气体钻井（精选七篇）
气体钻井 篇1
随着钻井技术的不断提高,气体钻井以其在深层海相地层勘探开发过程中能够提高钻速、降低成本、减小储层伤害等优点,得到广泛地推广及应用;然而,气体携水能力相对较弱,当钻遇地层出水时,岩屑遇水岩水化、黏度增大,易发生钻头泥包、井眼堵卡等井下复杂问题。因此气体钻井携水规律是一个很值得深入研究的问题。通过建立气体钻井携水实验台架,通过实验模拟及理论分析,对气体钻井携水规律进行研究[1,2,3]。
1实验装置
1.1实验架
钻井动态流动模拟实验架总高18 m、环空外管内径90 mm、内管外径50 mm的环空可视化有机玻璃实验装置[4]。实验架实验及测试系统主要包括:空气压缩机、储气罐、供液泵、压力温度传感器、可视化实验管段、分离器、数据采集系统等,如图1所示。
1.2数据采集系统
1.2.1 液量的计量与调节
液体流量由活塞式三缸计量泵提供,通过变频调速器调节电机转速,记录泵冲实现液体流量控制。
1.2.2 气量的计量与调节
在实验过程中由于气液两相在模拟井筒中流动阻力随流态变化较大,气体流量不易准确记录和控制,为了实现恒定流量注入井筒,采用以下方案:
根据空压机的额定流量,适当放出部分气体,只记录放出部分的流量,从而实现注入气体流量控制。具体作法为:在空压机出口的储气容器上安装一减压阀,通过一适当大小的喷嘴对大气放气,并记录进入喷嘴气体压力,通过减压阀调节喷嘴压力实现气体流量控制。
2实验流程及结果分析
2.1实验流程
供液系统通过注液管线将水注入井底,模拟地层产水;压缩空气通过注气管线注入模拟钻柱,在井底处与液体混合搅动进入环空,并将其举升至三通处通过排气管线放空。
2.2气体钻井携水规律研究实验方法
井底出水运动规律和井底出水对井壁润湿效果。
具体做法为:首先,注入小排量实验液体停止在一定液位高度(液位高度控制在10—30 cm),而后注气(注气量在0—260 m3/h控制)携液,利用高速摄像仪观察井底出水运动流型流态和井底出水对井壁润湿效果。
利用高速摄像仪研究气体中液体运动规律和携液效果。
具体做法为:在注气的同时注入微流量液体,利用高速摄像仪先观察液体运动形态,尔后加大注气量待井口有液体产出物后稳定注气2 min,观察高速气流中液体形态及运动规律。
3实验现象及数据分析
3.1实验现象
通过高速摄像仪捕捉到如图3下实验现象,图3A为井底携水搅动流态图,图3B为液膜波动前进图,图3C为液体湿润井壁图。
如图4为气体钻井气体携水量的测试图,图4A为通气前液面,图4B为气量稳定携水量达最大后,停止通气的页面。
3.2实验结果分析
高气液比条件下的稳定气流中,液体主要以液膜和液滴形式存在于管流中。而液膜主要以粘附于管壁缓慢向前推进,而中心管流液滴是被气流携带至井口。成膜现象的理论根据是:在一定的温度、压力和气组分条件下,管流中液滴碰撞在管壁上不断以管内壁的液膜形式存在,其多存在于管柱中、上部。随着液膜的逐渐增厚,液体会成股向下回流。
4携水规律研究
4.1气体钻井携水模型
在环状流中,液体的大部分通常以液滴的形式被携带于中央气流中,因此管子中央核心部分的流体密度不同于单相气体的流动密度。同时,管壁附近的液膜表面是一个不稳定的“粗糙”面[5,6]。
假设外管壁内侧与内管壁外侧液膜厚度相等(实际上内膜厚度略大),且都为δ (δ1=δ2=δ),则气芯区的面积为
气芯区面积占整个环空横截面总面积的分数为:
气芯区携液量占总携液量的分数为
与气芯区微元段相对应的整个环空区域上的微分单元的动量方程为:
通过上式可对αcore求解,因而确定环空气液两相流的总压降及液膜厚度。
液膜中液相的质量流量为:
整个环空中液相的质量流量为:
4.2理论模型与实验数据对比
通过上述理论模型,对气体钻井携水实验进行模拟计算,结合实验结果得到图5曲线,如图理论模型携液能力与实验结果吻合,该模型对气体钻井携水量计算具有指导意义。
5结论
(1)建立了一套适用于气体钻井携水规律研究的可视化实验装置,并进行了气体钻井携水实验。
(2)在气体钻井携水实验现象及结果分析的基础上,建立了气体钻井携水模型。
(3)通过理论模型与实验数据对比,两者吻合,说明该理论模型能够应用于地层出水情况下,气体携水量的计算。
摘要：气体钻井在某些方面具有常规钻井液钻井不可比拟的优势,在深层海相地层勘探开发过程中能够提高钻速、降低成本、减小对储层的伤害,具有广阔的应用前景。然而,当钻遇出水地层时,岩屑若遇水水化,黏度增大,容易导致钻头泥包、井眼堵卡等井下复杂问题,影响气体钻井的安全性。依托气体钻井井筒多相流大型实验架,对出水地层气体钻井携水规律进行实验研究。着重分析了井底携水搅动、井壁湿润、液膜形成及回落、液膜波动前进等携水现象,在实验结果分析的基础上,通过对环雾流携水规律的研究,提出了气体钻井极限携水能力计算模型。模型计算结果与实验结果相吻合,表明具有现场实用价值。
关键词：气体钻井,地层出水,携水实验,极限携水能力
参考文献
[1] Mitchell R F.Simulation of air and mist drilling for geothermal wells.SPE 10234,1983
[2] Santos H.No-damage drilling:how to achieve this challenging goal.SPE 77189,2002
[3]毕雪亮,陶丽杰,翟洪军,等.空气钻井最小流量计算的修正模型.断块油气田,2008;15(2):12—14
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[5] Lyons W C,Guo B,Seidel F A.Air and gas drilling manual.SecondEdition.New York:McGraw-Hill Book Company,2001:3—5
关于气体循环钻井工艺系统研究 篇2
1 气体循环钻井工艺的思路和流程
气体循环钻井工艺的思路是将排出井的固体、液体和气体混合物实现科学析出分离, 将液体和固体岩屑物质排出, 再将气体进行系统的分离、过滤和净化后进行进一步的处理和循环利用。对于采用天然气钻井的, 则可以将分离净化后的气体直接注入气源装置用于气体钻井利用。
