对接过程中捕获锁质量和锁合面间隙影响分析

采用弹性接触动力学有限元和多刚体动力学方法分别对航天器对接接触碰撞过程和对接机构捕获、缓冲与校正过程进行了数值模拟,对比分析了捕获锁质量对捕获过程的影响及捕获锁锁合面间隙对捕获后对接过程的影响。从仿真结果可以看出,附加质量有利于主、被动对接环之间形成接触滑移,捕获后锁合面间隙引起两飞行器间相对速度震荡,并延迟了碰撞力和缓冲时间。

旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计

简述了旋转导向工具的结构组成和工作原理。利用SolidWorks软件平台对某型旋转导向工具进行3D参数化设计。采用SolidWorks自带的有限元插件COSMOSWorks建立了该工具的三维有限元网格模型,对芯轴进行了有限元分析,分析结果证明芯轴的结构设计合理,强度满足工况要求。虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻井工具提供了理论依据。

非连续性旋转导向钻具组合的广义纵横弯曲法

旋转导向系统底部钻具组合的三维力学分析是导向工具设计和井眼轨道控制的基础。结合有限元单元划分思想和纵横弯曲法梁理论,提出了广义纵横弯曲法。将钻柱分解为若干单元,以节点处的弯矩、转角、挠度和到钻头的曲线长度作为广义坐标,以井眼轴线作为参考构型,采用梁理论建立单元受力变形方程,同时补充节点边界条件和特殊连接边界条件,组装单元方程和边界方程得到系统方程组,选取牛顿迭代法进行数值求解。与经典算例进行了比对,计算结果相吻合;以某型非连续性旋转导向钻具组合为例研究了井斜角、造斜率和钻头侧向力的关系,分析了造斜能力并给出了最大造斜率,论证和演示了广义纵横弯曲法的正确性和实用性。

基于邻井相对位置的井眼分离系数计算方法

针对现有井眼分离系数计算方法存在的不足,提出了基于邻井相对位置的井眼分离系数计算方法(简称相对位置法),并进行了算例分析。在轨迹误差椭球模型的基础上,考虑邻井轨迹误差的相关性,推导了邻井相对误差椭球的计算公式,提出了基于邻井相对位置的分离系数计算公式,并利用共轭梯度法进行求解。算例分析表明,与椭球缩放法和椭球间距法相比,相对位置法计算结果更加精确,适用性更强,能更合理地评价井眼交碰状态。采用提出的方法进行大批量计算,并结合相应的防碰技术规范要求,可以快速简便地寻找关键设计参数的许用范围,在丛式井和定向井设计中具有较好的应用价值。

井眼测量误差椭球最小间距计算方法

随着丛式井和加密井在油田的广泛应用,对井眼防碰分析提出了更高的要求。井眼分离系数是防碰分析的一个常用指标,然而不同误差椭球分离距计算方法导致结果差异较大,为此提出测量误差椭球最小间距计算新方法,以更好地满足应用需要。在坐标变换及误差椭球计算基础上,推导了中心向量法误差椭球分离距计算公式,进而应用最优化理论求解了两误差椭球最小间距,并研究了快速求解策略,可精确、快速地计算井眼分离系数。算例分析表明,与其他计算方法相比,新方法能更好地指导井眼防碰风险评价工作,在丛式井设计和定向钻井中具有应用价值。

基于LabVIEW和固高控制卡的三轴实验平台控制系统

通过将固高运动控制卡的动态链接库导入LabVIEW,测试了Jog模式下的LabVIEW程序,并在此基础上进行三轴实验平台的控制系统开发。结果证明,在LabVIEW环境下可快速完成运动控制系统的开发。

随钻仪器工业级功率器件拓展应用研究

随钻仪器工业级功率器件是井下电路不可缺少的电子元器件,其自身发热量大,而井筒的高温环境不利于热量扩散,造成其温升过高导致性能下降甚至损坏,从而影响随钻测量。对其进行温度控制,拓展其工作温度上限很有必要。鉴于此,设计了一种随钻仪器功率器件温控试验系统。通过试验研究获取数据,借助最小二乘法建立温控模型,预测随钻仪器工业级功率器件拓展应用温度上限。研究结果表明:在85℃环境中,通过温控试验系统,可将模拟功率器件所代替的工业级功率器件温度上限拓展至122.7℃,拓展幅度达到37.7℃,拓展率上升44.4%;可将真实功率器件所代替的工业级功率器件温度上限拓展至150℃以上,拓展幅度超过65℃,拓展率超过75.3%。该温控试验系统对随钻仪器工业级功率器件具有良好的温控效果,具备拓展其温度上限的能力,同时温控试验系统开启后300 s内,可使模拟功率器件和真实功率器件温度均低于环境温度30℃以上,并趋于稳定,具有响应速度快的特点。

