柔性钻柱扭转振动及控制研究

在旋转钻井中,钻杆承担着传递扭矩以助钻头破岩的重要作用,钻杆的粘滑振动是降低钻井设备使用寿命和钻进效率的主要原因之一,因此,通过研究粘滑振动的机理,探寻一种有效的抑制方法。提出了基于改进粒子群优化PID参数的鲁棒控制器,抑制钻头的粘滑振动并且使得其它部件保持期望的速度上。采用四自由度粘滑振动模型,包括转盘、钻杆、钻铤和钻头,同时考虑钻头与岩石接触的非线性相互作用。利用Matlab/Simulink建立模型仿真进行数值分析,并且设计模拟钻头卡钻实验。结果表明:粘滑现象会带来严重的后果,改进的粒子群优化PID参数可以使钻头及其他部件稳定在给定的转速的附近,控制响应时间小于40 s,减少了钻头扭矩波动,有效地抑制了钻柱粘滑振动。

开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析

为分析开窗侧钻过程对钻柱螺纹接头强度与密封性能的影响,考虑螺纹在倒划眼和开窗侧钻时的工作状态,建立了钻柱螺纹接头三维有限元模型,分析了复杂载荷下螺纹接头应力和接触压力的分布规律,研究了不同材料和不同公差配合下螺纹接头的应力和密封性能,并与文献计算结果进行对比,验证了模型的准确性。研究表明:开窗侧钻时,螺纹接头受到的弯矩最大,主副台肩拉伸侧密封性能只有压缩侧的52.0%;倒划眼作业时,井口处钻柱受到的轴向载荷最大,外螺纹前两圈齿根应力超过屈服强度,存在断裂风险,主台肩面脱离、螺纹接头密封失效;随着材料弹性模量降低,螺纹接头在开窗侧钻时承受的弯矩减小,当材料弹性模量降至50.0%时,螺纹最大应力减小了17.0%,最小接触压力减小了19.6%;在极限公差下,螺纹接头主要由副台肩承受接触压力转变为主要由主台肩承受接触压力,副台肩应力得到改善,但密封性能完全失效。根据开窗侧钻过程中螺纹结构应力状态的研究结果,可通过改变螺纹材料和公差配合提高钻柱接头的安全性与密封性。

电控半程旋转导向钻井工具研制与现场试验

半程旋转导向钻井技术,是将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离,上部钻柱低转速旋转送钻,下部钻具进行常规滑动定向钻进,可低成本、大幅度提高导向钻井的井眼轨迹控制能力和水平段延伸能力。基于此技术,研制了电控半程旋转导向钻井工具。该工具在常规滑动定向钻井钻柱的近钻头端安放电控半程旋转导向钻井工具,由地面信号下传装置发送钻井液负脉冲序列指令,工具接收指令后执行钻柱扭矩分离和结合动作。需要指出的是,扭矩分离后对反扭矩进行控制是该工具的关键技术,通常用钻柱与井壁的摩擦扭矩对抗反扭矩,但当扭矩激增时无法平衡反扭矩。电控半程旋转导向钻井工具通过增设抗反扭扶正器和吸扭储能总成,有效抵抗反扭矩、稳定工具面。电控半程旋转导向钻井工具已开展4井次现场试验。试验结果表明,该工具可大幅缓解托压,降摩减阻,提高钻压传递效率,具备反扭矩控制能力,扭矩分离后工具面保持平稳,机械钻速有所提高,具有推广应用价值。

特深井井下等效冲击扭矩作用下钻铤接头三维力学特征分析

特深井钻井时钻柱在井下受到强烈的冲击扭矩作用,严重威胁着钻井施工安全,需要进行特深井钻柱井下冲击扭矩的测量和分析。首先,采用三维力学分析方法得到了不同扭矩作用下钻铤螺纹接头的受力特征,建立了内、外螺纹之间相对偏移量与井下等效冲击扭矩之间的对应关系;然后,以西部油田某特深井上部井段ϕ203.2 mm钻铤NC56接头为例,利用刻痕法测量内、外螺纹台肩的相对偏移量,反演得到与偏移量相对应的井下等效冲击扭矩,并用实际测得的钻铤接头卸扣扭矩进行了验证。实测数据表明,钻井过程中井下存在很大的冲击扭矩,使钻铤接头在井下发生二次上扣。根据实测偏移量反演计算的井下等效冲击扭矩与卸扣扭矩吻合程度高,表明该方法具有较好的可靠性。分析表明,上扣预紧状态对钻铤接头的井下二次上扣特性有很大影响,避免欠扭矩上扣是防止钻铤接头井下二次上扣的有效手段。