在流程上, 气体循环钻井根据所使用的气体而不同, 本文主要以氮气钻井为例进行工艺流程的介绍。首先使用小容量的制氮设备制造所需氮气, 通过压缩机、增压机注入井中, 根据系统设定的循环利用参数值, 进行钻采, 钻进后的氮气循环利用, 可以降低制氮设备的压力, 制氮设备可以用于补气来配合钻进加深和气体损失所需氮气。
在氮气循环钻井工艺系统中所需的设备主要有容量相对较小的制氮设备、分离设备、过滤设备、排料系统, 这些装置应用的技术在我国已经很成熟, 实践应用的稳定性和可靠性也十分良好。在这些设备中分离和过滤的装置主要是利用的物理结构, 在运行上本身几乎不需要动力驱动, 所以能够大幅的降低能耗, 对生产成本降低和环境保护具有重要意义。
2 气体循环钻井工艺系统的具体步骤
2.1 制氮
制氮是在气体钻井开始前需要提前准备的, 准备充足的氮气后再通过压缩机、增压机开始注入井内, 注入的氮气达到钻井所需的压力、气量的条件下, 就可以开始进行钻进了。实践中, 由于工期和时间的要求, 可以在制氮完成后, 继续制氮, 并通过压缩机和增压机将其注入储罐内, 从而在面临钻井所需时, 即时注入井内, 而无需等待制氮设备制氮。
2.2 空气排气
在有的钻井中采用的是钻井液钻井和气体钻井结合的方法, 对于上部分钻井液钻井是可以直接采用空气气举排浆和干燥井眼的方法进行排气的, 这样可以省却制氮所花费用。空气排气后再开始氮气钻井前, 还需要先使用氮气将井内的和管线中的空气顶替排出, 以免发生不必要的事故。
2.3 补气
气体循环钻井开始以后, 对于井口排出的混合物, 经过有序的分离、过滤和净化后, 有用的气体直接接入压缩机、增压机, 被重新注入井内。钻井中产生损耗或者深度增加, 需要补充氮气时, 可以通过氮气储罐内的氮气进行补气, 确保钻井的顺利进行。
2.4 接单根作业
接单根作业中会产生一定的气量损耗, 如何控制这种损耗, 需要在设计中在钻柱之上每隔一段距离接装一个单向阀, 以此来控制钻柱内的氮气损耗。对于换空中的气量损耗可以使用旋转防喷器来控制, 实践中可以直接关闭旋转防喷器, 也可以调节其静压值来完成控制气量损耗的目的。但是上述方法存在一定的不安全性, 所以为了安全起见, 可以采取旁通管线的做法, 在注气管线与排砂管线之间接一条旁通管线, 这样能够有效减少开关防喷器的次数, 确保安全。
2.5 应急预案
在气体循环钻井中如果遇有井壁不稳或者地层出现渗水等问题, 在处理时可能需要增加气量, 此时可以使用储存与氮气储罐内的氮气, 也可以开启制氮设备开始制氮, 或者可以同时运用, 以迅速的保证充足的氮气, 这样在循环工艺系统下就几乎不会出现气量不足的问题。
从上述步骤过程介绍来看, 虽然气体循环钻井工艺系统较之常规的钻井技术更为复杂, 需要使用的设备、处理的环节等也相对较多, 但是这样一套系统可以通过完整成熟的自动系统来实现, 其效率就显著得多, 为了确保可靠, 也可以采用人工控制和自动控制相结合的方式, 共同完成气体循环钻井。
3 气体循环钻井工艺的优化和控制
一套气体循环钻井工艺系统是否能够顺利的进行钻井开采, 关键在于其方案设计的优化和科学稳定的系统控制。在实践中钻井可能会遇到各种不确定因素影响, 所以实施的技术方案必须经过不断的完善优化, 尽可能考虑到多的情况, 确保各个环节都能够面临复杂的施工环境和条件。
而科学稳定的系统则是气体循环钻井顺利进行的有效保障, 系统需要对涉及的气量补充、阀门开关、储罐、制氮等各个环节进行有效的管理和协调, 所以控制系统的科学有效与否对气体循环钻井意义重大, 上文提到最安全有效的方式就是采用人工控制和自动化控制两种方式结合的模式。
4 结语
气体钻井技术具有诸多的优越性, 在实践应用中也不断扩大, 今后很长一段时间内气体钻井技术都将发挥钻井中的重要作用, 但是其高昂的成本也使得这一技术的推广应用收到了制约, 对此, 笔者将最新研究领域即气体循环钻井工艺系统在本文中做出了分析介绍, 希望今后这一工艺能够得到进一步的优化, 并不断推广应用。
摘要：气体钻井技术在应用中对出井气体普遍采用的是直接排放的方法, 这部分气体一直没有被利用起来, 理论上经过研究认为这部分气体是可以循环利用的, 这样对于降低生产成本、降低能耗都是具有积极意义的。此外, 在钻井中地层的出气量也可以加入到这项气体的分类应用中, 这对提高采气量, 增强气体钻井的效益也具有积极的作用。笔者在本文中主要对钻井中气体不能循环利用的问题提出了循环钻井工艺系统的观点, 简单介绍了气体循环钻井的技术方案和流程, 旨在通过本文的分析介绍, 促进更多的气田和研究单位加快气体循环钻井工艺系统的研究, 促进该项技术的进步。
关键词：气体钻井,循环,氮气
参考文献
[1]祝效华, 童华, 刘广川.气体钻井钻具断裂机理分析[J].石油矿场机械, 2008, 37 (1) :5-8
[2]舒尚文, 侯树刚, 胡群爱, 等.气体钻井技术提高普光气田钻井速度研究[J].钻采工艺, 2007, 30 (4) :4-5
[3]华学理, 佘明军, 张建立, 赵电波, 邹士雷, 李胜利.空气钻井技术对地质录井工作的影响及对策[J].录井工程, 2007, (01)
浅谈气体钻井工艺技术流程与设计 篇3
关键词：气体钻井,工艺技术,流程设计
1 概述
空气钻井是指以空气作为循环介质进行欠平衡钻井, 它是最早发展起来的一种欠平衡钻井技术。目前, 气体钻井主要应用于中低压地层, 能大幅度提高钻井速度, 预防井漏。由于我国大部分油田都处于开发后期, 地层压力大都存在不同程度的下降, 这就为气体钻井提供了用武之地。近年来随着大量低渗透油气藏投入开发, 如何保护此类油气藏成为人们关注的焦点。气体钻井对于保护低渗透油气藏来说具有比传统钻井方式明显的优势。同时气体钻并还具有大幅提高钻井速度、降低钻井成本、环境污染小等其它特点。正因为气体钻井具有如此多的技术和经济上的优势, 因此它在我国有着越来越广泛的应用前景。
2 气体钻井的应用范圈
气体欠平衡钻井, 具有自己显著的特点, 当然应用范围亦有一定的限制。
