自进式喷头自进力影响因素分析及参数优化

自进式喷头利用反向射流的推进作用实现喷头在径向井眼自进是径向水平井的关键技术之一,然而现有自进能力尚达不到工业预期。该文在多孔直射流喷头基础上,推导出以射流参数为变量的自进力公式,确定可以反映喷头自进力大小的自进系数k,基于CFD仿真技术,分析了系统参数对自进力的量化影响。此外,优选出了前向喷嘴射流喷头4+1布局结构,并以此为基础进行了最佳喷距的理论分析。研究结果表明:喷头自进力大小与射流压力、前后喷嘴直径及前后喷射角度相关;在相同射流压力下,当后喷嘴直径和前侧喷射角越大时,自进力越大;当前侧喷嘴直径和后喷射角越大时,自进力越小;且射流喷头自身的设计参数决定着喷头破岩的最佳喷距。该研究可为喷头优化设计和增强径向钻井的自进能力提供参考。     

尾管悬挂固井中钻杆接头伸长量计算模型建立

尾管悬挂固井作业过程中,钻杆受到多种载荷联合作用产生轴向变形;若注水泥施工步骤前的钻杆上提距离过短,会导致钻杆和尾管悬挂器在后续作业时重新扣合,使得起钻时悬挂器无法顺利脱手造成卡钻。通过对直井尾管固井施工过程中钻杆受载情况的分析,并基于钻杆接头与钻杆本体存在结构差异这一特点,提出了一种综合考虑结构场、温度场、压力场等因素的钻杆接头最大伸长量工程计算模型。运用该模型可以对尾管固井过程中钻杆的伸长量进行更加准确的分析计算,尽量减少卡钻事故。通过分析得知,静止状态下钻杆的轴向伸长量是最大的;对钻杆接头伸长量影响最大的因素是温度场,影响最小的因素是压力场,且温度对钻杆接头的影响要比对同尺寸的管柱的影响略小。     

水平井弯曲段套管下入可行性分析

根据弹塑性理论,应用数值仿真技术建立了套管下入水平井弯曲段的有限元模型;分析了套管在不同曲率、不同井眼扩眼率以及不同载荷情况下的变形、应力及下入位移的变化情况;揭示了φ177.8 mm套管在φ216 mm水平井弯曲段的下入规律及井眼参数对套管下入性的影响。对在水平井内安全下入套管具有指导意义。     

等壁厚螺杆钻具定子衬套变形规律研究

研究了静压和压差对等壁厚螺杆钻具定子橡胶衬套变形规律的影响,并与常规螺杆钻具定子衬套做了比较。分析结果表明,静压和压差作用对等壁厚定子衬套变形规律的影响与常规定子衬套相比有很大区别,如等壁厚定子衬套弧底位移最大,弧顶位移最小,与常规定子衬套相反;等壁厚定子衬套变形受内压作用影响比常规定子衬套小,且随着压力增加,等壁厚定子衬套内轮廓线各点法向位移增加较均匀;与常规定子衬套相比,等壁厚定子衬套具有更高的抗压能力和更好的密封性能。因此,采用等壁厚定子衬套可提高螺杆钻具的工作效率和延长其使用寿命。     

高压管汇三通冲蚀磨损特性研究

目的 研究在页岩气开采过程中,含砂压裂液对高压管汇三通冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于两相流颗粒冲蚀理论建立三通冲蚀数值计算模型,预测三通在使用过程中易发生冲蚀磨损的部位,研究三通方位夹角,压裂液入口流量、固相颗粒体积分数、颗粒直径和压裂液密度对三通冲蚀速率的影响.结果 Y型三通和歧型三通冲蚀最严重的部位均在支管与主管的相贯线上.在控制单因素变量的前提下,随着方位夹角从30°增加到150°时,Y型三通的最大冲蚀速率增大了12.7倍.而随着方位夹角从30°增加到90°时,歧型三通的最大冲蚀速率增大了1.85倍,并且最大值出现在60°附近.随着压裂液入口流量从0.5 m3/min增加到2.5 m3/min,Y型三通的最大冲蚀速率增大了232.5倍;随着压裂液入口流量从1 m3/min增加到4 m3/min,歧型三通的最大冲蚀速率增大了7.5倍.同时随着固相颗粒体积分数从2％增加到10％,粒径从200μm增加到600μm,密度从1000 kg/m3增加到1400 kg/m3,Y型三通的最大冲蚀速率分别增大了4.4倍、0.63倍、1.3倍,而歧型三通的最大冲蚀速率分别提高了4.4倍、0.58倍、1.06倍.结论 两种三通的最大冲蚀速率均随着入口流量、固相颗粒体积分数的增加而变大,随粒径的增加而减小.Y型三通的最大冲蚀速率随空间夹角、压裂液密度的增加而变大,但歧型三通的空间夹角为60°时冲蚀最严重,且压裂液密度对其影响较小.     

