石油钻井机械钻速预测研究进展

预测机械钻速研究的进展大体可以分为三个阶段:用现场数据直接统计出钻速方程;考虑所钻地层性质和钻头结构的钻速方程;用计算机仿真方法来预测机械钻速。对每个时期的机械钻速预测研究的情况作了详细介绍,并分析了其优缺点,指出用计算机仿真方法来预测机械钻速是可行的,也是今后机械钻速预测研究的重点方向。

复杂地层钻具接头力学性能模拟及应用

在西部和南方海相复杂地层钻井中,不仅钻具失效严重制约了钻井效益,而且普通钻杆存在不足:不适合大钻压、高泵压和大扭矩钻井,呈现牺牲钻速保钻柱的现象;抗扭、抗拉强度较低,处理井下事故的富余能力小。因此,针对钻具螺纹的结构特点,提出了计算钻具螺纹力学特性的有限元力学理论和算法,并编制了国内唯一一套钻具螺纹力学性能有限元软件,可计算钻具螺纹接头在复合载荷下的力学性能。应用该软件为宝山钢铁公司开发了高强度、高密封的双台肩螺纹接头,投入生产并得到应用。

钻具螺纹接头力学性能计算方法及其应用

针对钻具螺纹接头轴对称特点以及所承受复合载荷的特点,应用接触力学理论建立了将三维问题退化为拟三维问题的有限元半解析法,推导出钻具螺纹在任意载荷作用下的载荷、位移和刚度矩阵公式,并编制了计算钻具螺纹力学性能的弹塑性有限元力学软件.软件计算结果和实验数据比较一致,表明该力学模型和软件是可靠的.该软件可用于评价API钻具螺纹的力学性能,同时也可用于设计新型钻具螺纹,基于此原理,研制了双台肩钻具螺纹接头并得到应用.

井下油管的流动诱导腐蚀数值模拟研究

根据现代流体力学的基本理论建立了流体运动的连续性方程、动量、湍流动能、湍流耗散率的守恒方程以及化学组分的传质守恒方程。根据流动诱导腐蚀的特点 ,建立了流动诱导腐蚀的数学模型。采用SIMPLE算法求解流动数学模型 ,用壁函数法计算了管壁附近湍流边界层的流体力学参数 ,并用VisualBasic6 .0编制了计算机程序 ,对油管腐蚀过程进行了数值模拟。模拟结果表明 ,在正常生产过程中 ,油气井油管的中上部腐蚀严重 ,建议油管防腐工作的重点放在降低中上部油管的腐蚀方面。应用文中方法及求解程序 ,设计合理的油管直径及组合 ,可防止或减轻由于腐蚀、冲蚀等对油管造成的严重后果 ,减少油气井的维护费用 ,从而取得良好的经济效益。

高产气井油管腐蚀模拟研究

文章给出了气体稳定流动的压力、温度、流速及密度分布的常微分方程组,采用四阶龙格-库塔法直 接数值求解,可以得到温度、压力、流速及气体密度随井深的变化情况。同时建立了管壁流体边界层中离子传质方 程和腐蚀机理模型,采用中心向后有限差分方法求解,可以得到主要离子在流体边界层中的浓度分布和气井油管 管壁的腐蚀速率。模拟研究结果表明,正常生产过程中,高产气井的腐蚀部位主要集中在油管内壁的上部位置,因 此高产气井油管防腐工作的重点应该放在降低中上部油管的腐蚀方面。高温高压气井油管的选择至关重要,油管 内流速过高将带来冲蚀、腐蚀等严重问题,在井口部位油管漏或断将造成复杂的井下问题。应用本文的方法及求 解程序,设计合理的油管直径,可防止或减轻由于腐蚀、冲蚀等对油管造成的严重后果,大大减少油气井的维护费 用,从而取得良好的经济效益。

考虑钻柱运动状态的疲劳寿命预测研究

石油钻柱在钻进过程中 ,工作环境恶劣 ,在井位、地质条件及钻进参数等综合因素的影响下 ,不仅承受着由交变载荷引起的应力突变 ,还承受着钻具涡动和振动引起的巨大冲击载荷。钻柱在井下既自转又反转 ,尤其在斜井或大环歇井中时 ,偏心反转和工作载荷产生的较大交变弯曲应力常造成钻柱疲劳破坏。为此 ,文章在用动力学观点初步分析了钻柱失效机理的基础上 ,应用断裂力学等相关知识 ,对钻柱进行了三轴应力分析 ,并提出了考虑钻柱进动与反进动的疲劳寿命计算模型。该模型能反映运动状态对寿命的影响 ,可用于无裂纹钻杆和有裂纹钻杆疲劳寿命预测 。

空气冲旋钻井冲击力和机械钻速仿真研究

在钻井机械钻速预测研究中,以前常根据现场数据或试验数据统计拟合得出经验或半经验方程,方程一般含有一些很难确定的系数甚至是不可靠的。为此,借鉴三牙轮钻头仿真理论,建立了冲击旋转钻井系统仿真模型,包括冲击器动力学模型、冲旋钻头真实仿真模型、动态变化的真实井底模型和牙齿与井底岩石相互作用模型,用计算机仿真方法预测出冲击器活塞的冲击力、冲击功和空气冲旋钻井机械钻速。仿真结果和试验数据吻合较好,模型可靠,研究成果可用于冲旋钻头、冲击器设计和钻井参数优选。