2.1 气体钻井尤其适合用于下述情况
地层岩石坚硬;井壁稳定性强;较少的地层流体侵入;具有中低孔隙压力的地层;缺水干早地区;对水基或油基钻井液敏感的地层。
2.2 气体钻井的局限性
对地层流体的侵入控制力不强;钻头的适用范围窄。由于空气对钻头的冷却作用不强, 使得耐高温性能不强的金刚石类钻头较少应用于空气钻井中, 因此在空气钻井中大多使用牙轮钻头;软地层不适用于空气与气体钻井。通常情况下软地层产生的岩屑尺寸较大, 不利于在较大井深情况下气体携屑;井底着火。当井底烃类气体与空气混合达到一定比例后, 就有可能发生燃烧。采用分支水平井, 即由主井筒向四面八方钻辅助井筒向生产层深入百余米, 这些辅助井筒作为排油通道把普通井之间实际上未曾投入开发的大片油藏连通, 就经济效果而言, 其价值等于在完全建设好的矿场区内打开了新油田。在成熟油田利用原井眼侧钻水平井眼进行二次完井已是一种技术上可行而更具经济吸引力的方法。
3 气体钻井工艺流程优化
3.1 体钻井井口地面控制分流系统
3.1.1 设计原则
气体钻井尤其是天然气钻井是一项高风险的钻井技术, 在常规钻井中是控制地层流体进入井筒, 而气体钻井则是允许地层流体进入井筒。因此在气体钻井中对进入井筒的流体在井口及地面进行有效控制是极其重要的问题。气体钻井井口、地面控制分流装置、管汇选择必须满足以下原则:a.满足设计井口压力;b.预估的储层流体流量;c.己在油田使用证明、安全、可靠。
3.1.2 井口设备布置图
a.旋转头:它分为旋转与非旋转两部分。旋转部分可以和钻柱一起旋转。非旋转部分和同密封装置配合, 使从环空中出来的含岩屑的气流流向排出管线, 保证钻井平台和人员的安全。
b.防喷器组合:空气钻井中主要使用两种防喷器。一种为环形防喷器或 (旋转一防喷器) , 它靠液动作用使胶芯挤向井口中心, 直到抱紧钻具或全封闭井口, 从而实现其封井的目的。另一种为闸板防喷器, 要求半封、全封齐全。
3.1.3 气体钻井设备及主要功能
a.主要功能
空压机:空气钻井中最主要的设备, 高压气体产生的源泉。
增压机:提高压缩空气的压力等级, 以补偿当空气钻进时使用小尺寸喷嘴或井下动力钻具造成的过大的压力损耗。
增压机控制阀:由于控制增压机移出或接入空气循环系统。
安全阀:当管线中气体压力过高时, 通过开启安全阀释放过高的压力。
液体注入泵:由于地层大量出水而需将空气钻井转为雾化或泡沫钻井时, 用来向空气中加入水或起泡剂或向空气螺杆马达注入润滑剂时使用。
固体注入泵:当地层出现少量水时, 可向井筒内注入干燥剂, 有利于气体携屑。
压力计、温度计、流量计用来监测流管中气体状态。
泥浆罐:储备泥浆, 用于特殊情况下, 由空气钻井转为常规泥浆钻井时使用。
压力释放管线:用于释放空气流动系统中过高的压力。常用于起下钻、接单根或其它需要开口操作的场合。
空气吸湿器:干空气钻井时要求空气进入井筒前除去水分。当空气较湿润时, 经过空压机压缩后, 空气中可能有水分析出, 因此使用空气吸湿器除去水分。
排出管线:从环空中出来的气固混合物通过排出管线排离钻台, 其内截面一般应为井口环空截面的倍。
排出管线的控制阀:用于控制井口回压, 也可用于配合试井测试。
岩屑捕获器:用于获得井口处的岩屑样本。
气体探测器:用于检测烃类气体, 便于钻工采取安全措施。
减尘器:用于向排管内的气固混合物喷水, 减少粉尘污染。
燃烧池:用于沉降岩屑和燃烧井底产生的烃类气体。
引火器:将从排管中带出来的井底产生的烃类混合气体点燃, 保证安全钻进。
b.设备的安装
空气钻井设备的安装主要包括:1设备之间的连接, 也包括流量计, 泄压阀及旁通阀等的连接。2从设备到钻机的主供管线。3钻台管汇包括旁通管线和排放管线。4供油系统。5雾泵一以便在需要时可以在最短时间内开始作业。
3.1.4 旋转控制头的安装
a.旋转控制头应尽可能接近转盘。如果旋转控制头与转盘面之间的距离过大, 方钻杆驱动装置将不会与旋转控制头很好的啮合, 这将会导致胶芯过早的磨损。旋转控制头应居中与防喷器在一条直线上以便将目磨损降到最小程度。
b.如果使用顶驱, 旋转控制头安装的高度将不再是个问题。
c.旋转控制头必须居中与转盘在一条直线上。旋转控制头须用四条链条居中, 并从钻机底座的四个拐角方向拉紧。如果旋转控制头与转盘不在同一条直线上, 方钻杆驱动装置将不能够与控制头很好的配合工作。
d.如果使用顶驱, 旋转控制头的居中也是非常关键的。不居中将导致胶芯的过早磨损及泄漏, 也会导致旋转控制头轴承总成不正常受损, 从而导致轴承损坏。
e.应确保方钻杆和钻杆表面情况良好不能够有钳痕, 否则会缩减胶芯的寿命。
3.1.5 排放管线的安装
a.安装的排放管线尽可能的直。由于从环空中高速返出的岩屑的影响, 管线的弯曲部位将会被很快被冲蚀损坏。b.同时安装方钻杆泄压管线、岩样捕集装置和排放管线点火装置。
3.2 气体钻井工艺技术流程设计
3.2.1 设计原则
气体钻井是一项高风险作业, 是自始至终的流体控制过程。气体钻井中必须遵循以下基本原则:a.满足井壁稳定;b.地层出水量 (油) 必须满足小于气体最大携屑能力;c.天然气、惰性气体钻井时H2S含量20mg/m3;d.在满足以上基本原则条件下, 对用于钻开储层的天然气或氮气钻井均可用于碳酸岩储层和碎屑岩储层, 并都可采用先期裸眼完井方式。
3.2.2 气体钻井工艺技术流程设计
气体钻井工艺技术设计流程按如下程序:a.储层特性数据.岩性.储层地层压力.渗透率.孔隙率.地层水流量.温度.储层中潜在敏感物;b.完井方式选择;c.气体类型.氮气.天然气.空气.柴油机尾气;d.井口、地面控制、分流系统设计BOP组合级别.旋转控制头.节流管汇.分离器压力、流量.燃烧坑;e.钻柱设计;钻柱组合;钻柱强度;f.气举设计;g.气体流动力学参数设计;注气量.注气压力.井底压力.钻头内压力;h.机械破碎参数设计;钻头选型.钻压.转速;i.井控、安全设计。
参考文献
[1]孟英峰.气体钻井井筒与地层祸合分析[J].石油钻采工艺, 2005, 8.[1]孟英峰.气体钻井井筒与地层祸合分析[J].石油钻采工艺, 2005, 8.
