涡轮钻具定转子三维叶型的设计方法研究

为了研究涡轮三维叶型的水力性能,基于等环量法提出了一种涡轮三维叶型的理论造型方法,并推导出了该涡轮三维叶型的特性参数计算方法。利用ANSYS Fluent对同尺寸下的涡轮三维叶型和二维叶型进行了数值模拟分析其水力特性。研究结果表明:与二维叶型相比,涡轮三维叶型的压降减小约50%,水力效率提高约5%。对比了三维叶型涡轮扭矩的理论计算结果与仿真结果,发现它们的误差在10%左右,在实际工程允许范围内。研究结果可为涡轮三维叶型的设计提供理论依据。

水平井涡轮振荡冲砂工具设计与仿真

目前水平井常用于高渗透疏松砂岩油气藏的开发,在开发过程中经常面临出砂问题,即当油层出砂之后,砂粒会紧跟原油流进井筒中,随后逐渐沉积在水平段的较低位置处而产生砂床。砂床的存在会影响石油的开采,堵塞出油通道,增加流动阻力,甚至会损坏井下设备,造成井下砂卡事故。针对我国目前常规水平井冲砂效率低、效果差且易发生堵塞等问题,文中设计了一种水平井涡轮振荡冲砂工具,确定了冲砂工具的总体方案,对振荡与冲砂参数进行了计算,并对冲洗头进行了冲砂效果仿真。研究表明,该工具通过振荡、旋转方式破砂,使得砂粒不易在井筒沉积形成砂床,在不影响冲砂效率的前提下冲砂工具不易卡涩,且该冲洗头喷嘴的布置方式可使冲洗效果更为显著。

冲砂洗井技术研究现状及发展趋势

冲砂洗井过程中,冲砂液携带地层砂上返时,受重力影响容易二次沉积,造成砂卡、砂堵。特别是深井、超深井冲砂洗井,由于井眼轨迹复杂,携砂液摩阻增大,导致施工压力升高甚至超出冲砂洗井设备的承载能力。上述情况下,常规冲砂洗井技术难以顺利实施,作业风险高,而低压漏失井由于地层压力低、易漏失,冲砂洗井作业时冲砂液漏失严重,携砂能力下降,冲砂洗井效率降低,甚至无法将砂冲出。但随着国内外冲砂洗井技术不断进步和发展,上述冲砂洗井作业难题逐步得到解决。为推动我国冲砂洗井技术的进步,从冲砂洗井工具的结构、工作原理、技术特点以及发展趋势等方面对国内外冲砂洗井技术的研究现状进行了综述,并结合我国冲砂洗井的特点,指出了国内冲砂洗井技术的发展趋势,以期促进我国冲砂洗井技术的发展。

井眼轨迹控制工具主轴载荷与造斜能力关系研究

井眼轨迹控制工具是随钻实时完成导向功能的一种导向式钻井工具.在复杂工况下,主轴承受钻压、扭矩和偏置机构作用力等,十分复杂.在课题组前期研究的基础上,对样机主轴的力学行为开展了进一步的研究,在建立主轴静力学模型的基础上,分析了工具外壳刚度、偏置机构安装位置等因素对主轴力学行为与造斜能力的影响规律.研究发现,主轴下端偏转角、偏心机构作用力和最大截面弯矩会随着偏心位移增加呈线性增加;随着外壳刚度的增加和偏置机构安装的位置与上支撑轴承之间距离的增加,工具造斜能力也会增强;通过分析偏置机构安装位置和外壳刚度对主轴力学行为的影响规律发现,随着外壳刚度的增大和偏置机构安装位置与上支撑轴承之间距离的增大,主轴最大截面弯矩也会增大.最后,给出了最佳的外壳刚度与偏置机构安装位置建议.

