Power-V诱导的钻柱黏滑振动特征分析

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方法,深入分析Power-V的作用机理,研究其对扭转振动的影响,指出Power-V和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加,进而引起摩阻扭矩的增大,诱导井下黏滑振动.实测振动数据证实,Power-V与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素.这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥Power-V的作用具有重要意义.

考虑摩擦块形状及轮轨蠕滑的列车制动黏滑振动行为分析

制动盘与摩擦块之间相互摩擦引起的黏滑振动直接影响高速列车制动系统的稳定性并威胁车辆安全运行.为探明摩擦块形状对高速列车制动系统黏滑振动的影响,本文中针对高速列车制动系统常用的五边形和六边形摩擦块,在相对低速条件下开展了盘-块黏滑振动试验,辨识了盘-块界面的Stribeck摩擦参数,揭示了摩擦块形状、摩擦系数和盘-块界面黏滑振动之间的关系.进一步,建立了考虑盘-块摩擦、轮-轨黏着及轮-盘扭转的高速列车制动系统动力学模型,并将辨识的Stribeck摩擦参数集成到该动力学模型中,构建了盘-块界面摩擦特征与制动系统动态响应之间的关联.基于此,研究了摩擦块形状对高速列车制动系统黏滑振动的影响.结果表明,摩擦块形状通过改变盘-块界面摩擦特征,影响制动系统的黏滑振动响应及稳定性.此外,相比五边形摩擦块,采用六边形摩擦块制动系统的黏滑振动强度更低.

制动闸片摩擦块孔结构对盘-块界面黏滑振动的影响

制动闸片摩擦块多采用孔结构以改善界面摩擦磨损行为及热分布特征。为进一步研究制动闸片摩擦块孔结构与盘-块界面黏滑振动特性的关系,通过开展摩擦学试验,分析了有孔和无孔摩擦块对界面黏滑振动的影响,并辨识了相应的Stribeck模型参数以描述盘-块界面间的摩擦因数特征。然后,建立了盘-块摩擦系统数值模型,基于辨识的Stribeck模型参数并结合理论分析,探讨了黏滑振动的关键影响因素,揭示了摩擦块孔结构对界面黏滑振动的作用机理。结果表明,摩擦因数-相对速度负斜率特征造成的负阻尼效应向系统输入能量,导致了系统的不稳定及黏滑振动。动、静摩擦因数的差值越大,负阻尼效应越强,系统黏滑振动强度及不稳定程度更高。相比无孔摩擦块,有孔摩擦块可通过孔结构调整界面摩擦特征,使动、静摩擦因数的差值减小,从而有效抑制界面黏滑振动强度,提高系统的稳定性。

钻柱黏滑振动特性仿真与产生机理分析

针对钻探作业中产生的钻柱黏滑振动现象,研究了仿真环境下钻柱系统的黏滑振动特性与振动产生机理。基于振动理论,建立了井下钻进系统的双自由度弹性模型,提出了一种模拟钻头-岩石摩擦力矩的算法;构造了钻进系统结构图,模拟了钻柱黏滑振动的变化规律,并通过极限环分析钻柱黏滑振动的产生机理;绘制钻井参数与振动幅值和周期的关系曲线,讨论了钻井参数对钻柱黏滑振动的影响。仿真结果表明,钻柱黏滑振动主要表现为钻头周期性地黏滞和滑动,属于一种由非线性摩擦力引起的自激振动;钻井参数的改变影响钻柱黏滑振动的剧烈程度。

黏滑振动理论及其在铁路机车中的应用

为研究机车处于黏着极限态时轮对的动态行为,提出平均滑动率和动态滑动率的概念并对黏滑振动稳定性及其振动特点进行分析。黏滑振动是介于黏着和滑动的动态过程,其稳定性取决于轮轨黏着,减小平均滑动率和动态滑动率有利于黏滑振动稳定。当轮对在黏着及滑动状态的往复交替时,轮对旋转与轮对纵向振动通过轮轨纵向切向力耦合,轮对的纵向振动频率为轮对旋转固有振动频率的整数倍。建立机车机电、控制一体化系统动力学模型,再现轨面黏着条件降低时轮对黏滑振动现象,对理论分析结果进行验证。研究结果表明:增大机车一系纵向刚度,电动机吊挂刚度有利于黏滑振动稳定性,提高机车黏着性能,需要合理匹配轮对纵向定位刚度和电动机吊挂刚度,避免机车黏滑振动时引起结构共振。