[2]徐英, 空气充气钻井技术在矿2井的应用[J].天然气工业, 2004.[2]徐英, 空气充气钻井技术在矿2井的应用[J].天然气工业, 2004.
气体钻井 篇4
1 井壁稳定性分析
在某些方面气体钻井技术有着常规钻井液钻井技术不具备的优势, 在国内得到了大规模的试验推广。然而, 新技术的开展总会遇到一定的局限性。气体钻井技术在试验过程中凸显不少实质性的问题, 井壁稳定性是最突出的问题之一。常规钻井技术在钻进过程中, 由于钻井液的存在使得井筒与地层孔隙间有一定的正压差, 有效的抑制了井壁坍塌, 利于井壁稳定。而在气体钻井技术中, 失去了钻井液的压持作用, 井壁极易失稳[3]。
引起井壁失稳的两个因素一是力学二是水敏, 而气体钻井时井壁失稳仅限于力学因素, 气体钻井时常由于井底压力小于地层孔隙压力而造成井壁坍塌失稳。同时, 井壁失稳也会由气体循环时的波动导致[4]。气体钻井在钻遇水敏性地层时, 由于地层出水使泥页岩短时间水化, 导致井壁失稳坍塌, 极易造成卡钻事故[5]。井壁失稳同时带来地层岩石物性的变化如地层渗透率降低孔隙度减小等, 造成地层应力敏感损害[6]。
国内学者对气体钻井时影响井壁稳定性的研究着力于因素和规律两个方面。张杰[4]针对泥页岩水化对井壁岩石力学参数的影响做了研究, 并给出了井壁在出水泥页岩井段稳定性的评价方法。李荣[5]对泥页岩的力学参数如吸水扩散系数、吸水膨胀系数等进行了研究, 并耦合力学和化学模型进行泥页岩的井壁稳定性分析。钻遇水敏性较强的泥页岩井段是, 泥页岩水化和高的气体流速易导致井壁脆性破裂而使井壁坍塌, 此时宜用技术套管对破裂带进行封隔[7]。此外, 气体钻井时影响井壁稳定性的因素还有低的井底压力、井壁急速流体产生的压力梯度以及循环系统产生的波动等。
2 最佳注气量
气体钻井时, 最佳注气量对井底岩屑是否能及时返至井口至关重要。若气体体积少, 则使岩屑无法及时排出并在井底沉积成堆, 易导致沉砂卡钻。若气体体积过多, 多余的气体做无用功产生浪费, 同时气体体积过多扩容井径, 使钻具过快失效。由此可见, 有必要进行气体体积 (流量) 的优化设计, 获得最优钻进效果。研究最佳注气量之前首先要解决的问题是计算最小注气量, 最小注气量的计算大多采用最小动能标准和最小携岩速率两种算法[8,9]。
(1) 最小动能标准法
排除流体各组分之间的相互作用, 把岩屑与气体的混合体设为流速和密度均一的流体。利用最小动能标准法计算最小注气量的常用模型为Angel[10]模型。此模型假定岩屑和气体为均相流, 二者的混合物密度均一以相同流速在环空中流动, 在环空中具有稳定的流动状态, 且流体同标准条件下气体的举升能力相同。
(2) 最小携岩速度法
岩屑在静止的粘度低的气体中因自身重力而下沉, 沉降过程中, 由于岩屑与气体间的相互作用产生阻力, 下落到一定程度后阻力抵消重力使岩屑沉降速度保持恒定。
以上两种算法具有一定的相似性, 而最小携岩速度法中部分参数的不精准 (如岩屑的颗粒大小) 会对计算结果产生一定的影响。另外, 在现场钻井过程中, 实际气体注入量与Angel模型理论计算值存在一定的差异。袁兆广[9]等运用薄翼理论对岩屑进行了受力分析, 同时用数模软件分析了携岩能量分布以及环空压力分布规律, 确定了气体钻井法钻大斜度水平井的最佳注气量。蒋宏伟[10]等在Angel模型的基础上, 用实际温度替换平均温度的方法得到了最佳注气量同地层出水量的关系。毕雪亮[11]等基于热力学定律和气体状态方程等分析了气体钻井过程中的流动参数, 基于散点回归和因次分析方法, 对气体钻井最佳注气量公式和钻头喷嘴压力计算公式进行了修正。王存新[12]等基于井筒流体与地层换热对井筒流体温度的影响规律, 开发了最佳注气量模型, 有效解决了最佳注气量在自然地层温度条件下偏小的问题。
3 录井作业研究
尽管气体钻井技术很大幅度提高了机械钻速, 然而同时给地质录井作业带来了很大的难题[13,14]。钻井产生的岩屑粉末化, 且岩屑与空气流体的混合物为高速高压状态, 给岩屑的采集和鉴别工作带来了很大的困难;同时, 岩屑之间磨损严重, 岩石颗粒间的形状和大小差异性减小甚至消失;此外, 岩屑混杂严重, 失去了地层岩性的真实性, 色谱检测技术分析得到的烃组分参数信息由于空气介质的稀释作用而被弱化。因此, 建立在地质录井基础上的岩屑地质剖面划分、井下资料收集及安全生产等工作都受到了较大的影响。
截至目前, 国内对气体钻井过程中的录井工作研究主要基于综合应用及新技术开发应用, 以达到降低气体钻井对录井工作影响的效果。近几年, 图像技术在录井工作方面取得了较大突破。应用规范化的图像采集技术标准对岩屑图像进行数据采集, 有效的辨别肉眼无法识别的岩屑粉末, 达到了及时准确识别岩性的作用[15]。此外, 国内也在积极试用数字图像录井技术, 应用彩色数字图像分析手段, 对岩屑进行粒径分级, 采集数字显微图像, 并用计算机技术处理岩屑图像, 基于神经网络技术分析获得的岩屑, 达到准确岩屑分析、识别岩性并使识别结果数字图像化。现场应用表明此技术能有效的提高岩性识别符合率至少10%, 有效的识别标志层并卡准层位[13]。
若气体钻井过程产生的夹杂着大量岩屑沙尘的气体直接进入色谱仪, 会影响判断结果。由此可见, 气体钻井过程中的重要步骤是净化除尘。华学理[16]等在分析气体钻井对录井工作影响的基础上, 给出了相应的技术措施, 即用新技术判别地层岩性 (例如岩屑自然伽马录井技术以及图像识别技术) , 仔细甄别观察实时数据, 为气体钻井施工提供技术和安全保证。刘涛[17]等给出了一系列气体钻井过程中录井工作的新方法: (1) 快速识别现场岩屑:基于稀盐酸和各种岩土碎屑有不同反应的理论, 在岩屑上滴加稀盐酸来识别岩屑岩性。同时, 在岩屑吸水程度和颜色变化上进一步加深对岩屑岩性的认识度; (2) 定量分析岩屑成分:使用碳酸盐测量仪测定岩屑中碳酸盐的含量, 通过反应残余物达到定量分析岩屑确定岩屑岩性的目的。 (3) 含油性确定:用氯仿浸泡岩屑, 在荧光灯背景下鉴定岩屑的含油性。
