多级变径随钻扩眼器研制及刀翼受力与钻压分配分析

深层小井眼采用随钻扩眼器进行扩眼作业时存在井眼缩径、固井质量差和卡钻频繁等问题。为解决该问题,基于随钻扩眼器基本结构和工作原理,采用新型变径结构,研制了一种多级变径随钻扩眼器;建立了随钻扩眼尺寸与主动活塞轴向位移之间的函数关系,并分析了扩眼器刀翼的受力情况;采用双因素计算方法分析了该扩眼器的钻压分配情况,得到了随钻扩眼器钻压分配比对扩眼尺寸、钻具锐度及地层抗压强度的影响规律。分析得知,随钻扩眼器的钻压分配比与钻遇地层抗压强度、扩眼尺寸呈正比,与扩眼器锐度呈反比,该扩眼器的理论井径扩大率为7%~20%。研究认为:对随钻扩眼器进行钻压分配分析,可以指导扩眼器的设计及领眼钻头的选型;研制的多级变径随钻扩眼器为提高扩眼效率提供了技术支撑。

定向井的多层分注管柱串通过性分析

随着定向井注水层数增多,多层分注管柱串的通过性分析,是施工过程中确保油井安全、防止管柱失效的主要方法,严重影响井下分注工艺的成功实施。以多个封隔器和配水器(5个工具以上)组成的多层分注管柱串整体为分析对象,充分考虑井眼轨迹、曲率、井径、地层摩阻、套管直径等因素的影响,采用力法和位移法,结合能量和动力学分析方法,在三维空间下,分析管柱串与套管内壁之间的摩擦阻力与管柱串整体通过能力之间的关系,建立了一种可用于定向井至水平井的多层分注管柱串在起下过程中的动态载荷和受力剖面模型,在井筒的最大曲率处,比较管柱串下端的轴向作用力与摩擦阻力,从而实现对多层分注管柱的通过性分析。最后结合工程实例,对多层分注管柱串进行了通过性和安全性分析,给现场作业提供了良好的工程指导。

轴向载荷波动下海上测试管柱动力响应与安全系数分析

为研究海上测试管柱在作业过程中轴向载荷波动对管柱强度和变形的影响,针对泥线上管柱的作业特点,对适应于简化条件下的泥线上管柱的轴向力计算方法及振动模型进行了推导;基于建立的管柱有限元模型及其固有频率分析结果,应用Workbench进行了不同频率、不同水深、不同波动幅度轴向力下测试管柱的动力响应分析及对应的安全系数计算。研究结果表明:轴向力三角形波动一定周期后,响应参数趋于稳定,波动幅度对管柱的响应结果影响不大;同幅度载荷变化下,正弦波动时的最大应力、最大变形响应数值较三角形波动时要小;随着水深的增加,最大变形、最大应力的数值均明显减小,二者响应规律基本一致;在基频不同倍数的波动下,波动频率对响应频率、稳定前的时间占比、幅度等影响明显;测试管柱在轴向波动载荷作用下的强度均满足材料的使用安全系数,但正弦波动时管柱的变形与应力始终随轴向力的变化而变化,正弦波动下的管柱易出现周期性疲劳破坏。

气体钻井连续循环短节的设计与本体的力学分析

气体钻井是欠平衡钻井技术的重要组成部分,可以提高钻井速度,但接单根工况需要中断循环,容易造成岩屑沉降、井壁垮塌、卡钻等安全隐患。为此,设计了一种在气体钻进中接、卸钻具可保持气体连续循环且便于安装和拆卸的短节,其主要结构包括短节本体、主通阀、旁通阀和旁通接头,重点解决了其核心部件主通阀、旁通阀的结构设计;在对其本体进行静力学分析的基础上,运用ANSYS有限元分析软件,模拟了短节本体在受拉伸、扭转、内压工况下的受力状况。分析结果表明,其应力分布趋势与弹塑性力学分析结果相符,在短节本体两处圆孔附近产生应力集中现象,最大变形量仍然处于材料弹性变形阶段。有限元分析结果与弹塑性力学分析结果相符,能满足本体强度的要求。该成果为解决大位移井、欠平衡井、窄密度窗口井等安全钻井提供了新的方案。

