全旋转指向式导向钻井工具结构设计与仿真

为了提高全旋转指向式导向钻井工具的设计效率,缩短研发周期,笔者首先设计了该钻井工具的导向执行机构,简化导向执行机构的空间机构模型,通过自由度的计算,得出了该机构具有确定的运动。再对该钻井工具的结构组成和导向原理进行分析,得到了其导向控制方法是通过控制全旋转指向式导向钻井工具的双偏心环和旋转外套的角位移关系,调节其工具角和工具面角,实现导向钻井。最后利用SolidWorks和ADAMS软件对钻井工具虚拟样机进行三维实体建模及运动仿真,仿真结果表明该钻井工具可以实现工具面角(0~360)°和工具角(0~5)°的无级调节,验证了所设计的全旋转指向式导向钻井工具结构和导向原理的可行性,为原理样机的加工奠定了基础。

螺杆钻具十字万向轴运动副球面磨损规律

螺杆钻具十字万向轴是传递扭矩和转速的关键结构,其运动副中锁紧轴与球座之间产生相对滑动而导致本体结构加速磨损,显著降低了万向轴的使用寿命。为研究锁紧轴与球座的圆弧面半径对滑动磨损的影响规律,建立多种圆弧面半径的三维磨损仿真物理模型;基于赫兹接触理论和Archard磨损理论研究不同半径条件下的体积磨损量、最大变形量、最大滑移距离和最大穿透深度的变化规律;借助现场试验进一步研究非密封十字万向轴的锁紧轴和球座之间滑动磨损后所呈现的结构形态和易磨损区域分布。结果表明:在一定范围内,随着圆弧面半径逐渐增大,体积磨损量呈现先减小后增加的趋势,最大滑移距离和最大穿透深度逐渐减小,最大变形量受圆弧面半径的影响较小,推荐最优半径为28~30 mm。仿真分析和现场试验结果表明,锁紧轴和球座侧滑会导致锁紧轴圆弧凸面沿圆周方向出现明显的磨损且边沿处出现“尖角”,球座圆弧凹面边沿厚度减小,形成环形凹槽且呈“卷曲变形”。该研究可以为十字万向轴的运动副的结构优化设计及耐磨性的提高提供参考。

反扭矩定向系统研制及试验

现有旋转滑动钻井工具无法同时实现隔离上部钻具旋转和钻头破岩产生的反扭矩,且工具面角不可控。基于此,设计了分时动态隔离上部钻具旋转和承载下部钻具扭矩的反扭矩定向钻井系统;研制了反扭矩定向系统样机;利用该样机开展了实钻测试,实钻总进尺57 m,工具面角控制精度小于±5°、造斜率达23.0°/100 m,平均机械钻速约为6.5 m/h(泥岩)。研究表明:研制的反扭矩定向系统可同时隔离上部钻具旋转和下部钻具扭矩;能精确控制工具面角,实现了下部钻具自动精确导向钻井的功能,验证了反扭矩定向系统结构设计理论的正确性。相关成果有望解决滑动钻进钻柱“托压”和井眼轨迹控制难题,提高弯螺杆滑动导向钻井时效。

2023年探矿工程十大新闻

1我国第一口万米深地科探井开钻2023年5月30日,我国第一口万米科探井——深地塔科1井在新疆塔里木盆地开钻。这标志着我国向地球深部探测技术系列取得新的重大突破,钻探能力开启“万米时代”,将为我国未来的科学研究和油气资源开发提供重要的基础和支持。

水平冻结中导向板钻具组合造斜能力的影响因素研究

目前水平冻结孔定向钻进中,导向板钻具组合的使用存在造斜理论不明的问题。基于材料力学理论,以钻头转角形变量为造斜评价指标,结合冻结法特点建立钻具造斜力学模型,并讨论参数的影响,同时结合实测数据验证该模型的可行性。结果表明:(1)导向板钻具组合钻头转角与岩土层物理力学参数、钻具抗弯刚度、导向板钻头的结构参数(如导向角,钻具长度,导向板斜面面积)、钻具面向角相关;(2)全角变化率在钻具面向角接近0°时最小,接近䥺SymbolqB@180°时最大,其余钻头转角变化均在此范围内,并随着导向角的增大而增大;(3)随着岩土层强度提高,相同导向角对应的全角变化率更大,导向板钻具组合的造斜能力更强。

投球式水力振荡器在渤海定向井的应用

主要介绍了该工具在渤海某井的应用情况。水力振荡器已作为大位移井、水平井减摩降阻、提速提效的重要手段被广泛应用。目前,各大油田仍以常规水力振荡器为主。但是常规水力振荡器开泵即工作产生振动,在浅层作业时,水力振荡器的无效振动会对钻井设备如顶驱等产生不同程度的影响。投球式水力振荡器实现浅层不工作,到达指定位置振动的作用。

