气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击,气体钻井中的钻柱产生了交变应力,而钻柱旋转加剧了交变应力的变化,同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀,加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂,这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分,因此,开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究,掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律,是减小和防止钻柱失效的基础工作,对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置,进行了不同钻具组合情况下,气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明,气体钻井过程中,配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上,扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%,因此,扶正器和减振器的配合使用,将大幅降低钻柱所受交变应力,并延长交变应力作用周期,从而降低钻柱失效的概率。     

推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法

推靠式旋转导向钻进时巴掌对井壁的间歇性推靠致使钻柱处于非线性阻尼激励的复杂工作状态,剧烈的振动易引发钻柱的疲劳失效。建立考虑巴掌与井壁的接触碰撞及动态激励的底部钻具组合动应力计算模型,分析钻柱转速对钻柱动应力和钻头侧向力的影响。结果表明:钻井过程中底部钻具组合动应力和钻头侧向力处于剧烈波动状态,尤其在临界转速下运动的钻柱将产生剧烈的振动及较高水平的动应力,导致钻柱出现疲劳破坏;通过调节钻柱转速至两阶相邻转速中间值,可显著降低钻柱的振动加速度。现场试验验证了通过调节钻柱转速提高底部钻具组合动态安全的可行性,为推靠式旋转导向及同类工具安全钻进参数的优化设计提供了依据。     

直井眼钟摆钻具纵向振动特性的实验研究

为了了解直井眼中底部钻柱的纵向振动特性,利用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置,对不同参数组合下的钟摆钻具组合纵向振动特性进行了模拟实验研究。实验结果表明,钻柱的纵向振动主要与转速和钻压有关。转速一定时,提高钻压有利于减轻钻柱纵向振动;钻压一定时,降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动;当对钻具施加的名义钻压一定时,随着转速的增加,平均钻压有减小的趋势。另外,在减小直井底部钻柱纵向振动的问题上存在钻压与转速的优化组合。     

直井眼钟摆钻具纵向振动特性的实验研究

为了了解直井眼中底部钻柱的纵向振动特性,利用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置,对不同参数组合下的钟摆钻具组合纵向振动特性进行了模拟实验研究.实验结果表明,钻柱的纵向振动主要与转速和钻压有关.转速一定时,提高钻压有利于减轻钻柱纵向振动;钻压一定时,降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动;当对钻具施加的名义钻压一定时,随着转速的增加,平均钻压有减小的趋势.另外,在减小直井底部钻柱纵向振动的问题上存在钻压与转速的优化组合.     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象．共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故．共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的．给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式．现场测量及计算表明,不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动,它取决于振动传输比,现场试验数据验证了计算公式．通过固有频率的计算,分析了减震器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势．     

下部钻柱有限元动力学仿真研究

针对下部钻柱在钻井过程中的振动状态,分析了振动机理,并建立下部钻柱组合节点单元三维动力学模型,运用强迫频率理论和高斯列主消元法对动力学方程组进行求解,得到不同转速下的最大径向变形及弯曲应力,绘出相应的幅频响应曲线,确定相应的临界转速。研究表明,钻柱转速对钻柱振动影响较大,通常钻柱工作转速要避开钻具组合谐振频率,可减缓钻柱振动,保护钻柱。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现。因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象。共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故。共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的。给出了钻柱轴     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

气体钻井钻柱内声波信号传输规律分析

针对气体钻井随钻测量问题,参照医用听诊器的工作原理,提出在气体钻井中利用钻柱内声波进行井下信息传输的方法;通过建立钻柱内声波传播的数学模型并求解,得出钻柱内声波信号传输的衰减规律;利用声波导理论对钻柱的声波导特性进行分析,计算钻柱内声波的截止频率。通过管道声波传输实验,将采集声波信号与计算结果进行比对,验证了理论分析的准确性。结果表明,气体钻井钻柱内声波信号传输过程中的衰减程度随频率的升高而逐渐加剧;钻柱的内径尺寸决定了内部各阶声波的截止频率,内径越大,声波的截止频率越低;声波信号传输载波频率的选择时,应兼顾钻柱内声波信号的衰减规律和不同尺寸钻具的声波导特性,尽量选择钻柱截止频率内较低的频段,减少因高次波激发造成的衰减,延长声波信号的传输距离。     

钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响

为了研究钻柱系统的振动模态以及动力学特性,利用动力学理论研究了钻柱内、外钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响。引入附加质量系数,通过线性化假设,并进行Laplace变换,导出了钻井液排量、井眼直径与钻柱外径的比值与附加质量系数的关系。研究结果表明,钻井液的存在导致钻柱的固有频率与不考虑钻井液相比有较大的下降;钻柱内、外钻井液对钻柱横向振动固有频率的作用机理不同,其中环空内钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响要远远大于人们的估计。     

钻铤柱长度及减震器位置对ZJ45J钻机钻柱振动的影响

本文建立了钻机—钻柱—减震器振动系统的力学模型及其运动方程,求得了钻铤柱不同长度和减震器不同位置对钻柱纵振影响的数值,因而发现:钻铤柱长度的改变仅对系统纵振的固有低频产生明显影响;钻柱振动位移亦随钻铤拄长度增加而增加;还发现钻柱固有纵振与固有扭振具有同时激励的可能;证实了减震器的效果以安装于钻机与钻柱之间较为理想,它既降低了转盘临界转速,又减小了各部分振动位移。最后指明了使用变刚度弹力阻尼减震器的方向.     

