聶云飛,何育光,張銳
(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營,257000)
II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化
聶云飛,何育光,張銳
(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東東營,257000)
鉆井過程中由于縮頸、微狗腿、微臺階等造成的井眼小于鉆頭直徑易造成起下鉆困難、井眼漏失、井塌、井涌甚或井噴、劃眼、憋泵等事故。在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴眼器的研究基礎(chǔ)上,借鑒雙心鉆頭設(shè)計理論開展II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計研究。同時借助流體動力學(xué)軟件對工具外形結(jié)構(gòu),刀翼長度和布齒方案進行優(yōu)化分析,最終形成II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計方案。
鉆井;雙心鉆頭;偏心擴眼;流場分析
鉆井過程中,有多種原因可導(dǎo)致井眼直徑小于鉆頭的理論直徑[1]。如泥頁巖的主要成分鈉基蒙脫石,吸水后晶格增大巖石膨脹;砂巖的高滲透性易形成很厚的泥餅,發(fā)生縮徑;鹽膏層的蠕動[2],地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力及斷層引起的縮徑,液柱壓力降低造成的縮徑,鉆井液密度低、失水高造成的縮徑,鉆頭保徑磨損造成的縮徑,和工藝技術(shù)措施不當(dāng)造成的縮徑等等;其次還有巖屑床、微狗腿、微臺階等造成井眼直徑小于鉆頭直徑[3]??s徑以及由于其它原因造成的井眼有效直徑變小給鉆井帶來的直接危害是起下鉆異常困難,下鉆過高的壓力激動導(dǎo)致井眼發(fā)生漏失,起鉆的抽吸與拔活塞導(dǎo)致井塌、井涌甚或井噴[4]。此外,縮徑還會帶來長時間劃眼,開泵困難甚至憋泵、憋漏地層[5],下鉆過程中發(fā)生塞卡,起鉆過程中出現(xiàn)拔卡等鉆井復(fù)雜與鉆井故障[6]。
現(xiàn)行傳統(tǒng)的縮徑問題解決辦法是,依據(jù)造成井眼縮徑的因素和情況,采取有針對性的措施去預(yù)防或處理,具體包括:依據(jù)地質(zhì)特征優(yōu)化設(shè)計方案;采取合適的液柱壓力;選用不同的鉆井液體系并保持穩(wěn)定良好的鉆井液性能;采取定進尺劃眼并強化短程起下鉆等工程輔助措施等[7],這些常規(guī)做法盡管可以不同程度地減輕井眼縮徑所帶來的危害,但上述一些鉆井復(fù)雜情況與故障還是時常會出現(xiàn)在當(dāng)今的鉆井過程中[8]。
項目前期,研制出結(jié)構(gòu)相對簡單的I型8-1/2″和9-1/2″井眼用鉆柱式隨鉆微擴眼工具(見圖1),該工具具有微偏心結(jié)構(gòu),可接到鉆柱中實現(xiàn)隨鉆微擴眼,工具具有上、下兩組螺旋擴眼刀翼,下刀翼組負責(zé)鉆進期間的隨鉆擴眼或下鉆過程中的正劃眼,上刀翼組負責(zé)起鉆過程中的倒劃眼。該工具的主要作用是降低定向井中的狗腿嚴(yán)重度,清除井下的微狗腿、小臺階,在膨脹性的頁巖地層和具有蠕變性的鹽膏層、軟泥巖層、煤層等井段擴出直徑略微大于鉆頭理論直徑的井眼,可減少常規(guī)鉆井過程中的劃眼時間,并確保起下鉆、電測、下套管、下膨脹封隔器等作業(yè)安全順利。此外,該工具還具有清除定向井中巖屑床和有效控制水平井、大位移井的循環(huán)壓耗作用。
圖1I型鉆柱式隨鉆微擴眼器
該工具現(xiàn)場反映良好,其中最大井斜71.07°,最大井深2 710 m,在南17平臺上連續(xù)使用4口井,累計工作時間達到227 h,工具仍可下井使用。
