JZZY-1型井下钻柱减振增压装置结构优化及现场试验

现场试验结果表明,利用钻柱的纵向振动可以实现井下钻井液增压以达到超高压射流辅助破岩的目的。井下钻柱减振增压装置能够大幅度提高钻井速度。为进一步提升井下钻柱减振增压装置的工作性能,对其结构进行了优化,并研制了井下钻柱减振增压装置用超高压钻头流道系统。优化后的装置整体结构大大简化,每个零部件的加工、安装、拆卸和维修都比较容易;研制的超高压钻头流道系统无需生产专用钻头,与普通钻头组装后便可配合井下钻柱减振增压装置使用。在胜利油田临盘地区的2口井现场试验评价表明,改进后的井下钻柱减振增压装置配合超高压钻头流道系统结构可靠,工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求。     

基于钻柱振动的井下提速技术研究现状及展望

钻井提速技术一直是钻井工程领域的研究热点,寻找井下可用新能量并开发出配套的能量转化方法来提高破岩效率是深井超深井提速领域重要研究方向。分析了井下可获得能量特征,阐述了利用钻柱纵向振动能量提升井下钻井液喷射压力辅助破岩提速的理念,总结了已研制的井下钻柱减振增压装置、吸振式井下液压脉冲发生装置、多效协同提速钻井装置的结构及优点,并对深井提速装备未来发展方向进行了展望。井下能量的获取及合理利用是未来提速工具开发的重要研究方向。基于钻柱振动的提速技术研究成果开拓了深井提速技术新思路,为加快深部油气资源的勘探与开发提供了设备支撑,建议进一步加强井下钻柱振动基础理论、基于钻柱振动的提速技术装备、利用振动提速方法等方面的研究工作,以便将钻柱振动能量应用到钻井工程其他领域之中。     

一种转化钻柱振动能量的井底高压喷射钻井装置

通过转化井下钻柱振动能量来增加井底钻井液喷射压力是提高钻井速度的重要途径,而现有技术还未能充分合理地利用钻柱振动能量。为此,基于井下钻柱振动能量的利用理论,提出了钻井液井下增压、增排量的井底高压喷射钻井理念,设计出了井底高压喷射钻井装置,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:(1)井底高压喷射钻井装置可以将钻柱振动能量有效转化给井底钻井液从而实现井下高压喷射钻井;(2)井底高压喷射钻井装置增加了喷嘴钻井液过流流量,在?215.9 mm井眼中,其输出的钻井液流量可以提高5 L/s;(3)增大了钻井液喷射压力,喷嘴处钻井液脉冲压力最高达到11.3 MPa;(4)深井内井底高压喷射钻井装置应用效果比上部地层更加显著。结论认为,井底高压喷射钻井装置为高压喷射钻井技术的实现提供了一种新的手段,可以解决现有高压喷射钻井技术设备费用昂贵、安全性差、适用范围有限的问题。     

井下增压装置提高钻速机理与适用性

利用井 下增压装置产生高压射流辅助钻头机械破岩是提高机械钻速的有效手段之一,现有井下增压装置可分为利用钻井液水力能量和钻柱振动能量2种增压方式。针对不同地层对井下增压装置输出压力要求和不同增压方式适用井深条件等问题,通过数值模拟和现场试验分析等手段,研究了地层岩石力学参数对增压射流破岩的压力要求,探讨了2种井下增压方式的适用条件。结果表明,在地层岩石的摩擦角为20°~50°、内聚力小于60 MPa、当井下增压装置输出射流压力达到100 MPa以上、喷距不超过10倍当量喷嘴直径时,增压射流具备直接破岩能力。钻柱减振增压集钻柱减振和井底钻井液增压为一体设计新思路,装 置活动部件少,受井深、钻井液性能参数等影响小,井下最长工作时间已达230 h以上,比利用钻井液水力能量的增压方式具有更宽的适用范围。     

螺杆式井下增压钻井装置的原理及设计

井下螺杆动力增压系统是从一种全新的原理出发,利用现有成熟技术,研制出一套将螺杆钻具作为动力的井下增压装置,产生超高压水射流,实现水力机械联合破岩,提高钻井效率.增压装置主要由动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元以及高压流道单元组成,动力单元将钻柱内的钻井液压能转化为转子的旋转扭矩,由现场用螺杆钻具改进而成;动力转换单元将转子的旋转运动转换为柱塞的轴向往复运动,设计关键是两个斜置圆柱凸轮槽的轨迹;固液分离单元用以过滤进入增压缸的钻井液,防止增压缸阀门阻塞;增压单元通过柱塞的往复运动来压缩增压缸内的钻井液实现增压;高压流道单元将增压后的钻井液输送给钻头上的超高压喷嘴,改进高压合金管的连接方式,提高密封效果.该装置流道简单,制造容易,并且性能稳定、强度高、使用寿命长,能满足现场使用的需要,为新型井下增压器的设计奠定了基础.     

