基于CFD-DEM的新型铝合金钻杆携岩仿真分析

由于川渝地区的地层结构较复杂,在钻探过程中产生的岩屑容易在井内沉积,使得岩屑运移难度大,最终还会造成卡钻与钻具断裂等重大井下事故。为了提高页岩气井的携岩能力,提出一种新型铝合金钻杆,对新型铝合金钻杆的携岩原理进行分析,得出该钻杆既可以提高岩屑运移能力,也可以降低摩阻,减少钻井液压耗,再对该钻杆进行力学分析与建模,利用实际参数计算,验证了钻杆的可浮性;然后对岩屑沉降与排出全过程进行分析,提出岩屑沉降与排出全过程的5个阶段;最后在充分考虑了钻井液、岩屑颗粒、钻杆和井壁相互作用的影响下,利用CFD-DEM耦合对新型铝合金钻杆的携岩过程进行精确仿真。改变钻井液排量、钻杆转速、岩屑粒径、钻杆偏心度,对新型铝合金钻杆的携岩能力进行分析,并将该钻杆的携岩效率与传统钢钻杆进行对比,研究了两种钻杆的岩屑运移率,最终得出新型铝合金钻杆相比传统钢钻杆具有更高的携岩效率。该研究成果对减少岩屑沉降、提高岩屑运移能力具有重要意义。     

一种脉冲射流工具的携岩仿真研究

川南地区的大中斜度页岩气井因地层结构,在钻进过程中产生的岩屑极易沉积为岩屑床,使得钻杆摩阻增大,最终还会造成钻具断裂等重大井下事故。为了减少岩屑床的生成并提高井眼清洁度,提出一种新型脉冲射流工具,该工具既可以减少岩屑沉降,还可以破坏已存在的岩屑床。利用仿真分析软件ANSYS建立了新型脉冲射流工具与普通携岩钻杆的仿真模型,利用CFD-DEM(离散单元法)耦合对二者进行精确仿真,在改变岩屑粒径、钻井液密度、入口排量、井斜角等因素下,对比分析新型脉冲射流工具与普通携岩钻杆的岩屑运移能力。最终得出新型脉冲射流工具相比普通携岩钻杆可以更好地提高岩屑运移能力（利用脉冲高速流体对已沉降的岩屑进行搅动）,并且其脉冲射流还可以破坏已存在的岩屑床的结论。该研究成果对减少井眼环空内岩屑总质量与提高钻井经济效益具有重要意义。     

脉冲射流式岩屑床清理工具的研究

针对大斜度及水平井段,岩屑极易沉积在井筒底部形成一定高度的岩屑床,使得钻杆被埋没,造成钻杆摩阻增大、钻具断裂等问题,设计一种射流式岩屑床清洁工具,基于液固两相流理论,建立三维射流式清洁工具与普通携岩钻杆的仿真模型,并利用Fluent分析射流式清理工具的喷嘴喷射角度、喷嘴流速、岩屑粒径、钻井液排量等参数变化对环空井筒内岩屑体积分数及岩屑质量的影响规律。结果表明：增加脉冲射流式工具后,环空内的岩屑沉积量明显减少,在钻杆转速为80 r/min时,最佳的喷嘴角度为90°;增加喷嘴流速及钻井液排量都可以降低环空内的岩屑量;随着岩屑粒径的增加,环空内岩屑沉积更多。该工具能够降低沉积在环空内的岩屑质量,提高岩屑的运移能力。     

超深井钻采工况下钛合金钻杆模拟工况摩擦磨损行为对比研究

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为深井、超深井及大位移水平井工况环境下钻杆及井下工具的热门候选材料,但超深井钻采工况下钛合金钻杆材料的摩擦磨损性能和磨损机理缺乏研究。本工作在模拟超深井工况通过硬度测试、冲击磨损试验、往复摩擦试验、模拟工况摩擦磨损试验和显微分析手段对3种钛合金钻杆和钢制钻杆的摩擦磨损性能进行对比分析,并对钻采工况下的钛合金钻杆磨损机制进行研究。结果表明,钛合金钻杆耐冲击磨损性能均要低于钢制钻杆材料,特别是在中等频率冲击下钛合金钻杆材料耐冲击磨损的性能最差;在空气中往复磨损试验下,钛合金钻杆的摩擦系数均低于钢钻杆的摩擦系数,当钛合金钻杆与岩石对磨时为典型的磨粒磨损机制、与钢管对磨时为典型的粘着磨损;在模拟工况钻井液条件下,钛合金钻杆的摩擦系数显著低于空气中,而且当钛合金在水基钻井液条件下和岩石摩擦时的摩擦系数最低、耐磨性能最强,这是由于在水基钻井液中更容易形成致密且具有较低摩擦系数的钝化膜所致,建议在使用钛合金钻杆钻井时用水基钻井液,但由于钛合金钻杆在工况下的磨损量仍然大于钢制钻杆,下一步研究应对钛合金钻杆进行表面处理以提高钛...     

