调整井控压钻井专用旋转防喷器的研制

为了满足调整井控压钻井低成本推广需要,研制了一种专用旋转防喷器,其功能完善、结构紧凑,整机高度仅为840mm,满足15钻机或常规30钻机实施调整井控压钻井的需求。本文详述了该装备的组成和工作原理,介绍了该装备的技术特点,对同类设备的研发具有一定的指导意义。

双目视觉下钻杆接口定位的实现

智能机器人技术的快速发展推动了石油钻机装备自动化和智能化的提升。针对目前石油钻机上卸扣作业中,传统的钻杆接口定位存在困难,无法实现完全自动化的问题,提出了一种基于改进YOLOv5x算法的智能钻杆接口检测方法,并在双目视觉下建立了钻杆接口定位模型。模型基于卷积神经网络提取钻杆接口的图像特征,从而实现自动识别;融合CBAM(Convolution Block Attention Module)注意力机制以提高模型的特征提取与表达能力,引入更大尺度特征图作为小目标检测层,减少了钻杆接口图像中小目标的误检和漏检情况;结合SGBM(Semi-Global Block Matching)算法,实现双目视觉下钻杆接口的精准定位;通过网络训练检验改进算法的性能,并在模拟试验环境下开展了钻杆接口的定位试验。试验结果表明:改进YOLOv5x算法平均精度达到98.6%,比原始YOLOv5x算法提高了3.0%;上下接口平均定位误差分别为7.64和6.56 mm,符合工程误差要求,具有一定的工程应用价值。所得结论可为钻杆接口的准确检测和精准定位提供技术参考。

孕镶金刚石钻头磨损研究现状与发展趋势

孕镶金刚石钻头广泛应用于各种硬岩钻进,尤其是深部硬岩钻探钻井的工程实践活动中,其碎岩机制表现为金属胎体包裹的金刚石出刃后压入、刻划和破碎岩石。金刚石钻头的磨损形式反映了孔底钻头-岩石的相互作用过程,以及磨粒(包括岩屑、胎体碎屑和金刚石碎屑等)在孔底的存在状态,它决定了金刚石钻头的钻进效率和使用寿命。目前关于孕镶金刚石钻头磨损理论、方法的研究大部分属于定性判断,且常局限于区域特殊情况,无法形成统一或可借鉴的实用指导体系。以地质钻探领域的孕镶金刚石钻头磨损相关研究文献为主,讨论了孕镶金刚石钻头磨损的研究现状。首先结合地质钻探工业实践和行业规程归纳了钻头的非正常磨损类型,然后从磨损图像、钻进信号2个方面介绍了钻头磨损评价方法,从钻头整体、金刚石和金属胎体3个方面梳理了钻头钻进过程磨损机理与影响因素,另外列举了主流的钻头磨损性能调控方法,介绍了磨损分析方程的研究进展,并探讨了机器学习方法如何辅助钻头磨损研究。孕镶金刚石钻头在深部硬岩钻探中有极大的潜力,而其磨损性能是决定其最终使用效果的关键。为此,对人工智能方法辅助数据分析、微观尺度计算模拟、增材制造和材料处理改性等研究方向进行了分析展望,探索先进的金刚石钻头的磨损监测分析和调控方法,以期满足地质深部钻探和地外星系钻探等远程监控钻进的需求。

具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头研制

油气勘探开发过程中,难钻地层钻井效率低、钻头寿命短是影响深井、超深井钻井周期和成本的瓶颈问题。钻头工作过程中切削结构轮流与井壁接触而产生的多边形效应是导致钻头不稳定工作、切削齿冲击失效的主要因素。为提高钻头工作稳定性,提出了具有独立缓冲结构的PDC—牙轮复合钻头新结构,并针对四川盆地茅口组Ø311.2 mm井段常规PDC钻头冲击失效严重的问题,设计了3+3+3型(3个主刀翼、3个牙轮以及3个独立缓冲刀翼)的独立缓冲结构复合钻头,开展了全尺寸钻头室内钻进对比实验,并在川渝页岩气区块茅口组—栖霞组地层进行了实钻应用。研究结果表明:①独立缓冲结构复合钻头在常规复合钻头的牙轮切削结构和固定切削结构之间的空隙部位增设独立缓冲刀翼,有效缓解了多边形效应,对PDC齿形成很好的缓冲保护,同时分担了过大的钻压,限制了切削齿吃入深度,进而防止了钻头产生粘滑振动;②独立缓冲结构复合钻头钻压和扭矩波动小,扭矩为PDC钻头的1/5;③独立缓冲结构复合钻头取得了单只钻头进尺170 m的记录,比邻井同层位单只PDC钻头最高进尺提高了73.5%。结论认为,独立缓冲刀翼对提高钻头的稳定性起到了关键作用,不仅提高了钻头寿命,而且有效提高了复杂难钻地层及复杂结构井的综合钻井时效,有效降低了油气勘探开发成本。