4 井斜的影响规律研究
钻井技术中的防斜打直技术一直是困扰石油钻井界的难题, 普通钻井过程中一般通过塔式钻具、偏轴钻具、钟摆钻具以及导向钻具组合等多种技术防止井斜[18]。气体钻井中面临着同样的技术瓶颈, 且气体钻井较普通钻井更易产生井斜。井底的负压环境明显降低了地层岩石的视强度, 虽然提高了地层岩石的破碎速率提高了机械钻速, 但也在短时间内形成了较大的井斜角。在陡势较大的构造地区, 气体钻井井斜较严重, 井深质量超出控制要求, 给后期作业带来不利因素。
气体钻井中的井斜变化须考虑井筒中循环流体以及井壁稳定性的影响, 但是现用的数学模型较复杂, 不能很好的模拟井下钻井过程的力学变化。朱化蜀等[19]利用有限元理论, 充分考虑井筒中不同循环流体和井壁稳定程度的影响, 建立了实体三维力学模型。根据地层应力值的变化规律, 进行了Von-Mises应力计算, 直观的分析了气体钻井井斜规律。并以此模型为基础, 分析得到:在同样的地层倾角和岩石强度条件下, 气体钻井产生的井斜程度大于钻井液钻井产生的井斜程度, 井壁稳定性低, 钻井时易发生井眼扩大的现象, 而在地层倾角大于45°时, 井斜程度具有下降的趋势。许多学者针对气体钻井产生的井斜问题, 更着力于研究钻柱力学分析、破岩机理等方面, 然而鲜有学者对井底和井壁周围的岩石受力状态进行分析。高如军[20]基于传统的井壁应力模型, 同时考虑原始地层应力和地层空隙压力的作用, 利用Ansys软件对气体钻井过程中井壁周围与井底岩石应力场的分布规律进行了分析研究。研究认为, 气体钻井时产生的井斜主要来源于井底岩石应力分布的差异, 井眼轨迹易朝最大水平主应力方向漂移。同时, 沿井底的径向方向应变较大, 使得最大水平主应力方向的井壁点拉应力最大。井底岩石应力的差异导致钻头朝最大主应力方向倾斜趋势增大, 这也是气体钻井比常规钻井液钻井更易井斜的原因。
5 空气锤研究及应用
空气锤是气体钻井过程中使用的工具, 空气锤钻井具备冲击回转钻井和普通气体钻井的优势。其扭矩小, 转速低, 钻压小, 减少了钻具的磨损。机械钻速一般比牙轮回转钻井高, 有效减少钻井时间节约钻井成本。有效解决了普通气体钻井过程中快速钻井时的井斜控制问题[21,22]。空气锤的适用地层为坚硬的无破碎地层, 使用时井底易干净无杂物, 以免损坏钻头, 起不了控制井斜的作用[23]。
6 结论与展望
气体钻井的井壁稳定性研究着力于各种因素影响井壁稳定性的规律, 为防治方法提供基础依据;最佳注气量的计算要提高结果的精准度减少误差;录井作业要达到有效的辨别岩屑粉末, 及时准确识别岩性并提高岩性识别符合率;井斜控制建立了实体三维力学模型, 直观的分析了气体钻井井斜规律, 并对井底和井壁周围的岩石受力状态进行了分析;空气锤钻井技术应着力于开发适应各种条件的空气锤并推广其应用。
气体钻井 篇5
关键词：钻井,硫化氢,监测,防护措施
我国探明的含硫天然气占全国天然气探明储量的1/4,高含硫化氢区块主要分布在四川盆地,该盆地2/3气田含硫化氢[1]。在油田勘探、开发过程中H2S气体的存在对人身安全和设备安全造成很大的危险。近年来,在含有H2S的地区进行勘探、开发过程中时常发生H2S中毒事件或对设备、工具造成严重的腐蚀破坏。因此石油钻探过程中硫化氢的监测工作很重要。多年来,经过各方的努力硫化氢监测取得了很大的成绩,大量可能发生的硫化氢伤害事故得以避免。但是现场硫化氢监测工作仍存在一些不足之处。本文概述了钻井现场硫化氢气体监测的作用和内容,以及钻井过程中硫化氢的安全防范与处理措施。对于指导含硫化氢地区钻井、录井安全作业,确保人员及设备安全提供一些借鉴。
1 硫化氢气体的危害
硫化氢是一种无色、剧毒、强酸性气体。硫化氢易溶于水和醇类、石油溶剂和原油等有机溶剂中。由于硫化氢比空气重,所以常会积聚于通风条件差的低凹处。硫化氢不仅会对人的生命造成威胁,而且还会造成严重的环境污染;硫化氢的强酸性一是容易腐蚀钻井机械设备,造成井下管柱断落,导致地面管汇和仪表以及井口装置被破坏,甚至引发严重的井喷或火灾;二是会加速非金属材料的老化,使地面设备、井口装置、井下工具中的非金属材料密封件失效[2]。硫化氢气体在钻井过程中的危害性主要有以下四个方面[3,4,5,6,7,8,9]。
1.1 对人体的危害
硫化氢对人有巨大伤害。不同硫化氢气体体积分数对人体的危害见表1。
1.2 对设备的损害
常温常压下,干燥的硫化氢对金属材料无腐蚀破坏作用[11]。而硫化氢溶于水形成弱酸,对金属的腐蚀形式有电化学腐蚀、氢脆和硫化物应力开裂。以后两者为主,一般统称为氢脆破坏。氢脆破坏往往会造成井下管柱的突然断落、地面管汇和仪表的爆裂,对井口装置的破坏,甚至发生井喷失控或着火事故。此外,硫化氢能加速非金属材料的老化。对地面设备、井口装置、井下工具中的橡胶、浸油石墨、石棉绳等非金属密封件和录井塑料管线,它们在硫化氢环境中使用一定时间后,橡胶会产生鼓泡胀大,失去弹性,密封件失效,塑料管线会老化[12,13]。
1.3 对钻井液的污染
在石油钻井中,硫化氢气侵会对钻井液产生污染,硫化氢主要对水基钻井液具有较大的污染,它会使钻井液性能发生很大变化产生以下现象:pH值及碱度下降; 粘度增加;流体损失增加; 水基钻井液的颜色变成暗绿色。
1.4 对环境的污染
主要是对大气和水的污染。
2 钻井现场硫化氢气体的监测