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。

液压环境下流体对管柱单元XYZ方向作用力分析

通过对液压环境(即静流体作用)下的管柱进行离散分析,说明了现有模型在分析静流体对管柱单元作用力时的不足。采用微元法结合高斯公式对静流体下管柱单元的受力进行了分析,运用先补全,再减去所补面积的等效方法,得到了静流体对管柱单元侧面产生的作用力的理论计算方法。建立了液压环境下,静流体对任意管柱单元(直线单元或曲线单元)X、Y、Z方向作用力和浮力系数的理论计算模型。基于相关理论计算模型,结合ANSYS有限元进行模拟计算,得出了在水深300m^3000m处,30°和90°等曲率圆弧管柱的X、Y、Z方向作用力的理论计算结果与ANSYS模拟分析结果。相关结果对比表明:ANSYS有限元计算结果与理论计算结果间最大的绝对误差不足0.4%,验证了本文建立的理论计算模型的正确性。

新型射流振荡器工作原理与试验研究

设计了一种新型射流振荡器,该振荡器中没有运动件,没有温度限制,不与井下化学物质反应,寿命长,适应性好。通过FLUENT软件进行仿真,得到流体在流道中流速及压力变化过程,证明了其工作原理的可行性,并得到了新型射流振荡器压降和轴向力数值变化曲线。仿真计算与现场试验进行对比,验证了仿真结果的正确性。研究为射流振荡器的数值计算提供了方法和依据,同时也为进一步研究射流振荡器的结构参数和理论分析打下基础,为射流振荡器的设计提供理论支持。

一种新型多级可变径稳定器工作机理研究

针对目前国内可变径稳定器结构复杂、制造成本高等问题,设计了一种主要用于水平井井眼轨迹微调的新型多级可变径稳定器。该稳定器能在钻井液驱动力作用下通过改变销钉在行程控制轮导向滑槽中的状态来实现多级变径,针对其结构特点,对其工作原理进行了介绍。基于纵横弯曲法理论,并考虑均布载荷及弯矩等因素的联合作用,建立了包含多级可变径稳定器的井下钻具组合的力学模型,得到了钻井液驱动力与稳定器支撑块伸出长度之间的关系式,计算了不同支撑块伸出长度所需最小钻井液驱动力和钻头侧向力的值,结果表明该可变径稳定器能实现增斜、降斜和稳斜功能。研究成果为多级可变径稳定器的结构设计和优化提供了技术指导。

井眼轨迹控制工具主轴力学行为分析

采用梁单元模型对井眼轨迹控制工具主轴进行简化,基于动态有限元显示积分算法,分析了主轴转速、偏移量及钻压对主轴力学行为的影响。结果表明:主轴转速及钻压对主轴力学行为影响较小;随着偏移量的增加,偏心环作用力、下支撑轴承作用力、钻头侧向力逐渐增加。并通过室内试验,验证了主轴力学行为仿真分析的正确性。

脉冲式增压器增压特性研究

由于深井、超深井数量的增加,传统机械式钻头破岩钻井已无法满足钻井效率需求。为此设计了脉冲式增压器用以提高深井、超深井钻井效率,降低钻井成本。基于所设计的增压器的结构和工作原理,考虑螺杆转速、高压喷嘴直径、钻井液密度和冲程等因素对增压效果的影响,建立数学模型。在此基础之上,考虑脉冲式增压器不发生自锁的条件,并分别分析转速、钻井液密度、高压喷嘴直径和冲程对增压频率、喷嘴流速和增压压力的影响。得到增压器各影响因素与增压特性之间的关系。旨在为设计的增压器提供理论支撑与优化依据。结论认为:高压喷嘴流速和增压压力随着螺杆转速、冲程的增大而增大,并且增压特性较好。随着高压喷嘴直径的增大出口流速和增压压力明显降低,增压能力明显变弱。随着钻井液密度增大,出口流速和增压压力稍微增大,其对增压特性影响不明显。喷嘴高压射流频率仅受转速影响,随着转速增大而增大。要想获得较好增压特性,螺杆转速应不低于100 r/min,活塞行程不低于25 mm,高压喷嘴直径不大于1.4 mm。

