气体钻井发电机涡轮设计与性能试验

近年,电磁波和微波随钻测量传输技术被应用于气体钻井井眼轨迹的测量与控制,但由于电池供电功率较低,无法满足大于3000 m井深的随钻测控需求,井下发电机技术可有效提高传输功率,只是气体密度低且可压缩,涡轮和导轮构成的常规组件无法驱动井下发电机正常运转。文章在研究了二维流场中涡轮叶片的速度矢量三角形基础上,结合气体钻井工况分析了涡轮的输出转速、扭矩关系,提出借助行星轮机构提高涡轮输出抗扭特性的设计思路,设计出适用于气体钻井的井下发电机驱动涡轮,使发电机在负载改变时依然可维持稳定输出,并运用计算流体动力学软件(CFD)对涡轮进行全三维流场仿真模拟,通过测试装置验证了发电机的输出效果。结果表明:发电机稳态输出功率可达500 W,满足气体钻井随钻测量传输电磁波和微波传输的大功率需求。

油气井口厚壁法兰管材激光切割单元研究

为分析激光切割技术在火灾时对油气井口管材快速切割的可行性,开展法兰管材的激光切割单元试验。基于自主搭建的激光切割加工平台开展无吹气条件下激光功率、移动速度和焦距对切割深度影响的单元试验;用正交单元试验研究激光功率、移动速度和焦距对切割深度影响的主次顺序。结果表明:特定的激光功率对应相匹配的移动速度,确保切割深度达到最大;激光焦点位于试样表面时利于增加切割深度;在激光功率、移动速度和焦距3个参数中,激光移动速度对切割深度的影响最大,其次是激光功率和焦距。

高造斜率旋转地质导向技术在哈得逊油田的应用

塔里木油田哈得逊薄油藏埋藏深、构造变化大,水平井钻井井眼轨迹控制困难,传统的旋转导向工具侧钻初期造斜率普遍不足,需使用弯螺杆马达增斜至30°左右后再更换工具,增加了钻井风险与周期。2013年,该区块应用高造斜率旋转导向工具(Power Driver Archer RSS)及新一代地质导向技术(Scope系列),从侧钻点开始旋转导向钻进,在着陆及水平段加装地质导向工具,相比2012年,水平段平均井深增加214 m,钻井周期缩短36.7 d。在介绍高造斜率旋转导向以及随钻测井技术的基础上,结合现场应用实例分析,认为在哈得逊油藏,全井段旋转导向有利于降低井眼摩阻,节约钻进周期;地层探边及储层评价技术的应用提高了水平井的储层钻遇率,有利于该油藏的规模开采。

四轮驱动全向底盘的控制方法研究

为提高机器人移动的灵活性和机动性,使机器人到任意位置均沿直线行走并改变姿态,需在传统的两轮驱动底盘上增加驱动轮,文章主要针对四轮驱动全向底盘的控制方法进行研究;文章对四轮驱动全向底盘进行运动学分析并建模,得到了控制系统传递函数,并进仿真验证;对四轮驱动全向底盘进行了动力学建模,分析了如何避免出现"打滑"现象;导航方式采用了经济、精度较高的全向码盘导航方式;控制上采用闭环控制,加入前置探测点和超前校正环节,并且考虑了实际过程中机体的加减速问题;实验结果表明,提出的控制方法可以使四轮驱动全向底盘实现预设功能,并且具有较高的控制精度,研究内容对机器人的灵活移动有着十分重要的意义。

井下控制机构与系统设计学概述

井下控制机构与系统设计学是井下控制工程学的技术基础,是关于井下控制机构与系统设计的理论与方法的研究。该设计学主要研究的是适用于井下控制的各种实用控制信号,研究其发生、传输、放大及执行机构。建立该机构的典型结构及传递函数,再根据实际要求,应用控制链思想,设计合成整套井下控制系统。重点阐述了设计学研究中的几个基本问题,包括井下可控信号、井下控制机构、井下控制机构的结构库和特性仿真库,以及控制链与井下控制系统设计。最后以变径稳定器为例,说明同一类控制系统有多种控制链可供选择。该项研究结果对于指导井下控制工具设计具有重要的现实意义。