扭力冲击器对钻柱黏滑振动的影响分析

扭力冲击器可抑制钻柱黏滑振动并提高机械钻速,被广泛应用于深井、超深井钻井中。其工作参数作为影响扭力冲击器应用效果的直接因素,相关研究还很不充分。为了评价扭力冲击器对钻柱黏滑振动的抑制效果,文中建立了考虑扭力冲击器高频扭矩的钻柱扭转振动模型,编制了相关计算程序,并采用四阶-五阶Runge-Kutta算法进行求解,讨论了扭力冲击器主要工作参数对钻柱黏滑振动的影响。研究结果表明:扭力冲击器可以有效缩短黏滑周期,以抑制钻柱黏滑振动和增加其机械钻速;当扭转冲击载荷较低时,增大扭转冲击载荷可以缩短黏滑周期甚至消除钻柱黏滑振动,但是当黏滑现象消失后,继续增大扭转冲击载荷对钻柱扭转振动的影响较小;增大冲击频率可以减弱钻柱黏滑振动,并提高钻柱转动时的稳定性。研究结果可为扭力冲击器工作参数的选择提供参考。

抑制油气井钻柱黏滑振动控制器设计与应用

油气井钻进过程中,钻柱系统深入地下几千米,容易引发钻柱黏滑振动现象,进而损坏钻井设备、降低钻进效率及危害钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提高系统抗干扰能力,建立了钻柱双自由度集中参数模型及非线性摩擦扰动模型,设计一种状态观测器,提出了速度补偿反馈控制方案。在仿真系统中验证了控制方案的可行性;仿真结果表明,设计的控制器可以使波动的钻头转速逐步收敛于输入参考值,并且闭环控制系统表现出良好的动态性能;基于速度补偿反馈控制器设计了钻柱黏滑振动控制系统,并在钻进现场完成测试实验。实验表明,设计的控制系统可以有效地抑制钻柱黏滑振动,从而进一步提高钻进效率、保障钻进安全。

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。

钻柱系统黏滑振动的自激振动特性研究

针对当前钻柱系统黏滑振动产生的影响不断增大的问题,研究黏滑振动的自激振动特性。通过建立钻柱系统的黏滑振动力学模型,推导了钻头于黏滞阶段与滑脱阶段的状态方程,并得到其滑脱阶段的振动响应。在得到系统黏滑振动特性的基础上,研究钻头在不同初始条件时相对转盘运动的相轨迹。结果表明,当钻头初相点存在扰动时,其运动均将趋向于稳定的黏滑振动,表现为钻头运动的相轨迹收敛于稳定的极限环。对黏滑振动产生的原因进行分析,结果表明,产生黏滑振动的钻柱系统在黏滞状态与滑脱状态转变时均存在摩擦扭矩的降落,相当于在钻头转动方向作用一个外载,即钻头临界状态转变时存在的负阻尼效应将钻柱的振动调节为自激振动。

雨刮器非线性黏滑振动及其对刮刷效果的影响

建立基于黏滑振动理论的雨刮器2自由度非线性动力学模型,通过数值计算的方法,利用分岔图和相轨迹证实刮刷过程中普遍存在的黏滑振动现象,并分析不同刮刷速度下的非线性黏滑振动特性;采用时间历程和等高线图分析黏滑振动的时空分布,通过占空比及对刮痕数量的定量统计,对刮刷效果进行评价分析.研究发现:不同刮刷速度下黏滑现象的发生及其振动特性具有复杂的非线性特征;当名义刮刷线速度大于0.725m·s-1时,无黏滑振动现象;提高刮刷速度能有效抑制黏滑振动的发生,减轻刮痕分布的不均匀性对刮刷效果的影响.

