井底条件下牙轮钻头润滑系统工况的模拟实验研究

对牙轮钻头润滑密封储油系统在井底高温条件下的容积及压力变化进行了模拟实验。通过实验及对钻头实际工况的分析得出，在井底因高温及钻头动载所造成的密封储油系统的容积变化约为2%-3%，系统的内外差约为0．3－0．5MPa。     

密封牙轮钻头储油补偿系统工作原理的研究

现有的密封轴承牙轮钻头大都采用"O"型橡胶密封圈。为应付井下恶劣的工作条件,特别是由钻井液所建立的井底高压,都配置了一个储油补偿系统。这个系统的任务就是保证轴承和密封圈能有良好的工作条件,从而延长它们的使用寿命。我们的现场调查资料表明,现有的牙轮钻头轴承的使用寿命,差不多是直接地取决于所用的密封圈的寿命。     

大尺寸牙轮钻头结构设计问题的分析

针对深井上部大直径井段中牙轮钻头机械钻速低的问题，从设计角度对目前大尺寸牙轮钻头的齿面结构和水力结构进行了分析和讨论。与Φ２１５．９ｍｍ钻头相比，在相同地层条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头牙齿与井底岩石的最大接触应力低１８％～２８％，相同齿圈上的齿顶间距增大７０％～８０％，井底面积覆盖率减小了近５０％，平均单齿破岩量增加了１．７４倍，因而在硬地层和砾石层中破岩效率要低。在相同机泵条件下，Φ４４４．５ｍｍ钻头的井底比水功率远低于Φ２１５．９ｍｍ钻头，井底和钻头清洗状况不良，影响了机械钻速。因此，应根据大尺寸牙轮钻头的具体情况，对齿面结构和水力结构进行改造，以提高钻头的破岩效率和清洗效率。同时应增加钻头类型，完善钻头系列。     

水力射流降低井底压差技术

降低井底压差,减小岩屑的压持效应,可以显著提高钻井的机械钻速。根据射流式水力降压技术的原理,结合环空射流泵、射流降压短节和射流泵钻头等射流降压工具的发展现状,提出一种新型的环形射流泵结构,采用混合网格数值计算的方法对影响其降压性能的关键因素进行分析。结果表明:井底流体的回流是导致射流泵钻头降压效果变差的主要原因,回流量与井壁间隙成正比,与反向喷嘴的轴向倾角成反比;密封钻头与井壁间的间隙是提高射流泵钻头性能的关键;新型涡流-射流混合降压钻头可降压0.45～0.88 MPa,是现有射流式射流泵钻头降压效果的3～4倍。     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征，建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型，给出了相关参数和边界条件以及分析方法，利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图，并与常规钻头井底应力场进行了对比。分析和研究认为，双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场，等效应力卸载明显，且总等效应力是常规钻头的85．56％，提高机械钻速的潜力较大。     

三牙轮钻头井底破碎试验及井底模式初步分析

本文对五种不同类型的牙轮钻头在实验架上所作的井底破碎试验进行了分析比较。并根据它们的井底模式,研究分析其破碎岩石的效果。硬地层钻头采用不等距布齿,软地层钻头采用较大的移轴距和超顶距,可提高钻头破碎岩石的能力。由井底模式的研究分析还证明了三牙轮钻头的牙轮运动为变速转动。钻头钻进时,纯滚动点在牙轮上的位置是变化的,其变化规律主要取决于钻头的结构特点。     

涡流式水力降低井底压差机制及现状

 石油与天然气钻探实践表明,降低井底压差,减小岩屑的压持效应,并尽量实现井底的欠平衡条件,可以显著提高钻井的机械钻速。本文在介绍涡流式水力降压技术的原理的基础上,综述了环空涡流泵、涡流式水力降压短节和涡流钻头等涡流式水力降压工具的结构特点、降压效果和研发应用情况,采用计算流体力学软件对涡流PDC(聚晶金刚石复合片)钻头的井底流场进行了数值模拟研究。结果发现,涡流钻头与井壁间的密封是降压的关键,推荐上返喷嘴的倾角为150°—180°,推荐上返流量为32%以上,为涡流钻头的研发提供理论指导。     

井底增压喷射钻井系统研制与应用

利用专门设计的井底增压器以及双流道PDC钻头,以实现井底增压喷射钻井的目的.试验表明：研制的井底增压器结构简单、原 理可行、工作可靠,输出压力可达60 MPa以上,且其性能参数可调;机械钻速提高124％,为进一步优化与完善井底增压器与双流道PDC钻头取得了宝贵的第一手资料.     