随钻超声井眼成像可行性实验研究

随着油气勘探开发难度的不断增大,地质与工程条件日趋复杂,施工风险日益加大,井壁失稳、垮塌等问题制约钻完井工程效益及安全,随钻超声井眼成像技术可以在随钻工况下实时测量高精度的井径大小与井壁特征,获取高质量的井眼图像,为钻进过程中井眼工程状况和质量的监测提供了解决方案。为研发随钻超声井眼成像工具并对图像进行准确解释,进行了随钻超声井眼成像可行性实验研究。设计搭建了实验装置与实验平台,制定了实验方案,进行了室内模拟实验,分析了不同测量距离、不同待测物、不同传输介质对超声波传输时间与回波幅值的影响。实验结果表明:超声波传输时间与测量距离呈线性正相关,可以用于井径的测量及井眼形状的识别;超声波回波幅值对井壁特征敏感,可以用于井壁缝隙、孔隙等特征的识别与成像;随钻超声井眼成像方法可以适用于高密度油基钻井液中。

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。

基于高频电磁波的随钻探层测距雷达技术研究

为了提高水平井钻井过程中储集层钻遇率,需要实时探测储集层边界。为此,提出了一种基于高频电磁波的随钻探层测距雷达技术。随钻探层测距雷达在钻具进入煤层后,实时探测煤层的顶底板,实时测量钻具与煤层顶底板之间的距离,实现地质导向,甚至可以实现地层成像功能,从而指导施工人员控制钻头始终穿行在储层中。以煤层气钻井为应用对象,对随钻探层测距雷达测量原理、测量方法及电路系统等方面进行了研究。室内试验中测量距离与实际距离间的相对误差为3.8%。这表明随钻探层测距雷达可以有效提高煤层气储集层的钻遇率。

锥形节流口压降研究与跟随机构特性分析

跟随机构应用在井下控制工具中,既可作为主轴执行机构的前驱机构,也可作为示位机构,锥形节流口是其核心结构,目前没有针对锥形节流口压降的相关求解分析。为此,重点研究了锥形节流口的压降问题,首次给出压降计算方法和计算公式。介绍了跟随机构的结构、工作原理,同时对机构进行了动力学分析,分析了主要参数的动态特性,并建立了系统传递函数,从控制原理的角度分析了机构的工作特性。研究内容对锥形节流口压降计算和跟随机构的整体设计与使用具有指导意义。

投球控制机构的分析与研究

投球控制机构是一种特殊的变过流面积控制机构,广泛应用于井下控制工具中,但目前很少有专门针对投球控制机构的研究。投球控制机构可分为单次投球剪钉机构和多次投球弹簧机构,分别对这2种机构的结构与工作原理进行了分析;对小球的落体运动以及小球对球座的冲击力等问题进行了研究;对机构进行了动力学分析,建立了系统传递函数,研究了机构的控制特性,指出对于投球机构控制系统,若要提高系统的稳定性,应提高阻尼系数,或降低弹簧刚度和活塞机构质量;若要提高系统的快速性,应提高弹簧刚度或降低活塞机构质量。为保证系统的稳定性和快速性,需在实际工程设计中,找二者的平衡点。研究内容对井下控制工具中投球控制机构的设计具有指导意义。

水平井地质导向中储集层边界识别与测距

为了定量确定水平井钻井中钻具与储集层边界的距离,提出"探层测距"方法,建立了"探层测距"物理及数学模型,设计了"探层测距"电路,并通过模拟实验进行了可行性验证。"探层测距"方法为:水平井钻井随钻测量过程中,通过发射高频定向电磁波并接收反射波来探测储集层边界并测量钻具与储集层边界的距离。设计了高压窄脉冲和单频调制脉冲两种"探层测距"电路,基于电路原理建立了"探层测距"系统并采用3种介质进行了模拟实验,结果表明:采用高压窄脉冲电路时由接收波形获得的储集层"细节"更多,采用单频调制脉冲电路时接收波形更易于识别与分辨;在不同介质、不同距离条件下,采用"探层测距"方法测量的距离与实际距离的相对误差不超过5%,测量精度较高,方法可行。

伞状径向伸缩机构的参数分析与特性研究

伞状机构是铰接径向伸缩机构的一种变形,应用于井下控制工具中。由于其变径范围大,结构不复杂且输入、输出关系明确,因而用途较广。分析了伞状机构的径向伸缩原理,通过几何参数的推算,得出其输入量与输出量之间的关系。对影响伞状机构夹角和外径输出的几个尺寸参数进行分析,得出不同参数对输出的不同影响程度,进而确定影响最大的参数;对伞状机构的受力进行分析,得到驱动力的计算公式;对伞状机构的控制特性进行分析,得到在任意点处的系统传递函数。研究内容对伞状机构的整体设计与使用具有指导意义。