基于钻头破岩钻进的下部钻具横向振动特性研究

针对横向振动引起下部钻具失效的问题,基于钻头破岩钻进,并考虑钻具纵横扭耦合以及钻具与井壁随机接触,建立了系统非线性动力学模型,研究下部钻具横向振动特性。结果表明:在常用的牙轮钻头单扶下部钻具组合钻进过程中,钻头横振表现出较强的随机性,根据贝克休斯公司对钻具振动的量化标准,其强度属于剧烈分区;钻铤横振强度随其与钻头距离增大而近似呈指数递减,并在距钻头约50 m以后趋于稳定;钻铤上接的钻杆与近钻头钻铤的横振强度相当;下部钻具横振强度随钻压、转速增大而增大。考虑了牙轮钻头破岩钻进与下部钻柱的交互影响,对进一步揭示下部钻具的横振特性以及参数优选具有积极意义。     

切削和侵入作用下层理岩层破碎机理浅析

层理岩层是石油钻井中经常遇到的一类地层,特别是在页岩气开采过程中,所钻页岩属于典型的层理岩层。研究层理岩层在钻齿作用下的破碎机理对于控制井眼轨迹、优化钻进参数、提高钻进效率都有很大指导作用。在以往岩石破碎机理研究中,一般多假设岩石介质为各向同性;但是对于层理岩层,由于其表现出强烈的强度各向异性特征,各项同性假设不再适用。本文利用离散单元方法(PFC2D)建立了钻齿与层理岩层相互作用模型。研究了层理岩层在钻齿切削和侵入过程中的破碎情况、裂纹的扩展情况以及钻齿受力情况。研究表明:切削力根据层理倾角分为高切削力区和低切削力区;液柱压力的存在对裂纹扩展有抑制作用,增大切削力;在岩石侵入过程中,层理的存在改变了裂纹的走向,当主裂纹扩展至层理处时,裂纹不再向岩石内部扩展,而是朝着层理的方向扩展。     

螺杆钻具水帽流体动力学分析及结构改进

采用现代CAE技术进行了螺杆钻具水帽的结构力学和流体动力学分析,通过分析获知:在额定工况下水帽的静安全系数较高,内部流体最大流速主要集中在传动轴顶部螺纹处.结合现场失效情况和理论分析,提出了增大水帽入口流道流入角(<90°)的改进措施,经计算,采用改进后的结构可以较好地缓解水帽腔体、传动轴顶部螺纹、传动轴上部腔体的冲蚀情况,从而提高了螺杆钻具整体的使用寿命.     

异形PDC齿切削破岩提速机理研究

在室内切削实验基础上基于有限元二次开发建立了异形齿切削及全钻头破碎非均质花岗岩的三维数值仿真模型,研究了12种形状聚晶金刚石复合片（PDC）齿切削非均质岩石过程中的切向力、法向力、岩屑、破岩比功,并研究了齿形对全尺寸钻头破岩效率的影响。研究结果表明：锥形齿的切向力最小,破岩比功最高,对应的锥形齿钻头的进尺也最小;三平面齿的法向力和切向力均为最大;破岩比功最低的齿为双曲面齿;进尺最大的全钻头齿形为更易吃入岩石的鞍形齿、双曲面齿以及斧形齿。     

钻柱动力学研究回顾及新思路的提出

全井钻柱非线性系统动力学是钻井工程中不可回避的研究课题,是评估和推行新的钻井工艺、钻井技术、钻井工具的基础理论和方法之一。在总结前人研究的基础上,回顾了钻柱力学的发展进程,提出了“全井钻柱非线性系统动力学”的研究命题,论述了其研究必要性、紧迫性及可行性,给出了命题的研究思路和主要内容。