瓦斯抽采钻孔棱状钻杆排渣原理数值模拟

为分析棱状类钻杆应用于松软突出煤层钻进存在优势的原因,基于流体力学理论,建立了棱状钻杆排渣模型,采用有限元方法,应用标准κ-ε模型方程进行计算,对钻杆旋转与周边流体相互作用的流场特征进行分析.结果表明,在钻杆棱角处形成“低压高速区”,棱边处形成“高压低速区”,钻杆棱边壁面流体产生速度、压力波动差,从而在“高压低速区”钻杆壁面形成强烈的“压差涡流”现象,减少了钻屑在孔底堆积致使钻孔堵塞的概率.应用棱状钻杆在松软突出煤层中施工钻孔,钻进深度提高34.6％,钻进效率提高21.1％,钻孔达标率由9.8％提高到48.3％,试验期间,钻杆强度可靠,未出现丢钻、断钻现象.     

S135材料疲劳性能测试及P-S-N模型的优选

钻具的失效大多为疲劳断裂,钻具的疲劳失效严重制约了安全施工。为解决钻杆材料疲劳寿命的准确描述问题,以S135钻杆材料为例,首先采用疲劳试验机测得材料的疲劳性能,基于试验数据分别采用正态分布模型、对数正态分布模型、Weibull两参数分布模型、Weibull三参数分布模型和指数分布模型进行数据处理,综合评价优选出描述能力最好的概率分布模型,并用该模型计算一定存活率下的疲劳寿命;然后通过一定存活率下的疲劳寿命和应力水平分别采用Basquin S-N模型、指数S-N模型和三参数幂函数S-N模型建立材料的P-S-N曲线模型;最后通过综合评价优选出拟合能力最强的P-S-N模型,并绘制P-S-N曲线。结果表明:S135材料在中长疲劳寿命区,Weibull三参数模型在四级应力水平下的线性相关系数均大于0.99,综合评价能力最好;在存活率分别为50%、90%和99%时,三参数幂函数S-N模型的拟合系数均大于0.974,综合拟合效果最好。研究表明,采用Weibull三参数概率分布模型和三参数幂函数S-N曲线模型能准确描述S135钻杆材料的疲劳性能,得出的P-S-N曲线为S135钻杆的疲劳寿命设计提供依据。     

基于钻杆推力法结合钻杆位移预测围岩应力的研究

为准确预测矿井冲击地压的发生规律,基于钻杆推力法结合钻杆位移理论,建立钻杆力学模型,利用新型钻削设备,结合钻削采集测试试验。根据试验数据绘出在不同围压轴压下推力、位移随时间的变化曲线,对应力变化进行预测。根据建立动力学模型及公式推导进而得出预测冲击地压的规律,通过测试钻杆推力估算煤体应力的大小,进而预测冲击地压的危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

基于磁记忆技术的钻杆检测系统研究

钻杆在工作中,要受到不同种类较大的载荷,在这些复杂载荷的作用下,钻杆会产生不同程度的应力集中,而导致微裂纹等缺陷的产生,进而钻杆可能会发生断裂、刺漏等问题,严重影响钻井的正常作业。为了检测钻杆内的应力集中程度能否达到安全使用的标准,课题组基于磁记忆检测方法和Visual Basic及Matlab等软件开发平台,设计出了一套钻杆检测系统,其中钻杆检测装置可方便移动、稳定检测;钻杆检测软件可控制数据采集、分析数据、判断钻杆的安全状态以及输出钻杆的检测结果报告等。采用该检测系统检测使用过的钻杆,检测结果表明,结合钻杆检测装置和检测软件可为钻杆的应力集中提供高效、便利的检测手段,有利于推广磁记忆检测这一先进技术在钻杆检测方面的应用。     

