深海钻井升沉补偿装置国内现状及发展思路

升沉补偿装置是对浮式钻井平台和钻柱系统在海浪等自然载荷作用下做升沉运动时进行适当补偿的关键设
备,在深海石油钻井开发过程中,该装置能在浮式平台遇到大风等恶劣环境作用时,有效减小上下振荡运动对钻井作
业带来的一系列影响,保证井底钻压的稳定和钻井系统整体工作过程的高效进行。通过大量文献调研,分析了升沉补
偿装置在中国的发展现状和应用情况,结合升沉补偿装置在中国深海石油钻井过程中的实际使用情况和研究现状,利
用多浮体理论和钻井系统动力学特征提出对该装置进一步深入研究的新思路和技术路线图,对促进中国海洋石油装
备自主研究和发展具有十分重要的意义。     

海洋钻井绳索作业时升沉补偿问题的研究

随着海底石油勘探与开发事业的迅速发展,海洋钻井提出了许多新的问题,其中深水浮式钻井船或半潜式钻井平台随海浪的升沉运动就是海洋钻井设备需要解决的特殊问题之一。本文将着重探讨测井、射孔等绳索作业时对随海浪的升沉运动的补偿问题。 问题提出 浮式钻井船及半潜式钻井平台在海浪作用下将产生上下升沉运动,并引起大钩的振动。     

浮式钻井平台钻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。     

深海海况下钻井船钻柱升沉补偿效率分析

为了合理设计钻柱升沉补偿装置结构,分析了其补偿效率。根据升沉补偿装置物理模型和牛顿第二定律,建立了升沉补偿装置顶驱、大钩和钻柱的三自由度运动数学模型。采用Runge-Kutta算法求解运动模型,获得了设计海况下钻头升沉运动规律。并与1/10升沉补偿装置模型实验结果比对,数值模拟与实验波形吻合。分析了深海海况下,井深、海底刚度以及波浪频率对升沉补偿装置有效补偿窗口的影响。结果表明,深海海况对钻井船升沉补偿效率影响较大。其中:随波浪频率增加,钻柱升沉补偿装置补偿效率由高变低,相当于低频滤波器;不规则波情况下,补偿效率有所降低;井深增加,补偿效率降低;而随海底面刚度增加时,位移补偿效率提高。     

海洋钻井船升沉补偿装置工作理论的初步研究

海底石油的勘探与开发事业近年来世界上发展很快,我国的海洋石油地质、勘探、开发事业也在迅速发展。海洋钻井工作中提出了许多新的问题,其中浮式钻井船与半潜式钻井平台随海浪的升沉运动问题就是海洋钻井设备需要解决的特殊问题之一。 问题提出 浮式钻井船及半潜式钻井平台在波浪作用下将产生上下升沉运动,这种周期性升沉运动将引起井架及大钓上悬吊着的钻杆柱或套管柱以及其它下井器具产生周期性上下往复运动,     

半主动式恒钻压波浪补偿系统的研究

为了提升海上钻井平台在恶劣环境变化下工作的适应性,设计了负载敏感技术与压力补偿技术相结合的半主动式恒钻压波浪补偿系统,使输出压力与流量自动适应于负载需求。在该系统中,采用气液蓄能器与双作用主动缸相互作用来抵消波浪升沉位移的变化。建立了半主动式波浪补偿系统数学模型,利用MATLAB/Simulink软件进行了仿真分析。仿真结果表明:与主动式及被动式补偿系统相比较,本系统动态响应快,控制精度高,振动幅度大大降低,节能效果明显增强,有利于海上钻井升沉补偿的推广和改进。     

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。     

海洋钻井天车升沉补偿关键结构参数设计

为研究海洋浮式钻井天车升沉补偿装置的关键结构参数,根据天车升沉补偿装置的工作原理建立了系统的数学模型,并进行动力学数值模拟,从系统动态特性和能耗角度设计了补偿缸固定铰接点安装位置、补偿缸缸径等重要参数,分析了气瓶体积和固定铰接点位置对系统性能的影响规律.结果表明:从系统动态性能与能耗角度分析,平衡位置时补偿缸倾斜18°效果最佳;增加气瓶体积及补偿缸初始长度可提高系统动态性能与节能效果,但受平台安装空间和成本的制约,综合考虑确定气瓶体积为20.5 m~3,平衡位置补偿缸长度为13.2 m.     