基于状态反馈和扭矩前馈钻柱黏滑振动控制系统

钻柱黏滑振动现象广泛存在于油气井的勘探开发。该振动容易造成钻柱连接松动,加快钻井部件的磨损和失效,从而降低钻井效率、威胁钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提出一种状态反馈和扭矩前馈结合的控制方案。基于建立的钻进系统双自由度集中参数模型,设计一种状态观测器,可以估计钻进系统难以测量的井下状态。并设计一种参考值优化算法,可以根据钻头与岩石间的摩擦扭矩,实时计算所有状态参考值和前馈扭矩输入量。结合状态观测器和参考值优化算法,实现了全维状态控制器的设计。仿真结果表明,在变化的非线性摩擦扭矩下,设计的控制方案对钻柱黏滑振动起到了良好的抑制效果。井场实验表明,设计的控制器可以应用于抑制钻井现场产生的钻柱黏滑振动现象。

基于单齿破岩有限元模拟的黏滑振动机理研究

油气勘探开发中深部复杂地层具有孔隙压力高、温度高、岩石硬度高、塑性强及可钻性差等特点,给钻井作业带来了诸多困难,为此,进行了钻头齿破岩黏滑振动机理研究。通过单齿切削数值模拟及试验,研究在破岩过程中钻头齿与岩石的作用方式、破碎微观过程,以及在不同钻压及岩性条件下钻齿切深、破岩载荷及破碎效率之间的关系。研究结果表明:在不同模拟条件下,切削载荷波动随钻头齿切削深度的增加而增大,切削深度变化会改变岩石的塑-脆性破坏形式;钻头齿切深突增导致钻柱扭矩不足以克服岩石阻力,钻头转速的低频振动终止,动态平衡打破,从而导致黏滑振动的发生。研究结果可以为提高钻井效率及高效开发深部油气资源提供理论参考。

水平井钻柱-井壁摩擦诱导黏滑振动机理研究

水平井钻柱系统黏滑振动严重威胁井下钻柱及工具的安全性。为了揭示水平井钻柱系统与井壁非线性摩擦诱导钻柱系统黏滑振动机理,基于质量-弹簧-阻尼离散方法及Stribeck摩擦理论,建立了水平井全井钻柱系统非线性动力学模型。对无钻压加载条件下的水平井钻柱系统在不同井段和不同钻井工况参数下的动力学响应进行了分析。分析结果表明:钻柱-井壁间的非线性摩擦会诱导钻柱发生周期性黏滑振动,且随着转盘扭矩的增大,直井段转速波动随之增大;造斜段管柱的扭转振动更加剧烈,且造斜段入口管柱的黏滑振动强度明显大于水平段管柱。研究结果可为提高水平井钻井效率和降低作业风险提供理论指导。

摩擦离合器黏滑振动特性的显式动力学分析

针对摩擦离合器在接合过程中出现的黏滑振动问题,建立了某车型离合器三维有限元模型,通过采用有限元软件ABAQUS内嵌的显式动力学分析算法,对离合器系统在接合过程中产生的黏滑振动特性进行研究,通过改变法向载荷和摩擦片厚度,探讨了两者对离合器系统黏滑振动行为的影响。研究结果表明,利用ABAQUS显式动力学分析能有效地模拟出离合器接合过程中产生的黏滑振动现象。黏滑振动发生过程中,系统位移信号呈现出明显的锯齿状波动,飞轮盘和摩擦片会在一定时刻形成相互咬合的状态。离合器黏滑振动的频率和系统的自然频率非常接近,受到系统结构的影响。当法向载荷从1.0 MPa增大到1.5 MPa时,系统振动位移信号的波动幅值增大,黏滑振动周期减小,系统颤振现象更加明显。但当法向载荷进一步增大到3.0 MPa时,黏滑振动逐渐演变为持续的摩擦自激振动现象。通过合理地调控离合器接合的法向载荷,有利于改善黏滑振动现象。摩擦片厚度对系统黏滑振动特性的影响显著,当摩擦片厚度从2 mm逐渐增加为4 mm时,系统的结构频率发生变化,从而使得系统黏滑振动的频率发生变化。此外,增大摩擦片厚度能够改善系统黏滑振动行为,降低系统黏滑振动强度,因此适当地增大摩擦片厚度,是改善黏滑振动强度的有效手段。