三牙轮钻头喷射流至井底位置及喷距的计算

本文在以钻头中心线为Z轴,钻头顶部端面为XOY平面所建立的空间坐标系OXYZ中,推导了射流轴线方程及井底形状曲面方程,从而提出了确定牙轮钻头喷射射流冲击井底位置及喷距计算的一种解析方法,并给出了计算机程序框图及计算示例。与原来的图解法相比,解析法具有简单、准确及通用性好等特点,为钻头设计及喷射钻井参数设计提供了方便。     

井底轨迹图CAD

井底轨迹图 CAD软件系统的开发 ,以大幅度提高牙轮钻头布齿设计的效率为目的。它是在较好硬件环境基础上 ,以 Auto CAD为开发平台 ,使用 Visual LISP语言进行二次开发而成的软件系统。该系统以井底牙轮运动的仿真计算为理论基础 ,结合地勘牙轮钻头的设计特点 ,最后通过生成孔底击碎图以指导牙轮的布齿设计。整个设计系统都以友好的对话框界面进行控制 ,便于具备 CAD基础知识的设计人员进行地勘牙轮钻头的 CAD设计     

PDC磨损齿切削破岩过程的实验研究

为探究深部钻井PDC钻头切削齿在磨损状态下的切削破岩过程,选取深部钻井PDC钻头上不同磨损程度的PDC齿开展单齿切削实验,借助应力测试系统、高速摄影机和热红外成像仪分析磨损齿的受力状态、温度变化规律以及岩石裂纹扩展过程。结果表明,与未磨损齿相比,磨损齿所受切削力更大、温度变化更明显,且更易产生大体积岩屑,这将导致钻头在井下振动加剧,磨损急剧加快,严重影响其使用寿命;切削花岗岩时切削力和温度大幅上升的问题更加突出,但更容易发生体积破碎,产生较大块的块状岩屑。研究成果将有助于重新认识真实井底磨损齿切削破岩及温度变化规律,并为钻头设计及井下寿命评估提供重要参考。     

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。     

基于旋转阀控制脉冲重构的钻井液QPSK信号解码及误码率分析

钻井液压力正交相移键控(QPSK)调制具有高密度携带及传输井下信息特点,其信号的解调与解码关系到所携带信息的正确恢复。通过建立信号的相位解调及旋转阀转速控制脉冲重构的数学模型,研究解调系统固有干扰及信号噪声对脉冲重构的影响;根据重构脉冲的幅度判别研究信号解码的可行性;通过建立重构脉冲的信噪比数学模型,对误码率进行理论分析。结果表明,解调系统固有干扰与信号噪声均对脉冲重构产生影响,且固有干扰影响较大;脉冲重构时,相邻码元编码产生的脉冲电平差值较小,使得误码阈值降低,上述影响更易引起误码。误码率的理论计算结果与仿真分析结果基本一致,可以将误码率分析模型用于钻井液压力QPSK信号传输效果的可靠性评估。     

井下工具气浸试验装置两种温度控制的比较

为了对井下工具整体或其密封件进行高温试验;检验工具能否合格;对封隔器等工具的质量进行评价;研究井下工具实际的应用工况,本文设计了温控系统的结构并建立了油加热管道的数学模型;利用两种不同的温度控制方法分别对井下工具气浸试验装置进行温控模拟实验,进而为井下油田的温控系统的研究提供有效的理论基础。     