盡管如此,但前期的研究工作缺乏系統(tǒng)性與理論分析支持,而且工具也遠未達到系列化的程度。本文在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴眼器的研究基礎(chǔ)上,借鑒雙心鉆頭設(shè)計理論開展II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計研究。同時借助流體動力學(xué)軟件對工具外形結(jié)構(gòu),刀翼長度和布齒方案進行優(yōu)化分析,最終形成II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計方案。
1.1 偏心刀翼主要參數(shù)與井眼通徑、擴眼直徑的幾何關(guān)系
鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計原理類似于常規(guī)的偏心鉆頭設(shè)計[9]。如圖2所示,O為鉆柱旋轉(zhuǎn)中軸,C為井眼中軸。假定2R為井眼通徑,2D為通過井段擴大后的尺寸,2r為本體另一側(cè)起扶正作用的低刀翼(類似于雙心鉆頭的導(dǎo)眼體)直徑,2a為擴孔刀翼張開翼角,2b為背面扶正刀翼夾角。通過幾何推導(dǎo),建立了偏心刀翼高度、夾角等主要參數(shù)與井眼通徑、擴眼直徑的幾何關(guān)系:
圖2 鉆柱式偏心微擴眼工具
井眼擴大尺寸一般根據(jù)地層巖性及現(xiàn)場要求確定,如此前設(shè)計的8-1/2"井眼一般擴大10mm左右即可滿足要求。根據(jù)(1)式,在得出擴孔刀翼張開翼角后,可以計算出扶正刀翼尺寸。刀翼一般設(shè)計成螺旋形式,螺旋升角越大,則要計算的刀翼張開角度越大,扶正刀翼直徑越小[10]。
1.2 理論最大可擴孔直徑
理論最大擴孔直徑是指在極端情況下,偏心微擴眼工具能擴出的最大井眼尺寸。在極端情況下,扶正刀翼被取消,式(1)中半徑r相當(dāng)于上部鉆桿接頭半徑P,用于擴孔的切削齒被設(shè)計在同一擴孔刀翼上,其張開翼角僅受刀翼寬度的影響,即b=0°,r=P,此時上述公式簡化為雙心鉆頭的理論設(shè)計公式[11]。
以8-1/2"井眼為例,假設(shè)通過直徑215 mm,接頭外徑168 mm,刀翼寬度50 mm,直刀翼,通過上式配合幾何作圖可得出最大擴眼直徑為260 mm,這個數(shù)值表明偏心微擴眼工具也可以設(shè)計成擴得很大。8-1/2"井眼一般要求擴徑10 mm,但如果現(xiàn)場有特殊要求,直徑擴大30 mm左右也是能做到的。如圖3所示。
圖3 理論最大可擴孔直徑圖
一般來說,當(dāng)井眼尺寸與接頭尺寸接近時,可擴最大直徑較??;當(dāng)兩者相差懸殊時,可擴最大直徑就很大。常見井眼偏心微擴眼工具可擴最大尺寸計算后如表1所示。
表1 偏心微擴眼工具可擴最大尺寸表
2.1 總體設(shè)計原則
根據(jù)目前鉆井中的實際情況及目標(biāo)地層的硬度采用如下原則進行總體設(shè)計:
(1)借鑒國外雙心鉆頭設(shè)計理念,采用微偏心(雙心)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)隨鉆微擴眼功能;
(2)基于適合軟到中硬地層的要求,采用PDC作為切削元件,其中位于工具刀翼中部的三個齒,由于線速度高,選用進口優(yōu)質(zhì)PDC片,工具刀翼最上端和最下端的兩個齒,由于承載大,選用抗沖擊能力強的進口優(yōu)質(zhì)PDC片,其它部位則優(yōu)選國產(chǎn)PDC片;
(3)鑒于地層為軟到中硬,選擇柱狀碳化鎢硬質(zhì)合金作為擴眼刀翼的保徑元件;
(4)工具總長度控制在1~1.5 m之間,確保接到鉆桿立柱中不會影響二層臺操作與立柱擺放;
(5)兩端連接螺紋與鉆桿扣型一致,強度與鉆桿螺紋等同或略高;
(6)大井眼用工具本體強度以滿足安全要求為準(zhǔn),不過度追求大壁厚、高強度,以免與兩端連接的鉆桿形成明顯的強度差異,從而導(dǎo)致應(yīng)力集中,引發(fā)井下安全事故;
