水平井段旋转钻进时钻头侧向力及钻进趋势试验研究

进行水平井段旋转钻进时钻头侧向力的试验研究,并将钻头侧向力分解为方位力和井斜力,以这两个力的变化规律为基础,对待钻井的钻进趋势进行预测。结果表明:随着钻压和转速的增加,方位力和井斜力的变化规律不同,增加钻压,两个力波动的频率变小,波动的能量变大,但方位力的波动频率大于井斜力的波动频率,方位力的波动能量小于井斜力的波动能量;增加转速,方位力的波动频率变大,波动能量几乎不变,井斜力的波动频率变化不大,但波动能量变大;在实际的钻进过程中,为避免"方位漂移"现象的加剧,建议使用较低钻压或者高钻压钻进;为避免井斜加剧,建议使用低钻压和低转速钻进。     

冲顶开窗径向水平井转向送进关键技术

为解决传统径向水平井技术套管段铣和大直径扩孔困难等问题,提出在免扩孔条件下一次性实现径向水平井开窗及钻进的技术方案,设计在Φ139.7 mm套管内使用的转向工具,该工具利用液压冲顶方式进行套管开窗,并采用Φ14 mm无缝钢管作为喷射钻进的钻管。数值模拟与室内试验表明,采用纵向冲顶方式可满足套管开窗要求;在45 MPa泵压作用下钻管能够克服转向阻力实现送进;当冲头下倾角度为11°时能有效地实现钻管矫直与长距离送进;采用液压冲顶套管与金属钻管送进相结合的方式可满足超短半径径向水平井作业要求,为下一步联合水力钻头进行高压喷射破岩奠定基础。     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

软岩的旋转触探诸参数间的内在关系

为经济快速合理地确定不同地层的旋转触探运行参数,及进一步研究通过触探诸参数确定岩石力学参数的方法,必须明确旋转触探软岩样时探头上的负荷、扭矩与探头的转速、钻进速度之间的内在关系.在理论研究分析的基础上,用角片式探头在笔者研制的"旋进式触探机"上系统地进行砌块的旋转触探试验,且结合已报道的对石灰岩和砂岩用PDC钻头在室内进行的钻进试验数据分析验证了触探岩土体时探头上的负荷、扭矩和其钻进参数间内在关系的正确性.得到了以下结论:当探头的转速不变,则扭矩和负荷与钻进速度呈线性关系;当探头的钻进速度不变时,负荷和扭矩与转速呈-1次曲线关系;当探头的钻进速度和转速不变时,扭矩与负荷间呈线性变化关系:当探头上的扭矩与负荷不变时,转速与钻进速度呈正比关系.     

海底天然气水合物复杂地层钻进取芯仿真岩芯扰动分析

针对海底天然气水合物赋存的复杂地层,利用有限元分析软件ABAQUS/CAE,对搭载于深海海底钻机上的金刚石钻头钻进取芯海底天然气水合物过程进行了模拟仿真,并利用Python对仿真结果进一步处理.通过对钻进过程中岩芯所受应力状态的分析,得到岩芯扰动状态随钻进参数的变化规律,获得天然气水合物储层及其上覆土层沉积物低扰动岩芯范围,以及岩芯扰动率随钻进参数的变化趋势,对获取低扰动岩芯钻进参数及其优化具有一定的参考意义.结果表明:随着钻压和转速的增加,沉积物及水合物岩芯的扰动范围都相应的增大.岩芯的扰动率呈现出先迅速增大,之后再逐渐保持稳定的趋势.扰动率稳定值的大小受钻压的影响较大,与钻头的转速无关.当在沉积层钻进时,选择较大的钻压及转速以保证高的进尺效率,而当在水合物层钻进时,适当降低钻压可以获得质量较好的岩芯,而增大转速会使进尺速度得到有效的提升     