三棱钻杆粉体负载扭矩计算模型研究

为了实现三棱钻杆转动过程的定量化计算,在分析了三棱钻杆排粉机理的基础上,提出了基本假设,建立了扭矩基本物理模型,并阐述了物理模型的求解过程,得到了基本参数的解析解。在此基础上,对相关参数的求取方法以及最小扭矩问题进行了分析讨论,求得了钻孔内煤粉密度ρ的解析解以及降低钻杆整体扭矩的方法,提出了实际应用环节测定临界转速w界的实验方法,并得到了提高钻孔长度的理论方法。     

基于Bezier曲线的特殊螺纹密封面参数化设计

为提高油套管特殊螺纹密封性能,优化特殊螺纹密封结构,基于Bezier曲线理论方法,提出1套特殊螺纹球面对锥面密封结构参数化设计方法,并设计了1种基于Bezier曲线理论的特殊螺纹密封结构。通过数值模拟方法,对比分析新型特殊螺纹密封结构与传统球面/锥面密封结构形式密封面上接触应力分布。结果表明:基于Bezier曲线设计的特殊螺纹密封结构可提高密封面接触压力,改善螺纹接头密封区塑性区域分布,有利于提高特殊螺纹接头的抗疲劳性能,有效预防特殊螺纹接头应力腐蚀断裂,为深井、超深井油管柱螺纹接头的密封设计提供参考。     

高阶段尾砂胶结充填体力学研究与博弈树配比优化

在实验室试验了不同配比尾砂胶结试块强度,在充填采场取样测试了采场充填体强度.结果表明,如果以实验室试验的力学参数为充填配比设计依据,充填体最小设计安全系数为1.6～1.8比较合理.分析高阶段充填体受力,推导了分层充填力学计算公式及安全系数计算方法;根据充填工艺,确定最小充填高度,沿采场高度方向划分配比优化单元,建立了高阶段充填体配比优化设计模型;采用博弈树分析方法,解决了高阶段充填体配比优化问题,并对安庆铜矿5号矿房配比进行了优化.结果显示:与经验设计方法相比,采用本文方法优化充填配比,不仅使高阶段充填体内安全系数分布更趋合理,而且降低了水泥消耗.     

基于GSI原理瓦斯抽采钻孔收缩比评估方法及其应用

瓦斯抽采钻孔收缩是致使排渣阻力增大、钻孔发生堵塞的主要因素。基于地质强度指标(GSI)法,分析了评估煤体力学参数的方法,探讨了Mohr-Coulomb与Hoek-Brown准则内在关系,从而能够应用较为广泛的方法验证和求解不同煤层条件下钻孔的变形量;提出了钻孔收缩比概念和计算方法,应用GSI原理对不同强度煤的钻孔收缩比进行定性分析。分析结果表明,钻孔收缩比受煤体强度变化的影响非常敏感,对于强度较低的煤体,钻孔变形量大,钻孔收缩严重,其结果缩小了钻孔的排渣空间,间接增大了钻屑运移、钻杆旋转及退钻阻力,使钻孔施工更加困难。结合工程案例,根据施工地点地质条件,科学评估钻孔收缩比并提出钻孔施工改进方案,通过工业性试验,钻进深度提高40%,钻进效率提高97.5%。     

钻杆内下套管防治软煤层钻孔塌孔技术

为了防止软煤层钻孔在瓦斯抽采过程中短时间内塌孔堵死,提高钻孔瓦斯抽放效率,对软煤层钻孔钻杆内下套管设备和工艺方法进行了分析和研究。通过对比分析常规下套管方式、原有钻杆内下套管方式和改进后钻杆内下套管方式的在软煤层试验,得出以下结论:采用钻杆内下套管设备下套管的长度远大于采用常规钻进方式下套管的长度;钻杆内下套管设备的钻头和钻杆设计对钻进和下套管长度影响较大,设计时钻头直径大小应适中,钻杆应尽量采取内平丝扣连接;采用钻杆内下套管方式的百米钻孔瓦斯抽放量要远大于普通钻进下套管钻孔的百米钻孔瓦斯抽放量。     