煤层气水平井钻柱摩阻计算与优化

煤层气的开发方式主要分为多分支水平井和从式水平井,由于两种生产方式均采用了水平井,因此钻柱在钻井过程中的摩阻和托压一直是业界关注的热点,但到目前为止,该问题仍未得到有效解决。为此,文章以大吉-吉县区块的深部煤层气水平井为例,通过对全井钻柱系统建立动力学模型和应用数值仿真方法进行水平井摩阻研究。研究结果表明:钻压对煤层气水平井造斜段的摩阻影响较大,其中小井斜造斜段的摩阻与钻压成反比,大井斜造斜段的摩阻与钻压成正比,稳斜井眼段的摩阻对钻压变化不敏感;受钻柱屈曲变形的影响,水平段钻柱摩阻上升10.2%。因水平井大井斜井眼段和水平段较长,因此煤层气水平井的总摩阻整体来讲与钻压成正比。文章通过建模和数值仿真方法,揭示了深部煤层气水平井各井段摩阻对钻压的敏感性,并可根据不同钻压条件下对井眼轨迹进行了优化,以此指导现场作业,降低井下摩阻,提高机械钻速。

旋转导向钻井系统三肋流道转换器设计研究

旋转导向钻井系统是目前广泛应用的定向钻井工艺技术系统,流道转换器是该系统的关键机械零件,具有仪器内流道转换、电气连接等功能。针对流道转换器的功能需求,设计了一种三肋形式的流道转换器结构,并采用CFD方法对其进行全三维数值模拟,分析了流道转换器内流场情况,依据分析结果对流道设计进行了改进。研究发现:流道转换器出口总压分布均匀,但流体流线较乱,且流经流道转换器的液体压力损失仍较大,在优化倒角后压力损失有所降低。通过结构设计与仿真分析,完成三肋流道转换器的选材及结构定型,最终完成三肋流道转换器的研制。

轴扭耦合冲击器结构设计与室内试验

为提高PDC钻头切削齿在硬地层中的吃入深度、消除扭转振动带来的危害,在自激换向式扭冲总成结构的基础上,增设水力脉冲式轴冲总成,利用扭冲总成拨叉带动轴冲总成动盘阀同步旋转,使过流面积发生周期性变化,产生水力脉冲轴冲载荷,与扭冲载荷一起形成轴扭耦合冲击,设计出一种结构简单、冲击频率相同的新型轴扭耦合冲击器。同时,基于能量转换与守恒定律,建立了冲击器性能参数数学模型,并开展了轴扭耦合冲击器性能参数室内试验。试验结果表明,该轴扭耦合冲击器的压降、轴冲载荷与流量平方呈正比,扭冲载荷、冲击频率与流量呈线性增大关系,最大相对误差仅7.91%,验证了该数学模型的准确性。研究结果可为同类冲击钻井工具的开发提供理论指导。

柔性钻具水力导向射流喷嘴流场分析

现有柔性钻具钻井技术和水力喷射径向钻井技术在控制钻进方向上存在困难或有局限性。为实现钻井导向可控,设计了一种能够水力导向的高压射流喷嘴结构。建立导向喷嘴流体数值模型,利用数值模拟的方法进行流场分析,研究喷嘴倾角、喷嘴直径、喷嘴开启个数等参数对导向力、射流速度的定量关系,给出了导向力方向确定方法。结果表明:随着关闭喷嘴个数的增加,喷嘴导向力呈指数逐渐增大;轴向倾角越大,喷嘴导向力和最大喷射速度越大;喷嘴内径减小时,导向力和喷射速度都显著增大。通过数值模拟验证了射流喷嘴水力导向的可行性,分析结果和导向力的拟合公式对水力导向喷嘴钻进方向的研究具有指导意义。