(7)工具采用上、下兩組螺旋擴眼刀翼,下刀翼組負責(zé)鉆進期間的隨鉆擴眼或下鉆過程中的正劃眼,上刀翼組負責(zé)起鉆過程中的倒劃眼;上、下兩組螺旋擴眼刀翼旋向相反,以實現(xiàn)工具工作期間的自主力平衡。
(8)采用整料銑削加工,工具整體無活動部件、無焊接部件,確保工具的井下工作安全性。
2.2 整體結(jié)構(gòu)及布齒設(shè)計
鉆柱式偏心微擴眼工具通過上下兩組刀翼完成起下鉆過程中的擴眼作業(yè)。根據(jù)分析和研究,兩組刀翼設(shè)置成上下對稱、整體螺旋的結(jié)構(gòu);每組刀翼中高、低刀翼的布置取決于擴眼尺寸、井眼通徑、刀翼張開角度及螺旋角的大小。針對各種井徑及實際要求,結(jié)合流場分析及力平衡有限元分析,可以得出一個優(yōu)選的整體結(jié)構(gòu)。
本工具主要被設(shè)計用于巖性相對較軟、易蠕變的地層,從切削齒的選擇來看,主要考慮大尺寸復(fù)合片(13.4 mm以上);但是微擴眼工具是一種偏心結(jié)構(gòu),主要在縮徑的井段起切削作用,扭矩大,工作環(huán)境比較惡劣,復(fù)合片尺寸太大容易脫落,故一般選用13.4 mm帶球托的復(fù)合片,出刃高度控制在5 mm左右。球形復(fù)合片增加了焊接面積,大大增加了切削齒的焊接強度。小井眼微擴孔工具由于布齒空間受限,可以采用更小尺寸的球形復(fù)合片,但要嚴(yán)格控制切削齒的出刃高度,同時適當(dāng)提高布齒密度。
微擴眼工具的高、低刀翼雖然差別較大,但由于在地層縮徑段工作時低刀翼也會被推向井壁,故也得有相當(dāng)?shù)牟箭X密度。整體來看,微擴工具的布齒設(shè)計類似于取心鉆頭的布齒設(shè)計,即將所有的切削齒布置在刀翼剖面線上,確定各切削齒的徑向坐標(biāo)Rc和高度坐標(biāo)、切削齒數(shù)量N和井底切削覆蓋圖。其一般應(yīng)滿足以下兩方面的要求:
(1)在設(shè)計鉆速水平下,保證井底切削覆蓋良好;
(2)使各切削齒的磨損相對均勻,提高切削齒的利用率。
刀翼內(nèi)側(cè)附近切削齒磨損較小,相應(yīng)地,設(shè)計較少的切削齒,布齒密度最低,由內(nèi)向外,布齒密度越來越大。因此,只要刀翼內(nèi)側(cè)附近切削齒的切痕能夠覆蓋井底,則其它部位(冠頂、外錐等)切削齒肯定能滿足完全覆蓋井底的要求。在布齒設(shè)計時,一般在刀翼內(nèi)側(cè)首先布置2~3個切削齒(按徑向半徑由小到大的次序依次編號為1、2、3、…).在設(shè)計鉆速下,切削齒的布置應(yīng)能滿足覆蓋井底的要求。當(dāng)切削齒尺寸和每轉(zhuǎn)吃入深度一定,布齒間距越小,最小井底覆蓋系數(shù)越大,布齒密度越高,所需切削齒數(shù)量越多。設(shè)計時,可根據(jù)所鉆地層的性質(zhì),綜合考慮鉆進速度和鉆頭壽命,合理設(shè)置內(nèi)側(cè)齒的布齒密度,控制切削齒的數(shù)量。
均勻磨損設(shè)計的目的是通過合理地布置切削齒,使工具各部位切削齒的磨損相對均勻,避免因個別切削齒磨損嚴(yán)重而失效,使工具壽命達到最高。如果某個切削齒的磨損速度較快,較大磨損面面積將使該切削齒承受較大的正壓力和切削力,引起較大的鉆進扭矩和不平衡力。過大的正壓力和切削力還可能導(dǎo)致切削齒的熱加速磨損和切削齒的折斷,對工具性能造成致命的影響。如果各切削齒都能保持相同的磨損速度,就不會出現(xiàn)因某個切削齒的先期損壞而影響整個鉆頭性能的情況,昂貴的PDC復(fù)合片就可以得到充分的利用,就可以獲得較高的鉆頭壽命。
通常采用磨損比來衡量各切削齒的磨損程度。磨損比定義為鉆頭上任一切削齒的體積磨損速度與參考齒的體積磨損速度之比,記為WR.即
