩有效功率会随着内活塞外径、内活塞长度、内活塞前端到钻头的距离的增大而减小.     

高风压无阀式潜孔冲击器的气缸结构优化及其性能分析

对高风压无阀式潜孔冲击器的气缸进行局部结构优化。通过对冲击器结构与工作原理的分析,建立起其冲击系统的模拟模型,并利用MATLAB进行模拟计算。研究结果表明:在气缸内部增加了一个过渡带,使得后气室进气长度发生了改变;在后气室进气长度等于临界值时,活塞的实际行程最短,频率最高,而活塞单次运动的冲击末速度、冲击功和耗气量基本不变。在气源压力为2 MPa时,后气室进气长度为10 mm时,冲击器的实际行程最小,频率最大,相较于上一代冲击器,频率提高了约9. 3%,其他性能参数与之基本相近,整体性能大幅度提高。研究结果对于高风压无阀式冲击器设计和优化具有参考价值。     

曹妃甸油田浅层大位移井管柱作业极限分析与优化设计

在浅层大位移钻井中,井下管柱上产生高摩阻扭矩,管柱作业极限问题突出,急需开展大位移井管柱作业极限分析与优化设计的研究。基于管柱平衡微分方程,综合考虑接触力、摩阻力、管柱内外钻井液等因素影响,建立管柱摩阻扭矩计算模型;以井眼延伸长度为目标,考虑地面和井下各种约束因素的影响,建立管柱作业极限的预测模型。针对曹妃甸油田一口浅层大位移井,计算不同工况下管柱摩阻扭矩,预测管柱作业极限,并提出优化设计方案。结果表明,采用滑动钻进技术无法达到设计井深,采用旋转钻进技术可达到设计井深,但存在一定的风险。提升钻机性能后,采用旋转钻进技术可安全达到设计井深;优化井身结构后,采用滑动钻进技术并辅以减摩措施可达到设计井深。     

冲击凿岩机具设计与岩石动力破碎特性

本文结合作者和国内外对岩石动力破碎特所作的一些研究、阐述了冲击式凿岩机具的设计和选型时所必须考虑的一些岩石方面的因素，并指出：在大力加强岩石破碎力学性质研究的同时，必须努力促进该领域基础性研究成果向凿岩机具产品设计方面的转化。     

冲击凿岩数学模型及活塞失效分析

应用应力波理论，建立了冲击凿岩的理论模型，并应用该模型对活塞的受力及失效形式进行了分析，找出了活塞失效的真正原因，提出了活塞选材的判据。     

低压脉冲射流的调制机理及调制器振动模拟

介绍和分析了钻井液主流阻断式调制射流产生低压脉冲的机理和可行性。初步设计出全尺寸低压脉冲调制器 ,利用MATLAB环境下的Simulink系统建立了调制器液压振动力学运动的计算机仿真模型。对调制器的液压控制过程及阀系运动进行了初步模拟 ,显示出调制器主阀和控制阀协调振动工作的可行性。仿真计算结果表明 ,调制器振动的频率、主阀启闭时间以及在下止点关闭主流的时间等重要工作性能指标基本符合射流低压脉冲的要求 ,这说明调制器的结构参数基本合理。调制器的实际工作性能、指标以及模型仿真的可靠性还有待于实验验证     

准噶尔南缘深井机械比能分析与钻井参数优化

准噶尔盆地南缘深部地层具有埋藏深、岩石抗压强度高、可钻性差等特点,导致复杂情况多、钻井周期长,单井平均钻井周期335 d,深部地层平均机械钻速在2 m/h以下,提高机械钻速是南缘深部地层钻井的迫切需求和巨大挑战。针对南缘深部地层复杂条件,建立井口载荷与钻头载荷之间的关系,分析螺杆钻具输出特性,推导复合钻井机械比能模型。以HT1井五开ϕ190.5 mm井段实钻数据为基础,针对不同地层分析南缘深部地层机械比能与机械钻速之间的关系,优选钻井方式,确定合理的钻井参数范围。机械比能分析表明,连木沁组对转速不敏感,推荐采用常规钻井方式并适当增加钻压;胜金口组和呼图壁河组推荐采用复合钻井,适当提高钻压;清水河组和喀拉扎组扭冲提速效果不明显,建议尝试新型提速工具,考虑尝试高钻压、适当转速的参数组合。研究结果可为后续南缘深部地层提高钻速提供参考。     