碳纤维复合材料小孔钻削工艺参数优化

采用硬质合金麻花钻进行了碳纤维增强树脂基复合材料直径3 mm小孔的钻削试验,研究了工艺参数、刀具磨损对切削力和制孔质量的影响规律.首先,通过钻削试验,测得了不同工艺参数下的钻削力,回归分析得到了钻削轴向力和扭矩与转速和进给速度之间的关系式.然后,通过刀具磨损试验,获得了后刀面磨损量随制孔个数的变化曲线;对孔出口毛刺损伤进行测量统计和分析拟合,得到了毛刺面积与钻削扭矩间的关系式.最后,以材料去除率最大为优化目标,以钻削后无分层且毛刺损伤满足要求为约束条件,建立了工艺参数优化模型,获得了最优转速和进给速度.     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。     

大斜度稳斜段导向钻具复合钻进特性模拟分析

利用纵横弯曲连续方法建立了导向钻具复合钻进特性分析模型,分析了导向钻具结构参数、上稳定器位置和直径、钻压等因素对导向钻具组合复合钻进效果的影响.结果表明：适当减小导向钻具的弯角和稳定器直径有利于提高复合钻进稳斜效果;上稳定器直径和位置对复合钻进效果影响均比较明显,上稳定器安放位置可以依靠短钻铤长度来调节;转盘转速对复合钻进效果影响不明显,钻压则较为明显;常规Φ215.9 mm井眼,复合钻进时的增斜趋势随钻压的增加而变弱,适当增大钻压有利于提高复合钻进稳斜效果.     

推靠式旋转导向井眼轨迹预测与控制方法

旋转导向钻井系统是现代导向钻井技术的发展方向。通过导向机构调节导向参数来预测和控制井眼轨迹,是旋转导向钻井系统的关键技术之一。为解决推靠式旋转导向钻具的导向力和工具面角对井眼轨道的控制问题,对导向力分别在井斜平面和方位平面进行解耦;并应用了纵横弯曲理论建立了底部钻具组合三维力学分析模型,得出了导向参数与钻头侧向力和转角的定量关系。在考虑钻头和地层的各向异性因素的影响下,利用在UPC模型基础上提出的有效钻力的概念,通过计算钻头有效钻力来预测实钻过程中的钻进趋势。在此理论基础上,计算了按设计的井眼轨道钻进所需要的导向参数,并讨论了井眼轨迹参数、钻压、钻头各向异性参数和地层参数对钻具导向性能的影响;分析了其中的规律,并得出只有综合考虑上述各项因素,才能准确计算出导向参数,确保钻头沿设计轨迹钻进,也为旋转导向井眼轨迹控制提供了理论依据。     

PDC切削齿与岩石相互作用模型

使用可以加载钻压的试验设备,在不同钻压、切削面积、切削速度和切削齿后倾角条件下对不同性质的岩石进行钻进试验,通过对试验数据的多元非线性回归分析,建立新的PDC切削齿与岩石相互作用模型。结果表明:切削面积是影响切削齿受力的主要因素;切削齿受力随切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大;切削齿受力与切削速度呈对数关系。     

负载力矩对旋转阀转速的影响分析及转速控制研究

旋转阀的转速控制关系到钻井液压力信号的产生。旋转阀负载力矩随旋转角的变化规律是影响转速控制的关键。根据旋转阀转子的受力情况分析了旋转阀负载力矩的组成及影响因素。通过理论分析结合计算流体力学(CFD)仿真分析建立了负载力矩的计算模型。研究表明,旋转阀负载力矩随旋转角呈严重的非线性变化,负载力矩与钻井液流量的平方有关,与钻井液密度呈线性关系,与钻井液黏度无关。负载力矩的非线性特性对旋转阀转速产生严重影响。基于负载力矩的计算模型,采用负载力矩的前馈补偿进行旋转阀转速控制系统的线性化校正,通过转速负反馈形成PID(比例-积分-微分)闭环实现旋转阀转速的快速随动控制。MATLAB/Simulink仿真结果表明,旋转阀转速闭环控制系统具有快速跟随调相脉冲变化的能力;同时对流量测量误差及负载力矩计算模型偏差产生的干扰影响具有较强的抑制作用,可以满足对32 Hz的压力载波进行相移键控(PSK)调制,实现16 bit/s的数据传输速率。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

40Cr钢的钻削力仿真与实验研究

通过单因素试验,研究了在40Cr钢的钻削加工过程中,不同切削参数对钻削力和扭矩的影响.通过大型金属塑性成形有限元软件Deform-3D对钻削过程进行仿真研究,并将仿真结果和实验结果作了对比.结果表明,在进给量不变的情况下,随着切削速度的增加,钻头所受轴向力和扭矩先变大后减小;在相同的切削速度条件下,随着进给量的不断增大,轴向力和扭矩几乎线性增大;钻削力和扭矩的仿真结果比实验结果略小,说明仿真结果具备比较高的可靠性,可以对实验结果起到近似的预测作用.     