小井眼双阶梯水平井摩阻分析及降摩阻技术

阶梯水平井作为一种特殊水平井,是开采低渗透、薄油藏的有效途径,然而,针对小井眼双阶梯水平井,由于钻具重量有限,定向滑动钻进过程中,钻压的施加极为困难,直接关系到钻井安全。分析了小井眼双阶梯水平井摩阻产生的原因,形成了以改善接触正压力和摩擦系数为主的小井眼双阶梯水平井降摩阻配套技术,并进行了现场应用。结果表明,通过简化井身结构,增加下部钻具的柔性,改善钻具与井眼之间的间隙,优化井眼轨道类型、靶前位移及造斜率,采用强抑制低摩阻低伤害暂堵钻井液体系等配套技术措施,可降低钻井过程中的摩阻,在确保安全钻井情况下,能有效地提高机械钻速,成功实现地质钻探目的,平均砂岩钻遇率为70.4%,为小井眼双阶梯水平井提供借鉴作用。     

深部煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律

为了研究煤层钻屑粒度随钻进深度分布规律，选取具有冲击危险性的平煤八矿己15煤作为研究对象，采取钻屑量测试和孔口瓦斯浓度监测，通过筛分实验煤样并应用Rosin Rammler分布模型，探究了钻屑粒度和钻屑量大小随孔深变化关系，分析不同点钻屑粒度分布特征。结果表明:小于0.075 mm钻屑粒度分布随孔深变化与钻屑量变化规律相吻合；不同钻孔随深度变化分别对应不同Rosin Rammler分布函数，随着应力过渡越平缓，粒径分布宽度系数n值越小，煤体应力越大粒径相关系数D越大；不同范围钻屑粒度占比大小也会影响钻屑量大小；在钻屑量较大时，孔口瓦斯体积分数会出现增高现象。通过对钻屑粒度分布规律分析，更好地了解深部煤体应力分布，有助于冲击危险的预警。     

松散煤岩体钻封注耦合注浆锚固机理与试验研究

针对松散煤岩体巷道钻孔成孔困难、锚固力低的问题，提出了钻封注分次注浆时空耦合加固方法，实现了钻孔内“全长封孔+带压注浆”，分析了钻封注分次注浆加固技术原理，研发了自钻锚杆、封孔及加固注浆材料，其封孔材料具有膨胀性大、强度大和凝固时间快等特点，注浆加固材料具有速凝早强、流动性好、固结效果好及强度较高等优点。研究结果表明:全长封孔后带压注浆，浆液扩散半径大，钻封注锚杆锚固力相对于数脂锚固提高1倍以上，表明钻封注分次注浆加固技术具有较高的应用价值。     

海上钻井平台安全风险预警模型应用研究

2010年美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸和2011年我国蓬莱钻井平台井涌事故,引发社会各界对海上钻井平台安全问题的关注.介绍了海洋钻井平台的组成结构,对海洋钻井平台的危险源进行了系统辨识,试图通过对海上钻井平台作业现场危险因素加以观察,诊断、分析警源、警情,警兆,警级,结合专家意见,从人员、设施设备、安全管理、工程地质、海上环境等几个方面建立海上钻井平台安全风险预警体系,采用改进的层次分析法,得出指标权重,构建海洋钻井平台安全风险预警模型,得到量化的预警结果.并通过对某钻井平台的实例分析,提出安全风险的预控对策,以期本模型对海上钻井平台的事故的发生起到一定的防范作用.     

在役石油钻机安全检测检验体系的建立

针对我国在役石油钻机安全检测的现状,分析了现有国内外检测标准存在的主要问题。从安全生产检测检验工作的实际需要出发,构建了在役石油钻机安全检测体系,确定了检验对象,给出_『检验依据、检验周期和准则,并制定出厂相应的检验细则。     

石油钻井作业的安全葡萄图管理技术

石油钻井作业是一个高风险行业,其风险具有严重性、突发性、隐蔽性、随机性的特点,是石油石化行业中最主要的事故频发区之一.震惊世界的“12.23”事故以后,在国家和企业安全生产的指导与监督下,事故较以前明显减少,但钻井作业的特点决定了其风险因素不会被消除,只能通过人的因素去预防事故发生.安全葡萄图从人的因素考虑,结合了人体生物节律与葡萄图两者的优点,除了具有葡萄图的特点外,还具有预测性、记录性和选拔性,是安全管理方面的一种新方法.安全葡萄图是一种以人为本的安全管理方法,通过加强人员安全管理来减少和消除事故隐患的目的.该方法简单实用,适合于钻井等高风险行业使用.     

