钻柱与实钻水平井眼接触形态及摩阻影响分析

水平井钻进过程中,地层结构、钻具振动、钻头侧向力、岩屑沉积等因素易导致实钻井眼轨迹发生连续小幅偏斜。该种偏斜虽不会引起实钻井眼轨迹的严重偏离,但将改变钻柱与井壁的接触形态。受现有测井方法的限制,该种偏斜常被忽略。通过理论分析与仿真,研究水平段井眼轨迹在井斜平面内连续小幅偏斜波动条件下的钻柱与井壁接触形态及其对摩阻的影响。研究认为,钻柱与偏斜波动水平井眼间易发生"悬跨"接触,该现象降低了现有解析法求解钻柱力学相关问题假设条件"钻柱与井壁连续接触"的合理性。钻柱自重和轴向力对悬跨钻柱弯曲位移及悬跨接触最大临界跨距的影响最大。悬跨接触将减小钻柱与井壁的接触面积、增大钻进摩阻。     

等壁厚螺杆钻具橡胶衬套失效研究

与常规壁厚螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具以其输出功率大,输出扭矩稳定等优点获得业内认可。随着等壁厚螺杆钻具的逐步推广使用,等壁厚橡胶衬套失效问题也日益突出。橡胶衬套失效以后,螺杆钻具输出性能降低,使用寿命也减小,这对钻井速度和钻井效益都有较大影响。基于热力学原理、Principal strain疲劳算法,建立螺杆马达定转子数值模型,研究了井深、过盈量及粗糙度对橡胶衬套热力学行为的影响,并运用Fe-safe疲劳分析预测橡胶衬套寿命。研究结果表明,等壁厚橡胶衬套主要失效形式为疲劳失效;通过等壁厚与常规壁厚橡胶衬套对比分析可知,等壁厚橡胶衬套较常规壁厚橡胶衬套有更好的密封性能,且对静液柱压力敏感程度更低。对等壁厚橡胶衬套进行设计时,应重点考虑过盈量对橡胶衬套磨损的影响,以确保螺杆钻具安全高效工作。     

基于动量自适应学习率PSO-BP神经网络的钻速预测模型研究

机械钻速(rate of penetration, ROP)是钻井作业优化和减少成本的关键因素,钻井时有效地预测ROP是提升钻进效率的关键。由于井下钻进时复杂多变的情况和地层的非均质性,通过传统的ROP方程和回归分析方法来预测钻速受到了一定的限制。为了实现对钻速的高精度预测,对现有BP (back propagation)神经网络进行优化,提出了一种新的神经网络模型,即动态自适应学习率的粒子群优化BP神经网络,利用录井数据建立目标井预测模型来对钻速进行预测。在训练过程中对BP神经网络进行优化,利用启发式算法,即附加动量法和自适应学习率,将两种方法结合起来形成动态自适应学习率的BP改进算法,提高了BP神经网络的训练速度和拟合精度,获得了更好的泛化性能。将BP神经网络与遗传优化算法(genetic algorithm, GA)和粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)结合,得到优化后的动态自适应学习率BP神经网络。研究利用XX8-1-2井的录井数据进行实验,对比BP神经网络、PSO-BP神经网络、GA-BP神经网络3种不同的改进后神经网络的预测结果...     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。     

定向穿越导向孔钻柱系统非线性屈曲仿真分析

钻柱在导向孔内的非线性屈曲关系着定向穿越整个工程的成败.基于三维曲井钻柱非线性屈曲平衡方程,考虑孔壁径向约束与摩擦,建立了定向穿越钻柱-孔壁系统仿真分析模型.在将该模型的仿真结果与Tulsa大学相关实验结论进行对比验证的基础上,以渭河定向穿越工程导向孔钻进为例,对整个钻柱系统的非线性屈曲行为进行了仿算分析.结果表明,无论正弦屈曲或螺旋屈曲,扭矩负载对其影响很小；两者的产生过程差异较大,如当钻柱应力水平保持在疲劳强度以下时,则仅会出现正弦屈曲；相对于水平段和斜直段,弯曲段钻柱的非线性屈曲更严重.该结论为定向穿越导向孔钻进施工参数的优选提供指导.     

基于钻柱系统动力学的摩阻扭矩计算新方法

回顾了已有的摩阻扭矩研究工作;探讨了基于全井钻柱系统动力学模型的摩阻扭矩计算方法,全井钻柱系统动力学模型综合考虑了钻柱纵横扭耦合振动、钻柱与井壁摩擦碰撞、泥浆对钻柱的粘滞阻尼、内外环空泥浆对钻柱的弯曲效应与压差效应、钻柱屈曲对摩阻的增益等因素。基于前述系统模型开发了专用的摩阻计算软件,分别以实钻定向井和实钻直井为例给出了部分仿真结果,从仿真结果中获得了许多有价值的结论性认识。首次探讨了动态摩阻的计算方法,提供了较为实用的摩阻计算软件,研究工作对指导钻井施工和丰富钻柱动力学理论都具有较重要的意义。     

五柱塞注水泵曲轴模态分析

针对曲轴固有振动特性影响注水泵的工作力学性能与泵效,采用有限单元法,借助现代CAE软件开展了五柱塞注水泵曲轴固有振动特性研究,计算了曲轴前30阶固有频率,获得了每阶固有频率对应的模态特征,给出了固有振型的图形显示。通过计算发现,该曲轴的低阶固有频率较密集,仅有两个可用的激振频率区间,当前激振频率位于可用区间之一即[15,16]阶固有频率区间,另一可用的区间为[23,24]阶固有频率区间。两个可用频率区间的带宽与工程惯用标准相比有一定差距,因此注水泵工作时应严格控制输入转速和负载波动,以避免形成共振而导致内部构件失效。     

空气钻井潜孔钻头气固两相流数值模拟

以川渝地区油气田现场空气钻井用潜孔钻头为模拟对象,根据实体模型、底部包络面和实钻井眼建立流场模型,采用RNG k-ε方程作为气相湍流模型,用拉格朗日粒子追踪法描述固相,进行潜孔钻头的旋流场数值模拟。研究结果表明:气相在喷嘴出口形成的扇形面积小,未完全覆盖钻齿,钻齿处岩屑携带效率低;转盘转速对井底流场影响很小;钻头中心区域和切削结构中部(径向狭长区域)存在回流;流量分配不均和回流影响携岩效率和钻进速度;借鉴PDC钻头水力结构的设计思路,在潜孔钻头每个切削结构中心位置增加1个喷孔,在潜孔钻头中心增1个中心喷孔,发现改进后钻齿上分配的气量明显增加,过流流速增大,钻头中心区域回流现象基本消除,改进后结构有利于及时清除岩屑,减少重复切削,可以提高机械钻速以及延长钻头寿命。     

PDC切削齿破岩效率数值模拟研究

PDC钻头是油田钻井的主要破岩工具,合理布齿设计是提高其性能的主要手段.基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,建立了PDC切削齿动态破岩的三维仿真模型,分析了后倾角、侧倾角、切削深度、围压等因素对破岩能效的影响.结果表明,随侧倾角增大,破碎比功逐渐增大,小于25°时,破碎比功增加量很小,大于25°时,破碎比功大幅增加;随后倾角增大,破岩比功增大,其变化率基本不受切削深度和围压的影响;切削深度过大或过小,破碎比功均较大,切深存在最优值;随围压的增大,破碎比功增大,在较低围压范围内,破碎比功增加量最为显著.研究结果有助于深化对PDC切削齿破岩的认识,为PDC钻头的设计和定制钻进措施提供重要参考.     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。