振动固井电力振动器激振力和振幅分析

为了使水泥浆在候凝阶段产生振动,提高固井质量和界面胶结强度,研制了一种固井电力振动器。该振动器通过高温电池组提供电能,带动高温电机产生振动,安装在管柱的底端,不会改变常规固井工艺。通过结构设计和力学分析,对该工具的激振力进行了计算,其最大激振力为1 732 N。运用能量法,结合某井的参数,对该工具在安装有弹性扶正器的直井套管产生的振幅进行了分析,得出了其在弹性扶正器处产生的振幅计算模型,为井下振动固井工具的现场试验提供了理论指导。     

横向振动对水平井眼中钻柱摩阻的影响研究

激振力的幅值和频率是影响横向振动类减摩阻工具性能的主要参数,利用自行研制的旋转激励载荷作用下摩擦力测试试验装置,研究了激振力的幅值和频率对钢-石板平面摩擦副摩擦系数的影响规律.试验结果发现,在激振频率为5,10和20 Hz条件下,与未施加激振力时的摩擦系数相比,当激振力增加到34.2 N时,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数分别减小21.6%,29.0%及34.4%;在激振力为11.4,22.8和34.2 N条件下,与未施加激振力时的摩擦系数相比,当激振频率增加到30 Hz时,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数分别减小22.8%、27.4%及39.0%.研究结果表明:在相同激振频率下,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数与激振力幅值呈线性负相关;在相同激振力幅值下,钢-石板平面摩擦副的摩擦系数与激振频率呈对数负相关.      

井下螺杆马达双向振动固井工具的研制

在固井过程中,为了使不同体系下的水泥浆产生最有效的振动,研制了井下螺杆马达双向振动固井工具。该工具安装在管柱的底端,不会改变常规固井工艺。通过调整结构参数改变振动量级和振动频率,使水泥浆产生横向振动和轴向振动;通过结构设计和力学分析,得出了该工具横向振动频率和激振力公式。通过流体力学分析,得出了该工具轴向振动频率和水击压力公式。对该工具进行了水击力变化测试试验,测试结果表明:当入口流量为30 L/s时,水击力波动的幅值为0.5 MPa左右,满足设计要求。所得结果为该工具后续的结构参数调整和优化设计提供了理论指导。     

水平井专用多功能套管鞋的研制与应用

为了提高水平井固井质量,针对水平井固井中存在的套管下入困难、管外顶替效率差、管内断流不彻底等难题,研制出了水平井专用多功能套管鞋。该工具由三大模块构成,其中自旋转下套管模块利用偏心旋转头在受力不均下可以自由旋转的原理引导套管柱顺利下入,旋流振动固井模块利用压力波周期变化产生振动波的原
理来提高水平段的顶替效率,而碰压关井模块则是利用滑套原理来现实碰压后套管的硬关井。 因此,该工具有益于水平井固井前套管串的下入、固井中环空注替效率的提高以及固井后套管关井的可靠。现场应用表明,该工具结构合理、性能可靠,对提高水平井固井质量有显著效果。     

流体作用下钻柱运动状态试验研究

考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件,建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置,进行了不同激振频率、不同轴向激振力、不同排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向激振力、不同转速、不同排量条件下的杆柱旋转试验。试验结果表明,激振频率、转速和循环流体是影响钻柱运动状态的主要因素。在空气介质的情况下,随着激振频率的增加,杆柱的横向位移基本保持不变,轴向激振力、轴向加速度有显著增加;在循环流体作用下会减小轴向激振力、轴向加速度的增长趋势。在空气介质的情况下,随着转速的增加,轴向激振力变化不大,而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势;但在循环流体的作用下,轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅都降低,加速度振幅也显著降低。可见,流体循环可明显改善杆柱振动。     

基于旋转激励的钻柱激振减阻工具的研制

为解决大位移钻井过程中钻柱与井壁间摩阻和扭矩大的问题,研制了JZJZ-1型钻柱激振减阻工具。该工具以螺杆马达为动力来源,利用螺杆马达带动激振机构旋转产生激振力,周期性减小钻柱作用于井壁上的正压力,达到减小钻柱与井壁摩阻的目的。试验结果表明,测试过程中激振减阻工具振动强烈,在排量15 L/s时,工具激振频率为10.4 Hz,激振力达到1 300 N,工具压耗在可以接受的范围内,设计的激振减阻工具满足要求,为大位移井提速提供了技术支撑。     

套管井声波测井中首波幅度衰减研究

讨论了套管波首波幅度关于源距衰减变化随着激发声源中心频率的变化而变化的关系.通过考察套管波首波幅度衰减快慢随声源中心频率变化规律,在理论上利用这些规律区分套管井第Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好和自由套管井2种情况,为实际固井质量定量解释提供一定的参考依据.对在不同声源中心频率作用下的套管首波的不同波峰幅值、不同波谷幅值和波峰-波谷峰峰值进行计算研究,为分析实际测井波形,以合适的幅度为更加准确地表征首波衰减提供了基础参数.认为当声源中心频率从低到高变化时,第Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好的套管井中首波幅度随源距的衰减系数的变化相差不大,但是在自由套管井中首波幅度随源距的衰减其系数有着明显的变化.     

