弹性蓄能激发式旋冲钻井工具特性分析

为了解决常见旋冲钻井工具冲击力小、冲击频率不稳定的问题,设计研制了弹性蓄能激发式旋冲钻井工具,将弹性蓄能元件与凸轮机构结合,利用螺杆马达带动齿形冲击振套碰撞产生冲击载荷。基于冲击动力学理论建立了该工具冲击参数计算模型,利用钻井泵和高速力值采集系统开展了工具样机冲击特性测试研究。试验结果表明,该工具冲击载荷曲线形态接近于简谐曲线,冲击载荷峰值为18~43kN,冲击载荷随弹性元件压缩量增大而增大;冲击频率为25.7~37.2Hz,可以由钻井泵流量调节。根据力学分析和试验结果,该工具冲击频率为螺杆马达转速与冲锤齿数的乘积,且与钻井液排量成正比;冲击载荷与弹性元件压缩量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数增加关系;冲击作用时间与冲锤质量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数减小关系。弹性蓄能激发式旋冲钻井工具的研制和特性分析,为旋冲钻井技术的发展提供了一种新的设计方法和技术思路。

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。

弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置的研制

旋转冲击钻井技术是在现有钻井工艺条件下提高深井和超深井机械钻速的有效途径之一.利用短螺杆马达带动冲锤产生旋转运动并产生周期性冲击载荷的新思路, 研制了弹簧蓄能激发式旋转冲击钻井装置, 同时对装置的冲击参数进行了测试试验.装置的上部分为高转速短螺杆,中间部分为传动和扶正部件, 下部为冲击振套, 其冲击频率为螺杆转速与冲锤齿数的乘积, 采用纯机械碰撞的方式产生和传递冲击载荷.冲击测试试验结果表明, 装置的冲击频率为37 Hz, 冲击力峰值21～32 kN, 单次载荷作用时间4 ms; 装置达到设计要求, 冲击频率和动载可预先设计并可调整, 同时具有良好的稳定性.

基于有限元法的套管钻井套管稳定器设计

套管钻井技术作为一项新的钻井技术,在国内外已得到了广泛现场应用。套管钻井中套管稳定器与钻具稳定器作用类似,可以起到扶正套管柱、减小接箍磨损、减小井斜等作用,国内目前还没有关于套管钻井专用稳定器的针对性研究与现场使用。通过分析钻柱稳定器和国外套管钻井稳定器的外形特点,设计套管钻井套管稳定器的整体结构,从与钻井关系密切的结构强度、钻井液流场和岩屑上返三方面入手,利用有限元软件对不同尺寸套管钻井稳定器进行仿真模拟。对稳定器仿真结果进行多因素分析与优化,得到套管钻井套管稳定器的最优结构尺寸:本体部位尺寸及扣型与Φ178 mm套管相同;螺旋棱外径240 mm,竖直高度400 mm,螺旋棱宽度50 mm,三条螺旋棱360°周向闭合,螺旋棱根部倒圆角半径为30 mm;上下引导段高度均为100 mm。

螺杆钻具推力轴承受力分析与改进设计

在钻井工作时,螺杆钻具通常承受大幅波动的轴向载荷,推力轴承作为传动轴总成的重要组成部分,是最易损坏失效的部位之一,这是由推力轴承的自身结构和工作环境决定的。利用有限元软件ANSYS-Workbench对常规LZ172螺杆的推力轴承的受力情况进行了仿真分析。结果表明:推力轴承顶层滚球应力峰值最大,波动也最为剧烈,这表明顶层滚球最易损坏,多层推力轴承分析应该着重考虑顶层滚球的应力分布情况;高钻压情况下,滚球的应力峰值迅速增加,各个滚球承担载荷不均的情况更明显,应尽量避免高钻压钻进;随着滚球直径的磨损,滚球应力峰值存在大幅波动,设计新型滚球推力轴承串时,可以优先考虑滚球直径18.4mm,相同载荷情况下可以降低推力轴承滚球的应力峰值。设计了一种螺杆钻具用圆锥滚子轴承,圆锥滚子轴承的应力峰值相对于滚球轴承大幅减小,该轴承可承受更大的轴向载荷,可以降低螺杆钻具发生井下事故的几率。

旋转激励环境下摩擦力测试实验装置设计与实验

为了研究平面接触条件下摩擦力在旋转激励环境下的变化,设计了旋转激励环境下摩擦力测试实验装置,并进行了旋转激励载荷对钢-钢平面接触摩擦力的影响实验.该实验装置能够对激振力和激振频率进行精确调节,实现分别研究激振力和激振频率对平面接触摩擦力的影响.对钢-钢平面接触摩擦力的实验表明,相同激振频率下,随着激振力的增大,钢-钢平面接触摩擦力不断减小,且二者成近似线性变化趋势,当激振力达到39.9 N时,钢-钢平面接触摩擦力平均减小88.2%.相同激振力幅值下,随着激振频率的增大,摩擦力整体亦呈现减小的趋势,激振力越大,摩擦力减小越快,激振力幅值对钢-钢平面接触摩擦力影响较大,激振频率次之.