机器学习在钻柱振动识别与预测中的研究进展

钻柱振动是影响钻井效率、钻柱失效、井眼稳定和钻井安全的主要因素,复杂振动的早期识别对于缓解井下工具受损、提高生产时间至关重要。为此,充分调研国内外机器学习在钻柱振动识别方法方面的研究成果,从数据获取角度对钻柱振动识别与预测方法进行了全面分析,对比研究了各算法模型的框架、特征参数和测试效果,系统评估了各算法模型的优缺点,并对未来振动识别与预测的发展方向提出思考。研究结果表明:①机器学习算法可以从大量振动数据中学习和提取特征来建立模型,对振动进行分类和预测,通过不断优化算法和模型,提高钻柱振动识别与预测的准确性和可靠性;②随着数据采集和处理技术的不断进步,地面与井下多源数据融合方法将多种数据共同分析处理,可以最大程度地发掘地面和井下数据特征,有望成为解决井下问题的重要途径;③随着钻井工程与人工智能技术的不断融合与发展,振动缓解与钻井提速联合优化,将为钻井工程提供更为可靠的指导和决策。结论认为,机器学习在钻柱振动识别与预测方面的应用和发展进一步缓解了超深井井下钻柱振动这一复杂问题,提高了钻井工程的效率和安全性,推进了钻井过程的高效化和智能化发展步伐。

井下钻具耦合振动测量模型及实钻数据分析

为了监测井下钻柱的实际振动情况,调整钻进参数来控制井下钻柱的振动特性,从而优化钻进,提高钻速。针对如何通过测量的加速度信号对不同振动形式进行解译与表征的井下振动测量关键问题,建立钻柱振动的解析动力学模型,研究了某种特定振动模式下传感器输出信号的测量,分析了传感器输出信号与钻柱振动模式的关系。通过对模拟信号中振动模式所对应的加速度输出特征进行研究,分析得出实钻数据中所包含的振动信息。为井下振动测量信号的量化分析与运动模式解译提供依据。

测井仪被动式热管理系统室温冷却研究

被动式热管理系统能使测井仪内部电子器件的温度在工作时间内不超过耐温指标,然而热管理系统优异的隔热性能导致测井仪需要较长时间冷却,才能投入下一次工作。为此,提出了一种针对测井仪的室温冷却方案。通过将电路骨架从保温瓶内抽出置于空气中实现快速冷却,同时设置芯片保护壳避免内部电子器件与空气直接接触,能够避免较高温差所产生的热应力及水蒸气液化对内部电子器件的损坏,实现快速冷却。模拟和试验验证了该方案的可行性,同时模拟探究了不同因素对冷却方案效果的影响,确定了最佳的冷却方案。研究结果表明,所提出的室温冷却方案可以解决测井仪被动式热管理系统冷却散热的问题,提高测井工作的效率。

基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估研究

现有钻头磨损评估方法中,存在人工特征提取过程可能无法完全提取正确分类所需的信号动态特征,及需要对各个统计量进行大量计算等问题。为此,提出了一种新的基于改进卷积神经网络支持向量机(CNN-SVM)的钻头磨损程度评估算法。该算法将采集的近钻头原始振动数据导入CNN-Softmax模型,通过训练好的CNN模型从近钻头数据中提取主要的特征参数,将提取的稀疏特征向量输入SVM并进行故障分类,利用遗传算法实现SVM参数的优化选择,最后应用t分布随机邻域法近邻嵌入,使其故障特征学习过程可视化,以评估其特征提取能力。采用该算法对钻头磨损的现场试验数据进行了分析。分析结果表明:基于改进CNN-SVM的井下钻头磨损状态评估算法准确率高达98.33%。所得结论可为实现钻头磨损状态的进一步监测提供理论支撑。

S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆”形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。

深井超深井钻井装备技术现状与发展趋势探讨

为助力我国深层超深层油气资源高效勘探开发,文章分析了深井超深井对钻井装备提出的挑战,论述了美国Nabors、斯伦贝谢和NOV等公司的自动化钻机、管柱自动化装备、储能节能与能源管理系统、司钻集成控制系统、智能决策与支持平台等7类产品的功能、特性;并对国内管柱自动化钻机、一键式人机交互7 000 m自动化钻机、12 000 m特深井自动化钻机、管柱自动化装备、储能节能与能源管理系统、司钻集成控制系统、钻井辅助决策与支持系统等产品发展和应用现状进行了阐述。通过技术对标分析得出:我国石油钻井装备取得了长足的进步,但从工程需求和应用上看还存在许多不足,与国外先进技术相比还有不小差距。建议国内各装备制造厂家顺应国家“碳达峰、碳中和”目标和数字化转型、智能化发展趋势,从参数强化、钻机全面自动化、装备运维数智化、司钻操控值守化和钻井作业绿色化等方面开展关键技术攻关。

