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。     

基于等效岩体表征方法的花岗岩切削破碎机理

利用离散元颗粒流方法,建立了花岗岩的等效岩体表征模型,研究了单向应力和双向应力作用下钻齿切削花岗岩的切削力动态响应、微宏观裂纹、岩屑生成、能量耗散等机理问题.研究发现,晶间拉伸裂纹和晶内剪切裂纹是切削过程中产生的两种主要裂纹;随着切削深度的增加,裂纹数增加;单向应力下,侧压和液柱压力都会使得岩石压实,使总裂纹数降低,增加切削能耗,且液柱压力对花岗岩破碎的影响高于同值下的侧压,而大侧压或液柱压力会使得晶间拉伸裂纹数量增多;双向应力下,液柱压力对花岗岩破碎的影响远远高于同值下的侧压,侧压和液柱压力的相对大小是影响花岗岩破碎的重要因素.研究结果可为深部硬脆性花岗岩地层的钻井提速提供借鉴和依据.     

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。     

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。     

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.     

天然气水合物开采中冲缝管套冲蚀研究

为准确预测天然气开采中筛管保护套的冲蚀磨损速率和使用寿命,首先,根据储层及完井方式特征,建立冲缝管套筛缝流道模型;其次,利用离散相模型(DPM)模拟砂粒在气、液混合流体中对冲缝管套的冲蚀破坏过程,分析气、液和固三相流作用下筛缝壁面冲蚀速率随流体流速、含砂体积分数、液相体积分数和开口高度的变化规律;最后,根据筛管冲蚀情况...     

深层页岩气水平井高效破岩提速技术发展现状

目前,中国已经基本形成了经济开采中浅层页岩气的工程技术体系,正向深层迈进(大于3 500 m)。深层页岩气埋藏丰富,开发潜力巨大,但深部岩石高硬度、高塑性及高研磨性等导致的钻速慢、成本高的问题极为突出。为此,介绍了深层页岩气钻井中钻头高效破岩方法及影响因素,主要包含两个方面:1)分析总结了深层页岩气水平井减摩降扭提高钻头破岩动力的高效传送技术;2)分析总结了适用于深层页岩气的强攻击、长寿命钻头和钻齿新技术、提速工具辅助钻头强化破岩参数技术及提速工具-钻头一体化参数匹配提速技术,并简要阐述了几种非机械高效破岩新方法,以期为今后实现深层页岩气经济高效勘探开发提供参考。     

粒子冲击及其辅助钻齿破岩规律研究

粒子冲击钻井是一种新型高效的钻井技术,结合冲击技术和机械破岩,实现了钻头在研磨性硬地层的高效钻进。当前粒子冲击辅助破岩的机理还不够明确,为优化粒子冲击钻井参数,提高钻井效率,基于离散元颗粒流方法,建立了具有微观聚团特性的黑砂岩数值模型。在考虑黑砂岩的矿物组分及占比情况下,研究了粒子在不同粒径、入射角度、入射速度条件下的单粒子冲击、多粒子冲击及辅助切削破岩规律。研究表明:1)粒子冲击辅助切削破岩相比传统切削破岩效率更高,粒子粒径在1.5和3.0 mm时,破岩比功会呈现急剧降低的现象,粒径在1.5～2.5 mm破岩比功变化不大;2)粒子粒径、入射角度和入射速度对辅助破岩有重要影响,为提高辅助破岩效率,建议使用粒径为3.0 mm的粒子和0°～25°的入射角度,同时加大入射速度。研究表明,粒子冲击钻井技术是提高研磨性硬地层高效钻进的有效手段,研究结果能为该技术的发展提供一定的指导意义。     

基于扩展PFC2D-GBM模型的单齿切削花岗岩破碎机制

常规钻井工具在钻进深部油气资源地层岩石的过程中,通常会遇到钻速低、成本高等问题。为提高钻头在深部硬地层的钻进效率、优化破岩参数,利用扩展PFC2D-GBM模型建立基于真实晶粒结构的花岗岩模型,对PDC单齿切削作用下的破岩机制进行深入分析,分别从宏细观尺度讨论围压、前倾角以及切削速度对破岩效果的影响。结果表明：在切削过程中,岩石中总会萌生晶内拉伸裂纹、晶内剪切裂纹、晶间拉伸裂纹以及晶间剪切裂纹4种微裂纹;无论在何种工况下,晶间拉伸裂纹的数量总是最多且分布范围最广;在无围压时,矿物晶粒在PDC齿作用下沿晶粒边界脱离岩石形成岩屑,产生的裂纹基本是晶间拉伸裂纹,只存在极少的晶内裂纹;随着围压的增大,晶内剪切裂纹的萌生会得到一定的促进作用,并且围压越大,这种促进作用更强。