自动垂直钻井工具分类及发展现状

从石油钻井和地质钻探两方面阐述了自动垂直钻井技术的原理及优点,按照不同结构及工作原理对自动垂直钻井工具做出分类,并简要分析了各类工具的优缺点。随后在上述分类基础上系统归纳了国内外现有垂直钻井工具及其技术特点,剖析了国内外自动垂直钻井工具之间的技术差距。最后总结出自动垂直钻井工具存在的问题,指出工具今后的发展趋势为小型化、可取心、高精度和长寿命,并对其未来的研究思路与方法提出建议:对执行机构零部件结构和布局进行优化,在减小工具外径的同时增大工具内部空间,使工具在小口径井眼垂直钻进的同时还能进行取心作业;对电控式垂直钻井工具的测控传感器及其密封系统进行优化改进,使工具整体耐温耐压性能得到提高;对机械式垂直钻井工具的偏重平台在井下复杂环境下的响应规律进行研究,并探索相应的误差抑制补偿方法,以提高工具的井斜控制精度。     

黏滑振动下机械式自动垂直钻具稳定平台的控制性能研究

机械式自动垂直钻具具有耐高温、成本低和适用范围广等优点,其在深部资源勘探领域有广阔的应用前景,但纯机械式结构导致其纠斜精度易受外界环境的干扰。为进一步提高机械式自动垂直钻具的纠斜精度,对不同强度黏滑振动下钻具稳定平台的控制性能进行研究。首先,通过构建钻具稳定平台控制性能的数学分析模型,得到影响稳定平台控制性能的因素。然后,利用ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）软件建立黏滑振动下钻具稳定平台的多刚体动力学仿真模型,并对不同影响因素以及振动强度下稳定平台的控制精度和控制效率进行分析。最后,综合分析得到钻具稳定平台控制性能最优时各影响因素的推荐值。分析结果表明：PDC（polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）半径对钻具稳定平台控制精度的影响最大,而填充物密度的影响极小;轻度和中度黏滑振动对钻具稳定平台控制效率的影响不大,重度黏滑振动可大幅提高控制效率,但黏滑振动强度对控制精度几乎没有影响。研究结果可为黏滑振动下机械式自动垂直钻具的优化设计提供参考。     

机械式自动垂直钻具执行机构内部流场规律研究

在科学钻探中，利用自动垂直钻井技术能够有效控制井斜。但是，现有机械式自动垂直钻具的执行机构需要较大排量的泵机来提供动力。若要降低排量，则要求执行机构的内部结构有良好的保压效果。为解决上述问题，提出一种内部带有泄流缝隙的新型执行机构，以提升其保压性能，并利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）方法对其内部流体区域的流线分布进行模拟，分析泄流缝隙对流体区域压强产生的影响，以验证利用缝隙泄流实现保压的可行性；同时，通过对泄流缝隙宽度、长度等参数的敏感性分析，得到不同参数对新型执行机构保压效果的影响。结果表明，在泵机排量较小的条件下，新型执行机构仍具有良好的保压效果，对保压效果影响最明显的因素为泄流缝隙宽度；当泄流缝隙宽度小于0.2 mm时，该执行机构内部流体区域的整体压强较大，即其保压效果良好。由此可知，开设泄流缝隙可实现执行机构的性能优化，这对进一步提升机械式自动垂直钻具的纠斜能力具有重要意义。     

机械式垂直钻具稳定平台影响因素模拟研究

配备机械式稳定平台的自动垂直钻具,由于无电子元件、耐高温性能好、成本相对低廉,是深井钻井中防斜打直的较好选择,但如何进一步提高该工具的纠斜精度是一个难点。为此,针对机械式稳定平台的动力学特性,基于典型的稳定平台结构及其工作原理,建立了机械式稳定平台理论分析模型及Adams动力学模拟模型,通过理论计算及模拟计算,研究了影响稳定平台性能的因素,确定了影响机械式稳定平台性能的主要因素及其影响规律。研究得出:偏重块长度和内外半径、井斜角和盘阀间动摩擦系数对稳定平台性能的影响较大。根据研究结果,总结出该机械式稳定平台结构参数的优化方向以及推荐取值,可为进一步优化设计机械式稳定平台的自动垂直钻具提供参考。      

机械式自动垂直钻具上盘阀开口角度的优化分析

动态机械式自动垂直钻具广泛应用于直井作业中,改善其纠斜性能是优化钻具的关键目标。钻具稳定平台中上盘阀的开口角度对其纠斜性能影响很大。以扩径力冲量、导向力冲量、导向力突变幅度和波动幅值作为钻具井眼螺旋程度、有效推靠力作用和导向力稳定性的评价指标,来评价不同上盘阀开口角度下钻具的纠斜性能。通过分析钻具在纠斜过程中的状态,得到巴掌推靠合力的变化规律,并与试验测试值进行对比,最终得到在不同上盘阀开口角度下3种评价指标的变化规律。研究结果表明：推靠合力的理论值与测试值接近;在上盘阀开口角度为180°时,纠斜过程平稳,纠斜效率高,且能最大程度地降低井眼的螺旋程度。3种钻具纠斜性能评价指标的提出及研究结果为后续垂直钻具的整体优化设计提供了新思路。