钻杆加厚过渡带几何结构对应力集中的影响

油气井钻井过程中,钻杆主要失效部位是加厚过渡带处,该处容易形成应力集中,尤其在狗腿井段中的交变载荷作用下,表面易形成疲劳裂纹源,导致刺漏甚至断裂事故的发生。针对这一情况,应用有限元软件建立钻杆加厚过渡带力学模型。该模型公母接头共同建模,可以施加轴向拉力、内外压力、扭矩和弯矩,能很好地模拟狗腿井段的钻杆受力,为改进钻杆加厚过渡带结构设计提供理论依据。力学分析结果表明,最大应力出现在加厚过渡带内锥面消失处,且母接头端的应力比公接头端应力水平高;减小加厚过渡带内孔直径、增加内锥面长度、加大内锥面消失处圆角半径都可以减小钻杆应力集中系数。但在现有加厚过渡带结构的基础上改变加厚过渡带尺寸对减小钻杆应力集中效果并不明显,建议从改变加厚过渡带结构上入手来降低钻杆的应力集中系数。

抽油杆疲劳寿命计算研究

抽油杆是有杆抽油中三抽设备的关键部件之一。其服役寿命直接影响油井的产量、失效概率以及修井作业的成本,准确预测其疲劳寿命具有十分重要的意义。对直井和定向井分别建立了计算抽油杆轴向载荷的数学模型,计算出了抽油杆所受的轴向力。同时,建立了疲劳寿命的预测模型,计算了不同形状裂纹的几何形状因子和应力强度因子。并根据以上理论,编写了计算机程序,能计算有初始裂纹和无初始裂纹抽油杆柱的疲劳寿命。采用Form an模型预测抽油杆疲劳寿命,其特点是在Paris模型的基础上考虑了应力比R,计算结果更加准确。同时,分析比较计算结果可得:裂纹初始长度对抽油杆柱的使用寿命影响较大。文中给出的方法简单,精度较高,便于工程应用。

非均匀载荷下磨损套管抗挤强度研究

针对非均匀载荷下套管磨损后抗挤强度降低的问题,将磨损简化为套管的壁厚不均度和内壁不圆度几何缺陷。在此基础上,建立了非均匀载荷下磨损套管抗挤强度计算方程。该方程计算值与试验值的对比表明,该方程计算结果是可靠的,可为复杂地层磨损套管柱设计提供理论依据。研究表明,当载荷不均匀程度较小时,磨损对套管抗挤强度的影响较大;当载荷不均匀程度较大时,磨损对套管抗挤强度的影响较小。

涡轮钻具新型叶片型线研究及其计算机辅助设计

分析了液体在涡轮钻具叶片表面流动规律,得出高效率涡轮钻具叶片型线设计应该满足的必要条件。由此提出了一种满足条件的叶片型线模型,并根据叶片的几何关系给出了数学模型的求解方法,为提高现有涡轮钻具的工作效率提供了一种参考叶型。并应用Pro/E进行了三维特征建模,基于这种参数化的模型,直接和高级语言编写的应用程序接口,可实现自动修改实体特征。在此基础上,编制了涡轮钻具叶片设计软件,实现了涡轮钻具叶片的自动设计,提高了涡轮钻具的设计质量和设计效率。

冲旋钻井钻头仿真模型的建立研究

针对钻井机械钻速预测研究中的不足,提出用计算机仿真方法来研究冲旋钻井的机械钻速。为此,首先对冲旋钻头常用的牙齿面进行离散化后,再结合冲旋钻头的结构特点和尺寸,利用坐标变换建立了冲旋钻井钻头的真实数学模型。该模型能准确可靠地描述钻头的形状和结构,是冲旋钻井机械钻速预测的基础。

判断油层水淹程度的方法研究

通过对自然电位曲线影响因素进行校正和对声波孔隙度进行压实校正,利用校正后的测井资料求出地层混合水电阻率Rwz、泥质含量Vsh、孔隙度Φ后,推算出了驱油效率η的数学公式,结合井的实际情况,编制成高含水期油田水淹层评价解释的软件系统。在某油田高含水期阶段水淹评价解释中的应用表明,驱油效率法的解释效果较好。

空气冲旋钻井机械钻速仿真算法

钻井机械钻速预测是难题。以前,研究者们常根据现场数据或试验数据,用统计拟合分析方法得出机械钻速的经验或半经验关系式。这些经验或半经验公式包括一些很难确定的系数准确性和可靠性差。为此,作者结合三牙轮钻头有关的理论,建立了空气冲旋钻井钻头的真实数学模型、真实井底模型和钻头牙齿与井底岩石互作用模型,用计算机仿真方法预测出了空气冲旋钻井机械钻速。使用表明,该模型可靠,计算结果与实际机械钻速基本一致,研究成果可用于冲旋钻头改进、优化设计和钻井参数优选。

模糊综合评判方法确定套管强度设计的安全系数

在套管强度设计中 ,影响安全系数选取的因素很多 ,并且这些因素和数据具有较大的离散性和模糊性 ,因而难以确定。为了解决此问题 ,采用分等分类多级模糊综合评判方法确定合理的安全系数。

液动冲击器新型密封结构设计与试验研究

针对冲击旋转钻井技术中的液动冲击器活塞和缸体间存在着摩擦而易使密封失效的问题,分析了液动冲击器的工作环境及在用密封结构的优缺点,提出了能够提高液动冲击器使用寿命的新型密封结构。该结构的波纹管、活塞和缸体内壁之间形成了一个密封的空间,其中充满润滑油,使活塞在油润滑下往复运动,降低了摩擦副的摩擦因数,提高了液动冲击器的使用寿命。实验表明该密封结构的使用寿命达200 h以上,其密封结构可靠性和使用寿命显著优于在用密封结构。