用专用的仪器和方法,随钻检测硫化氢在钻井液、岩屑和大气中体积分数的方法称为井场硫化氢检测方法。硫化氢是酸性气体,在碱性钻井液中溶解度大,在酸性钻井液中溶解度小,目前钻井常用的钻井液呈碱性,pH值9～12。在正常钻进过程中,当浸入钻井液中的硫化氢少,不超过溶解饱和度时,在钻井液出口槽面检测不出硫化氢。如果硫化氢大量气侵,以致发生井涌或井喷,这时硫化氢侵入量将大大超过钻井液的溶解饱和度,过量的硫化氢将以气体形式裹在钻井液中迅速窜至地面,这样硫化氢就会严重污染钻台及井场周围的大气,造成严重中毒事故。
2.1 现场硫化氢地面监测方法
2.1.1 硫化氢监测仪器
含硫油气井钻井过程中的硫化氢监测应符合SY/T 6277-2005中的相关规定。硫化氢监测仪有固定式和便携式2种,固定式监测仪用于监测井场中硫化氢容易泄漏和积聚场所的硫化氢浓度值,便携式监测仪用于监测不固定场所的硫化氢浓度值。中国常用PacⅢ型、HS-87型和SP-114型便携式硫化氢测定仪和SP-1001型固定式硫化氢监测仪。
2.1.2 油田现场常用快速化学分析法
(1)标准碘量法
现场检测钻井液中硫化氢体积分数常用的方法是标准碘量法。先用酸将钻井液预处理,目的是把钻井液中以硫化钠(Na2S)形式存在的硫化氢转化出来,然后硫化氢与醋酸锌(ZnAC2)反应生成白色沉淀硫化锌(ZnS),将此溶解于酸内,在与标准碘液作用,然后用硫代硫酸钠(Na2S2O3)滴定过量的碘液,计算硫化氢的体积分数。
(2)快速测定管法
快速测定管法也是现场检测大气中硫化氢含量常用的方法。原理是将吸附醋酸铅(PbAC2)和氯化钡(BaCl2)的硅胶装入细玻璃管内,抽100 mL含硫化氢的气体,在60 s内注入,形成褐色硫化铅(PbS)。根据硅胶柱变色的长度测定出硫化氢的体积分数。现场录井是在钻井液出口槽面上,用注射器抽取100 mL气样,通过测定管,硅胶柱变色长度与标准尺比较,求得硫化氢的体积分数。
(3)醋酸铅试纸法
醋酸铅试纸与硫化氢反应生成褐色硫化铅,与标准比色板对比求得硫化氢的体积分数。此法适用于钻井液和大气硫化氢测量,是一种定性和半定量方法。
2.1.3 综合判断法
主要是针对高体积分数硫化氢地层录井工作,一是钻进时发生蹩跳,钻速快或放空,泵压下降,钻井液池液面升高,有间歇井涌,有硫化氢气味;二是钻井液密度和pH值下降,粘度上升,颜色变为灰色—墨绿色;三是测井井温和井内流体电阻率发生降温增阻,当井筒内钻井液静止一段时间后,由于硫化氢气体扩散膨胀吸热,使气侵段显示降温增阻,利用井温和流体电阻率的异常,卡取含硫化氢层较为可靠。
2.2 地层流体硫化氢监测
硫化氢监测的目的是防止硫化氢对设备特别是对人员的伤害,因此监测产生硫化氢的因素比监测地面硫化氢气体更为重要,事实上,国内石油天然气钻探史上几次特大的硫化氢恶性事故都是对井下流体监测不力导致井喷所致。
2.2.1 地层情况监测
做好钻前分析工作。钻探实践证明,单纯的硫化氢气层是极少的,绝大部分与天然气层、油层共生。不同区域的地层硫化氢含量不同,同一区域不同地层的硫化氢含量、危害性也是不同的。所以要监测硫化氢必须认清所钻井地层情况,了解区域地质特点。在实施钻井前,应掌握邻近地区已经出现的硫化氢异常情况,编制好本井硫化氢监测预报方案[14]。
2.2.2 加强地层对比分析
由于产生硫化氢的主要来源各不相同。因此地层中的硫化氢气体的存在不是孤立的。钻探实践证明单纯的硫化氢气层是极少的,绝大部分与天然气层、油层共存。不同性质地层流体中含有的硫化氢危害性有明显差异,气层中含硫化氢危害最大,油层其次,水层相对较小。同时同一区域硫化氢气体的产生与某一地质年代形成的某种岩性地层(即含硫化氢地层)相关。因此在掌握区域含硫化氢层位的基础上,加强钻井过程中随钻分析对比,利用标准层或岩性组合对比标志层就可准确地预测到即将钻达的含硫化氢地层,及时向相关方作出将钻达含硫地层的预测,以便做好防硫化氢的准备,发现问题和异常要及时采取措施。
2.2.3 对地层压力的监测
钻探过程中对该井已取得的录井资料进行分析,将硫化氢监测与地层压力和工程参数的监测有机结合起来。特别重视高压油气层,根据压力分析提前预报高压层的出现,及时依据压力监测结果调整钻井液密度,确保钻井液密度达到技术规范要求,可以有效防止硫化氢大量气侵导致井喷事故。
2.2.4 钻进液性能变化的监测
钻井过程中当硫化氢气侵时会对钻井液产生污染,硫化氢主要对水基钻井液具有较大的污染,它会使钻井液性能发生很大变化产生以下现象:pH值及碱度下降; 粘度增加;流体损失增加; 水基钻井液的颜色变成暗绿色。所以监测钻井液的各项性能尤其是pH的变化也是对硫化氢气体的一种监测方法。
3 井场硫化氢气体的防护措施
钻遇有硫化氢的地层,不仅涉及人员生命安全,同时对保护环境,防止污染,减少设备和钻具的腐蚀,都有十分重要的意义。因此在钻、录井时一定要采取安全措施,防患于未然。
3.1 近平衡钻井
搞好近平衡钻井,设计人员要弄清楚可能含硫的层位、深度、含硫量、地层压力,在一次井控上做到近平衡钻井。同时在施工过程中进行地层压力监测,发现与设计有出入者立即告知设计单位并要求更改设计。保证全过程的近平衡钻井,将硫化氢控制在地层内[15]。
3.2 在井筒内消除硫化氢
在钻井液中通过调整pH和使用硫化氢化学清除剂的方法,使硫化氢在井筒内转化为其他无毒物质。
3.3 地面导流
当进入井筒的硫化氢量大、浓度高、或在井筒内的时间短时,使用化学方法后仍会出现气侵、后效气侵、溢流等现象。就要进行分离、导流、定点焚烧。具体做法就是通过气液分离器排气。
3.4 使用硫化氢防护器具
气液分离器失效或者未使用之前,硫化氢不可避免会进入大气中,就会严重威胁井场作业人员和周边居民安全。因此作业人员进入含硫化氢工作区域就必须佩戴防硫化氢的空气呼吸器。
3.5 疏散
硫化氢进入大气后在局部地方会不断聚集,点火后硫化氢转化为二氧化硫仍是有毒气体,危险依然存在。在此情况下,人只能远离危险源而被动防护。按《应急预案》对井队人员和周边居民进行疏散。
3.6 井场布置及要求