吸振式井下液压脉冲发生装置

为了提高钻井过程中井底钻井液能量及其利用效率,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置,建立了装置的仿真模型并进行了仿真分析,对装置的性能进行了现场测试。基于将钻柱振动能量转化为井底钻井液液压的思路,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置的结构并分析了其工作原理,在此基础上建立了装置的仿真模型。仿真分析结果表明:该装置可调制出较高幅值的井底脉冲压力,产生高出常规钻进喷嘴压降2~6 MPa的射流压力,且通过优选钻井液排量和钻头喷嘴当量直径可提高脉冲压力幅值。现场试验结果表明:与常规钻进相比,该装置可大幅提高钻进速度,有效延长钻头使用寿命;装置性能稳定、使用寿命长,可满足现场钻井施工要求。图5表3参13     

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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。     

深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应特性研究

在深水无隔水管钻井系统中,海水段钻柱系统受到外部海洋载荷、顶部转盘扭矩以及底部钻头-地层作用力的影响,极易发生纵-横-扭三个方向的振动,导致钻柱发生强度降低、磨损及疲劳失效。为了对深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应进行研究,基于能量法、Hamilton变分、微元法和达朗贝尔原理,在考虑海流、钻井液流速和钻柱-井壁接触碰撞等因素的基础上,建立了无隔水管钻井钻柱的三维振动方程,并验证了其有效性,分析了雷诺数、速度比、波动钻压及钻柱转速等对钻柱振动的影响。研究结果表明：地层段钻柱的振动响应远没有海水段的大,并且横流向振动幅值也要小于顺流向振动幅值,但其振动频率却大于顺流向振动频率;适当增大速度比会减小海流对钻柱的激励作用,钻井液流速较高时会对钻柱振动产生较大影响;波动钻压幅值影响钻柱纵向振动的位移响应,但不影响纵向振动频率,现场钻柱可采用较小的波动钻压,以减小钻柱的纵向振动和扭转剪切应力,但应避开120和60 r/min的转速。所得结论可为无隔水管钻井钻柱的减振措施制定提供参考。     

新型减振增压装置的结构设计与工作特性分析

在大斜度井中,如果采用增大钻压钻进会增加钻具的弯曲变形及钻柱的振动,引起井斜、井位漂移、钻柱的扭断及钻头过早磨损。鉴于此,设计了一种新型减振增压装置。在进行新型减振增压装置结构设计和工作原理分析的基础上,分析了工具的减振特性和增压特性,建立了压降与钻压之间的关系模型,并对喷嘴直径、喷嘴类型、排量及钻井液密度对压降和钻压之间的关系展开了研究。研究结果表明:当变径喷嘴直径为1 cm、排量为20 L/s、钻井液密度为1.2g/cm~3时,压降和钻压达到最大值,有利于提高机械钻速、降低钻井成本和缩短建井周期。研究结果可为新型减振增压装置的理论研究和现场应用提供借鉴。     

冲击振动钻井工具流固耦合模拟试验

深井超深井钻井过程中,旋转冲击钻井技术是解决硬岩钻速慢的有效方法之一。目前液动冲击器多采用水力能量驱动,随着井深的增加,管路水力能量损耗增大,依靠钻井液驱动的液力冲击装置同样需要消耗水力能量,使得钻头有效压降进一步降低。因此,液力驱动冲击钻井技术在深井超深井中的应用受到局限。基于钻柱振动原理,提出一种利用水力能量和钻柱振动耦合作用的新型冲击旋转钻井装置,通过建立流固耦合物理模型,运用流固耦合方法,获得入口流量、运动位移、振动频率以及入口和出口直径等对装置所产生的载荷特征影响规律。结果表明,装置所产生动载荷幅值随流量、振动位移以及振动频率的增加而增加,而静载荷仅与流量变化有关。     

螺杆式井下增压钻井装置原理及设计

为了提高钻探效率,设计了螺杆式井下增压钻井装置,该装置主要由动力单元、动力转换单元、固液分离单元、增压单元以及高压流道单元组成。动力单元将钻井液的水力能量转换为螺杆泵马达转子的转动扭矩,动力转换单元将转子的旋转运动转化为增压缸柱塞的轴向往复运动,固液分离单元对被增压的钻井液进行过滤,增压单元通过柱塞的往复运动来压缩缸内的钻井液,对钻井液增压,高压流道单元将增压后的钻井液输送给钻头的高压喷嘴。现场试验表明,螺杆式井下增压钻井装置除换向机构有较大磨损外,其他零部件均无明显损伤。因此需对换向机构进行改进,以达到螺杆式井下增压钻井装置的寿命要求。     

