钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型 ,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算 ;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型 ,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出 ,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动 ,其钻压的振幅一般为平均钻压的 30 %左右 ;同时 ,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化 ,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为 。

单粒子冲击破岩实验与数值模拟

粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过破岩实验与数值模拟相结合的方法,以冲击破岩的粒子直径、冲击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度(岩石破碎坑最大深度)之间的内在规律研究为目的,进行了单粒子冲击破岩室内实验,分析了破碎坑模式。同时,利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型,并对粒子冲击破岩的过程进行了数值模拟。模拟结果与室内实验数据的对比,验证了H-J-C模型选取的正确性,并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。

三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型

进行钻头钻进过程的仿真对于优化钻头设计、提高破岩效率以及钻头选型都有着重要的应用价值。以现场实钻数据为基础,采用"黑箱法"为钻头钻进岩石互作用仿真模型的基本建模方法,对决定钻头钻进性能的齿坑模型和牙齿吃入岩石的力-吃深模型进行了仿真建模。并采用误差梯度下降算法来估计不同钻头结构和岩石性质所对应的模型参数,进而实现对钻头钻进过程的仿真。采用实钻数据反演的建模思路有利于利用大量的现场数据实现对模型的完善,更好地反映现场的各种钻井工况,使钻头破岩仿真技术在实用性和经济性上前进一大步。

三牙轮钻头数字化钻进仿真评价系统开发及应用

钻头数字化钻进仿真是一种将钻头-岩石互作用仿真理论与钻头性能评价及结构优化相结合的实用化技术,开发钻头钻进仿真软件的主要目的是为钻头设计及性能分析提供技术手段。在已完成的三牙轮钻头仿真模型研究基础上,重点解决了数据输入、模型数值算法实现、仿真结果可视化等问题,利用MATLAB完成了软件开发。开发的软件能够模拟钻头几何结构,分析理想状态下钻齿的运动特性,模拟钻头在直井、水平井和定向井不同工况下的钻进过程,并对钻头破岩过程中的相关物理参数进行分析评价。利用该软件对某型号三牙轮钻头进行了台架试验及布齿结构参数优化设计,仿真结果具有直观及定量化的特点,表明利用该软件对钻头进行优化设计方便、快捷且可靠性高。

下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用

下部钻具组合的具体方式将直接影响其所能承受临界失稳载荷的大小。以有限元分析为基础,对不同组合的下部钻具建立了特征值屈曲分析分法,在此基础上进行了实例计算。计算结果表明,对于同样的钻具组合,通过调整下部钻铤尺寸以及扶正器的安放位置,可以实现尽量大的临界失稳载荷,从而达到防斜打快的目的。研究方法为基于非线性动力学的超刚性钻具组合防斜打快技术研究奠定了理论基础。

基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法

采用仿真方法进行PDC钻头切削参数的量化是钻头个性化设计的重要技术手段。为提高PDC钻头钻进仿真的效率及精度,并与钻头三维设计系统实现无缝连接,在PDC钻头切削参数理论及切削量计算方法的基础上,利用UG软件的布尔运算功能进行了二次开发,基于UG/OPEN快速获取切削量的原理建立了PDC钻头井底模型,将钻头的切削过程等效为几何结构的布尔减运算,通过数值运算获取切削体积、接触面积、切削力等参数。研究结果表明,切削参数仿真结果与既有数值方法仿真结果的变化趋势相同,并且具有更高的精度和仿真效率。基于UG/OPEN的PDC钻头切削参数仿真方法为切削参数获取提供了一种新的方法,可以为个性化PDC钻头的快速设计提供参考。

PDC钻头水力结构优化设计研究

在PDC钻头工作过程中,钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言,水力结构(主要是中心水眼和冠部水道)设计的重要性尤其突出。以前,对钻头水力系统研究只能通过实验的方法进行,研究周期长、成本高、结构调整不方便,而数值模拟的方法在几年前还不成熟,甚至静态的复杂结构流场问题基本无法解决。为此,在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上,对PDC钻头的三维流场进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的喷嘴布置位置、直径、数量以及切削齿对流场的影响。计算结果表明,原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足,以此为基础进行了水力结构的优化设计。文中的研究成果成功地应用在新型钻头水力结构的设计中,研究方法为PDC钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。