分支井采油气管柱振动特性及动力响应分析

分支井汇流时会给油管柱一个激振力, 当激振力作用在油管柱上, 必然油管柱会产生一个动力响应。如果响应产生的频率与固有频率接近时, 则会发生共振, 从而导致油管柱结构的损坏或加剧油管柱的破坏。在固体力学理论的基础上, 采用有限元分析方法, 利用通用大型有限元软件 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ , 建立了分支井油管柱汇流有限元力学模型, 分析了油管柱振动固有特性, 并对控制阀距离上部封隔器不同安装位置时的振动频率进行了分析, 最终对油管柱结构动力响应状态进行了数值模拟。该研究为井下控制阀位置的合理安装, 进而保证油管柱安全工作奠定了理论基础。     

利用频谱分析方法评价快速地层固井质量

套管井的快速地层中地层波和套管波经常叠加在一起,时域上难以区分,很难利用声幅/变密度测井准确评价其固井质量.以塔里木油田2口井的碳酸盐岩地层剖面井段的固井质量分析为例,从理论上分析套管波和地层波的频率特征,套管波的频率高于地层波频率,利用频谱分析方法可以有效识别快速地层和砂泥岩地层中的套管波与地层波.利用地层波和套管波的频域不同的特性,通过检测相应频域的幅度或功率值计算第Ⅰ、Ⅱ界面的胶结指数.     

李萨如空间轨迹钻井液振动筛运动学特性分析

钻井液振动筛是石油钻井固控系统中的关键设备,为探索新的振动轨迹,提高振动筛的处理效率,提出了一种三激振电机李萨如空间轨迹钻井液振动筛。建立了振动筛空间运动微分方程,求出其稳态解。运用Simulink软件进行运动学仿真,研究振动筛各方向的运动学参数变化。研究结果表明:该振动筛能够实现稳定的运动,可产生空间内的李萨如运动轨迹;振动筛沿圆周激振电机的轴线方向为主运动方向,其位移、速度和加速度幅值远大于辅运动的幅值,其中主运动稳定位移约为辅运动的4倍,有利于振动筛上物料的迅速抛出和分层;辅运动使得筛分颗粒不再卡孔筛糊。研究结果为空间运动轨迹钻井液振动筛的设计分析及新的筛分方法研究打下了理论基础。     

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石油钻井现场对井下钻柱纵向振动的控制普遍使用了井下减振器，利用隔振原理来降低钻柱振动。文章采用钻柱的连续系统振动模型，对井下减振器的作用进行了分析，指出减振器的效果与钻压无关，而主要决定于减振器的刚度及钻柱纵向振动的激振频率；任一种减振器的使用在大多数情况下都有一定效果，但刚度越小，效果越好；在每一种减振器的使用过程中，随着钻柱的不断加长，减振器的减振效果也在不断的变化，并有可能在谐振作用下产生共振，此时减振器的使用加大了钻柱的振动而需改变钻井工艺参数以避免。因此，我们对采取吸振原理的新型减振器进行了研究并在文中予以介绍。该减振器利用附加在钻铤外面的吸振系统的振动来吸收钻柱所承受的井下激振力。附加系统质量越大，受到激励后的振幅越大，对钻柱的减振作用越显著。     

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题.分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度.研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小.对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布.两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度.运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P-S-N曲线方程.     

套管柱悬空段合理长度的研究

深井套管柱悬空段的长度直接关系到固井的质量和成本,是我国深井油田急需解决的问题之一。直到目前为止,尚未见到有关套管柱悬空段合理长度的研究工作和设计依据。本文根据套管柱直接稳定性理论及强度条件进行科学分析,综合考虑安全和经济方面的要求,研究出了该长度的限值设计式,以及安装井口时施加提拉力的简洁计算式,可供深井油田固井工程设计使用。     