泥浆压差式钻柱减振器的研究

针对现有减振器的减振元件在高温,高压的钻井条件下易疲劳损坏的缺点,设计了一种新型减振器。利用钻柱内外的循环压差施加钻压,实现了钻头与钻柱的柔性连接,以泥浆作为减振元件来吸收钻进行过程中的纵向冲击振动能量,减振效果好,振动衰减快。它与普通液压式减振器的不同的不同在于减振性能不受温度的影响,不贮存钻头所产生的冲击能量,是一种能同时起到保护钻柱和钻头并能控制钻压的减振工具。     

新型井下固液水力旋流分离器及其钻井提速技术

钻井液中固相含量的多少对钻井速度的快慢有着重要的影响,随着固相含量的增加,机械钻速降低明显。然而,随着井深的增加! 钻井液中添加的固相含量也会增加,这成为影响深井钻井速度的重要原因之一。为解决钻井液中固相含量对钻井速度影响的问题,研发出了适用于钻井过程的新型井下固液水力旋流分离器,该装
置通过离心沉降原理降低钻井液中的固相含量,从而达到减少重复破碎,提高机械钻速的目的。并对该装置的提速效果进行了现场试验。结果表明,该装置提速效果显著! 经济效益可观,且装置结构简单,能够满足现场应用的需要。为深井提速技术提供了又一可行及可选方案。     

减振器减振效果的控制因素分析

石油钻井现场对井下钻柱纵向振动的控制普遍使用井下减振器，利用隔振原理来降低钻柱振动。采用钻柱的连续系统振动模型，对井下减振器的作用进行分析，得出减振器的效果与减振器的刚度、转速、钻压、减振器的安装位置之间的关系：减振器的刚度愈小，吸振性能更好；装有减振器的钻柱应尽可能在高于80 r/min的转速下工作；减振器的减振效果与钻压关系较复杂，适当提高钻压可降低共振转速，降低动载传递系数，但效果不如增加转速明显；在合理位置安装减振器，既能起到保护钻头和钻柱的作用，又能达到提高机械钻速的目的。     

深井钻具纵向振动规律分析研究

以深井中的整体钻柱为研究对象 ,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型 ,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程 ,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件 ,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统计分析发现 ,该分析计算结果具有很高的实用价值 ,对今后深井钻进中提高钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义     

平台运动对井下钻井液压力波动的影响分析

无隔水管钻井技术通过控制海底钻井液举升泵的转速和流量来控制旋转防喷器内的钻井液液面,进而达到控制井筒压力的目的.针对深水无隔水管钻井系统作业过程中钻井平台的运动响应对井下钻井液压力扰动的问题,建立了钻井平台-升沉补偿-钻柱纵向振动耦合模型和井下钻井液压力计算模型,分析了海洋环境因素对平台运动响应、钻柱升沉运动响应及井底...     

井下减振增压钻井技术现场应用

介绍了JZZY-178和XZMC-178两种型号井下减振增压钻井工具技术原理、结构和技术特点,并对工具入井使用规进行说明。通过现场应用实例介绍了井下减振增压钻井工具在新疆油田现场应用情况,对比邻井分析了提速效果,对提高深井地层机械钻速具有借鉴意义。     

深井钻井过程中温度对钻柱振动特性的影响研究

钻柱振动问题一直是导致钻柱损坏的主要因素,在深井及超深井的钻井过程中,这种现象表现得更为突出。文章通过实验的方法确立了钻柱材料力学性能及钻井液流变性参数随温度的变化关系,并通过实例计算了某深井钻柱的振动特性,与常温下计算结果对比表明温度会影响钻柱的振动特性。该分析方法可为制定合理的钻井参数或者减震措施提供重要的指导意义。     

离心式井下增压装置的系统设计

针对目前国内外超高压射流钻井技术采用柱塞式增压器普遍存在寿命短、工作可靠性差的问题,提出离心式井下增压装置的结构设计方案。这种增压装置由动力单元(涡轮动力机)、固液分离单元、增压单元(离心泵)和流道短节单元组成,通过钻井液驱动涡轮动力机旋转,并带动固液分离装置和离心泵高速旋转,使部分钻井液增压,达到提高射流压力和速度的目的。现场试验证明,这种离心式井下增压装置可使钻井液在井底的压力达到30MPa。     

气体钻井钻柱振动特性及控制措施

为解决气体钻井钻柱频繁失效的实际问题,综合考虑钻柱纵横扭耦合振动,根据气体钻井全井段钻柱系统动力学模型分析了气体钻井钻柱的振动特性,并从减振抑振角度提出了空气锤钻井工艺和采用减振减阻工具两种振动控制措施。以川西某实钻井气体钻进段为例,在利用美国ESSO公司现场数据验证全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型可行性与结果可靠性的基础上,量化评价了常规气体钻井和采用振动控制措施气体钻井工艺的钻柱振动特性。对比分析表明,这两种工艺措施的减振抑振效果明显,不仅能够有效减弱气体钻井中下部钻柱的振动强度,而且使上部钻柱的动态应力也大大降低。