利用旋挖机实时钻进参数判定持力层的方法

旋挖钻机作为当前嵌岩桩成孔的一种重要的快捷施工方式,优势显著。其钻进过程中在线监控系统实时监测的随钻参数不仅仅可作为施工操作的主要依据,还可为嵌岩桩持力层的判定提供基础性数据。鉴于施工场地赋存环境的复杂性,钻进中必然导致钻进率、钻杆钻速、给进力、动力头扭矩等随钻参数的时空演化。根据采集的随钻参数数据库及理论分析,建立随钻参数随钻进深度的变化曲线,结果表明单因素变化曲线不能准确识别持力层。在此基础上,进一步提出基于多因素协同控制的持力层判定方法,建立岩体荷载强度模型进行基于随钻参数综合指标的持力层判定。采用该模型分析旋挖钻进过程中持力层岩体的强度和承载力,与地质勘测中的岩体强度测试结果对比,所判定的持力层特征符合实际。由此可见,基于随钻参数的持力层判定方法进行钻进过程中的岩层特性确定及持力层判定是可行的,可用于不同赋存环境下钻进过程中的持力层辨识。     

用于深水套管切割的水力式内切割装置设计及研究

随着中国进入深水勘探阶段,机械式割刀越来越难以快速、高效地进行深水套管切割。针对此问题,在课题组前期研究的基础上,设计了一种用于深水套管切割的水力式内切割装置,并针对其结构特点,对其工作原理进行了介绍。结合水力式内切割装置的结构与工作原理,建立了活塞与割刀的几何模型,分析了割刀刀尖切割半径与活塞位移间的关系,并得到了工具切割套管所需最大扭矩和井口转盘所需提供的最小扭矩的关系式;最后通过建立的相关数学模型,借助MATLAB软件对影响其切割效率的因素进行了分析,结果表明:(1)随着割刀端面角的增大,活塞所需移动位移也增大但工具切割扭矩却降低;(2)工具切削扭矩随钻井液驱动力的增加而增加;(3)井口扭矩随切削深度的增加而增加,在切削深度不变时,井口扭矩随着转速的增大而增大,并给出了最好切削效果下的割刀端面角和切割转速的建议。研究结果对用于深水套管切割的水力式内切割装置设计和优化具有参考价值。     

考虑接头的钻柱摩阻扭矩分析

钻柱接头的直径大于管体直径,在通常情况下钻柱与井壁间的接触发生在接头上。建立考虑接头钻柱的力学模型,并用迭代法进行求解,成功地分析了考虑接头钻柱在钻进、起钻、下钻、空转及倒划眼时与井壁的接触力、摩阻扭矩,并能预测各接头处接触力的大小、方向。通过与现场试验数据相比较,对钩载的预测误差小于5%,对扭矩的预测误差小于7%。该模型为预测钻柱摩阻扭矩提供了一个快捷准确的方法。     

冰层回转钻进冰屑温度计算及影响因素分析

为了分析冰层回转切削钻进时冰屑温度的变化规律,借鉴金属切削理论,建立了切削温度计算模型,对钻压、转速、切削具刃前角、切削具切入冰层深度、冰与切削具之间的摩擦系数、冰的抗剪强度以及切削具导热系数等因素对切削温度的影响规律进行了研究.结果表明,上述参数对切削温度均有一定的影响,其中摩擦系数对冰屑的温升影响最大,当摩擦系数增大到0.3时,冰屑的温升可高达9.11℃.钻头转速以及切削具刃前角对冰屑温升也有较大的影响,当钻头转速由30 r/min增大到130 r/min时,冰屑的温升由2.35℃增大到4.35℃;切削具刃前角由15°增大到75°时,冰屑的温升由3.48℃降低到2.42℃.