浮式钴井平台钴柱升沉补偿系统研究

在前人研究基础上提出一种半主动浮式钻井平台钻柱升沉补偿方案,将被动补偿能耗低和主动补偿精度高的特点有机结合在一起。建立系统数学模型,在仿真基础上,设计并搭建升沉补偿试验台,进行被动、主动和半主动的升沉补偿试验。结果表明,基于蓄能器的半主动升沉补偿系统收敛速度快,性能稳定,补偿效果较好,可以补偿平台97%的升沉运动。     

浮式钻井补偿绞车方案设计和性能仿真

为提高海洋钻井作业的综合性能,开展电驱动绞车补偿系统的方案设计和控制策略研究。针对国外单绞车补偿系统,提出一种基于双绞车的升沉补偿方案,钻机游动轮系的运动和受力完全对称,具有传动效率高、安全性好等特殊优势。设计系统关键结构参数,并基于能量流分析对绞车升沉补偿工作能力及其影响因素进行理论计算和分析,提出一种基于位移补偿方式的钻井运动联合控制方案,采用外环平台升沉位移和井底钻压闭环、内环矢量变频电机转速闭环的串级结构,选择合适的外环控制算法,并利用基于Simulation X的系统模型开展控制性能仿真研究。结果表明:双绞车补偿系统在不同钻井工况下的补偿能力较强,钻井作业窗口较宽;该系统运行稳定,可以实现升沉补偿与自动送钻运动的联合控制,满足海洋钻井要求。     

大位移井钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振研究

在大位移井条件下,钻柱扭转振动相对较大,严重时甚至会出现周向粘滑振动,对大位移井钻柱扭转振动模型进行了适当简化,给出了钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振问题的解析结果,证明了扭矩负反馈减振理论的正确性,提出出通过拉普拉斯变换解非零极点方程判断钻柱扭转振动衰减快慢的新方法,初步探讨了实现顶部扭矩负反馈减振须考虑的某些实际问题,其结果对今后相关问题的进一步研究有一定的参考价值。     

钻井过程中大钩位移测量及程序设计

介绍了在钻井过程中大钩位移及其相关的几个钻井参数获取原理,分析了利用滑轮光电式传感器及绞车磁电式传感器测量大钩位移的方法.给出了计算机实时获取大钩位移脉冲信号的算法及程序设计.现场实验证明,滑轮光电式传惑器测量精度高,但安装较复杂,机械加工工艺要求高;磁电式传感器安装方便、结构简单、寿命长,采用一定算法后,可使测量精度大大提高,能够满足工程需要.     

大位移井钻柱振动的力学分析模型

钻柱的纵向振动的力学模型,基本都是将钻杆和钻铤作为连续梁来处理。但在游动系统、吊悬系统的综合质量和减震器质量的处理上存在不同之处。     

大位移井钻柱的动态分析

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理.根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型.采用有限元理论,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题.计算及分析结果表明,所建理论模型是合理的和简便的.在钻柱旋转过程中,碰撞或连续接触可能交替存在或并存,这与井眼条件和转速有关,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源.动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明,一般井眼曲率大于5°/(30 m)时,线性动态分析的误差不容忽视,转速较高(大于70 r/min)时,须考虑动态因素的影响,在一般工况条件下影响不大.     

基于钻柱屈曲的大位移井套管磨损预测模型

大位移井由于井深长,狗腿度严重,摩阻扭矩大等原因,在钻柱下入过程中,钻柱可能会产生屈曲,这会导致钻柱轴线与井筒轴线不再平行,钻柱进尺长度会显著增加,加剧套管的磨损。在套管磨损预测模型中,引入由于钻柱屈曲而产生的钻柱进尺长度变化量,建立适合于大位移井的套管磨损预测模型。结合采用“井工厂作业”模式下的南海流花某大位移井W1的井径测试数据,对邻井W2进行套管磨损预测。结果表明:忽略钻柱的屈曲效应时,测深2144 m处的套管磨损深度预测值会被低估16.9％;仅考虑由钻柱屈曲所引起的附加载荷和套管截面几何变化,不考虑钻柱进尺长度变化量时,测深2144 m处的套管磨损深度被低估10％;针对大位移井的套管磨损预测,如果忽略由于钻柱屈曲所带来的钻柱进尺长度变化量,会使套管磨损深度预测值被低估。     

大位移井钻柱正弦屈曲临界力分析

大位移井是指井的位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井;钻柱在受压发生螺旋屈曲后,从杆柱上取一微元体进行正弦屈曲临界力分析。     

大位移井钻柱的动态分析

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理。根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型。采用有限元理论 ,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合 ,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题。计算及分析结果表明 ,所建理论模型是合理的和简便的。在钻柱旋转过程中 ,碰撞或连续接触可能交替存在或并存 ,这与井眼条件和转速有关 ,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源。动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明 ,一般井眼曲率大于 5°/( 30m)时 ,线性动态分析的误差不容忽视 ,转速较高 (大于 70r/min)时 ,须考虑动态因素的影响 ,在一般工况条件下影响不大     