PDC钻头井底流场CFD仿真及二次开发

利用计算流体动力学技术,优化PDC钻头水力结构是一种经济有效的手段。文章通过对PDC钻头在井底的三维流场进行数值模拟,考虑喷嘴布置的不同位置、间距及喷射角度等因素的影响,研究流体在井底的流动特性及井底净化机理,优化PDC钻头的水力结构。从工程设计的便捷、高效原则出发,以VB.NET为工具对Phoenics软件进行二次开发,建立专用平台,更方便地对不同工况条件下的PDC钻头进行数值模拟。

三牙轮钻头运动学仿真模型及其运动特点研究

根据钻头几何学和运动学建立起了随钻运动的三牙轮钻头的计算机运动学仿真模型,该仿真模型既表示出了钻头上各牙齿的形状、大小和在钻头上的分布情况,又可真实反映钻头钻进过程中各牙齿的瞬时位置和相互关系。该研究不但为钻头与岩石互作用仿真建模做好了准备,也是分析研究牙轮钻头工作行为的基础。最后根据所建立的运动学仿真模型建立起了牙轮上发生纯滚动点的曲面方程,并分析了牙轮上各齿圈牙齿的运动特点和钻头的几何结构对牙轮/钻头速比(简称轮头速比)的影响,能更加清楚地认识钻头上各齿圈牙齿的刮削破岩方式;同时把牙轮的运动分解为各个齿圈的运动,也为建立钻头几何结构与轮头速比之间的关系提供了新途径。

牙轮-PDC复合钻头井底流场CFD模拟研究

牙轮-PDC复合钻头是对硬地层采用碾压与刮切相结合破岩的一种新型钻头,随着其结构形式及破岩方法的改变,需要对其井底流场进行研究并提出新的水力结构设计。运用计算流体动力学理论,采用标准κ-ε模型以及封闭N-S湍流方程对某型复合钻头的井底流场进行了数值模拟计算,并分析了井底压力及流速、PDC刀翼齿面和牙轮体表面流速。研究结果表明,复合钻头设计原型的水力结构存在一定缺陷,可通过合理设计钻头体中心位置结构、调整中心喷嘴射流角度以及调整2个边喷嘴的设计来加以改进。

钻柱系统工作行为三维数值模拟方法

介绍了常用的数值解法及接触算法的运算过程,详细地分析了各解法的优缺点。对目前在应力迭代算法中显式和隐式2种算法的适用范围进行了分析,指出在钻柱系统动力学研究中应该采用隐式算法。重点对阻尼模型和钻头岩石互作用模型进行了研究,借鉴海洋波浪力学中的成熟理论解决了钻柱在钻进过程中受到的钻井液阻尼问题,并建立了简化的钻头-岩石互作用模型。实例数值模拟计算表明,采用的方法可以对复杂井眼轨迹的1 000 m钻柱进行动态工作行为分析。研究结果对石油工程中采用数值方法分析超细长杆管柱在复杂井身结构及拟实工况下的工作行为具有一定的指导意义。

基于MATLAB的三牙轮钻头仿真模型研究

在钻头几何学研究的基础上,通过坐标变换依次建立起了三牙轮钻头的牙齿、牙轮和钻头的计算机仿真几何结构模型;并在MATLAB编程语言环境下实现其数据的可视化,获得了他们的三维实体图形,包括其形状、大小和位置。结果表明MATLAB编程简单易写,结果正确可靠。该研究为在MATLAB环境下进行牙齿的运动仿真和钻头与岩石互作用仿真研究奠定了基础。

复杂螺旋曲面成形磨砂轮廓形数值仿真方法

针对复杂螺旋曲面成形磨砂轮廓形设计中数学理论较为复杂的问题,提出了一种新的数值仿真方法进行复杂螺旋面磨削加工的砂轮廓形设计,其基本原理是通过坐标转换将工件与砂轮的坐标系进行整合,离散处理工件与砂轮面模型,通过数值迭代算法求得砂轮与工件的空间接触迹线3维离散点坐标,进一步通过坐标转换求得砂轮廓形。该方法数学原理简单,易于编程实现,通过与解析方法的计算结果对比,表明其数据精度满足产品设计要求,具有很好的工程应用价值。同时该方法也适用于任意复杂曲面成形磨的砂轮廓形设计。