全旋转指向式导向钻井工具结构设计与仿真

为了提高全旋转指向式导向钻井工具的设计效率,缩短研发周期,笔者首先设计了该钻井工具的导向执行机构,简化导向执行机构的空间机构模型,通过自由度的计算,得出了该机构具有确定的运动。再对该钻井工具的结构组成和导向原理进行分析,得到了其导向控制方法是通过控制全旋转指向式导向钻井工具的双偏心环和旋转外套的角位移关系,调节其工具角和工具面角,实现导向钻井。最后利用SolidWorks和ADAMS软件对钻井工具虚拟样机进行三维实体建模及运动仿真,仿真结果表明该钻井工具可以实现工具面角(0~360)°和工具角(0~5)°的无级调节,验证了所设计的全旋转指向式导向钻井工具结构和导向原理的可行性,为原理样机的加工奠定了基础。

SDTK1井钻铤接头二次上扣特性分析与井下等效冲击扭矩预测

基于8"(203.2mm)钻铤接头三维弹塑性有限元模型,分析复杂载荷条件下NC56钻铤接头内、外螺纹的受力特征和井下二次上扣特性,通过有限元分析,根据接头内、外螺纹台肩处相对偏移量计算井下等效冲击扭矩,形成井下等效冲击扭矩的预测模型,利用塔里木盆地GT1井井下实测结果验证该模型正确性,并应用于中国第1口超万米特深井——深地塔科1井(SDTK1井)。结果表明:复杂载荷作用下钻铤接头应力分布不均匀,台肩处和靠近台肩的螺纹牙处vonMises应力水平相对较高;对于按API(美国石油学会)标准上扣的203.2mm钻铤接头,当井下等效冲击扭矩超过65 kN·m时,钻铤接头的上扣预紧平衡被打破,钻铤接头发生二次上扣;随井下等效冲击扭矩的增大,内、外螺纹台肩处相对偏移量增加。SDTK1井井下存在较大冲击扭矩,井下载荷环境复杂,需要采用双台肩钻铤接头以提高接头的抗冲击扭矩能力或优化作业参数来降低井下冲击扭矩,从而有效防止钻具失效。

WC-Co硬质合金冲蚀模型研究及应用

WC-Co硬质合金是制造固定式节流阀阀芯的主要材料,高压天然气携带着井底杂质颗粒在节流阀节流降压的过程中,对节流阀的核心部件阀芯产生冲蚀破坏。因此,以牌号为YG15的WC-Co硬质合金为研究对象,构建室内冲蚀实验平台,以确定YG15硬质合金的冲蚀模型并结合仿真验证。将冲蚀模型进一步应用至固定式节流阀冲蚀仿真中,预测固定式节流阀阀芯的使用寿命。研究结果表明,确定了YG15硬质合金的冲击角函数和在90°冲击角下的速度指数为2.48;当冲蚀角度由30°增加至90°时,YG15硬质合金靶材的冲蚀磨损量由847.1 mg增加至1235.6 mg;固定式节流阀冲蚀最严重的部位位于节流孔处,冲蚀磨损率随颗粒质量流率的增大而增大;对固定式节流阀进行寿命预测,在颗粒质量流较小的情况下,对节流阀固定油嘴保持一年一换;在颗粒质量流较大时,保持半年内更换一次。

深层超深层油气安全高效开发若干关键问题与新型解决方案

深层超深层油气资源是我国油气资源的重要接替区和重点勘探开发领域,现已成为保障国家能源安全的重要战略资源。深层超深层油气安全高效开发面临诸多挑战,井下复杂工况识别难、套管破损严重、长水平段托压严重和井眼轨迹控制难度达等关键问题尤为突出,亟待解决。为此,针对深层超深层油气开发所面临的关键问题,在分析传统解决方案局限性的基础上,提出了具有显著优势的新工具和新技术,为深层超深层油气的安全高效开发提供了有效的技术方案支持,也为深层超深层钻完井技术发展提供了新的方向。