高造斜井眼控制工具主轴力学分析与试验研究

综合考虑了高造斜井眼控制工具外壳和主轴的相互作用,推导出钻头偏转角和主轴变形轨迹与外壳刚度、主轴刚度及工具的结构参数相关的计算公式,建立了主轴在静态条件下的力学模型。通过模型计算得出钻头偏转角θ2=0.653 5°。利用高造斜井眼控制工具的试验台架进行试验验证,试验测得钻头偏转角θ2=0.638 9°。试验测得的数据与理论推导的数据非常接近,由此验证了所建力学模型的合理性。

地面钻柱扭摆方法释放井下摩阻的研究进展

滑动钻井中井下钻柱摩阻的释放问题,是制约现代钻井作业向更深、更远目标快速钻进的难题。地面钻柱扭摆方法是一种最具有发展前景的释放井下钻柱摩阻效应的措施。详细评述了国内外机械扭摆运动/钻柱/井筒的相互作用规律、井下钻柱在地面扭摆运动作用下的力学行为特征、钻柱地面扭摆运动的行为控制方法等方面的研究进展,以此为基础,提出了地面钻柱扭摆方法释放井下摩阻效应的未来研究重点。

深水套管切割力学模型

针对深水套管切割力学模型单一、切割泵冲选择困难等问题,利用长杆铣削模型,建立了深水套管切割力学模型,计算出钻柱切割扭矩和切割允许的最大泵冲,得出了切割扭矩占井口驱动扭矩的比例与作业水深之间的关系,对深水弃井作业中套管割断判断指标的形成具有指导意义.结合南海某两口井套管切割的现场数据,验证了模型的正确性,其计算结果可以为深水弃井作业中合理的泵冲参数选择提供理论参考,为深水弃井作业提供技术保证,进一步提高切割效率,具有很好的应用价值.

气体钻井连续循环短节旁通阀的设计与分析

气体钻井连续循环短节能有效解决井底压力不易控制、地层孔隙压力与破裂压力之间的操作压力窗口窄小、井眼鼓胀效应严重以及油气意外入侵等难题。设计了一种气体钻井连续循环短节,对其核心组件旁通阀在两种工况下受力状态进行了分析:关闭和打开两种工况下循环介质均会对阀体局部产生冲击力,易造成阀体局部强度破坏,且旁通阀关闭时,容易出现循环介质泄漏的情况。利用ANSYS有限元分析软件模拟了旁通阀处于关闭和打开两种工况下阀体的力学行为,对阀体危险截面进行分析。结果表明,该阀体结构满足各种工况下的强度条件,且旁通阀处于关闭状态时对密封性能有严格要求。研究同时完成了旁通阀密封副的密封设计分析。

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。

连续管外壁冲蚀磨损规律

基于液-固两相流和冲蚀理论,建立环空携砂压裂液冲蚀磨损连续管外壁模型,采用Grant和Tabakoff模型求解砂砾冲蚀速率,并借助实验数据验证CFD数值模型;利用该模型研究弯曲连续管与直连续管、质量流量、砂砾粒度、压裂液注入排量及压裂液黏度对连续管外壁冲蚀磨损规律影响。数值计算结果表明:弯曲连续管冲蚀磨损严重,且最大冲蚀磨损发生在弯曲连续管与套管形成的小间隙处;随质量流量的增加,连续管冲蚀磨损愈加严重;砂砾粒度对连续管外壁冲蚀磨损影响敏感;随着注入流量的增加,连续管外壁冲蚀磨损呈快速增长趋势;压裂液黏度的增加,最大冲蚀率呈现下降趋势。