DQCZ垂直钻井系统导向执行机构的优化完善

为了解决内蒙古海拉尔、黑龙江方正等易斜区块井斜突出问题,文章对自主研制的DQCZ垂直钻井系统在大钻压工况下纠斜效率低的问题进行了详细分析,发现在导向执行机构的外径尺寸、供电系统效率、控制算法等方面存在一定不足,为此,文章有针对性地开展了导向执行机构的优化改进、供电系统优化设计、导向控制模块纠斜算法优化等研究完善与改进升级。为了验证改进效果,优化完善后的DQCZ垂直钻井系统在海拉尔区块S49-53井等3口井进行了现场试验,实现了一趟钻进尺1322 m,井斜控制在1°以内,机械钻速同比邻井提高19.87%,取得了较好的纠斜打快效果。试验结果表明,优化后的DQCZ垂直钻井系统纠斜效率与提速能力方面得到了很大改进,为同类型其它垂直钻井系统的改进和完善提供了借鉴与参考。

井下全金属非圆齿轮动力钻具设计与可行性研究

高温高压井下动力钻具受高温的影响,其所含的橡胶等不耐高温件的寿命会大大降低,进而严重影响井下动力钻具的性能和使用寿命。而全金属非圆齿轮钻具作为一种新型的全金属容积式动力钻具对温度的变化并不敏感,十分适合高温井下工况,具有良好的发展前景。本文介绍了非圆行星齿轮马达的基本原理和特性,调研了国内外非圆行星齿轮马达的发展现状,分析了非圆行星齿轮液压马达节曲线的设计和使用寿命等关键技术。在此基础上,开展了行星马达应用于井下动力钻具的可行性研究,研制了非圆齿轮动力钻具原理样机,提出了该钻具的研发建议与方向。并通过流体力学对该钻具的端面泄漏量进行了分析,得出了对端面泄漏量影响最大的因素为端面间隙的大小,然后对改进前后的结构分别进行了有限元分析,得出改进后结构的端面间隙为+0.11~0.18μm,远小于改进前的端面间隙-0.13μm,验证了该结构的可行性。

定向井液力耦合钻井工具研制

滑动导向是钻定向井及水平井常用的导向技术。在定向钻进过程中,钻柱拖压严重,钻井效率和机械钻速低,并且严重限制了水平段长度。针对滑动导向工具在定向钻进阶段摩阻较大的问题,研制了一种定向井液力耦合钻井工具。该工具能够调节上方钻柱传递至下方钻具的转矩,保证在定向钻进阶段其上方钻柱持续旋转,从而降低摩阻。介绍了该工具的结构和工作原理,对工具产生的驱动转矩进行计算分析。通过有限元分析,对该工具的关键零部件进行强度计算,结果显示各零件的强度均满足设计要求,验证了工具结构的可靠性。通过室内试验得到工具的输出转矩曲线。

煤矿井下可控式导孔钻具执行机构的研究

针对千米煤矿井下可控式导孔钻具执行机构的研制,以执行机构的支撑板作为研究对象,提出了一种新型支撑板结构,并建立了其三维有限元计算模型,分析了在最大载荷工况下支撑板的应力、应变。结果表明:支撑板在最大载荷作用下,应力最大为248.6 MPa,应变最大为0.001 3,位于支撑板中间应力最集中的位置,且最大变形量为0.034 4 mm,满足现场施工要求。证明支撑板结构设计合理,可为后续千米导孔钻具结构设计提供参考。

正安页岩气水平井优快钻井难点与对策

在正安区域地层特征及已钻井情况分析基础上,阐述了该地区水平井优快钻井技术难题,通过个性化高效PDC钻头、高扭长寿命动力钻具、钻井参数优化技术、减摩降扭工具、近钻头地质导向技术及治漏防塌钻井液技术的研究与优化,提出了针对性的解决方案。通过相关技术的应用,有望进步一提高该区水平井机械钻速、缩短钻井周期,实现优快钻井。

国产动力钻具在深水喷射中的应用及探讨

深水油气资源日益成为海洋油气勘探的热点,但深水钻井也面临着诸多的困难和挑战,喷射导管技术是解决深水浅层钻井难题的重要技术。该技术在导管内下入动力钻具,利用钻具及导管重力钻进,喷射到达设计导管入泥深度后利用地层的吸附力和摩擦力稳定导管。随着我国深水钻井作业的增多,实现动力钻具的国产化以及提高动力钻具的综合性能以达到提高喷射整体效率充满必要性。南海西部海域两口深水井国产动力钻具的成功应用验证了国产动力钻具的作业能力,也展现了国产动力钻具在深水钻井中的良好应用前景。