机械式旋转冲击钻井工具研制及试验

PDC钻头与螺杆钻具配合使用效果较好,但由于其主要依靠剪切作用破岩,在钻进中硬以上地层时钻速较慢,使用效果不理想。为此,研制了一种旋转冲击钻井工具,形成了旋转冲击破岩方式,改善了钻头的工作状态,提高了定向钻井效率,大幅度提高了机械钻速。工具动力输出特性参数测试和冲击性能测试结果表明,工具空载压耗为4.2 MPa,整体动力输出特性参数满足现场复合钻进工况要求。现场试验结果表明,该钻井工具在同井相同地层机械钻速提高了2倍以上。机械式旋转冲击钻井工具的成功研制,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本具有积极的作用。

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。

旋转冲击钻井方法硬岩破岩钻进特性的实验研究

硬地层岩石硬度大、钻井参数不匹配是导致深层超深层钻井钻速慢的最主要因素之一,提高硬地层破岩效率是钻井提速关键内容。旋转冲击钻井方法是提高破岩效率的一种技术手段,然而硬岩旋冲钻井时,破岩钻进特性不够明确,导致该技术使用效果差异性显著且无法达到最佳。该文基于旋转冲击破岩实验装置开展了花岗岩破岩实验,结果表明:旋转冲击钻井方法可以提高花岗岩的破岩钻进效率,但存在钻压、转速、冲击力及冲击频率的匹配问题;旋冲钻进硬岩时,存在临界钻压与临界冲击力,只有实际钻压大于临界钻压且冲击力大于临界冲击力时,旋转冲击钻井方法方能提高破岩效率;在此工况下,增大冲击力、冲击频率能够增大岩石破碎体积,显著提高钻头的破岩效率,但上述参数并非越大越好,当超过某一值,提速效果呈现变差趋势。

旋冲螺杆钻具在临盘油田的试验应用

本文阐述了旋冲螺杆钻具的结构原理及主要性能参数,该工具可以将冲击破岩和PDC钻头剪切破岩相结合,集合冲击钻井和螺杆钻井的各自优势,改善钻头的工作状态,大幅度提高机械钻速;该工具降低钻具摩阻,应用于定向井可以提高定向钻井效率。该工具冲击力与钻压成正相关关系,冲击频率与马达转速成正比。178 mm旋冲螺杆钻具分别在临盘油田直井和定向井进行了试验应用,复合钻进机械钻速与邻井相比提高了22.1%~41.8%,滑动钻进机械钻速同比提高了51.1%,对加快油田勘探开发速度、降低钻井成本有积极的意义。

基于有限元法的旋冲破岩提速仿真分析

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一,可以有效提高钻头破岩速率。相较于旋冲工具的迅速发展,冲击参数对钻头破岩效率影响的量化研究还不多见。本文利用有限元法研究旋冲钻井配合PDC钻头的破岩提速机理,研究冲击参数对岩石破碎体积、机械钻速的影响。仿真结果表明:随着冲击载荷增加,冲击破碎坑深度和体积相应增加,增加趋势先快后慢;使用Φ215.9mmPDC钻头旋冲钻井,中硬地层推荐冲击力20~45kN。利用有限元法模拟钻头破岩过程,可针对不同岩性地层、钻头类型、钻井参数进行冲击参数优选,为旋冲工具的参数优选和性能改进提供理论支撑。

复合冲击条件下PDC钻头破岩效率试验研究

为分析纵向冲击与扭转冲击复合条件下PDC钻头的破岩效果,以及不同钻进条件和冲击参数对破岩效果的影响规律,设计了一种具有纵向和扭转冲击功能的旋扭复合冲击发生装置,利用粉砂岩、石灰岩和花岗岩3种岩性的岩样开展了PDC钻头常规破岩和复合冲击破岩试验,研究了复合冲击条件下钻压、转速、冲击力和冲击扭矩等参数对PDC钻头钻进速度的影响规律。试验结果表明:钻压和转速是影响破岩效率的主控因素;相较于常规PDC破岩,复合冲击钻井方式产生的岩屑粒径更大,破岩效率更高;冲击力和冲击扭矩越大,破岩效率越高,复合冲击方式在硬地层钻进中的钻速最高可提高50%。研究PDC钻头在复合冲击条件下不同钻井参数对破岩效率的影响规律,为复合冲击工具设计和性能参数优化提供了理论依据。