基于有限元方法的抽油杆管磨损量预测

针对在斜直井、定向井、水平井等井中采取有杆泵采油作业时,由于抽油杆屈曲以及井眼弯曲导致抽油杆严重偏磨的问题,建立了抽油杆动态行为有限元分析方法。利用能量法原理,将抽油杆发生偏磨时产生的摩擦功与金属磨损消耗的能量联系起来,确定了有杆抽油系统杆管偏磨磨损量预测模型,利用有限元分析得到的接触力可以定量分析杆管柱的磨损量。结果表明,有限元方法模拟效果较好,可用于预测井下杆管偏磨情况,对油田采取合理的防偏磨措施具有重要的指导意义。

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究,指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系,确定牙轮存在一个主动齿圈,并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型,结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响,对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比,结果表明,该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。

基于测井数据的砂岩三轴抗压强度预测模型

岩石的抗压强度对于优化钻头选型具有重要的意义。针对石油钻井中常遇到的砂岩提出了一种基于测井资料的三轴抗压强度解释模型,该模型是以测井声波、密度、伽马值等数据为主,以单轴抗压强度的解释结果为基础,结合围压下砂岩力学性质实验以及砂岩孔隙度变化实验结果所建立的。研究表明:围压对砂岩强度有较明显的影响,随着围压的增大,砂岩的三轴抗压强度也增大;砂岩的孔隙度随围压的增大而减小,且服从对数函数变化规律。

螺旋曲面加工刀位轨迹数值算法研究与应用

为了提高复杂螺旋面的加工精度,对其刀位轨迹算法进行研究,提出了基于最小有向距离的刀位轨迹数值计算方法。建立了刀具与工件曲面的三维数值几何模型,并通过坐标变换矩阵来建立与实际加工情况一致的数值计算模型。采用空间离散化思想将刀具与工件两空间曲面的最小有向距离的求解问题简化为一个二维求解问题,保证了求解效率和精度。根据阿基米德插补曲线原理,建立了刀位轨迹的数值计算方法。实例加工结果证明,基于该方法得到的刀位轨迹编制的数控加工程序能够加工出满足精度要求的螺旋面。

钻井水力参数优化方法及应用现状

钻井水力参数优化设计对于提高钻井速度有着非常重要的意义。总结了目前在钻井优化软件中常用的3种水力参数优化设计原则及其在钻井工程中的应用方法,并介绍了这些优化方法的差异和发展趋势。针对国外主要钻头生产商提供的水力计算软件及部分钻井仿真软件中的水力学计算模块进行了对比分析,指出了发展具有自主知识产权的钻井水力优化设计软件需要注意的问题及解决方法,对于优化钻井设计具有指导意义。

基于Web服务的PDC钻头井底流场分析平台研究

为解决常规PDC(polycrystalline diamond compact)钻头井底流场水力性能数值模拟分析时存在的门槛高、耗时长、重复工作量多等问题,建立了基于Web服务的PDC钻头井底流场分析平台。平台框架由上至下分为软件接口层、分析服务层和结果输出层。在服务端通过知识封装技术实现钻头井底流场分析过程的自动化、参数化和集成化;利用Web封装技术对参数化流场分析模板进行封装和管理,从而实现客户端基于Web服务的PDC钻头井底流场的分析研究。实例验证表明,采用该平台分析PDC钻头水力性能可有效降低CFD软件的使用门槛,提高钻头井底流场的分析效率,节约人力与物力,能够为石油装备企业提供规范化的技术支持。

CFD在PDC钻头水力结构优化设计中的应用

PDC钻头水力结构优化设计的目的在于有效地清除井底岩屑和冷却牙齿,用计算流体动力学(CFD)方法,对其在PDC钻头水力结构优化设计中的应用进行了阐述。在提出PDC钻头水力结构优化设计原则的基础上,对φ311·2mm(1241)英寸GS605P型PDC钻头的三维流场进行了数值模拟,发现原设计在喷嘴布置位置和喷射角度上存在不足,以此为基础进行了水力结构的优化设计。事实证明,利用计算流体动力学技术,优化PDC钻头的水力结构设计是一种经济而有效的手段。