膨胀管技术发展现状及研究趋势

膨胀管技术是将特殊材料或结构的管柱下入井中,利用金属材料的塑性变形能力,借助机械或液压力,让管柱产生永久塑性变形,并同井壁或套管贴合,在不损失原有井眼直径的同时,达到改善井眼套管层级的目的,是一种先进且有效的钻完井及修井技术方法。国内对膨胀管技术的研究起步较晚,但经过多年来的研究发展,也取得了一定的成绩,并已投入到实际生产应用中,主要集中在Ф139.7mm及以上规格的井眼中,中国地质科学院勘探技术研究所自主研发的Ф76mm、Ф96mm、Ф122mm规格的膨胀波纹管已在小口径地质岩心钻探中取得了较好的应用效果,一举打破该技术在小口径钻井领域的研究及应用空白,拓展了该技术的应用范围。

液相冲击波破岩等离子体通道生长发展机理及敏感性探索

地球深层、超深层油气资源丰富,但深部地层具有岩性致密、硬度高、研磨性强等特点,采用传统旋转钻井方式成本高、效率低,亟需探索针对深层、超深层硬地层的新型破岩技术。液相放电冲击波破岩技术因其高效、绿色、能量可控等特点受到广泛关注,为研究液相放电等离子体通道生长发展机理与液相放电等离子体通道的参数敏感性,基于电流场、传热场以及带电粒子碰撞扩散方程建立了二维液相的“针—针对排型”放电模型,分析了不同放电参数(加载电压、电极尖端形状、电极间距、电极夹角等)下等离子体通道内能量密度及局部电场强度等参数变化规律。研究结果表明:(1)加载电压、电极尖端形状以及电极间距是等离子体通道内能量密度大小的主要影响因素,其最佳放电电压为140~180 kV;(2)椭圆形放电电极形成的等离子体放电通道具有“区域宽、数值高”等特征,具备高电能密度的同时,减小了对电极头的损伤,可作为优选电极类型;(3)电极间距应在满足最小击穿场强的前提下,尽可能增大电极间距;(4)电极夹角对液相放电过程产生的直接影响微乎其微,但电极夹角的改变会影响等离子体通道在水中的形成位置。结论认为,该研究结果为液电破岩装置的研制和参数优化提供了重要参考,为未来液相冲击波技术在油气工程领域的探索与应用提供了理论支撑。

基于FPGA的井筒无线电磁短传系统设计

随着油气田勘探开发的持续深化,油气井钻井的质量要求日益提升。针对如何高效、准确地将近钻头处数据跨越螺杆钻具传输至随钻测量系统这一关键问题,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的井筒无线电磁短传系统设计方案。采用XC6SLX16型FPGA芯片,以降低电路设计难度和提高电路设计统一性;基于井筒无线电磁传输原理和二进制频移键控技术,实现信号的调制解调;通过引入快速傅里叶变换(FFT)算法,加快获取信号的频谱信息并完成信号的解调。利用Modelsim仿真工具进行验证,结果表明,FFT算法不仅实现了目标信号和其他信号的快速区分,还显著提升了信号传输的准确性和可靠性。

自动化钻具排齐装置行走机构的优选——行走机构相关论文综述

本文以行走机构为切入点,对相关29篇论文和期刊研究整理。针对行走机构结构的不同分别进行特性分析,最后综合经济性能、结构属性、适用环境等多角度考量,优选出符合实际的自动化钻具排齐装置行走机构,并结合工作实况给出合理性建议。

S135钻杆外螺纹接头断裂原因分析

某油田钻井作业中发生一起S135钻杆断裂失效事故。对断裂失效钻杆接头及同批次未失效钻杆接头的化学成分、拉伸性能、夏比冲击韧性、非金属夹杂物及晶粒度进行了试验分析。结果表明,这些性能指标的试验结果均符合订货技术协议的要求。用金相显微镜和扫描电镜对断口形貌进行观察分析,断口表面存在疲劳台阶和疲劳辉纹等疲劳失效特征。金相分析发现螺纹丝扣底部有一层白色的马氏体金相组织,由于失效钻杆接头在钻进过程中承受了轴向拉伸、扭转和弯曲等交变应力,因而在马氏体组织部位首先萌生了裂纹,这些裂纹在钻井过程中逐渐疲劳扩展,并使存在裂纹的接头横截面可承受载荷的面积逐渐减小,最终该钻杆接头在扭转和弯曲等复合应力作用下发生了断裂失效。建议钻杆接头上扣时合理控制扭矩,防止在接头螺纹表面产生马氏体组织。另外,定期对钻杆接头的螺纹部位进行无损探伤检测,防止存在裂纹缺陷的钻杆下井使用。

螺杆钻具万向轴有限元结构分析

针对螺杆钻具工作原理及其主要承受的复杂负载情况,以7LZ172型螺杆钻具为研究对象,对球铰接万向轴进行受力分析,利用SolidWorks Simulation软件进行有限元分析,得出结构应力较大的位置,并提出针对性的改进建议,以降低滚柱、铰接轴和铰接头失效概率。

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。

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。

基于近钻头工程参数的钻井参数优化方法研究

在实际钻井作业中,地面录井参数采样频率低、数据信息量少、距离钻头远,无法准确判断井下钻头工作状态,钻井参数调整主要依靠地面工程师的经验及对钻井数据的简单分析。鉴于此,开展基于近钻头工程参数测量数据的钻井参数优化方法研究。建立基于ANN神经网络的机械比能、机械钻速、粘滑振动水平之间的预测模型,平均绝对误差分别为43.865、0.013、0.099。提出了基于DE-NSGA-Ⅱ算法的钻井参数优化方法,利用该方法优化后的钻井参数,实现了最大的机械钻速、最小的机械比能、最大限度地抑制井下粘滑振动等目标,并给出最终的参数优化建议,从而有利于提升钻井效率,实现安全、高效、快速钻井。

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。

夹层砂岩中斧形齿的破岩优势分析

在中国众多的油气藏中都存在大量的夹层砂岩,且层间构成复杂,使用普通平面齿PDC钻头破碎夹层砂岩时,很容易产生各种不良工况,如弹跳、回转等,给破岩带来了极大困扰。为此,采用一种特殊的PDC斧形齿钻头,并通过ABAQUS有限元仿真分析方法对比斧形齿与平面齿在夹层砂岩中的破岩效果。结果表明:斧形齿特殊的三维结构在破岩时使剪切应力更加集中,并使其在嵌入岩石时产生更大的破坏力,更容易切入岩石,破岩能力显著提升。

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。

复合脉冲钻井提速工具的设计及试验分析

为了提高定向井硬质地层中的机械钻速,设计了一种短长度全金属的复合脉冲钻井提速工具。该工具能同时产生高频低幅的扭转冲击和轴向脉动冲击,且两种冲击为串联结构。基于所设计的工具特点及工作原理,利用理论分析与数值模拟相结合的方式,分析了扭转冲击压降及水力脉冲结构内部流场域,并对工具样机进行了性能试验。研究表明,该工具中扭转冲击喷嘴尺寸越小,扭转冲击压降越大,近似成二次函数关系;试验中,摆锤两端面会产生压差波动,两端面的压力呈正压差、负压差交替波动趋势,表明扭转冲击能够及时完成换向,推动摆锤往复运动;该工具中水力脉冲能产生轴向脉动冲击,且压降随流量增加而增大,近似呈二次函数关系,同时明确了轴向水力脉冲产生轴向冲击的原理。该工具的研制为定向井的提速提效提供了一种新手段。

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。