水平旋转钻柱横向振动特性试验

利用水平井钻柱动力学特性模拟装置,对不同钻压和转速条件下水平旋转钻柱横向振动特性进行试验研究。结果表明:钻压和转速是影响水平井旋转钻柱横向振动特性的重要因素;随着转速增加,两横向振动的频率逐渐变大而相位差变小,两横向振动频率与钻柱自转频率呈线性关系;钻压增大对两横向振动频率的影响不大,但两横向振动的相位差会随着钻压的增大而逐渐变小;实际钻进中,钻柱一直处于井筒的右下部,转速选取时应尽量避开52.1 r/min。     

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     

深水钻井补偿绞车的节能机理及解耦控制方案研究

为解决深水钻井电动补偿绞车能耗过高、钢丝绳磨损严重及运动耦合的技术问题,针对不同钻井作业过程,分析电动补偿绞车的节能潜力,提出一套基于能量回收的新型液压驱动方案,可以对不同钻井作业过程中的负载重力势能及绞车回转系统的惯性动能进行回收与再利用;分析电动补偿绞车的运动耦合机理,进而提出多套软硬件解耦控制方案,可以实现升沉补偿运动与自动送钻运动的解耦控制。设计绞车补偿系统的关键结构参数,研制一套原理样机及其试验系统,并针对不同海况与工况进行仿真与试验研究。结果表明:新型液压驱动方案相对于电驱动方案具有明显的节能效果;绞车的大滚筒结构提高了钢丝绳的使用寿命;基于差动行星传动与基于双绞车驱动的两种硬件解耦方案控制效果良好,满足海洋浮式钻井的性能要求。     

不提钻换钻头装置的研制

作者研制了一种用于钻孔径75mm，岩心直径35mm的钻具，使用该钻具钻进时，无需升起钻杆即可收取岩心和检查或更换钻头。     

海洋钻井天车升沉补偿系统不同摇摆装置性能分析

天车升沉补偿系统广泛应用于浮式海洋钻井平台,不同的摇摆装置设计方案对摇摆臂受力变化、钢丝绳运动规律及升沉补偿效果均有重要影响。针对3套典型的天车升沉补偿系统摇摆装置方案建立数学模型并进行数值计算,基于线性加权和法建立各影响因素的权重表和综合评价标准,并对3套方案进行评价。结果表明,钢丝绳内绕式方案Ⅰ和方案Ⅱ中摇摆臂须承受变化幅度较大的交变载荷,易疲劳受损;且钢丝绳直弯交变长度较大,窜绳现象明显,给系统控制精度带来较大影响;钢丝绳外绕式方案Ⅲ具有摇摆臂受力平稳、钢丝绳直弯交变长度小、无窜绳现象等特点;基于线性加权和法评定方案Ⅲ为优秀,方案Ⅱ为良好,方案Ⅰ为中等。     

深井/超深井双作用强侧切开窗钻头研究

针对深井/超深井套管开窗侧钻中套管壁厚且强度高、岩石可钻性差、钻头切削齿极易先期钝化导致的开窗效率低/开窗失败的问题,创新性地设计了一种双作用强侧切开窗钻头。设计中考虑了开窗钻头钻进的稳定性及载荷分布的均匀性,钻头冠部设计为内锥双圆弧面和柱面,采用\"等切削、等功率与等磨损\"布齿理念和\"螺旋高低交错\"布齿规律,既能满足高效侧切金属又能快速切削岩石的设计目标;通过专有加工工艺技术的研究,完成了该新型开窗钻头的加工制造,并进行了现场应用。现场实际应用结果表明,与传统磨铣式铣锥开窗相比,研制的双作用强侧切开窗钻头由于采用了优化的布齿设计,钻头轮廓剖面扁平、切削面较短、横纵比较小,在窗口处有较强侧切力,切削套管产生的铁屑为大片状,效率提高了2.6倍以上,节省了窗口形成的施工时间和施工成本,能很好地适应深井/超深井硬地层的开窗侧钻作业。     

深水钻井平台运动对无隔水管环境下钻柱的影响

深水无隔水管钻井环境下,裸露在海水中的钻柱受到复杂动力作用。在考虑深水钻井平台运动、波流共同作用情况下,建立了深水无隔水管环境下钻柱受力理论模型。算例分析表明,钻井平台的慢漂运动对裸露在海水中的钻柱变形和受力有一定的影响。在满足强度要求的情况下,尽量选用直径较小的钻柱。无隔水管环境下,裸露在海水中的钻柱在泥线以下的长度越长,则钻柱上部所受拉力越大,从而可使泥线附近钻柱段的变形和受力情况得到改善。     

随钴扩眼工具井底钴压分配的实验研究

为了考察随钻扩眼工具钻进过程中产生的特殊结构井眼对井底钻压分配的影响,按照相似原理建立了随钻扩眼工具底部钻柱动力学特性模拟实验装置,对领眼井底与阶梯井底的钻压分配规律进行了研究。模拟实验结果表明,随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石更容易破碎,实际钻压分配比小于按照几何结构定义的钻压分配比。该结果与理论模型的研究得到的结论一致。