PDC钻头设计参数对井底流场分布的影响规律研究

研究PDC钻头井底流场分布规律是提高岩屑运移效率、冷却钻头和抑制泥包产生的有效方法。利用Fluent软件,基于 κ-ε 双方程模型和封闭N-S湍流方程,使用Simplec算法,分析钻头转速、钻井液喷出速度和总流过面积相同时喷嘴数量对井底流场分布的影响。结果表明：当钻头转速从90 r/min增加至110 r/min时,转速增加对井底湍动能及速度的提升效果较为显著;但当转速达到120 r/min时,井底湍动能及速度略有降低,提高钻头转速有利于由外向内清洗钻头表面;当钻井液喷出速度从5 m/s增加至9 m/s时,井底湍动能及速度随射流喷射速度的增加而增加,提高钻井液喷出速度可以使漩涡靠近井壁或钻头体,抑制了漩涡面积的增加,有利于岩屑的运移;在喷嘴总流过面积相同时,减小外侧喷嘴直径,外侧喷嘴个数从3个增加至4个,井底湍动能及速度随之增加,有利于井底岩屑的运移,但导致钻头表面中心的低速区域面积增加,不利于钻头表面的清洗。     

铰接式柔性钻杆的参数化设计

柔性钻杆是超短半径水平井钻井工具的重要组成部分,其结构设计的好坏直接影响钻井工具的工作性能.根据柔性钻杆的强度条件以及与导向筛管的几何关系,得到了满足不同井眼曲率半径的柔性钻杆结构参数;考虑球头柱键与凹槽的接触非线性及柔性钻杆的材料非线性特性,采用有限单元法建立了单节柔性钻杆有限元模型;对不同结构参数的柔性钻杆进行了仿...     

表面预处理和润滑条件对硫氮共渗35CrMo磨损性能的影响

目的提高35CrMo钻杆接头和对磨套管的耐磨性能。方法采用超声表面加工处理和硫氮共渗处理技术对钻杆接头常用的35CrMo钢进行处理,研究了超声表面预处理和润滑条件对其耐磨性能的影响。利用光学三维形貌仪、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分别研究了试样的表面形貌、粗糙度、成分和相结构,采用环块磨损试验机在油基钻井液润滑和无钻井液润滑的条件下,考察了经过不同载荷超声表面加工预处理的35CrMo钻杆接头及其对磨套管的磨损性能。结果超声表面加工预处理可使35CrMo钢及其硫氮共渗处理后的表面粗糙度显著降低约80%以上。经超声表面加工预处理后,35CrMo钢硫氮共渗钻杆接头在油基钻井液润滑和干摩擦条件下的磨损率均进一步降低。在无钻井液润滑的条件下,500 N载荷超声表面加工预处理后,硫氮共渗35CrMo钢钻杆接头对磨油管磨损表面形貌的改善更显著,表面粘着和犁沟均减少。结论 35CrMo钢钻杆接头在硫氮共渗前采用超声表面加工进行预处理,可以获得更低的表面粗糙度和更高的表面硬度,在有无钻井液润滑条件下均可提高钻杆接头和套管的耐磨性能。     

铝合金钻杆材料生产工艺及磨损研究进展

综述了国内外主要的石油钻杆用铝合金的化学成分、物相组成及性能特点;介绍了铝合金钻杆的生产工艺,重点阐述了其独特的挤压成形、淬火、矫直及装配工艺,探讨了不同使用工况下铝合金钻杆的磨损机理。最后,指出铝合金钻杆研发是一个涉及材料、装备、工艺的系统工程,我国开发石油钻杆用铝合金材料应以Al-Zn-Mg系铝合金为基础,着力解决其热强性差、挤压成形后横向性能差等关键问题,并根据使用工况有针对性的设计其耐磨性能。     

钻杆外螺纹接头断裂失效分析

结合服役工况条件,通过理化性能检测,对某钻井过程中发生的钻杆外螺纹接头断裂失效事故原因进行了分析。结果表明,钻杆外螺纹接头的断裂失效主要是由于钻井过程中钻杆外螺纹接头锥面斜坡附近位置堆积了大量岩屑,堵塞了泥浆循环通道,导致泥浆循环不畅,在钻柱旋转过程中,钻杆外螺纹接头与堆积岩屑之间发生剧烈摩擦作用而导致其局部温度迅速升高,钻杆接头承载能力大幅度下降,在拉伸和扭转载荷作用下发生塑性断裂失效。     

钻杆溶解氧腐蚀影响因素分析

溶解氧腐蚀是钻杆使用寿命下降的最重要的原因。通过试验研究和文献分析,论述了钻井施工过程中服役环境、溶解氧浓度、泥浆pH值、井下温度、压力、钻井液、钻杆材质等诸多因素对钻杆溶解氧腐蚀的影响。分析认为,氧浓度对钻杆腐蚀起主导作用,钻杆腐蚀速度随着氧浓度的增加而加快;防止钻杆氧腐蚀最简便的措施是提高钻井液的pH值,最有效的办法是采用除氧剂对钻井液进行除氧。     

Examination of drill pipe corrosion in water-based drilling fluids under wellbore conditions

Drill-pipe corrosion is a critical issue for any drilling operation, particularly under high-pressure, high-temperature downhole conditions. However, most laboratory studies have been conducted under ambient and static conditions, with only a few downhole studies based on flow loop showing inconsistent results. In this study, we proposed a novel simple method to simulate pipe corrosion/erosion in a reservoir-like environment under both the static and dynamic conditions and investigated the influences of wellbore conditions, including temperature, pressure and salinity of water-based drilling fluids, on the corrosion behaviour of the drill pipe. The results showed that the erosion effect of the drilling fluid (without drilled cuttings) was negligible. Furthermore, we found that the corrosion rate increased with an increase in the temperature, pressure and rotational speed; however, it decreased with an increase in the salinity. In addition, the proposed method can be used to simulate other complicated conditions.     