多功能电桥投送器

针对常规电桥投送器外径较大、无法在套管变形井中实施下电桥工艺的问题 ,研制了多功能电桥投送器。该工具的外径、长度比常规电桥投送器分别小 6mm和 4 52mm ,通过能力强 ,能保证电桥顺利下井 ;同时集投送电桥与打水泥塞功能于一体 ,在下完电桥后用原管柱打水泥塞 ,减少了作业工序。 32口井的现场试验表明 ,该工具既能满足内通径大于 10 8mm套管变形井下电桥的需要 ,又能解决常规电桥投送器无法打水泥塞的问题 ,施工成功率为 10 0 %。     

高压气井套管回接固井预应力技术

针对套管回接固井质量不好,未能将尾管重叠段已经存在或潜在的窜流通道堵死,致使气井生产时井口带压的问题,回接固井作业时采取了很多技术措施,但都没有从根本上解决回接固井质量问题。为此,通过增加回接管柱管内外静液柱压差、井口憋回压方式,在固井施工过程中通过液柱压强转换为作用在回接套管本体上的预应力,在水泥浆凝固时该应力就迫使套管贴紧水泥石,防止水泥浆凝固时管柱和水泥环微环隙的形成,提高固井质量。几口试验井的测井结果表明：所采取的固井技术措施行之有效,能够保证套管回接的固井质量。     

新型筛管顶部注水泥工艺及配套装置分析

针对传统筛管顶部注水泥工艺中,管内液柱振动易导致分级箍提前开孔,管外封隔器提前涨封等问题。提出新型筛管顶部注水泥工艺方案,研制2套独立的配套装置。该装置集管外封隔器、分级注水泥器、平衡阀、球座为一体,用球座和平衡阀替代常规管柱中的盲板结构,改变传统管柱结构中的“死腔”形式。新型结构在下套管过程中不产生水击压力。如果发生管柱遇阻情况,通过开泵循环的方式能帮助套管下放到位,避免了常规工艺中的施工风险,具有良好的应用前景。     

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目前大斜度井、水平钻井日益普遍,但是由于井眼弯曲等多种因素的作用,大斜度井、水平井的管柱在井眼弯曲段存在较严重的磨损,管柱的严重磨损是钻这类井必然存在的现象,因此进行套管磨损预防、预测与处理技术的研究是一个迫切需要解决的问题。套管在给定位置处单位长度所受的侧向力与井斜角和钻入深度等许多因素有关。文章通过受力与变形分析,导出在增斜段侧向力的计算模型,通过对微分方程组的求解,最终导出了在套管单位长度上侧向力的关系表达式。该参数的确定在套管柱设计,井下套管摩阻分析,尤其是在开展套管磨损问题的分析中占有非常重要的地位。     

可钻型低频自激震荡脉动固井装置的研制与应用

气井、小环空间隙等特殊井况下的固井质量缺陷在生产中常见,严重困扰了开发技术措施的实施。近年来,在提高气井固井质量的研究与应用上,能改善环空钻井液顶替效率和水泥浆性能的特殊固井装置备受关注。为此,基于流体自激震荡理论,结合模拟实验测试结果,优化设计并研制了一种井下大排量低频自激震荡方式的可钻型水力脉动发生装置：外径177.8 mm,工作压差0.5～1.5 MPa,工作排量25～30 L/s,压力脉动输出频率约10 Hz;连接结构采用圆螺纹套管接箍卡装方式;牙轮钻头、PDC钻头易钻。并在四川盆地安岳区块Φ177.8 mm尾管固井中得到成功试验与应用,结果表明,该装置工作稳定可靠,固井质量显著提高。该装置首次被应用于井眼待继续加深的中间套管固井,拓展了振动固井技术在提高油气井固井质量中的工程应用范围。     

振动减摩阻工具振动参数及安放位置研究

为了解决振动减摩阻工具缓解定向托压时效果不稳定的问题,研究了该工具的振动参数及安放位置。在分析托压机理的基础上,从振动管柱的受力分析入手,讨论了振动参数优选与振动减摩阻工具振动源安放位置优化的问题;以典型的三段式（直—增—稳）井眼轨道为例,编制软件对振动源安放位置的影响因素进行了模拟分析。根据理论探讨和模拟分析结果提出的振动源安放位置的优化方法,在定向井C26-12X井进行了现场试验,证明了安放位置计算方法的合理性。理论分析和现场试验结果表明,振动源输出的激振力与井身结构等因素共同影响其在钻具中的受拉极限位置和受压极限位置;提高工具输出激振力可增大有效作业范围;设计振动源的振动频率时,优先选用10 Hz以内的振动频率以延长管串使用寿命;定向中轴向力、侧向力和摩阻相互影响,下部钻柱摩阻会使钻柱整体摩阻增大,振动减摩阻工具应优先安放在靠近钻头的位置。