钻井机器人偏心流道冲蚀实验及数值模拟研究

为解决大位移水平井连续油管钻井管柱屈曲的难题,提出了钻井液驱动的"钻井机器人+动力钻具"的连续油管钻井新方法。依据机器人外形尺寸、水力压耗、内部结构、加工制造等优化设计出了三段式偏心圆流道结构。提出了三段式偏心圆流道冲蚀分析方法,首先,建立了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型,分析了粒径参数、速度参数等对冲蚀速率的影响规律;其次,开展了钻井机器人偏心流道冲蚀实验,校准了钻井机器人三段式偏心圆流道流固耦合冲蚀数值模型;基于此进一步开展了钻井机器人三段式偏心圆流道数值仿真研究。研究表明,钻井机器人三段式偏心圆流道最佳倾角为5°,当流道壁厚5 mm时,偏心流道寿命超过300 h,满足一般井下工具的工作寿命要求;流道主要冲蚀点位置和冲蚀形态数值仿真与实验基本符合。研究为钻井机器人结构设计及工程化应用提供了理论依据,对促进连续油管钻井技术在大位移水平井的推广及应用具有重要的意义。

钻井机器人的连续油管钻压和钻速控制模型

连续油管钻井机器人利用机身内外的钻井液压力差作为动力源,可在牵引连续油管的同时加载钻压。以钻井机器人为基础,建立连续油管钻柱动力学模型,并推导出通过钻井液排量控制钻压和钻速的单参数控制数学模型;对钻井机器人引入调速回路,建立具有调速功能的钻柱动力学模型;在溢流阀调定压力大于机身内外压差时,推导出利用钻井液排量和节流阀流通面积两种参数控制钻压、钻速的数学模型,在溢流阀调定压力小于机身内外压差时,推导出利用钻井液排量、节流阀流通面积和溢流阀调定压力3种参数控制钻压、钻速的数学模型;以11.43cm(4.5英寸)井眼为例,对上述3种数学模型进行了分析。分析结果表明:钻压、钻速随钻井液排量的增加基本呈线性增加,在钻井液排量大于0.005 m3/s时,钻井机器人能够向前爬行,在钻井液排量大于0.005 7 m3/s时,钻头能够正常钻进;调节节流阀流通面积和溢流阀调定压力,可以在一定范围内无级调钻压和钻速;3种控制方法相结合,可以实现小排量、大钻压,及大排量、小钻压等钻井参数的控制。以控制模型为基础,针对不同井下工况建立钻进工艺的专家数据库,以钻井机器人为"大脑",结合井下随钻测量数据就能够实现闭环控制,自动钻进。

钻井牵引机器人摩擦块—井壁接触性能分析

钻井牵引机器人的牵引力主要来源于支撑机构摩擦块与岩石井壁之间的相互作用力,牵引力与等效摩擦系数是机器人力学特性分析和结构设计的关键。基于此,文章建立了摩擦块与井壁数值仿真模型,分析了摩擦块牙齿轮廓尺寸、数量、正压力、嵌入深度等对当量摩擦系数、牵引力的影响规律。结果表明,正压力和齿前角是影响摩擦块当量摩擦系数的主要参数,也是影响钻井牵引机器人是否能稳定抓靠井壁的主要因素;当摩擦块牙齿齿前角35°、齿后角60°、齿斜角30°、嵌入深度2.5~3.0 mm时,单个摩擦块可提供的轴向牵引力约30 000 N,则钻井牵引机器人三个摩擦块可提供牵引力约90 000 N。该研究成果可为钻井牵引支撑机构力学特性分析和结构优化设计提供理论依据。

井下机器人研究进展与应用展望

针对水平井测井、压裂等作业中井下管柱下入困难的问题,国内外开展了井下机器人的研究与应用。根据井下机器人的结构特点及功能,将其分为井下牵引机器人和井下钻井机器人2大类,并详细介绍了其支撑机构、驱动系统、控制系统和能源供给系统等4大关键技术的功能、设计方案及性能参数。同时,总结归纳了国内外井下机器人的最新研究进展,指出小型化和安全性是井下机器人研究的目标、伸缩式智能控制钻井机器人是井下钻井机器人的主要发展方向,并基于井下机器人技术提出了连续油管多分支微小井眼水平井完井技术、连续油管智能闭环钻井技术和无线单桥塞水平井分段压裂技术。研究结果为我国井下机器人的研究、设计和应用提供了参考和借鉴。

自动化钻机向智能化发展的关键技术分析

总结了我国石油钻机在自动化方面的技术现状,包括自动化钻机总体技术、自动排管技术、司钻集中控制技术以及钻机远程信息化监测技术等。分析了自动化钻机技术发展过程中面临的技术瓶颈,包括系统作业效率问题、自动化工具稳定性及作业成功率问题、检测环节瓶颈问题、数据零散并缺少系统分析整理问题等。对自动化钻机向智能化方向发展所涉及的关键技术进行了阐述,并提出开展全新流程方式的钻机总体技术开发及电动化钻井机器人装备开发等发展建议。