海洋钻机的起升机件的强度问题的研究

问题提出 我国的海洋石油勘探与开发事业正在迅速发展,海洋石油钻井不断提出了许多新的课题。 海洋浮动钻井船及半潜式钻井平台在海浪作用下将产生上下升沉运动,从而引起大钓的振动。大钩是钻机的重要起升机件,它所承受的动载荷将影响到所有的海洋钻机的起升机     

波浪运动补偿平台的自适应预报控制模型研究

具有广义升沉运动补偿功能的波浪运动补偿平台可以减少船舶运动对海上作业和设备的影响.该平台系统的液压机构具有非线性和大惯性的特点.为了有效地进行广义升沉运动补偿,本文采用基于等维新息的自适应自回归多步预报算法和非线性PID控制器相结合的控制策略对波浪运动补偿平台液压机构进行控制.益参数随误差变化的非线性PID控制器具有较好的适应性、抗干扰性和鲁棒性,适合波浪运动补偿平台液压机构的控制特点,可以提高控制效果.结合实验获得的船舶甲板控制点的广义升沉位移数据,仿真试验结果表明:采用上述的自适应预报控制策略对波浪运动补偿平台液压机构进行控制能有效地减少平台的广义升沉运动幅值.     

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。     

斜井段钻柱混沌运动的数学模型与参数

基于现代动力系统理论，对斜井段钻柱的复杂动力学行为进行研究．通过考虑由于弯曲变形而产生的附加轴向力，得到描述井孔约束下斜井段钻柱在周期性钻压作用下的非线性参数激励系统，利用Melnikov-Holmes方法得到钻柱发生混沌运动的判据，并结合具体工程实例分析了倾斜井钻柱混沌运动的参数激励阈值，所得结论在钻井工程中具有较强的可操作性．     

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。     

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。     

利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法

为实现钻井过程中井下钻柱运动状态以及井下复杂情况的实时监测,依据振动测试原理,结合实际钻井工况中钻柱振动特征,研制钻柱振动信号测量及处理系统。现场试验结果表明:钻柱出现黏卡、跳钻等现象后,利用快速傅里叶变换和小波变换处理方法可有效提取和识别钻柱在井下的振动特征;研制的钻柱振动采集系统可以应用于现场钻柱振动信号的采集、处理,其结果可以判断钻柱的井下工作状态。     

塔河油田同心随钻扩眼钻柱动力学研究

老井侧钻是解决塔河油田含水率增加的主要技术,但井眼直径变小会对后续作业产生很大的影响,应用随钻扩眼技术可以解决此问题。但也存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。基于弹性力学理论及有限元分析方法,考虑弯曲井眼中钻柱受力、钻柱结构和领眼钻头与扩眼工具处钻压扭矩分配等因素的影响,由该区一口实例井扩眼参数建立了侧钻井同心随钻扩眼钻柱瞬态动力学模型。并研究BHA在小井眼中的运动状态,全钻柱关键位置动应力变化、井口轴向力、井口扭矩、钻柱轴向加速度和钻柱等效应力随加载时间的变化,模拟结果可为研究同心随钻扩眼钻柱的动力学性能和优化随钻扩眼施工参数提供了理论支持。     

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。     

基于应力分析的钻具设计方法优化

钻具钻进过程中不断振动,其产生的交变应力促使钻具发生疲劳失效。钻具组合设计时多是考虑轴向应力对钻具的影响,很少考虑到振动的影响,考虑因素单一。为提高钻具钻进过程的安全性,基于钻柱所受轴向应力,考虑钻柱振动时所受动态应力,结合疲劳失效原理,建立了一种应力安全分析模型,并通过室内试验验证模型的合理性,进而分析钻柱整体在不同钻进条件下的安全系数和存在的危险位置,总结提出钻具组合优化方法。结果表明：转速对钻具的安全系数影响较大,钻压的影响程度较小;除了钻具井口位置,加重钻杆底部、钻铤底部均存在疲劳失效的可能;钻具优化方法可以提高钻具整体安全性。本文从应力方向角度分析了钻具的安全情况,提出了优化方法,为以后的钻具设计提供了参考。     

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     

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.