井眼轨迹控制工具导向运动控制研究

基于井眼轨迹控制工具的结构特点,建立导向机构的数学模型,分析了导向过程中偏置机构合位移的形成及其分解方法。考虑了工具外套变形对主轴偏置运动的影响,以及不旋转外套发生微小转动的情况,推导出调整主轴到目标点的控制方程。根据内外偏心环初始位置及目标点坐标选择最优路径,从而使调整时间最短。利用井眼轨迹控制工具试验装置的试验数据得出仿真曲线,验证了推导方程的正确性。

高造斜井眼轨迹控制工具主轴力学行为研究与优化设计

依据高造斜井眼轨迹控制工具的基本结构，建立实际工况下的主轴力学模型.分析了钻压、偏置机构的偏距对主轴力学行为的影响规律，分析得出，外壳与主轴存在较强的相互作用；增加钻压会降低钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩；钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩随着偏置机构偏距的增加而线性增加.通过分析偏置机构安装位置、主轴刚度对主轴力学行为的影响规律得出，降低主轴刚度能有效减小偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩，且不影响钻头的偏转角.该分析能有效指导高造斜井眼轨迹控制工具的设计与现场应用.

基于传递矩阵法的指向式旋转导向工具主轴振动特性

指向式旋转导向工具应用于井眼轨迹控制时,其主轴的动力学特性将直接影响到井眼轨迹控制效果及作业安全,而在钻进工况下,工具钻压传递机构在主轴上的位置对主轴的动力学特性起着重要的作用。因此,为了分析钻压传递机构的位置对主轴动力学特性的影响,利用多体系统传递矩阵法建立了指向式旋转导向工具外壳-轴承-主轴系统的动力学模型。通过推导主轴上任意节点的几何和力学方程,该研究能够评估钻压传递机构的位置对主轴动态性能的影响规律。结合实例运算分析了钻压传递机构的安装位置对主轴固有频率和振型的影响,探讨了工具造斜时,钻压传递机构安装位置对主轴动态位移的影响。结果表明,随着钻压传递机构安装位置距离钻头越远,主轴固有频率和动态位移均增大,因此在满足工作要求下,推荐钻压传递机构安装位置尽可能靠近钻头端。为验证基于传递矩阵法建立的主轴动力学模型的正确性以及钻压传递装置安装位置对主轴动态位移影响规律,在指向式旋转导向工具试验台架上进行了钻进工况下主轴测点偏移量测试试验,结果表明,试验测得的数据与理论计算的数据基本吻合,误差最大仅为6.47%。

基于模拟退火算法的海洋修井机井架轻量化设计

海洋修井机是整个修井作业的必要设备,海洋修井机井架是修井机最关键的承载部分,所受到的载荷较大,常由于强度和稳定性不足造成严重的事故。基于修井机井架主要是以静力学性能作为设计准则,并未考虑井架的小模块化和轻量化要求,仅通过增加杆件材料用料来保证井架的安全性和可靠性,存在巨大的材料浪费。所以在保证井架的安全性和可靠性的同时,为实现海洋修井机井架轻量化设计,从而减少材料用量,具有十分重要的工程意义。通过模拟退火算法研究了井架轻量化,结果表明,轻量化后的井架静力学、动力学和稳定性均符合行业标准。可见海洋修井机井架轻量化研究的准确性较高,研究方法和结果可为修井机井架结构优化提供理论依据及数据参考。

旋风分离器气固流动特性数值模拟研究

为探究旋风分离器流场特性与分离特征,在气固两相流理论基础上,建立旋风分离器结构模型,通过CFD数值模拟软件对分离器的流场进行仿真计算,研究了气相速度场和压力场分布情况,考察各项参数对分离性能的影响。进行方案优选,在圆柱段长度430 mm、下锥段长度790 mm、溢流管插入深度140 mm、溢流口直径80 mm时分离器分离效率达到最优值。通过线性回归与多元逐步回归法推导得出分离效率与参数间的关系表达式,对分离器结构改进具有重要的参考价值。

W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明:结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。