某随钻测井仪钻铤接头内螺纹裂纹失效分析

某随钻测井仪作业后发现钻铤接头内螺纹存在裂纹,造成该仪器无法作业;通过断口微观形貌分析、能谱分析、化学成分分析、硬度检验、金相组织分析来综合确定裂纹的产生机理并提出预防措施。分析结果表明:在腐蚀环境和复杂应力条件下,接头内螺纹裂纹始于齿顶侧壁的凹坑,开裂形式为穿晶解理断裂,兼具腐蚀疲劳断裂与应力腐蚀开裂;且钻铤材质沿晶界存在较多的沉淀,导致腐蚀敏感程度增加,也是裂纹产生机理之一。

内涂层质量对钻杆失效的影响研究

石油钻杆性能的稳定与否直接影响着输送能源资源的安全和高效性。钻杆失效是指钻杆在使用过程中出现磨损、腐蚀、断裂等问题,导致钻井工作中断、钻井进度延误以及设备损坏,给企业带来巨大经济损失。因此,对石油钻杆内涂层质量的研究和控制具有重要意义。本文将从腐蚀、磨损、抗拉强度和疲劳性能等方面,详细阐释石油钻杆内涂层质量对钻杆失效的影响并列举出几种不同钻杆失效情况和原因分析。

石油钻杆制造工艺及监造技术研究

石油钻杆是钻井过程中的重要工具,是石油钻井作业中最重要的工作部件,其质量的好坏直接关系到石油钻井作业的安全性和稳定性。本研究全面探讨了石油钻杆的制造工艺及其监造技术。首先,介绍了钻杆的基本功能和不同类型,在此基础上,详细阐述了石油钻杆制造的关键工艺,包括过热渗碳、不等温淬火以及螺纹加工等步骤。在监造技术方面,本文深入分析了多个关键的监造步骤,包括对管端镦粗、焊接、热处理等过程的检查。希望通过本文的研究能够为石油钻杆制造以及监造提供一定的思路。

中心射流泵降压性能参数敏感性分析

为分析射流泵结构参数对井下环空钻井液压降的影响,应用CFD仿真软件对中心射流泵的不同结构参数产生的降压效果进行仿真分析。结合实际工况模拟了射流泵的喉管长度、喉管直径、喷嘴直径、喷嘴角度四个关键结构参数以及钻井液密度和排量对压降影响的敏感性。同时,运用CFD-DPM方法对射流泵进行了冲蚀分析,给出冲蚀较大的区域。研究结果表明:喷嘴直径相比其他三种参数对环空压降影响较显著,喉管长度、喉管直径、喷嘴角度对环空压降影响较小;钻井液排量相对与钻井液密度对射流泵的降压效果影响更为显著;冲蚀较大区域主要出现在射流泵入口处、射流泵弯管拐角处、喷嘴缩径处。研究结果可为用于井下起抽吸降压作用的中心射流泵的结构尺寸设计提供参考。

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明:研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。

一种钻井指向式导向机构的力学分析

钻井导向机构的力学分析是导向工具设计和轨迹控制的基础。基于一种指向式导向机构的设计,通过纵横分析法和有限元法,建立不同的力学模型,分别对外壳、导向轴和向心关节轴承进行力学分析,研究导向机构不同安装位置对偏置力、钻头倾角和向心关节轴承所受应力大小的影响,同时分析外壳与导向轴刚度比对偏置力大小的影响,最后给出最佳的导向装置安装位置为距调心轴承0.3 m处,外壳和导向轴刚度比为5,可以增加造斜率和确保设计的合理性及可行性。

液压震击器震击力影响因素分析

为解决液压震击器在工作时震击力偏小的问题,采用理论分析、仿真分析与试验研究的方法,根据液压震击器工况和震击原理,开展包括释放力、井深、震击器安放位置、钻井液黏度、润滑油黏度、震击器上下部钻杆数量、延时阀阀芯直径等因素对液压震击器震击力的影响分析。研究结果表明,增加一定的释放力可以增加震击力;井深越深,震击力越大;最适合安装震击器的位置在钻柱组合中和点偏上处;钻井液和润滑油的黏度越大,震击力越大;在一定范围内增大震击器上钻杆的质量,可以增大震击力,考虑刚度等原因,继续增大震击器上钻杆的质量,会导致震击力减小;阀体内径不变时,阀芯直径越大,震击力越大。