芯轴悬挂器高强度螺纹结构设计及评价研究

为了防止芯轴下端连接螺纹强度不足而造成失效事故,采用高温高压套管柱设计计算方法、有限元数值模拟和实验手段,对芯轴材料进行了力学性能实验,开发了一种用于芯轴悬挂器高强度螺纹结构,并在极限复合载荷下对该螺纹进行了三维有限元计算。研究结果表明,拉扭压复合载荷对外螺纹强度影响较大,压缩载荷对内螺纹内台肩第一牙应力影响较大,内外螺纹其余部位相对安全。拉伸载荷在一定程度缓解了上扣扭矩对内外螺纹台肩部位的影响。从计算结果得到内外螺纹整体上应力小于材料允许的屈服极限,且螺纹接头接触压力均大于外在流体压力,可以形成有效密封,研究结果为芯轴悬挂器螺纹结构的选型和使用提供理论基础。

负压振动筛原理及在油基钻井液钻屑减量中的应用

经过几十年的发展,振动筛性能有很大提高,但其对钻屑的脱液能力已达极限。40年来,应用于钻井固控,效果不明显。十多年前,经过尝试与高频低幅振动相结合的真空过滤技术应用于钻井固控时,钻屑的脱液能力显著提高,排放钻屑体积大幅减小。近年来,多种负压振动筛在国内钻井中开展了应用试验。经过对常规振动筛复合负压过滤的负压振动筛的原理、主要技术参数、现场应用与国内外类似技术的对比分析及现场应用表明,所使用的负压振动筛的处理量、钻屑含液率、钻屑排放减少量、筛网寿命、能效、设备成本、使用经济效益等都均有明显优势。负压振动筛的应用对节能减排和实现“碳中和”具有重要作用,其逐渐替代常规振动筛,将是钻井固控技术发展的必然趋势。

基于仿真的复合冲击破岩流固热耦合场分析

为了揭示复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩机理,以温度为纽带,通过迭代算法建立复合冲击载荷下PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型,同时以PDC钻头切削齿温度为评价指标验证仿真模型;从动态破岩过程、力学变化行为、温度演化规律和流场分布特征等4个方面完成复合冲击载荷下全尺寸PDC钻头破岩工作特性分析。分析结果表明:PDC钻头破岩流固热耦合仿真分析模型误差在10%以内,满足工程分析精度需求;PDC钻头破岩过程分为单齿破岩、平面破岩和深度破岩3个阶段,增加复合冲击载荷后PDC钻头最大扭矩增大66.3%,平均扭矩增大28.0%;PDC钻头的高温区域分布在钻头最底部切削齿表面,最高温度达到166.9℃;钻井液在PDC钻头刀翼外侧切削齿产生高压区域,最大压力达到107.9 kPa;钻井液在喷嘴出口处流速最大,达到6.1 m/s。研究结果可为揭示复合冲击破岩机理、开发高效PDC钻头提供理论指导和技术支持。

高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

数字孪生技术在油气钻完井工程中的应用与思考

数字孪生技术在数据实时分析、工程设计优化和设备健康诊断等方面已展现出巨大潜力,成为油气行业数字化转型发展、加速油气行业新一代技术创新的关键技术,但受钻完井工程中软硬件不完善与研究方法不明确的制约,目前尚处于起步阶段。在论述油气田钻完井工程数字孪生技术的概念和技术特点的基础上,重点介绍了数字孪生技术在钻完井工程的钻前设计、过程监控、作业培训方面的最新应用进展,提出了数字孪生技术在钻完井工程中的应用构成方案,探讨了数字孪生的关键技术方法;并分析了数字孪生技术在钻完井工程及其相关行业应用中存在的问题,提出了油气行业数字孪生技术发展建议。这可为数字孪生技术在油气行业的应用提供理论基础与方法指导,加速油气行业数字化进程,提升油气田开发效率,推动智慧油田全面构建。

φ175 mm涡轮钻具叶片型线结构参数优化研究

以φ175 mm涡轮钻具为研究对象,研究了不同叶片型线结构参数对涡轮钻具效率及扭矩的影响。基于五次多项式理论和计算流体力学基本原理,开展了涡轮钻具水力性能仿真分析;结合正交试验法和响应面优化法,研究了叶片的前缘和后缘半径、前缘和后缘楔角、进口和出口结构角对涡轮钻具效率和扭矩的影响程度,并通过对极差分析,确定以入口结构角、出口结构角和后缘楔角为影响因素,以效率和扭矩最大化为目标,进行响应面优化;通过响应面法建立了叶片结构参数与扭矩和效率的回归方程,得到了涡轮钻具优化后的工作效率和扭矩。研究结果表明:影响效率的主要因素是出口结构角、后缘楔角和后缘半径;影响扭矩的主要因素是出口结构角、入口结构角和后缘楔角;优化后的涡轮钻具其扭矩提高了42.6%,效率提高了2.4%。研究结果可为涡轮钻具叶片型线结构的参数设计和优化提供理论支持。