PDC钻头切削深度对抑制黏滑振动和提高钻进速度的影响

我国油气需求持续增长,非常规油气田开发力度不断加大,钻井环境日益复杂,黏滑振动常有发生,导致钻井效率降低,钻井费用增加。学界和业界经过长期的研发,一系列黏滑振动抑制技术和工具被应用于钻井工程中。在总结和分析黏滑振动抑制技术发展基础上,着重介绍了PDC钻头切削深度控制技术、控制设备的结构、原理和现场试验效果,分析了这些技术对抑制黏滑振动和提高钻进速度的影响,并且通过机械比能阐述了振动抑制对提高钻井效率的影响。

抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制

为了抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹现象,分析了黏滑振动和钻头反弹的运动机理,根据牛顿第二定律及电力拖动系统运动学理论,建立了钻柱旋转系统、起升系统的动力学模型及其负载模型,设计了基于线性二次型(LQR)控制策略的钻柱旋转系统和起升系统的状态反馈控制器。仿真结果表明,LQR控制器可使钻头转速稳定在给定转盘转速附近,控制系统的响应时间小于25 s,减少了钻压、扭矩和轴向位移波动,有效抑制了钻柱黏滑振动和钻头反弹现象。

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。

基于离散元法的PDC钻头切削复合地层黏滑振动特性研究

针对煤矿井下钻孔时钻头穿层钻进过程中遇到坚硬岩层而发生黏滑振动的问题,借助离散元数值模拟技术开展了PDC齿在5种典型硬度地层中切削破岩性能及黏滑振动特性研究。结果表明:钻头黏滑现象随着地层硬度的增加愈发明显,PDC齿切削极硬岩层时在岩石表面滑移而无法有效钻进;提高钻头转速在一定程度上能够减弱黏滑振动,但对提高钻进性能无明显增益效果;增加钻压能够显著提高钻头钻进效率,但同时会导致更严重的黏滑振动;采用扭转冲击方法能够有效减弱甚至抑制钻头的黏滑振动且能够提高钻头的钻进性能,但过大的扭转冲击会导致钻头所受冲击载荷增加。

基于黏滑振动机理研究的钻头自适应限位齿结构设计

乍得某盆地基岩潜山地层主要由花岗岩构成,岩石研磨性强、可钻性差,使钻头黏滑振动现象成为制约安全钻井与高效开发的主要不利因素之一,亟待开展黏滑振动机理与解决对策研究。本章采用有限元模拟与室内实验等研究手段,以钻头单齿微观动态破岩过程为切入点,模拟分析了钻压、吃入深度对钻齿切削效率的影响,揭示了钻齿吃入深度过大影响钻具扭转、塑性—脆性破碎形式转变、岩石破碎动态平衡打破的黏滑振动发生机理,并估算得到不同岩性地层的吃入深度推荐范围。据此创新设计了自适应限位齿控制单元,通过数值模拟方法对其结构参数进行优化改进。加工样机后进行结构力学运动性能的室内台架压载测试,测试发现,加载时限位块能够有效抵抗模拟钻压而缓慢压入,卸载后又能相对快速地伸出本体,基本实现本结构的设计目的,即自适应地控制钻头切削齿有效吃深,降低黏滑振动发生概率,保护钻头钻柱,减少起下钻频次与降低失稳断裂风险,为钻井提速增效与高效开发深部复杂地层资源提供技术支撑。

基于支持向量机的钻柱黏滑振动等级评估方法

为评估钻柱黏滑振动的严重程度,提出了一种基于因子分析(FA)与支持向量机(SVM)的黏滑振动风险评估方法。对仿真得到的扭矩数据进行时域与频域分析,提取信号的特征值,然后应用因子分析方法减少高维特征的冗余信息,获取特征向量,最后通过SVM对降维处理后的数据进行黏滑振动等级分类。研究结果表明:基于井口扭矩信号的SVM黏滑振动等级预测方法的整体预测精度超过80%,能够较准确地对黏滑振动强度等级进行预测。因此该方法是一个有效的黏滑振动等级分类方法,应用该方法能够有效地对钻柱黏滑振动等级进行识别,有助于司钻根据钻柱黏滑振动剧烈程度实时调整钻井参数,减轻黏滑振动产生的危害,提高钻井作业效率和安全性。