式中,參量r代表參考齒。根據(jù)對PDC切削齒的磨損分布規(guī)律研究,工具內(nèi)側(cè)切削齒一般磨損較輕,外側(cè)上的切削齒往往磨損較嚴(yán)重。因此,通常選擇內(nèi)側(cè)切削齒作為參考齒。
磨損比反映了各切削齒的相對磨損速度的大小,并且將切削齒受力、徑向位置坐標(biāo)與磨損速度有機地結(jié)合在一起。只要使每個切削齒的磨損比相等,就可以實現(xiàn)各切削齒的均勻磨損。實驗研究表明:切削齒的體積磨損速度與所鉆地層研磨性系數(shù)、切削齒的正壓力、切削齒在鉆頭上的位置以及轉(zhuǎn)速等成正比,若假設(shè)PDC切削齒的正壓力與切削面積成正比,則可推導(dǎo)出:
其中Ac代表各齒的切削面積,Rc為切削齒所在的位置。式(5)即為等體積布齒公式,它是等磨損布齒公式的一種簡化形式。
2.3 結(jié)構(gòu)改進
自I型工具成功研制以來,鉆柱式偏心微擴眼工具在鉆井現(xiàn)場得到了大幅推廣應(yīng)用,顯著提高了鉆井時效,節(jié)約了鉆井成本。但現(xiàn)場反饋資料表明,工具本身仍然存在一些問題,如:工具本體磨損、復(fù)合片部分脫落、下鉆托壓、刀翼結(jié)構(gòu)單薄等。這中間有微擴眼工具多次下井、過度使用的問題,但工具結(jié)構(gòu)也確實有需要改進提高的地方。
針對以上問題,首先針對現(xiàn)場使用最廣泛的8-1/2"鉆柱式偏心微擴眼工具進行了改進設(shè)計,其后對其它型號鉆柱式偏心微擴眼工具的結(jié)構(gòu)也進行了改進。本次結(jié)構(gòu)改進主要包括:
(1)內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)
刀翼內(nèi)凹可以有效解決布齒受限的問題?,F(xiàn)場中遇到的托壓問題實際是工具多次下井后,刀翼前端磨損出現(xiàn)直臺階引起的。在最初的設(shè)計中,刀翼位于工具本體表面,靠近本體的刀翼前端無法布齒,切削齒覆蓋受限制。在刀翼被推向井壁后,盡管前刀翼出露更低,遇到嚴(yán)重蠕變縮徑地層仍然會與地層接觸,產(chǎn)生磨損;由于沒有復(fù)合片的保護,多次下井后,刀翼前端就有可能被磨損出直臺階。
采用刀翼內(nèi)凹式設(shè)計后,PDC復(fù)合片可以布置到本體以上到擴孔直徑的所有位置,這就有效保護了刀翼和工具本體不被磨損。同時,刀翼內(nèi)凹也可以補償?shù)兑砑訉捄蟮沫h(huán)空損失。
(2)寬刀翼,大螺旋
原工具經(jīng)現(xiàn)場使用后,現(xiàn)場反映比較單薄,刀翼接觸面積小,工作不平穩(wěn)。為此,對刀翼進行加寬,同時加大刀翼的螺旋角度。
刀翼加寬后可以在靠近外保徑處增加減震齒,控制吃入,減輕外保徑復(fù)合片所受沖擊。受刀翼個數(shù)限制,本工具外保徑切邊齒較少,因此對外保徑齒的保護也間接延長了工具的使用壽命。
刀翼螺旋角度的加大可以增加工具的穩(wěn)定性。但是螺旋角度太大,在工具通徑一定的情況下,勢必造成扶正刀翼外徑過小,甚至失去效果。同時,大螺旋也會使復(fù)合片下緣出露加大,焊接面積減小。所以,應(yīng)采用適中的螺旋角度。
(3)提高布齒密度,刀翼表面增加噴焊層
從現(xiàn)場反饋資料來看,有些工具經(jīng)過長期使用后出現(xiàn)復(fù)合片出露過多,甚至脫落的現(xiàn)象。為進一步提高工具的使用時間,加大了刀翼的布齒密度,如8-1/2"鉆柱式偏心微擴眼工具由原來的24齒增加到32齒(不含減震齒),同時在齒孔表面及刀翼背面堆焊碳化鎢粉,增加耐磨性及對PDC復(fù)合片的包鑲作用。
圖4為8-1/2"鉆柱式偏心微擴眼工具改進后三維圖。
圖48 -1/2"鉆柱式偏心微擴眼工具改進后三維圖
為了對鉆柱式隨鉆擴眼器產(chǎn)生的鉆井液流場有一個全面、清晰、準(zhǔn)確的了解,進而為隨鉆擴眼器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、制造和現(xiàn)場應(yīng)用提供必要的理論支持,應(yīng)用計算機流體力學(xué)分析軟件FLUENT對其流場的速度、壓力及液流運動跡線等進行了數(shù)值模擬研究,并通過流場及平衡有限元的分析,形成工具外形結(jié)構(gòu)、刀翼長度和布齒方案的優(yōu)化設(shè)計。