井场要有一条辅助安全通道以便遇到风向转变,造成危险时通行。井场所有入口处要安装适当的报警信号和旗帜。井场设备的安放必须留有空间,钻台下井口装置周围禁止堆放杂物,避免硫化氢在井口装置及其周围聚集。在井架顶端、井场风向入口处、防护室及井场入口等地应设置风向标。
在无风和微风的时候,在钻台上、下井架周围,振动筛或其它硫化氢易聚集地方,应当用大鼓风机或排风扇对一定风向吹。进入气层前50 m应将二层台,钻台周围设置的防风护套和其它类似的围布拆除。井场周围要害地方,严禁抽烟。确保通讯24 h畅通,尤其是与上级调度不能中断。在钻入气层前和医院、消防部门联系好,钻台人员必须配备便携式硫化氢监测仪,所有防护器具应放在使用方便、清洁卫生的地方,并有专人定期检查以保证这些器具处于良好的备用状态,同时作好记录。
4 结 语
(1)石油钻探过程中的硫化氢危害是客观存在的,只要作严格执行相关技术规程,做好预防控制工作,硫化氢的伤害是可以削弱与避免的。
(2)开发过程中,时常发生H2S中毒事件,或对设备、工具造成严重的腐蚀破坏。因此,做好硫化氢监测工作是做好硫化氢预防工作的核心环节之一。
气体钻井 篇6
关键词：气体钻井,湿度,监测设备,地层岩石,孔隙度,评估
气体钻井是使用气体作为循环介质或作为部分循环介质的钻井工艺技术, 属于低压欠平衡钻井方式[1]。与常规钻井相比气体钻井最大的危害是地层出水和井下燃爆, 其中地层出水可导致岩屑因潮湿附着于钻柱上形成泥包或泥饼环, 引起井眼缩小、循环阻力增大、井壁垮塌、卡钻等复杂情况的发生[1]。因此, 及时了解地层出水情况对空气钻井十分重要。然而现有的监测设备在生产使用过程中存在标定复杂, 检测器易污染, 故障率高等问题。针对这些问题, 开展了对监测设备的改进工作。
1 地层出水监测技术的现状
目前监测地层出水设备的原理是通过监测环空返出气体相对湿度的变化来判断地层是否出水的。其监测流程见图一。将分流采气管和压力传感器安装在排砂管线上, 温湿度传感器安装于采气管顶部。在注气循环和正常钻进时, 环空反出的气体流经排砂管线, 采气管顶部的温湿度传感器对进入气体的温度和相对湿度数据进行采集, 同时压力传感器采集排砂管压力数据, 然后通过屏蔽线传输至装有配套监测软件的计算机中, 经过处理后, 以曲线形式显示出来。该方法具有体积小, 反应快, 操作方便等优点[2]。
2 湿度监测设备的改进
2.1 温湿度传感器
现有的湿度传感器都存在精度不高的问题, 一般认为在±2%RH或±3%RH, 并且是在常温和清洁的气体中测量的[3]。因此要想准确测量出气体钻井过程中气体的湿度真值是不现实的。然而, 以往的湿度监测设备通常采用电阻式湿度传感器, 这样测出的结果虽然比较稳定, 但响应速度慢且数值不准确, 因此不仅不能提供当前准确的湿度值, 也不能及时的反映出湿度变化的趋势。
笔者认为既然准确度低是所有湿度传感器的通病, 且短时间内很难找到解决的办法, 那么不如放弃对于湿度传感器的高精度的追求转而将重点放到传感器的响应速度以及分辨率上。这样做在理论上也是讲的通的, 因为我们关注的是地层是否出水而不是具体出了多少水, 因此气体湿度的变化趋势才是需要关注度的重点。综合以上分析不难看出, 如果改用电容式温湿度传感器将更加合适。现有电容式温湿度传感器的响应时间一般小于1秒, 可以区分0.0 1%R H的微小变化, 虽然精度很难达到±3%, 但根据湿度值得趋势变化很容易就能发现气体湿度的变化以及趋势, 从而达到监测预报地层出水的目的。
2.2 除尘设备
空气钻井过程中, 由于岩屑要随空气返出因此返出气体携带有大量的粉尘。而电容式温湿度传感器对工作环境要求较高, 哪怕少量的灰尘都有可能造成传感器精度下降甚至失灵, 为此, 必须要将排砂管线内气体进行除尘处理, 且除尘过程必须保证不影响气体湿度的变化。另外, 由于选用电容式湿度传感器后必须考虑传输线之间的电容变化影响问题, 随便将传感器进行牵拉会造成测量值巨大的偏差, 因此必须将传感器安放于排沙管线外, 且必须保证传感器与外界空气绝对隔绝。以往的设备是将气体通过管子从排砂管线引出, 气体靠排砂管内的压力涌出, 进入一个密封容器后通过除尘网除尘后接触湿度传感器, 然后排出到大气当中。这样的设计存在许多缺陷, 首先排砂管线内气压不稳定, 当气压大时大量的尘土涌入直径较小的管子, 如果加之气体较湿则极易发生尘土堵塞管子的问题, 而当排压降低到0时气体将不再向外涌出其结果与堵塞相同。目前现场使用时一般通过监测人员定时巡查来排除堵塞问题, 然而由于堵塞后无明显异常现象发生因此很难及时发现堵塞的发生, 但如果堵塞发生在地层出水的时刻且在巡检时间间隔内则极有可能造成事故。另外, 以往的设备没有考虑气体经过湿度传感器后的去处问题, 主要靠排压将气体挤出, 这样当排压较低时外界空气有可能通过排气孔倒流进去影响监测结果, 如果外界空气湿度较大则有可能导致传感器感湿器件吸水过多而无法工作。综上所述, 笔者设计了一套新的除尘设备。该设计在原有设备的基础上加装了一个空气泵和一个气体流量计, 并且在密闭容器的排气口安装了单流阀, 改变了密闭容器的结构。流量计的数据可以直接显示在检测室的计算机上, 这样检测人员就可以随时了解设备的工作情况而无需定时巡检。
3 改进后设备的新应用
改进后的设备由于提高了响应速度以及灵敏度, 因此在功能上也有所扩展。由于地层岩石的孔隙中本来就存在一定的水, 而且孔隙越大则所含的水也就越多[4], 因此从理论上讲可以通过测量钻进时岩石破碎所释放出的水的量来计算岩石的孔隙度。然而由于岩石孔隙中所含水的量很少且水随气体从井底上返时部分有可能被岩屑或井壁干岩石吸收因此无法准确测量岩石所释放的水的确切量, 但所释放的水的量的变化是可通过该设备检测出来的, 因此通过测量湿度在单位时间内的变化量就可以对比各时间段内地层岩石释放出水的多少, 也就可以倒推出各时间段内所钻地层岩石孔隙度的相对大小。当然这种方法存在一些缺陷, 例如无法辨别溶洞, 裂缝以及上覆地层释放的水, 测量误差较大等。但足以定性的评价不同深度岩层之间的孔隙度的相对好坏, 如果可以综合其它录井资料进行分析则可以排除更多干扰因素从而得到更可靠地结果。
