双向驱动井径测井仪推靠系统工作行为分析

针对单向驱动井径测井仪存在的启动响应慢、速度集中和初始运动冲击等问题,提出一种具有双向驱动特征的新型结构井径测井仪,并对其推靠系统(实现测量臂伸缩)双向驱动过程进行矢量化建模求解及工作行为分析(运动性能仿真、测量性能仿真)。首先进行双向驱动测井仪推靠系统物理建模和理论研究,以双驱动丝杠系统参数(速度、位移)为输入,采用复数矢量法对测井仪推靠系统运动性能参数(位移、速度、加速度)进行参数化表征;然后以实际双驱动推靠系统为对象进行实例分析,对其运动特性进行理论求解,得到推靠杆端口和推靠销钉的运动曲线,并对双驱动速度匹配特性进行研究;最后基于ADAMS进行测井仪工作行为分析,将仿真与理论结果进行对比,结果表明推靠系统仿真运动曲线与理论解析曲线具有较高的吻合度,证明了测井仪推靠系统矢量化建模求解的正确性。

静态推靠式旋转导向系统偏置机构导向力仿真与分析

介绍了静态推靠式旋转导向系统的结构和工作原理,建立了旋转导向钻井工具的力学模型,得到了钻头处挠度和转角在导向合力作用下的计算式及工作状态下导向工具偏置导向合力与钻头处导向力之间的关系;利用三维建模软件SolidWorks建立了静态推靠式旋转导向钻井工具的三维模型,在ADAMS软件中建立有限元仿真模型,进行仿真后得到钻头处导向合力在工具面角、偏置导向合力等影响作用下的变化曲线关系,对比了在导向合力作用下钻头和翼肋处的偏置量与钻头转角的计算值与仿真值,验证了推导的力学模型中钻头转角和挠度曲线公式的正确性,理论计算值与ADAMS仿真数值解较为接近。在推导的芯轴的变形和钻头转角的基础下,若已知造斜率可以反向推导计算出所需要的导向合力,进而可以分解出3个翼肋上分力的大小即可以通过调控每个导向翼肋上的液压力来更加精确、实时地控制井眼轨迹,为静态推靠式旋转导向系统的偏置机构程序控制开发奠定基础。

PDC钻头对推靠式旋转导向工具的适配性

针对使用推靠式旋转导向工具配套PDC钻头钻井过程中出现造斜率不达标的问题,进行PDC钻头切削结构对推靠式旋转导向工具适配性研究。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率对工具的影响,建立推靠式旋转导向工具BHA力学分析模型,再结合PDC钻头与地层相互作用模型,提出以井斜趋势角作为评价推靠式旋转导向工具与PDC钻头适配性的指标,定量分析钻头结构参数对推靠式旋转导向工具造斜能力的影响,并进行相关试验。结果表明:随着PDC钻头内锥深度变浅、冠部高度变短,旋转导向工具造斜能力越强;PDC钻头切削齿后倾角越大、摩擦角越大,工具造斜性能越强;PDC钻头保径对工具造斜能力影响较大,钻头主动保径和被动保径面积越小,工具造斜能力越强;钻头被动保径刀翼越窄,工具造斜能力越强;当钻头保径总长一定时,随着主动保径与被动保径面积比值变小,工具造斜能力呈先增加后减小,存在最佳主动保径与被动保径比例使推靠式旋转导向工具造斜能力达到最大;模型井斜趋势角的预测值与试验值基本一致,最大误差仅为6.71%,验证了本文所建立模型的准确性。

推靠臂凸轮磨损可靠性及灵敏度分析

在工程中,凸轮驱动是一种非常普遍的驱动方式。分动式井径测井仪的推靠臂是其推靠装置中的重要部件。推靠臂凸轮磨损会使零件的几何尺寸减小,使其失去原有的设计功能。为研究推靠臂凸轮磨损可靠性,在Archard模型的基础上,针对推靠臂凸轮磨损进行了可靠性和灵敏度分析。研究表明,各随机变量的分布参数对凸轮磨损失效发生的概率影响效果不同。滑动距离对推靠臂凸轮失效概率的影响最大,磨损系数对其影响最小。允许磨损量的均值及材料硬度的均值对推靠臂凸轮失效概率产生负面影响,而其他的分布参数则对推靠臂凸轮的失效概率产生正面影响。