3.1 不同參數(shù)下的流場模擬結(jié)果
選取工具通徑為8-1/2″的事例進行流場模擬分析及進行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化。
第一種情況:刀翼高度0.085 m;刀翼長度0.20 m;刀翼螺旋度8°.
其流場壓力分布云圖和流線軌跡圖如圖5、圖6所示。
圖5 擴眼工具流場壓力分布云圖
圖6收斂殘差圖
圖5 所示為擴眼工具在流場中的壓力分布云圖,由圖可看出,壓應(yīng)力最大的地方分布在各刀翼的頂端部分,這也是由于刀翼與井壁巖石接觸并旋轉(zhuǎn)切屑,達到擴大井徑的目的,其計算結(jié)果與已知的井下管流壓力分布情況吻合。而由其殘差曲線如圖6所示:收斂殘差在10-4左右浮動,而且可以清楚地看出隨著時間的變化,殘差的變化浮動變小,漸趨近于一條平衡于橫坐標(biāo)軸的直線,可判斷為殘差收斂于10-4,可認(rèn)為計算模型選取合適。
圖7表示的擴眼工具在流場中的流線軌跡圖,由圖可看出,在擴眼工具工作的同時,有一定的流動產(chǎn)生,對巖屑的破壞和攜帶極為有利,因而會加大破巖效果與速度。
圖7 流線軌跡圖
第二種情況:刀翼高度0.09 m;刀翼長度0.20 m;刀翼螺旋度8°;刀翼寬度0.05 m.流場壓力分布云圖如圖8所示。
圖8 流場壓力分布圖
由圖8所示,當(dāng)?shù)兑砀叨葹?.09 m時,因與井壁接觸的面積過大在對刀翼頂端造成過大的壓力。長期在這種情況下工作會損壞工具的使用壽命。并且由圖9收斂殘差圖可看出,在此種模型下,收斂速度和效果并不理想。
圖9 收斂殘差圖
第三種情況:刀翼高度0.08 m;刀翼長度0.20 m;刀翼螺旋度8°;刀翼寬度0.05 m.其流場壓力分布云圖如圖10所示。
圖10 壓力分布云圖
由圖10可知,當(dāng)?shù)兑砀叨葹?.08 m時,刀翼頂端的壓力與鉆柱本身所承受壓力相差無幾,由此可推斷,在此高度下,微擴眼工具的的擴眼作用并不是很突出。刀翼高度應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加些許。圖11顯示的是這種情況下其收斂殘差的收斂情況。
圖11 收斂殘差圖
3.2 結(jié)果優(yōu)化分析
(1)刀翼高度與各向應(yīng)力的關(guān)系
根據(jù)上述各流場壓應(yīng)力分布圖,可得到刀翼高度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。
由圖12可明顯看出:鉆柱式隨鉆微擴眼工具在刀翼高度為0.085 m時,其應(yīng)力場曲線的特點為:徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大,徑向應(yīng)力釋放較充分,且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值,有利于提高機械鉆速。其對應(yīng)的刀翼高度0.085 mm是工具通徑為Φ=8-1/2″時的最優(yōu)刀翼高度參數(shù)。
圖12 刀翼高度與各向應(yīng)力關(guān)系圖
(2)刀翼螺旋角度與各向應(yīng)力的關(guān)系
根據(jù)上述各流場壓應(yīng)力分布圖,可得到刀翼螺旋角度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。