随钻仪器井下降温系统传热特性研究

提高随钻仪器抗高温能力是石油工程技术中一个重要的研究方向,而为随钻仪器增加降温装置构成井下降温系统是解决措施之一。鉴于此,基于传热学理论和数值方法,建立了随钻仪器井下降温系统模型,确定了影响传热效果的相关参数,分析了各参数对传热特性的影响规律和影响程度。研究结果表明:(1)影响传热效果的参数有环境温度,钻铤导热率,绝热材料导热率和厚度,电路系统导热率,直径和热功耗,冷端有效制冷功率和直径。(2)钻铤和电路系统导热率对温度变化影响不大;随着环境温度和电路系统热功耗的增加,电路系统温度呈线性增加;随着绝热材料导热率和电路系统直径的增加,电路系统温度呈非线性增加;随着冷端有效制冷功率的增加,电路系统温度呈线性降低;随着冷端直径和绝热材料厚度的增加,电路系统温度呈非线性降低。(3)各参数的影响程度依次为(冷端有效制冷功率/电路系统热功耗)>环境温度>电路系统直径>绝热材料导热率>绝热材料厚度>电路系统热功耗>(冷端直径/电路系统直径)。研究结果可为随钻仪器井下降温系统的设计提供理论支撑。

随钻仪器电路舱壁面温度边界数值研究

深层、超深层是油气资源的重要接替区。但是,地层高温使得常规随钻仪器电路系统可靠性下降、寿命缩短,甚至发生失效,严重制约了油气资源的勘探开发,而增加降温装置是提高常规随钻仪器电路系统耐温指标的措施之一。以随钻仪器电路舱壁面温度边界为研究对象,建立带降温装置的随钻仪器物理模型,通过数值方法研究不同参数对电路舱壁面温度边界的影响,为后续精确计算高温井筒传递给随钻仪器电路系统的传热量,进而合理设计随钻仪器电路系统降温装置制冷量参数提供理论依据。

节流口/节流杆排量信号控制机构分析与研究

节流口与节流杆机构是井下控制机构中的典型机构,既可作为主轴执行机构的前驱机构,为其提供动力,还可根据节流压降的变化监测其运动形成,达到遥控目的。介绍了节流口与节流杆机构的结构、工作原理、设计参数和设计要求,分析了节流活塞、节流口机构以及节流口+节流杆机构的工作特性。分析结果表明,若要提高节流口机构控制系统的稳定性,应增大阻尼系数或减小弹簧刚度和活塞机构质量,若要提高其快速性,应增大弹簧刚度或减小活塞机构质量;若要提高节流杆机构控制系统的稳定性,则应减小弹簧刚度和活塞机构质量,增大节流杆与孔间缝隙、孔直径等,若要提高其快速性,则应增大弹簧刚度和减小活塞机构质量,减小节流杆与孔间缝隙、孔直径。为保证上述2系统具有良好的稳定性和快速性,应调节各参数,找到二者的平衡点。

堵孔圆板机构的压降分析与计算

堵孔圆板机构在实际工程应用中经常可以用到,但如何计算该机构相关各处的压力值及压降,目前没有相关介绍。为此,分析了堵孔圆板机构的压降问题,重点解决了环形平板沿程压降问题和环形平板局部压降问题,利用积分中值等效法和积分精确求解法推导出了压降的计算公式,并辅以试验方法进行公式修正。研究结果对于堵孔圆板机构的设计与现场应用具有一定的指导意义。

随钻超声井眼成像技术进展

随钻超声井眼成像技术是当前随钻测控领域的前沿技术,可以在随钻工况下实时生成高分辨率的井眼图像,能够准确反映井眼形状,识别裂缝、孔隙、层理等特征,在监测井眼工程状况和质量方面发挥着重要作用。阐述了随钻超声井眼成像系统的成像原理及构成要素,综述了发展历程及现状,分析了国外最新研发的随钻超声井眼成像系统的技术特点,总结了随钻超声井眼成像技术未来发展趋势,探讨了随钻超声井眼成像领域在仪器设计及发展的方向。