推靠式自动垂钻系统轨迹控制能力实验评价装置及其实验方法

综合考虑影响推靠式自动垂钻系统在直井钻进时井眼轨迹变化趋势的各个因素,设计开发了推靠式自动垂钻系统轨迹控制能力实验评价装置,介绍了实验评价装置实现功能情况,装置主要结构组成及关键参数的确定情况,不同工况井眼钻进趋势影响规律模拟过程功能设计及特点。通过该实验评价装置,能够了解推靠式自动垂钻系统轨迹控制的实现过程,改变井眼趋势的原理、地质因素及钻进参数对轨迹控制效果的影响,及综合考虑各因素情况下,井眼的变化情况,可开展新型推靠式自动垂钻系统研究及攻关。该评价实验装置为加深自动导向技术的认识和理解提供了平台,为自动垂钻系统的创新和发展提供了支撑。

小井眼微地震测井仪推靠装置运动特性分析与试验研究

为改善井中微地震测井仪推靠装置结构复杂难以满足小井眼测井,或在小井眼测井中运动可靠性低、推靠耦合不稳定的问题,研制一种外径60 mm,适用于127~165.1 mm井径的微地震测井仪推靠装置。依据推靠装置工作原理应用闭环矢量法建立推靠机构数学模型,利用数值分析推靠机构运动特性,研究各构件的位移、速度及加速度,通过Adams仿真软件分析推靠机构运动规律,与数值计算进行对比验证数学模型合理性。结果表明:推靠臂完全打开时间为15 s,在最小适用井径127 mm时推靠力为390 N,最大适用井径165.1 mm时推靠力为342 N,样机试验表明,推靠力试验值与理论值相差2.1%,最小推靠力达到仪器自重3倍以上,能实现井中停靠并与井壁良好耦合,验证了推靠装置的运动合理性和可靠性,为后续推靠机构优化提供理论参考。

一种岩性密度测井仪的推靠机构改进设计

改进设计一种岩性密度测井仪的推靠机构,介绍原推靠机构的工作原理并分析其在新的施工工艺背景下存在的风险。为提高工作可靠性和抗风险能力,在原推靠机构的基础上,把岩性密度探头尾端的平面改成锥面,并在尾端添加一个运动构件——连板,以限制岩性密度探头伸出主体骨架的距离。结果表明,改进结构能有效提高仪器工作的可靠性,保护岩性密度探头中放射性源的安全。

井下原位测量装置推靠机构力学分析及仿真

为进一步提高井下原位测量装置推靠机构的传动性能,采用复数矢量法建立了井下原位测量装置推靠机构的数学分析模型,推导出了各构件的位置方程、速度方程及加速度方程,并在运动学分析解得各部件的加速度的基础上又进行了各部件的动态静力学分析,得到推靠系统各杆件运动参数,真实反映推靠系统的实际运动状况。通过MATLAB建立推靠机构数学分析模型,得出该模型运动学特性理论变化曲线,当θ1=29.3°时,推靠机构推靠杆推靠最大行程达到257mm。基于ADAMS仿真平台,建立了推靠机构的运动学仿真模型,并进行了运动学分析。将得到仿真分析结果与数学分析模型进行对比,验证了所建立的井下原位测量装置推靠机构运动学数值分析模型与运动学仿真分析的正确性,为井下原位测量装置推靠机构的优化设计提供了依据。

无钻机钻探机器人推靠支撑机构设计与分析

基于新型无钻机钻探机器人,设计一种推靠支撑机构,对其进行结构设计和工作模型分析。该机构结构上采用两对轴向交错排布的液压缸,既增加了推靠支撑的行程,又增强了径向支撑强度;同时前后支撑机构和牵引机构协调配合,实现井下钻探机器人的径向偏置和轴向导向姿态调整。对关键环节进行力学分析和设计参数校核,保障机构的稳定性。样机的液压系统在30 MPa压力下稳定溢流,为机器人的最大推靠支撑力达到40 kN提供了现实依据。