涡轮钻具与螺杆钻具的技术现状和对比分析

近年来,涡轮钻具和螺杆钻具已成为钻井作业中不可或缺的井下动力钻具,在石油勘探和开发领域发挥着重要作用。本文介绍了这两种钻具的工作原理及技术现状,并从性能和应用情况方面对涡轮钻具和螺杆钻具进行了深入的对比分析。通过对比分析,提出现阶段针对不同钻井条件的工具选用建议,为现场钻具选择方案提供参考,从而提高钻井效率,降低钻井成本。

滤波稳定器适用性分析及试验评价

钻井过程中钻具的剧烈振动易引发MWD、LWD等精密仪器失效、钻头早期受损、钻具疲劳断裂等事故。重点分析深井、超深井井下工具振动影响因素,将安装滤波稳定器作为抑制钻柱振动冲击的主要措施,利用滤波稳定器核心组件弹性位移变化,实现钻柱轴向振动能量的吸收和释放,建立力学模型优选其安装位置,以便削减和过滤底部钻具组合的轴向和周向振动。现场井段应用滤波稳定器后的效果明显,保证了仪器信号的稳定传输、钻压和扭矩的有效传递,有效降低了钻柱黏滑效应,延长了钻头寿命,提高了机械钻速。

Ф73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆的研制与应用

叙述了Φ73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆的研发过程,详细介绍了其管体镦锻制造技术以及产品使用效果。通过特殊的管体镦锻技术以及螺纹车削技术,开发出了性能稳定、使用寿命长的Φ73 mm摩擦焊接式全钛合金钻杆。该摩擦焊接式全钛合金钻杆在塔河油田T4326CH2超短半径水平井已成功应用,最高造斜曲率达到55°/30 m,创下西北工区井眼曲率最大、侧钻进尺最少、侧钻时间最短3项纪录。

全尺寸随钻扩眼钻具系统振动特性仿真研究

随钻扩眼技术可在全面钻进的同时扩大裸眼段尺寸,在深井、超深井、小间隙井、侧钻井和复杂井况中得到了广泛应用。但对随钻扩眼过程中的振动特性和减振机理不明,扩眼作业中仍存在钻柱动力学稳定性差、扩眼质量不理想和机械钻速低等问题。为研究随钻扩眼过程中钻柱的动力学特性,建立了呼101井钻具组合长5539 m的全尺寸钻柱系统仿真模型,对随钻扩眼过程中钻具瞬态振动进行仿真分析。基于仿真结果,研究了随钻扩眼过程中钻具振动特性受钻井参数和钻具组合的影响规律。研究成果可为随钻扩眼钻井参数和钻具组合的优化提供理论依据。

高造斜螺杆钻具万向轴匹配性分析与结构优化研究

高造斜螺杆比常规螺杆的受力更复杂,易导致传动轴断裂或万向轴瓣/键齿磨损失效等风险,大幅降低了使用寿命。为了研究万向轴与高造斜螺杆的匹配性,提升传动系统与螺杆整机的使用寿命与工作可靠性,依据花键、花瓣万向轴与传动轴的结构特点,建立了万向轴和传动轴一体式仿真物理模型。利用有限元分析方法开展了常规螺杆与高造斜螺杆分别匹配花键或花瓣万向轴对传动轴反作用力以及万向轴齿根部最大等效应力分布规律的对比研究,明确了高造斜螺杆的万向轴适配规律。进一步探究了花键、花瓣万向轴下铰链与弯点间距离对传动轴反作用力以及万向轴壳体弯角对齿根部应力的影响规律,提出了万向轴结构优化方案。结果表明:高造斜螺杆匹配花瓣万向轴具有强度优势,匹配花键万向轴具有降低其对传动轴反作用力的优势,有利于提升传动轴TC轴承和螺纹的使用寿命;匹配花瓣或花键万向轴的下铰链到弯点之间的距离分别设计为-177 mm和-180 mm,壳体弯角小于1.75°,可以降低反作用力和齿根部等效应力,提升传动系统的可靠性。研究成果可为高造斜螺杆钻具万向轴和传动轴的匹配性及结构优化设计提供参考。