水下井口连接器力学特性分析与实验研究

基于密封性能对水下井口连接器的力学特性进行分析和试验验证。以高压介质作用下密封性能的判定准则为依据,根据赫兹接触理论得到了接触宽度、最大接触压力与接触面倾角之间的定量关系,确定了密封面倾角满足密封性能的合理范围。在小变形假设下利用弹性理论分析了在锁紧情况下密封圈各点处的应力分量变化规律,利用有限元软件分析了密封圈各点的应力变化规律,并且根据水下采油树标准设计试验进行了密封性能的验证。

套损井贴堵窄间隙固井顶替分析研究

为了进一步增强贴堵修复技术的应用效果,提高窄间隙固井顶替效率,考虑窄间隙井井身结构及轴向驱动力和周向驱动力对顶替界面的复合影响,建立了环空顶替界面长度计算模型;考虑被顶替液在环空内的滞留以及流体壁面剪切应力对被顶替液的作用,建立了顶替过程中截面顶替效率计算模型;基于数值计算方法,对不同贴堵管居中度、井斜角、水泥浆密度、水泥浆排量及流性指数下固井顶替界面形态进行仿真模拟。模拟结果表明:当井斜角大于60°时,居中度对固井顶替质量的影响较大,适当降低贴堵管居中度有利于减小顶替界面长度,使固封段顶替界面平缓,有利于减少固封段内水的滞留;注入水泥浆密度越大,固井顶替效果越好;随着水泥浆注入量的增加,固井顶替界面长度逐渐增大,固封段内更易滞留水造成固井质量不佳。研究成果可为窄间隙固井作业提供理论支撑。

水平井钻磨管柱油管组合方式研究及下入安全性分析

基于钻磨管柱下入过程易造成遇卡事故,油田采用了2种线重油管的组合方式进行钻磨作业,提高了管柱的下入能力,但未能得到2种线重油管组合方式优选的可靠依据。为得到2种线重油管的最优组合方式,采用微元法对管柱单元在各井段的受力进行分析,建立钻磨管柱的下入载荷计算模型;采用编程对油田水平井进行实例计算,计算结果与实测结果对比显示模型平均误差在8. 12%左右,验证了模型的正确性;基于下入载荷计算模型,进行了钻磨管柱组合特性研究及参数敏感性分析。结果表明:采用2种线重油管的组合方式能增大钻磨管柱下入能力,当大线重油管所占整个钻磨管柱的长度为井斜角70. 8°左右的井深时,组合比例最优,不同的摩擦系数μ决定不同最优组合比例。

高造斜井眼轨迹控制工具主轴模态分析与实验研究

高造斜井眼轨迹控制工具是一种新型无极、可调的旋转导向钻井工具,代表着当今高精度定向钻进技术的方向,是导向钻井技术一次质的飞跃。其主轴受到径向载荷、冲击载荷等的作用,无可避免会发生振动,因振动可能会形成结构的共振,从而对工具造成损坏。本文基于哈密顿原理建立主轴的模态有限元模型,完成主轴自振频率的求解,利用u Tek Ma模态分析软件完成主轴的模态分析测试,实验所测结果与数值计算结果相当,验证了模型以及计算的正确性,为主轴的动力学分析提供基础。

斜井段冲砂砂粒沉降规律及影响因素仿真分析

针对斜井段砂粒沉降的问题,建立了砂粒两相流动数值模型,并结合现场井眼参数,将模型简化,建立了冲砂管柱与井筒在斜井段的环空流体仿真模型;研究了斜井段砂粒沉降的规律,分析了排量、冲砂液黏度、砂粒大小、冲砂液密度、井斜角等因素对砂粒沉降的影响,并结合多个影响因素进行正交试验。研究结果表明:在斜井段冲砂过程中环空宽间隙处砂粒平稳运移,主要以层流方式上返运动;环空窄间隙处砂粒主要以翻滚、迂回、跃移的形式进行运动,砂粒运移速度明显滞后于环空宽间隙处,且部分砂粒会聚集、回旋并沉积,主要沉积在斜井段末尾接近水平段处;各影响因素中,砂粒粒径及冲砂液黏度对携砂效果影响最大,冲砂液排量影响次之,冲砂液密度对携砂效果的影响较小。综合试验结果,建议现场作业冲砂液排量选取为800 L/min左右,所使用的冲砂液黏度为35~45 mPa·s,推荐胍胶液质量分数为0.1%~0.3%。研究结果可为水平井安全高效作业提供一定的指导。