松软煤层钻进高温闭锁及预警装置研究与应用

针对高瓦斯松软煤层钻孔施工存在孔内瓦斯燃烧的安全隐患问题，提出钻进高温闭锁及压力预警系统，开展钻头与闭锁装置之间的温度传导规律实验、储液密封仓液体介质实验，并进行现场工业性试验。研究结果表明:钻头与储液密封仓之间的温度传输平均差值约为251.52 ℃；储液密封仓选取水为充填介质时，能够保障钻头温度在380~424 ℃范围时蒸汽活塞发生动作；通过现场工业性试验，高温闭锁装置可实现钻头高温下的风水通路闭锁，及时切断氧气来源，避免钻进过程中瓦斯燃烧事故；压力预警装置可将钻进风水通路闭锁转化为声音信号，根据预警时长对钻进过程中的高温、渣堵钻头、瓦斯大等现象进行识别，并及时调整钻进速度及压力，从而降低钻进过程中事故发生的概率。     

松软突出煤层水平钻孔反循环气力排屑机理

为了解决顺层钻进瓦斯抽放钻孔成孔难的问题,提出了松软突出煤层瓦斯抽放钻孔钻杆内孔反循环气力排屑新技术,建立煤屑颗粒在钻杆内孔的反循环气力输送数学模型,经仿真求解,分析了输送压力损失及固相速度的变化规律。结果表明,在顺层水平钻孔钻进过程中,煤屑在反循环气力作用下,气流速度在钻杆内孔中上部比较稳定,而在钻杆内孔下部靠近内壁处的气流速度明显下降且小于中心区域;在同一位置输送浓度越大,气流速度也越大;在输送浓度不同的情况下,随着输送气流速度的增加,钻杆内孔的压力损失先降低再增高,在钻杆内孔反循环气力排屑时存在最佳经济速度。     

深部开采钻孔校验中钻进速度对钻杆转速影响的试验研究

通过对钻孔过程中的钻头破煤机理及影响钻杆转速变化的因素进行理论分析，提出了钻进速度与钻杆转速的对应变化关系，并利用钻进装置、加载装置及自主研制的钻孔多参量测试装置进行试验分析，验证了利用钻杆转速法测定煤体应力大小的可行性，同时对不同钻进速度下钻杆转速的变化规律进行研究。结果表明:在钻头、钻杆、煤岩体参数及钻孔前钻杆空转转速一定时，钻杆转速与钻进速度大致呈现负指数的函数关系，钻进速度越小，钻杆转速越大，反之，钻杆转速越小。研究钻进速度对钻杆转速的影响，可以减少利用转速指标对冲击地压等动力灾害的预测误差，实现高效预警。     

连续管钻塞水平段铁屑运移机理研究

针对水平井段连续管钻磨桥塞时铁屑运移规律尚认识不清,沉积的铁屑堆积在井下工具周围而导致卡钻的问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度以及铁屑流参数,建立了三维井眼环空铁屑运移模型,采用Standard κ－ε湍流模型及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了环空偏心度、钻塞液排量、铁屑直径、钻塞液粘度和铁屑体积分数对水平段铁屑运移的影响,得到了环空铁屑体积分数和固定铁屑床高度的分布规律。研究表明:增大钻塞液排量、减小铁屑直径、减小环空偏心度、增大钻塞液粘度和减小铁屑体积分数,可提高连续管钻塞水平段铁屑运移效率。水平段铁屑运移机理研究可为连续管钻磨桥塞卡钻问题的解决提供技术支持。