航空航天铝合金构件装配孔钻削出口毛刺研究进展

航空航天制造业中存在大量的铝合金装配孔加工需求。装配孔主要通过钻削加工实现,加工中存在铝合金出口毛刺过大的问题。出口毛刺直接影响工件的精度、抗疲劳强度、装配性能,去毛刺工序会极大地增加工时和成本。因此有必要对铝合金装配孔钻削出口毛刺进行研究,实现对出口毛刺的控制。从铝合金钻削出口毛刺的类型和测量方法、形成机理和高度预测以及毛刺控制方法等方面进行了系统性的论述,以期为铝合金钻削加工出口毛刺的研究提供帮助。      

S135钻杆钢预腐蚀后的弯曲疲劳性能

目的：考察有机盐钻井液对S135钻杆材料腐蚀及疲劳性能的影响。方法首先利用高温高压釜模拟有机盐钻井液井筒的工况环境,对疲劳试样进行预腐蚀,通过点蚀仪测定试样表面的腐蚀状况;然后利用旋转弯曲疲劳试验机在不同弯曲应力条件下对预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳性能进行测试,算得不同存活率下的疲劳强度,并绘制不同存活率下的S-N曲线。用体视显微镜和扫描电镜观察预腐蚀试样和未腐蚀试样的疲劳断口形貌,进而得出S135钻杆材料表面腐蚀对其疲劳寿命的影响程度和影响机制。结果经过腐蚀的试样表面有较多腐蚀坑,腐蚀坑深度在0.4~0.7 mm之间。未腐蚀试样的疲劳强度为553 MPa,其疲劳断口只观察到单个疲劳裂纹源;腐蚀试样的疲劳强度为409 MPa,其疲劳断口观察到多个疲劳裂纹源。 S135钻杆材料腐蚀疲劳开裂敏感性指数为26%。结论经过高温高压有机盐钻井液环境腐蚀后,试样表面点蚀严重,腐蚀坑底部存在应力集中并导致裂纹源的形成,多个裂纹源的同时生长加快了裂纹的扩展,最终降低S135钻杆钢的疲劳强度。     

基于ANSYS Workbench铝合金双轴疲劳试验仿真研究

主要以国家重大工程专项子项目《铝合金双轴额定细节疲劳强度试验研究》为依托,以十字形铝合金薄板试件为研究对象,利用有限元软件ANSYS Workbench建模并进行数值模拟,侧重研究十字形铝合金在0°、90°及180°三种相位差交变循环载荷作用下的应力分布、变形情况及疲劳寿命,比较分析了铝合金在不同相位差下双轴受力情况的差异,并对可视化的图形图像和计算结果进行了分析。通过与试验的对比确定了实际变形和理论分析基本一致,表明在ANSYS Workbench中建立的十字形铝合金试件模型是准确且可信的。在双轴疲劳试验中,应重点监控该十字形铝合金的中间圆孔区域,为大飞机用铝合金结构设计与强度评估提供了基础的技术支持。     

制孔分层损伤对CF/PEEK复合材料拉伸性能和表面应变分布的影响

目的 研究钻削制孔表面分层损伤与拉伸载荷下开孔碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料表面应变分布的相关性。方法 通过对CF/PEEK复合材料层合板进行钻削制孔实验,分析不同进给速度对钻削温度、钻削轴向力、制孔出口表面分层和孔壁表面损伤的影响。采用数字图像相关技术（DIC）和力学实验相结合的方法,研究分层损伤程度对开孔CF/PEEK复合材料层合板拉伸性能和表面应变分布的影响。使用扫描电镜观测开孔试件的断裂形貌,分析开孔试件受拉伸载荷时的破坏模式。结果 随着进给速度的增加,钻削温度降低,钻削轴向力提高,出口表面分层和孔壁损伤程度加剧。随着分层损伤程度的增加,层合板的拉伸强度呈现出降低的趋势,试件的拉伸强度从558.4 MPa降低到525.63 MPa,降低了5.87%。在中应力和高应力状态下,试件x方向的最大负应变随着分层损伤程度的增加而增加。在高应力状态下,试件y方向的最大正应变随着分层损伤程度的增加而增加。试件的断裂方式主要是基体开裂、分层和纤维撕裂,断口有纤维脱落和纤维拔出,垂直于载荷方向的纤维破坏模式为剥离破坏,与载荷方向一致的纤维破坏模式为拉伸破坏。结论 钻削制孔表面分层损...