气体钻井连续循环短节主通阀的设计与分析

气体钻井连续循环短节主通阀可能会遇到阀本体强度失效、阀球转动失效和密封失效等问题。对气体连续循环短节主通阀阀球进行了力学分析,计算出靠人工转动阀球打开主通阀时阀体上、下所需的压力差。对主通阀阀体进行了局部三维分析,分析结果表明,最大应力出现在4个上开口挡圈与阀体的作用面上靠近凹槽根部,最大应力达192.8 MPa,满足强度条件。对主通阀密封进行了设计和计算,主通阀在内、外压差从5 MPa到35 MPa的变化过程中,主通阀的密封副所受作用力都大于密封面必须作用力,保证了所设计的主通阀满足密封性能要求。

连续波泥浆脉冲发生器阀口形状拓扑优化设计

连续波泥浆脉冲发生器的阀口形状与井下脉冲信号的质量密切相关,将直接影响到地面信息的解码效果。为了有效降低建立阀口形状与压力波关系时的复杂程度,结合连续体拓扑结构设计的思想,将阀口的设计区域转化成0-1拓扑结构,将阀口的旋转运动简化为矩阵平移运算;并通过基本几何形状组合设计阀口形状,以拓扑结构的0-1矩阵得出非遮挡区域的面积;建立任意阀口形状结构参数与过流面积、压力波的关系。经过案例分析,设计出内、外轮廓曲线的阀口形状。结果表明,阀口形状优化设计结果对应的压力波与标准的正弦波非常接近,相关系数达到98.2%,可以满足上传信号质量的需求,验证了该方法的可行性。

基于随机森林算法的井下原油含水率软测量方法

井筒产出液实时测量是获得井下产液信息的关键步骤,是实现智能井的重要前提,但由于井下环境的复杂性,油水混合物状态本身的不确定性,缺少较好的方法能在井下较好地完成产出液各成分含量的计量。针对井下油、水两相混合计量的问题,提出了一种结合机器学习算法的井下原油含水率软测量方法。结合采油工程需要,可将原油含水率以10%的间隔划分成11个类别,将不同原油含水率对应的物理属性作为测量对象,利用随机森林算法对已知样本进行学习分类,得到原油物理属性与含水率之间的关系,进而实现对原油含水率的测量。最后,通过设计的室内实验,对提出的软测量方法进行了验证,结果表明利用该方法预测原油含水率,得到的结果与实验值一致,可以初步满足工程对井下原油含水率测量的需求,为井下测量提供一了种新的思路。

基于Kriging代理模型的造斜率预测方法研究

造斜率受导向工具结构、类型、钻井参数、井眼轨迹、地层和钻头等因素的影响,构成了一个多变量影响的非线性耦合体系。造斜率预测呈现一定的模糊性、随机性和非线性特点,难以用显性的定量关系式来精确刻画造斜率与其影响因素之间的函数关系。从回归分析预测法的角度,提出一种采用Kriging代理模型构建预测功能函数,进行造斜率预测的新方法。该方法基于空间插值理论,以造斜率预测值为输出目标。首先选取造斜率主要影响因素作为输入参数,确定训练样本和测试样本;然后,计算Kriging模型中的最优超参数,并构建该预测模型。最后,以测试样本为基准,计算模型预测性能指标,完成对Kriging代理模型的造斜率预测性能评价。通过现场案例研究表明,与常见的多元回归模型和径向基函数模型(radial basis function,RBF)相比,基于Kriging代理模型的造斜率预测方法在均方根误差(root-mean-square error,RMSE)、最大绝对误差(maximum absolute error,MAE)和平均绝对误差(average absolute error,AAE)3个常见的定量指标上表现了更佳的预测性能。预测结果更稳健,计算量更小,对造斜率的预测精度较高,能克服几何法预测精度不高或力学法计算量大等缺点。在工程应用中能节约计算成本和提高预测效率,便于推广应用。