4 结论
改进后的设备能够较好的克服以往设备的缺点, 不仅能够更加及时的发现地层出水, 而且在使用的过程中更加的稳定可靠。运用改进后的设备, 监测人员将无需定期巡检设备, 只需在监测电脑上观察气体流量计的数值就可以了, 当气体流量计的数值变小时可能意味着气体的管道堵塞或者除尘网灰尘堆积, 此时监测人员前去简单处理就可以了, 不仅减少了工作量而且杜绝了由于在监测人员不知道的情况下因设备管道堵塞而漏检的问题。另外设备综合性能的提升使得设备可以检测出地层岩石破碎释放的微量水的变化量, 从而为随钻评估各地层间孔隙度的相对好坏的想法奠定了基础, 目前该方法仍在研究实验阶段, 相信不久将得到应用。
参考文献
[1]李富强, 刘立冬.气体钻井条件下工程异常监测方法[J].录井工程, 2013, 24 (1) :46-49
气体钻井 篇7
空气锤钎头由钎头牙齿和钎头本体组成, 钎头本体主要包括冲击端面、花键和钻头母体。空气锤钎头是气体钻井工程中的关键部件, 同时也是一种易损件。
Akihik等人试验研究了平底齿、圆锥齿和半球齿在不同冲击速度下破碎粗粒闪长岩的情况, 发现岩石破碎带包括三个区, 即破碎坑、破碎坑下的严重损害区以及裂缝区[1]。D.F.Howarth等人总结楔形齿压入岩石的破碎过程, 在齿尖形成密实核, 沿载荷轴线方向形成一条中间裂缝[2]。Zhen Yu Tao等人试验研究了在循环载荷下岩石的破坏行为[3]。贺红亮等研究了辉长石在冲击载荷作用下, 裂缝扩展与其力学参数间的关系, 通过实验得到岩石弹性模量E与岩石初始破坏系数D的关系式[4]。
开展空气锤钎头冲旋破碎岩石的过程研究, 提高钎头的使用寿命, 具有重要的科研意义和实用价值。
2 有限元模型的建立
空气锤钎头在冲旋破碎岩石的过程中主要是边齿的脱落和折断, 其主要原因是边齿齿孔的应力疲劳破坏, 模拟钎头本体齿孔与齿间接触状况, 在研究破碎岩石时至关重要。鉴于此, 将钎头本体进行一定的简化, 忽略打捞螺纹及其以上的部分, 建立空气锤钎头本体-牙齿-虚拟井底岩石有限元模型, 用以模拟钎头在钻压、冲击载荷和钻柱扭矩共同作用下的破岩情况。
3 空气锤钎头冲旋破碎岩石的过程仿真
通过ANSYS/LS-DYNA软件模拟空气锤钎头本体-牙齿-岩石互作用过程, 可以将岩石的破碎过程分为5个阶段。
第一阶段:岩石弹性变形阶段。
接触的岩石被压实, 形成密实核。由于没有考虑岩石中原生裂纹的存在, 所以在仿真模拟中, 无原有的岩石裂隙被逐渐压密的阶段。岩石在压缩弹性变形阶段, 如果卸掉外载荷, 这部分变形又会恢复, 岩石最大应力为8.395e-5<1e-4 (岩石的破裂压力) , 岩石处于弹性变形阶段。
第二阶段:中心齿破碎岩石。
随着破岩过程的进行, 钎头在钻压、扭转力矩和冲击功3个力的共同作用下, 钎头上中心齿继续向下侵入, 岩石继续受压变形, 当钎头施加在岩石的作用力大于岩石的破碎强度时, 岩石发生破碎, 形成2个小的破碎坑。此时, 钎头边齿与岩石相接触, 岩石产生较大压缩弹性变形。如图1所示。
第三阶段:边齿破碎岩石, 岩石沿周向形成破碎裂纹。
冲击功逐渐增大, 钎头上中心齿继续向下侵入, 钎头中心齿破碎坑增大。边齿参与破碎岩石, 并在周向产生破碎裂纹, 该裂纹与第7圈中心齿的破碎裂纹相交汇, 产生一环形破碎带。如图2所示。
第四阶段:钎头所有牙齿参与破碎岩石, 在流道位置的岩石形成3个径向裂纹, 将钎头分为四个区域。
冲击功继续增大, 钎头上中心齿和边齿继续向下侵入岩石, 钎头边齿处周向裂纹增大, 破碎坑面积增加, 钎头中心齿破碎坑并没有明显增大。流道下部的岩石, 受到中心齿裂纹扩展的影响, 形成3条明显的裂纹, 将井底岩石分成三个圆周对称的扇形区域和中心小三角形区域, 如图3所示。
第五阶段:整体破碎坑形成阶段。
钎头所有牙齿冲击破岩并伴随着旋转刮削破岩, 钎头破碎岩石区域增大, 逐渐形成井眼, 一个完整的钎头破岩并形成井眼的过程就完成了。如图4所示。
4 结论
4.1 钎头破碎岩石形成的破碎坑包括四个区域:即直接破碎区、间接破碎区、损伤区和弹性区, 且存在冲击破碎和裂纹扩展破碎两个方面。
4.2 直接破碎区域越大, 形成的岩脊就越小, 钎头破岩效率就越高;岩脊过宽, 降低破岩效率, 同时也会加大岩脊对钎头中心平面的磨损, 致使钎头无法钻进。
参考文献
[1]Kumano A.An Analytical and Experimental Investigation of theEffect of Impact on Coarse Granular Rocks[J].Rock Mechanicsand Rock Engineering, 1982, 15 (02) :67-97.
[2]Howarth D F.Observation of Cracks at the Bottom ofPercussion and Diamond Drill Holes[J].Internal Journal of RockMechanics and Mining Science, 1988, 25 (01) :39-43.
[3]Tao Z Y.An Experimental Study and Analysis of the Behaviorof Rock under Cyclic Loading[J].Internal Journal of RockMechanics and Mining Science, 1990, 27 (01) :51-56.