温度对气层气体钻井井壁稳定的影响

气体钻井过程中气体经过钻头喷嘴后产生焦耳-汤姆逊冷却效应,导致井底温度远小于地层温度。当气层被钻开后井壁围岩温度、孔隙压力和应力分布发生改变,容易引起井下复杂事故。为此,分析了井底低温对致密砂岩气藏气体钻井井壁稳定的影响。研究表明,井眼钻开后井底低温产生拉热应力,使近井壁有效应力减小,有利于防止岩石剪切失稳,但增加了岩石产生拉伸破坏的可能。气层气体产出使近井壁地层孔隙度和渗透率减小,不考虑井底低温时减小程度偏大。气体钻井近井壁可能存在塑性区,低温使塑性区向地层延伸更容易导致井壁失稳。塑性区的形成不仅取决于水平地应力,而且与垂向地应力有关。通常致密砂岩气藏埋藏较深,垂向应力影响大,其弹塑性分析需考虑三维主应力的影响。     

井下抽油泵运动副合理尺寸的选用

以流体动力学为基础，根据从柱塞－泵筒运动副在井底流场下的变形、柱塞－泵筒运动副的流体润滑特性、漏失特性和柱塞泵筒运动副的能耗特性，研究了柱塞－泵筒运动几何尺寸的合理选取方法和选取公式．结果表明，运动副在液压力作用下呈“Ｖ”字形，应注意防砂和排砂．下井后运动副的间隙值会有较大改变，地面试验的间隙值只能作为参考，同时应改进现有抽油泵试验台的模拟条件．柱塞的有效长度、柱塞－泵筒相对运动速度和柱塞－泵筒初始间隙是相互关联的三个因素，选取时应综合考虑井深、抽汲液粘度、井温、排量、加工成本和工作可靠性等影响，以取得较好的经济技术指标．     

牙轮钻头滑动轴承仿生鲨鱼皮织构化表面润滑性能

牙轮钻头在超深井和大水平井的使用受到广泛关注,由于地层环境复杂化,为了使牙轮钻头有更高的稳定工作性。通过对合金材料表面织构化处理减摩效果的研究,结合鲨鱼皮减阻润滑的优势,针对牙轮钻头薄弱环节滑动轴承摩擦结合面进行了仿生鲨鱼皮织构化处理,基于所选取仿生织构的形貌参数构建滑动轴承流动润滑理论模型,采用有限差分法求解,获取润滑油的油压分布、承载能力及滑动轴承摩擦力,并探究阶跃冲击载荷下滑动轴承动压油膜的响应情况。结果表明：牙轮钻头滑动轴承流体润滑状态下,深径比大于0.3且面积率大于0.25的仿生表面织构对油膜承载力有增强效果;仿生表面织构在较低油膜压力下对油膜摩擦力影响突出,油膜摩擦力提高了14.12%;偏心率越大仿生表面织构对油膜承载力的提升效果越好,在偏心率为0.8时承载力提高效果达到200.45%;同时仿生织构的对滑动轴承流体润滑的轴向稳定性有提升效果。牙轮钻头滑动轴承仿生织构化处理有效地改善了滑动轴承润滑性能。可见,合适的织构尺寸能进一步提高滑动轴承处于流体润滑的适用工况范围,提高牙轮钻头的使用寿命。     

静压式井下增压器的动力分析

本文分析了静压式井下增压器的动力传递方式与要求,提出了深井钻井中地面钻井泵应以小排量高泵压的方式供给井下增压器的动力为宜。     

CX-120型气动潜孔锤取芯钻具的研制

分析了研制 CX-1 2 0型气动潜孔锤取芯钻具的必要性 ;介绍了该钻具的结构、工作原理和野外应用试验情况。使用该钻具 ,具有岩矿芯采取率高 ,钻进效率高 ,钻孔质量好及钻具结构简单等特点 ,可以较好地解决干旱缺水、复杂地层的钻探和水文地质、工程地质勘察问题。     

航空发动机润滑系统滑油压力仿真计算

利用英国商用流体系统仿真软件FLOWMASTER,对某型航空发动机润滑系统滑油压力进行了数值仿真,数值仿真以节点压力网络算法为基础。经过结构分析,建立了由润滑流路仿真元件与节点组成的网络模型,给定地面试车实验条件,对润滑系统压力特性进行仿真,得到了稳态情况下润滑系统内部滑油压力分布情况。结合试车数据,对影响发动机润滑系统压力特性的结构影响因素进行了分析,给出了该型发动机润滑系统结构的改进建议。