定向井轴向振动有限元分析

在定向井钻井施工中钻柱受力是很复杂的.仅钻柱振动就存在轴向振动、横向振动和扭转振动,其中钻柱轴向振动是导致钻柱失效的主要因素之一,因此需要进一步对定向井轴向振动进行研究.利用有限元方法分析了钻柱轴向振动规律.首先根据定向井特点建立全井钻柱模型,然后以钻柱单元为研究对象,建立了全井钻柱轴向振动的力学模型,采用线性代数方法,通过计算机分析获得了钻柱轴向振动的共振频率分布规律.钻柱轴向共振,其共振频率取决于钻柱的材料性能及形态特性,与钻柱的长度关系不大.在达到轴向共振状态时,钻柱与井壁激烈地碰撞,使钻柱短时间内产生严重破坏,同时还会造成井塌事件,给钻井施工带来经济损失.该问题的研究对指导钻井施工,减少跳钻、避免钻柱失效等情况有很大意义.     

钻柱振动条件下的钻井液冲蚀引起的钻柱失效*

钻柱失效问题已经成为高压喷射钻井技术发展和推广的瓶颈。建立了一种钻柱失效的新理论模型,利用振动的知识研究钻柱的失效情况,分析钻柱在振动条件下的位移和速度,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究,分析得出钻井液对钻柱的冲蚀磨损量和最大冲蚀角。根据算例计算与分析,对应算例参数进行室内实验和井场实验设计,完成实验的验证与结果分析。结果表明:在考虑钻柱振动条件下,钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑钻柱振动条件下钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;同时得知最大冲蚀角与冲蚀理论中的规定是完全吻合的以及钻井液对钻柱冲蚀所发生的最大角度在钻柱有无振动的条件下是相同的。研究结论对于在石油钻井中如何减少钻柱的失效及如何提高钻柱的使用寿命具有一定的理论参考意义。     

井下液压脉冲发生器工作特性仿真

井下液压脉冲发生器是一种可调制脉冲射流的井下提速工具,该装置的工作原理是利用井底钻柱振动能量,采用活塞激励的方式调制脉冲射流,基于该装置工作原理,利用Matlab环境下的Simulink系统建立装置工作状态下的仿真模型,对装置的工作特性进行仿真分析。结果表明:装置调制脉冲射流的压力变化值与装置内柱塞运动规律密切相关,装置产生的脉冲压力幅值随钻头压降的增大而增大,但增长幅度逐渐变缓,随钻井液流量的增加呈线性减小趋势,随钻压的增大而增大,随转速的升高而增大,合理选取钻进参数有助于装置工作性能的进一步提升。     

钻进深度对煤矿水平井钻柱振动特性的影响

煤矿水平井钻柱在钻进过程中，随着钻进深度增加，钻柱在重力作用下与井壁产生复杂的碰撞接触，由此产生的托压效应更加显著，使得钻柱动力学特性随钻进深度增加而发生明显改变，进而影响钻柱的疲劳寿命。基于岩石-钻头-钻柱-井壁耦合动力学分析模型，通过有限元动态仿真，研究了钻进至不同深度下钻柱的纵向、横向和扭转振动特性，分析了钻进过程对钻柱振动特性的影响规律。结果表明：随着钻进深度增加，钻柱纵向跳钻现象呈现“平缓—剧烈—平缓”的趋势，横向扰动呈现“小范围蠕动—大范围扰动—小范围蠕动”的特点，扭转方向剧烈涡动占比呈现先增加后减小的规律，钻柱主要动力学指标与钻进深度呈非线性关系。因此在对钻柱系统进行动态分析及优化时，不能只分析特定深度，应包含整个钻进过程。     

调制式振动对大斜度井减摩阻影响规律

基于钻柱振动与井壁摩阻间的耦合作用研究,依据弹性杆理论,建立大斜度井激发钻柱产生轴向振动减小摩阻的数学模型,分析激振力强度、激振频率、摩阻系数和钻井液黏滞系数对钻柱振动减阻效果的影响。采用正交数值试验对各因素的影响程度进行分析。结果表明:提高激振力强度、频率或降低摩阻系数和钻井液黏滞系数均可提高振动减阻效果,其中激振频率存在最优值;各因素对钻柱振动减阻效果的影响由大到小依次为激振器强度、摩阻系数、激振器频率和钻井液黏滞系数。     

内外钻井液作用下的旋转钻柱涡动分析

在理论上研究了内、外钻井液流体作用下的钻柱涡动问题．分析了钻柱内钻井液随钻柱旋转时的流体动压力和钻柱弯曲变形等所产生的扰动压力之和对钻柱运动的影响，推出了在这种情况下保持钻柱规则涡动的动力学条件；进一步分析了钻柱外环空钻井液流体对旋转钻柱所产生的反作用自激现象，通过对其数学模型的建立和求解，得到了钻柱涡动失稳的临界条件．较详细地探讨和论述了内、外钻井液作用下钻柱涡动过程的力学机理和运行规律     

钻柱振动与冲击抑制技术研究现状

对钻柱振动和冲击的控制是井眼轨道优化设计、钻井参数优选、提高钻速及实现智能钻井的重要基础。在深 水、超深水,深井、超深井,页岩气硬脆性地层及气体钻井作业中,要用到丛式井、定向井等特殊钻井工艺,这些复杂井 建井过程中由钻柱振动和冲击造成的损失日益增加。系统阐述和对比了钻柱振动和冲击的表现形式及评价方法。将 钻柱振动和冲击分为被动控制、主动控制和半主动控制3 方面,归纳和分类探讨了近年来核心控制方法及关键控制设 备的结构、原理,给出代表性的成果,对比分析了相应方法特点、设备及适应范围,设计了钻柱振动和冲击控制程序, 探讨了未来重点研究的方向。