国外商业化旋转导向钻井工具发展现状

旋转导向钻井技术是先进钻井技术的代表,应用前景广阔。旋转导向钻井工具通过其导向系统对井眼轨迹进行调控,从而提高油气产量、缩短建井周期、降低油气勘探开发成本。针对国内旋转导向钻井工具成熟产品较少的现状,对国外现有典型商用旋转导向钻井工具的导向原理及结构组成进行了阐述,总结了国外已商业化的旋转导向钻井工具的发展概况,以期望为加快国内旋转导向钻井系统的研发与商业化提供参考。

双入口旋风分离器速度流场及分离效率数值模拟研究

为了探究双切向入口旋风分离器气相流场特性以及气液分离效率,本文采用数值模拟的研究方法,使用CAD技术模拟了双切向入口旋风分离器速度流场分布以及粒径大小对分离效率影响规律。研究发现:速度流场在尾端的分布相较于单入口旋风分离器,“摆尾”现象减弱,且呈现良好的对称性;外部自由涡速度以较大速度向下运动,最大可达9.4 m/s,内部强制涡先以2 m/s速度向上运动,到达溢流口附件速度发生突变,达到入口速度的两倍以上;在本文研究的小型分离器结构尺寸下,对于小粒径液滴的分离效果远不如大粒径液滴,且临界分离粒径的大小在1~3 um之间。

旋转导向工具研究现状及发展趋势

虽然我国在旋转导向工具技术的研发方面取得了很多突破,但最尖端的技术仍然被国际大型跨国油服公司所垄断。为缩小与国外技术的差距并取长补短,详细论述了几种国外最新的旋转导向工具,并对这些旋转导向工具典型的导向机构、工作原理和测控系统进行了较详细的介绍;同时,对我国在井眼轨迹控制技术方面取得的进展进行了总结,重点在导向结构、实现功能和应用推广方面做了分析;在总结国外旋转导向工具技术并结合机械工程的新材料新技术发展基础上,提出井眼轨迹控制工具将向复合式工具技术的方向发展,其中工具的心轴、轴承的材料和结构以及工具的智能化研究将是未来的发展方向,而恶劣环境下的井下钻井机器人将是研究的最终目标。

深水钻井隔水管与地层管柱耦合力学分析

在深水钻井作业过程中,隔水管的安全对整个钻井过程至关重要。为了研究钻井系统在复杂海洋环境以及海底地质条件下的力学行为,综合考虑了海流载荷、海底地基反力、张紧力以及平台偏移量等因素,建立了隔水管与井口系统耦合的力学模型。采用解析法和有限元法结合,对力学模型进行了求解,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响。分析结果表明:随着平台偏移量的增大,隔水管与地层组合管柱的横向位移相应增大;增加张紧力可以减小隔水管和地层组合管柱的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定。研究结果对深水隔水管钻井作业具有指导意义。

钻井用水力振荡器阀组压降计算方法

水力振荡器通过螺杆旋转驱动阀组运动,使过流面积发生周期性变化,导致阀组两端压降产生相应变化,从而产生周期性的轴向力,实现水力振荡效果。为较为准确地得到水力振荡器阀组两端压降,根据阀组流道的结构,建立阀组流道有限元模型。运用滑移网格和Realizable k-ε湍流模型对不同尺寸的阀组组合进行流体仿真分析,并结合试验数据验证仿真模型和结果的正确性。仿真结果对水力振荡器的阀组的参数设计有重要的指导意义。