由圖13可明顯看出:鉆柱式隨鉆微擴眼工具在刀翼螺旋角度為8°時,其應(yīng)力場曲線的特點為:徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大,徑向應(yīng)力釋放較充分,且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值,有利于提高機械鉆速。其對應(yīng)的刀翼螺旋角度8°是工具通徑為Φ=8-1/2″時的最優(yōu)刀翼螺旋角度參數(shù)。
圖13 螺旋角度與各向應(yīng)力的關(guān)系圖
(3)刀翼長度與各向應(yīng)力的關(guān)系
根據(jù)上述各流場壓應(yīng)力分布圖,可得到刀翼長度度與各向應(yīng)力關(guān)系圖。
由圖14可明顯看出:鉆柱式隨鉆微擴眼工具在刀翼長度為110 mm時,其應(yīng)力場曲線的特點為:徑向應(yīng)力SX小、周向應(yīng)力SY大,徑向應(yīng)力釋放較充分,且具有較大的徑向應(yīng)力SX和周向應(yīng)力SY差值,有利于提高機械鉆速。其對應(yīng)的刀翼長度110 mm是工具通徑為8-1/2″時的最優(yōu)刀翼長度參數(shù)。
圖14 刀翼長度與各向應(yīng)力的關(guān)系圖
本文在現(xiàn)有I型鉆柱式偏心微擴眼器的研究基礎(chǔ)上,借鑒雙心鉆頭設(shè)計理得到II型鉆柱式偏心微擴眼工具設(shè)計方案。針對8-1/2″井眼工具借助流體動力學(xué)軟件對其外形結(jié)構(gòu),刀翼長度和布齒方案進行優(yōu)化分析,最終確定刀翼最優(yōu)高度0.085 mm,刀翼螺旋最優(yōu)角度8°,刀翼最優(yōu)長度110 mm.
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Type II Reaming While Drilling Tool Design and Parameter Optimization
NIE Yun-fei,HE Yu-guang,ZHANG Rui
(Drilling Technology Research Institute of Sinopec Victory Petroleum Engineering,Dongying Shandong 257000,China)
The dimension of well smaller than drill diameter,causing by hole shrinkage,micro dog leg and micro step in the drilling,will cause tripping difficult,hole leakage,well slough and pump suffocation accident.Based on the type Ireaming while drilling tool,the design of the type IIreaming while drilling tool is researched according to the double core drill design theory.Meanwhile,the outline,blade length and tooth pattern are optimized through the software.Finally,the designing scheme of the type IIreaming while drilling tool is built.
drilling;double core drill;eccentric reaming;fluid analysis
TH124
A
1672-545X(2017)03-0008-06
2016-12-15
國家重大專項“高壓低滲油氣藏固井完井技術(shù)-連續(xù)循環(huán)及安全下套管裝置的研制”(2016ZX05021005-003)
聶云飛(1975-),男,山東廣饒人,碩士研究生,高級工程師,主要從事鉆井井下工具相關(guān)研究工作。