静态推靠式旋转导向控制模型与造斜率预测方法

推靠式旋转导向工具的防斜、稳斜能力强,能基本满足复杂地层安全高效钻进的需要,但目前的造斜率预测方法没有考虑推靠块控制方式及钻进过程的影响,存在造斜率预测精度低的问题。为此,考虑导向工具的结构特性,建立了静态推靠式旋转导向控制模型,给出了可靠的导向力控制方案,利用下部钻具组合力学模型及钻头–地层相互作用模型,得到了基于零侧向钻速条件下的造斜率预测模型,并引入折算系数对造斜率预测结果进行了修正。实例计算及敏感性分析结果表明,该方法预测精度高,能够满足井眼轨迹精确控制的需要;导向合力、钻压、钻头与稳定器的距离对推靠式旋转导向工具的造斜能力影响显著,现场施工时为了充分发挥导向合力的作用,要适当减小钻头与稳定器的距离、降低钻压,以提高旋转导向工具的造斜能力。研究结果为旋转导向钻具组合优选、钻井参数优化等提供了理论依据。

FMI液压推靠器常见故障分析与维护措施

全井眼微电阻率成像测井仪(FMI)液压推靠器负责地层电阻率原始信号的采集及井眼大小测量,极板的推靠与收回采用液压方式。测井时,极板前置放大电路内的采样电阻将流经极板钮扣电极的电流信号转换为电压信号并进行放大,2个相互独立的推靠活塞杆与2个井径电位器滑动杆联动测量X、Y方向上的井眼直径。FMI液压推靠器故障集中在液压系统、井径测量和极板前置放大电路三方面。结合仪器原理,对FMI液压推靠器常见故障及维护措施进行了分析和探讨。

异向推靠解卡装置的解卡效果及改进方向

异向推靠解卡装置在渤海油田普及以来,很大程度上解决了电缆地层测试仪器因长时间在井下静止作业而造成的仪器粘卡问题,但是在实际作业中暴露出该装置还存在一些不足。文章通过介绍异向推靠解卡装置的解卡原理和在直井和定向探井的使用情况,然后根据实际应用效果总结出该装置的不足,并以此为依据提出今后对该装置改进方向的建议,改进后有望进一步提高异向推靠解卡装置在定向探井中的解卡成功率,且对该装置的普及应用有重要意义。

静态推靠式旋转导向钻井系统的钻压传递效率

国内研制的静态推靠式旋转导向钻井系统正全面开展现场试验及初步应用,该系统正常钻进时导向翼肋施加到井壁上的静态推靠力会产生较大的摩擦力,有可能影响钻压传递效率和钻井速度。为此,基于该系统的结构及工作原理,考虑井壁无台阶和有台阶两种情况,分别建立了钻压传递效率分析模型,模拟分析了钻压传递效率随名义钻压、井壁摩擦系数,以及导向翼肋推靠力和前倒角的变化规律。研究结果表明:(1)该旋转导向系统对名义钻压有最小值要求,适当提高名义钻压有助于提高钻压传递效率;(2)无论井壁是否有台阶,如果导向翼肋推靠力之和越大、井壁摩擦系数越大,那么钻压传递效率就越低,当井壁有台阶时钻压传递效率明显低于井壁无台阶时的对应值;(3)井壁有台阶时导向翼肋前倒角对钻压传递效率影响明显,前倒角越大则钻压传递效率越低(甚至自锁)。结论认为,该研究成果有助于指导钻井现场合理选择和调控钻压。

旋转导向钻井工具执行机构推靠力分析

以旋转导向钻井工具导向能力关键参数--执行机构推靠力为研究对象,从单个'巴掌'在钻柱旋转1周内的作用力分析入手,在上盘阀高压孔圆心角θ=180°的条件下,给出了3个'巴掌'的作用力和作用合力(即执行机构的推靠力)的解析计算式,讨论了它们的变化规律,包括推靠力覆盖面角的变化规律、推靠力在导向方向分量及其垂直方向分量的变化规律.分析可知:推靠力在导向方向的分量连续且平稳,在导向的工况下,执行机构推靠力在导向方向的分量在(0.866～1.0)P0之间,波动较小,波动幅值为7.2%,而它在垂直于导向方向的分量不连续且幅值均在(-0.5～0.5)P0之间,占单个巴掌作用力的50%.