利用图版法预测欠平衡钻井井壁稳定性

与常规钻井液钻井相比,欠平衡钻井技术在提高机械钻速、保护油气层等方面有着无可比拟的优势;其中井壁稳定是欠平衡钻井过程中最为突出的问题。目前对于欠平衡钻井没有一套合理的井壁稳定分析方法,给现场钻井带来很多困难,需要进行欠平衡钻井井壁稳定性预测方法研究;通过建立坍塌周期图版来预测欠平衡钻井井壁稳定性。介绍了井壁坍塌过程动态计算模型研究、坍塌周期图版绘制、现场试验验证和现场应用。结果表明:国内外首次以坍塌周期图版的形式进行欠平衡钻井井壁稳定性动态预测,坍塌周期图版能够确定合理的钻井液密度,预测井壁坍塌的程度,为欠平衡钻井的设计和施工提供理论依据,是欠平衡钻井技术的配套技术,具有良好的推广应用前景。     

深水浅层导管喷射参数优化

目前深水表层导管下入施工大多数采用喷射法进行,钻井参数的合理选择对于深水表层导管喷射钻进起着至关重要的作用。基于室内模拟实验、现场模拟实验和现场应用试验数据分析,建立了钻压和排量参数与喷射下入速度之间的关系模型,得出了钻压和排量参数是影响导管喷射下入速度和等候时间的关键因素。研究成果已经在西非深水JDZ-2-1井进行了现场的应用,取得了很好的应用效果,能够为今后深水钻井设计和现场施工提供科学依据和技术指导。     

钻井液流变模式计算及优选

目前在计算钻井液流变参数时多采用线性最小二乘法方法进行求解,但是对于钻井液的非线性模式,线性最小二乘法改变了求解目标,使得计算结果不具有方差最小的特点。针对钻井液常用的三种非线性模式,分别提出了近似非线性最小二乘法的计算方法,该算法与非线性最小二乘法相比具有不需要设定初始计算值以及计算速度快的优点,同时与最小二乘法相比计算精度高。它可以应用到钻井液流变参数的确定、钻井液流变模式的优选等方面。     

钻井泵空气包自动气动增压充气装置研制

阐述了钻井泵空气包自动气动增压充气装置研制的现实意义、设计指导思想和设计方案的确定,讨论了主要参数的拟定。空气包自动气动增压充气装置的研制为钻井泵的正常工作和安全优质钻井提供了可靠保证。     

环空注气气举反循环钻井工艺及关键参数设计

利用气举反循环钻井技术解决长宁页岩气表层钻井漏失问题,需要解决常规气举反循环钻井技术井口敞开、井底压力控制不精确等问题。为此,在常规气举反循环钻井技术的基础上,设计了一种环空注气气举反循环钻井新工艺,新工艺加装旋转防喷器、钻杆旋塞等工具,具备井控能力。通过调节注气量、钻井液排量等关键施工参数,控制井底压力,减少钻井漏失。在多相流理论基础上,建立了与新工艺匹配的环空注气气举反循环井底压力计算模型,分析了关键施工参数对井底压力的影响规律,建立了关键参数设计方法,在安全窗口范围内优选关键施工参数,保证安全钻井。结果表明：井底压力随注气量的增大先减小、后增大,存在临界注气量;井底压力随井深增大而增大;井底压力随钻井液排量增大而增大。在长宁某井表层进行了现场试验,与同井段井漏地层相比,较常规钻井工艺技术井漏减少83.6%。研究成果为解决四川长宁页岩气表层井漏问题提供了一种新的技术措施。     

煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术研究现状及展望

煤矿坑道钻机自动化和智能化程度的提高、作业范围和应用场景的扩展,使其系统复杂性和工作环境恶劣程度随之增加,对煤矿坑道钻机可靠性提出新的挑战。为有效降低因钻机故障带来的安全风险,提升钻机全寿命周期的任务品质,煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术应运而生。首先从钻机状态参数采集、数据处理、诊断方法、系统应用等四个方面对煤矿坑道钻机关键系统状态监测和故障诊断技术研究现状进行总结分析,然后在故障预测与健康管理(prognostics and health management, PHM)技术基本概念的基础上根据集中式与分布式结合的方式提出了坑道钻机PHM技术框架,最后对煤矿坑道钻机PHM技术发展趋势进行展望,旨在为新一代煤矿坑道钻机及相关煤矿机械装备PHM技术的研究开展提供参考和借鉴。