随钻仪器井下降温系统阻热性能研究

现有井下仪器采用的阻热技术都没有对阻热性能进行可靠的分析和定量的评价。鉴于此,以随钻仪器井下降温系统中的阻热技术为研究内容,建立了相应的物理模型,设计了阻热方案,阐述了阻热机理。基于传热学理论,建立了一维数学模型和三维数值模型,并通过一组参数得到了不同阻热方案和不同求解方法下的传热量,从而定量评价了降温系统的阻热性能。研究结果表明:一维解析解和三维数值解给出的阻热性能趋势一致,即采用真空和绝热材料组合的阻热方案,电路系统获取的传热量最低,阻热性能最好;一维解析解和三维数值解得到的传热量为同一数量级,明确了高温环境传递给电路系统热量的大小;一维解析解均小于相同条件下三维数值解,表明三维数值模型能更精确地反应实际传热量,更适用于对阻热性能的研究。研究成果可为随钻仪器井下降温系统的设计提供理论依据。

圆弧型井眼轨道设计模型的综合求解法

为让圆弧型井眼轨道设计模型的求解方法简洁、有效、快速且具有足够精度,提出了井眼轨道解析、扫描和迭代的综合求解法。讨论了三段制和五段制两种典型的圆弧型井眼轨道及其初值问题。对于三段制轨道,利用其几何性质直接给出解析计算公式;对于五段制轨道,分为约束目标井段的井斜角或方位角、约束中间稳斜段的井斜角或方位角两大类,并建立了简洁的参数约束方程,提出了先以图谱扫描初步求解、再以此为初值迭代求解的综合求解方法。研究结果表明,所提出的算法简单实用,易于编程实现,在三维定向井和水平井设计中具有应用价值。

恒工具面角井眼轨道设计模型及求解方法

恒工具面角曲线是一种典型的井眼轨道设计模型组件,计算复杂,设计求解难度大。现有模型缺乏一般性,且求解模式单一,为此提出两种典型的恒工具面角井眼轨道设计模型,并寻求灵活、有效的求解方法。针对定向井和水平井一般设计问题,构建了单、双恒工具面角曲线与直线组合两种典型设计模型,探讨了多种设计变量求解方法。通过合理确定设计变量初值,采用拟牛顿数值求解方法,精确、快速、灵活地求解了这两种设计模型。算例应用结果表明,两种典型轨道设计模型及其求解方法合理、有效,可用于定向井和水平井轨道设计。

空间圆弧轨道的分析与控制

空间圆弧是一种典型的井眼轨迹曲线,在定向钻井轨道设计、测斜计算和导向控制中应用广泛.为便于理论分析与轨道控制计算,基于圆弧段两端点的轨迹基本参数,应用矢量分析方法建立了空间圆弧轨道数学模型,得到了以井深为自变量的井眼轨道参数解析公式.提出了空间圆弧轨道姿态参数计算方法,进而用圆弧轨道曲率及其姿态参数描述圆弧轨道特征.推导了井斜角和方位角变化率计算公式,分析了空间圆弧轨道井斜角极值点问题.根据测斜仪原理,明确了工具面角和工具面方位角的含义,讨论了其间关系及应用.针对固定弯角的导向钻井系统,提出一种实钻轨迹控制模型,能够满足空间圆弧轨道的控制需要.这些研究成果为井眼轨道设计和导向控制提供了理论依据.

七段制恒工具面角三维水平井轨道设计方法

为降低页岩油气田三维水平井的施工难度,提出了七段制恒工具面角轨道设计模型。根据工程设计需求,将设计参数归为3类18种求解组合。由于参数约束方程为多元非线性方程组,难以解析求解,为此探索了数值求解方法。首先求解对应的三维圆弧轨道模型,将其结果作为恒工具面角轨道模型的初值,进而采用拟牛顿法进行求解。基于三维圆弧轨道模型及其解析公式,设计了恒工具面角轨道模型常用求解组合算法流程,解决了三维恒工具面角设计模型求解难题。算例研究表明,模型求解方法简单、有效,计算精度高,易于编程实现,可以为三维水平井轨道设计以及页岩油气田三维丛式水平井优快钻井提供新选择以及相应的技术支持。