全旋转推靠式自动垂直钻井工具悬架机构设计

自动垂直钻井工具的振动会使得工具的测量精度大大降低,工具本身也易产生疲劳强度降低、联结失效,使工具寿命降低、影响钻井的精度,并最终会影响井身质量。设计了一种用于全旋转推靠式自动垂直钻井工具的全密封悬架机构,其主要作用是连接稳定平台和外壳。同时采用动力吸振的原理设计减震机构,降低机构振幅,有效抑制振动向稳定平台传递,降低电子仓电子元件所受到的振动,提高传感器的测量精度和控制系统的控制精度,进而提高井身垂直度。所设计的悬架机构与传统的悬架机构相比较拥有更好的减振效果,并且消除了工具零件在装配时所存在的轴向间隙。采用ANSYS/Workbench对工具控制轴的强度校核结果表明:该机构控制轴所受到的轴向最大应力为140.41 MPa,满足强度要求。

螺杆钻具传动轴力学特性评价

传动轴是螺杆钻具中的关键零部件,也是易失效件之一。针对传动轴常见失效特征,结合常用工况,进行了力学分析和有限元计算。通过大量的数值计算,完成了扭矩、轴向力、侧向载荷、几何边界等相关因素对传动轴力学特性影响的定量评价,可以较好地指导传动轴总成的设计与使用。

复合钻井用新型金刚石钻头研制及现场试验

针对复合钻井钻头转速高、井下动力钻具的输出扭矩受限制的特点,研制了一种尖圆混合布齿、低扭矩的新型金刚石钻头。现场试验证明,新型金刚石钻头扭矩小,寿命长,在相近条件下,比邻井常规金刚石钻头的机械钻速提高30.1%～36.2%,能更好地适应复合钻井的需要。

非开挖导向钻进铺管技术应用研究

非开挖铺管技术是利用岩土钻凿技术手段，在地面不开挖的情况下，准确而快捷地穿越公路、铁路、建筑物、河流等地段铺设和更换地下管线的一项高新技术。结合实际工程，对非开挖导向钻进铺管的关键技术进行重点论述，并对这项新技术提出了多项改进方案：①研制新钻头；②研制柔性钻杆保护装置；

螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究

为提高石油钻井破岩效率,将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合,设计了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具。在设计旋冲钻井工具结构的基础上,建立了直井中单次冲击功、冲击频率等关键参数的计算模型,并进行了实例计算分析。计算结果表明,直井中单次冲击功仅是凸轮推程和钻压的函数,当钻柱结构确定且存在一定长度(大于500m)的Ф127.0mm钻杆时,单次冲击功与钻压成正比关系,改变钻压可实时调整冲击功。工程样机测试表明,该工具结构设计合理,能够实现螺杆驱动钻头高速旋转和高频冲击,进一步提高工具的耐磨性能后具有良好的应用前景。

煤矿用坑道钻机矩形滑动导轨结构设计

矩形导轨因其结构简单、刚性强、承载力大等特点成为煤矿用坑道钻机最常用的导轨截面形式。扼要介绍了常用滑动导轨的结构形式及应用特点,分析了矩形导轨在动载荷作用下的受力情况,给出了提高矿用坑道钻机导轨运动平稳性和使用寿命的具体措施。通过对比和分析得出,"L"形滑块加耐磨镶条的导轨型式能够较好地解决滑块导向面磨损严重和滑块成组更换互换性差的问题。论述了矿用坑道钻机矩形导轨防护方式的选取、防护机构的设计和导轨润滑方式的选择,矿用坑道钻机导轨应该采用以工作环境中的煤矸尘微粒为润滑介质的固体润滑方式。

自动滑动钻井控制系统的研究进展

鉴于旋转导向钻井工具所需费用高且对井眼尺寸的限制严格,国外研发了一种新型自动滑动钻井控制系统,即自动扭矩控制系统。该滑动钻井控制系统的硬件部分是一个与顶驱控制系统相连的地面控制系统,它采用扭矩摇摆技术通过顺时针与逆时针交互旋转钻柱顶部,以保持上部钻柱一直做切向运动,从而克服与导向马达问题有关的多种摩擦阻力。现场应用结果表明,该技术能使钻压平稳地传递给钻头,增加工具面定位优势,延长井下设备(马达、钻头、MWD等)的使用寿命,减小井眼轨迹的偏移和降低扭曲值,进而大幅提高钻井效率。

弯角马达工具面动态控制系统研制及试验

常规方法调整弯角马达工具面时作业效率低,易发生工具面漂移、托压等复杂情况。基于顶驱和MWD系统研制了一套弯角马达工具面动态控制系统,该系统可自动判断工具面偏移情况并发送指令至顶驱定位系统,实现连续滑动钻进过程中对工具面的实时监测和自动控制。仿真测试及现场试验结果表明,所研制的弯角马达工具面动态控制系统具有良好的快速响应及稳定性,滑动钻进时工具面可控制在目标值±10°范围内,具有较好的现场应用价值。