旋转推靠式自动垂直钻井工具应用分析

针对高陡构造和大倾角地层中防斜与打快的矛盾难题,研制了旋转推靠式自动垂直钻井工具并获得了成功应用。实现了纠斜和稳斜功能,同时释放了钻压,提高了机械钻速。介绍了旋转推靠式自动垂直钻井工具的结构组成、工作原理、技术特点和应用效果等。从钻柱设计和钻井参数设计两方面进行了应用研究,最后对比国外同类产品在国内的应用情况并进行了应用分析,找出差距并提出改进措施。

钻井中途油气层测试器推靠机构的优化设计

为了设计出性能良好的钻井中途油气层测试器推靠机构,建立了推靠机构的数学模型,利用牛顿迭代法对该数学模型进行运动学分析,得出推靠机构的最佳尺寸为:水平推力6.0kN,推靠力1.5kN,AB的长度为40mm。将井径分成3个范围,在不同的范围内选择合适的推靠臂长度,设计出性能最优的钻井中途油气层测试器推靠机构。这样可使钻井中途油气层测试器在测试过程更稳定,保证了测试的精确度。

八臂式分动推靠器动力设计分析

提出了一种八臂式分动机械推靠器的实现方法。根据需要完成的功能确定推靠器的工作方式,设计它的机械结构和参数,并对推靠机构各部件进行力学分析,得出驱动压盘的力F和推靠力F0的函数关系式,代入结构参数的设计值,在整个推靠域上得出推靠力F0和抱紧力的极限值,并对动力传动机构进行分析。经过测试和现场应用,八臂式分动推靠器机械结构和参数设计合理,极板贴靠井壁严实,动力设计符合实际应用要求,机械性能稳定可靠。

推靠式旋转导向系统推靠机构设计及实验验证

为了研制推靠式旋转导向系统,设计了一种推靠机构。推靠机构带有独立的液压控制系统,通过控制电机和柱塞泵的旋转以及电磁阀的开关实现翼肋的伸出、收缩及自锁。详述了推靠机构的结构以及液压控制系统原理,介绍了翼肋伸缩的控制过程,推导了翼肋行程及推靠力的计算方法。并根据推靠机构的设计,研制了实验装置,对推靠机构、液压控制原理、翼肋伸缩和翼肋伸出后的自锁功能、翼肋的行程和推靠力等进行了验证。实验表明翼肋的最大行程约为26 mm,最大推靠力约为3. 5 t,翼肋伸出后可以自锁。

推靠式和指向式旋转导向工具的造斜性能研究

旋转导向工具是目前最先进的定向工具,对旋转导向工具造斜性能的研究有助于旋转导向的研制和应用。通过分析钻头在侧向力和转角作用下的导向机理,结合钻头的性质和旋转导向的原理,对两种工具的导向性能进行了分析。分析结果表明:推靠式旋转导向系统需要侧向攻击性能强的钻头与之匹配,可以准确快速地调节井眼轨迹,在软地层和小钻压条件下可以达到较高的造斜率;指向式旋转导向系统适合于长保径钻头以引导钻压指向钻头转角方向,其造斜效果受其他因素影响较小,造斜率稳定,井眼轨迹可预测性好。实际旋转导向工具的使用证实了上述分析结果。

静态推靠式旋转导向控制方案分析及优化

旋转导向钻井技术已经成为当前钻井必不可少的核心技术,主要根据静态推靠式旋转导向控制原理,结合工程实际要求,建立力学模型。根据有利区内支撑爪力最大、不利区内支撑爪力最小原则,提出120°和60°划分区域的2种控制方案,在优化数学模型的基础上,分别将各支撑爪的应力分解到偏置合力的方向和垂直于偏置合力的方向,采用力学矢量分析法,建立不同偏置合力矢量下的力学方程,求解相应的方程,得出不同划分区域下各支撑爪的应力表达式。分析对比不同划分区域下各支撑爪应力变化,比较变化趋势,优选更为稳定的控制方案,从而增加仪器使用寿命,减少钻井事故,降低成本。