钻井液对钻柱固有振动特性的影响

钻柱在钻井过程中主要进行旋转向下的运动，同时伴随纵向、横向、扭转和耦合振动。振动是导致钻柱失效的主要原因，而钻井液又是影响钻柱振动的关键。利用ANSYS软件建立钻柱整体有限元模型，采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析，得出钻井液密度对钻柱纵向、横向和扭转振动固有频率及振幅的影响规律。钻井液密度降低，导致钻柱固有振动频率升高，振幅增大；钻井液的阻尼作用导致钻柱横向振动从钻头处开始向上逐渐减弱，直到井口处完全消失；当外界激振频率达到某种程度时，钻柱发生纵向和横向、横向和扭转耦合振动，导致振动更加剧烈。     

塔里木盆地超深井311.2mm井眼钻柱动力学特性及参数设计

当前超深井钻柱安全性评价仍采用静力学方法,无法合理描述钻柱的动态安全性。通过建立超深井钻柱的动力学模型,并利用节点迭代方法和Newmark方法对其进行离散和求解,随后在分析钻柱动力学特性的基础上,利用动态应力求得钻柱的动态安全系数。通过不同钻压、转速条件下计算钻柱的动态安全系数,较好地确定了钻柱的合理工作参数范围。以塔标1井身结构三开井眼为例,得到了塔里木盆地超深井311.2 mm井眼所用钻柱的合理工作参数。     

基于BP人工神经网络的钻柱动态行为预测方法

为了掌握常见的钻柱动态行为及产生原因,应用BP三层人工神经网络模型,采用频谱分布特征、轴心轨迹和振动特征等共15个输入征兆来研究预测4种典型的钻柱动态行为。8组输入征兆的预测输出结果表明,这种人工神经网络模型通过样本训练,能够根据钻柱输入征兆完全、不完全信息,进行联想、记忆和聚类等自组织学习,实现了网络输出准确率高,且网络输出结果与实际测试资料可以互相解释印证,说明这种神经网络的预测结果可以指导实际钻井作业,同时又可由实际钻井资料收集样本模式不断反馈,从而完善网络模型。     

钻柱声波传输信道频谱特性分析

井下钻柱对于声波传输是一个非常复杂的介质空间,对声波在钻柱信道中的频谱特性进行分析可知,钻柱信道的一个最明显特征就是通带和阻带相间,具有多波段传递函数特征。钻柱结构的几何尺寸决定了信道的频谱特性,不同尺寸结构组成的钻柱,通带将变窄,一个频带周期的中心频率附近出现完全阻带,随着结构复杂程度的增加,声传输频谱特性变差。钻柱结构的安装排列方式对信道频谱特性存在影响,根据不同尺寸结构选择合适的安装形式,将在一定程度上改善频谱特性,在1 kHz以内的频率范围内,频谱结构相对稳定。     

井下钻柱信道的声传播特性

基于钻柱信道的随钻数据声波传输方式能够满足现代钻井速度快、传输数据量大的要求。在声传播特性分析模型建立基础上,采用传递矩阵计算方法,对不同钻柱组合的声传播特性进行了研究。结果表明,钻柱信道的一个最明显特征是窄频带多波段通信。钻柱信道的几何结构、物理参数和信号频率对信道传输性能有显著影响,随着信号频率和传输距离的增大,接收信号衰减程度增大,同时信道的声传输性能还受钻柱材料的弹性模量和密度的联合作用影响。对于周期性钻柱,当钻杆长度增大时,通带中心向低频偏移,通带和阻带变窄;当接头横截面积减小时,通带变宽,阻带变窄,一个频带周期内通带中心向频带中心频率偏移,距离频带中心越近,其偏移量越大。对于非周期性钻柱,结构和物理参数差异的增大,会引起钻柱信道频域特性的显著变化,声传输性能显著下降。信噪比是影响井下信息声传输系统设计的关键因素,同时为了实现声波遥测,声传输方式的通信工作频率应尽量选择低频。     

气体钻井钻柱动态应力特征

气体钻井的循环介质为气体,黏滞效应远小于泥浆,因此气体钻井钻柱的失效情况比较严重。针对具有超细长比特征的全井钻柱,加入钻柱与井壁的碰撞模型,运用有限元节点迭代法,通过对碰撞冲击应力条件下气体钻井与泥浆钻井的动力学特性分析对比,探讨了气体钻井钻具的失效机理。分析表明,气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井,气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力比泥浆钻井更大,成为导致其钻柱失效的主要因素之一。     

水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立

相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入。为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道、钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik模型对比,验证了仿真模型的准确性。通过模拟钻进全程来剖析稳定器、大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响。研究结果表明：三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值。研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考。     

射孔枪材料动态断裂韧度的试验研究

根据应用现场的断口分析,确定了射孔枪炸裂属于I型断裂。通过试验-数值分析方法,应用Hopkinson冲击杆测试了射孔枪材料32CrMo4的动态断裂韧度值KⅠD,为射孔枪的断裂分析建立了数据依据。最后用数值模拟的方法,比较了强度判据与断裂判据的破坏效果,从理论分析上验证了应用现场的断口分析结论。     

短距离钻柱声波传输特性试验研究

为研究钻井中短距离钻柱的声波传输特性,在1.28 m长的钻柱上建立了一套短距离声波传输试验系统,对声波信号在短距离钻柱中的传输特性进行了试验。试验以方波为驱动信号,采用径向和轴向钻柱激励,激励频率从2 Hz升高至50 Hz,传感器安置于接收端各个不同位置。试验研究声波信号对驱动电压、激励方向、激振频率以及传感器测量方向等参数的敏感性。试验结果表明,声波信号在传输过程中有衰减并含有回波和大量噪声干扰,在井下工具能耗允许范围内可采用大电压供电、径向激励钻柱和传感器径向接收信息的方式。     

钻柱结构对声传输特性的影响

建立了用于井下信息声传输特性研究的非周期性钻柱组合模型,并利用传递矩阵法推导出了模型的声透射系数方程,进而对周期性钻柱组合和非周期性钻柱组合的声透射系数进行了研究。结果表明：在钻柱信道中,对于周期性管柱结构,钻杆和接头的几何尺寸决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构呈现出周期性和对称性特征,通带和阻带交替出现,且在一个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄再变宽,阻带则先变宽再变窄;随着钻杆根数和接头数目的增加,通带结构发生变化,通带内出现小透射峰,且小谱峰数增加。对于非周期性钻柱组合结构,钻柱中各节钻杆和接头的尺寸差异会对声传输特性造成影响,表现为通带变窄阻带变宽;结构参数中长度尺寸差异较截面尺寸差异的影响更为显著。     

气液两相混合输送泵试验台架设计

简述了气液两相混合输送泵（简称两相泵）的研究现状。为对两相泵进行试验研究，提出了两相泵试验台架的设计思想，即试验台柴必须具备流量可调的气源和液源以及流量计量装置，同时具有观测气泡和气液混合情况的手段，以及用于信号测试的数据采集与处理系统。在此基础上建立了一套两相泵试验台架。详细介绍了试验台架的组成，分述了气相和波相的管路与设备、两相混合处理结构、台架动力及数据采集系统，以及两相泵进出口管段气泡直径的测量方法和流态观察方法。     

近期国内钻柱静动力分岔研究及存在问题

钻柱动力学问题是一个复杂的钻柱与钻井液和井壁的耦合振动问题。过分简化的力学和数学模型得出的结果一般与实际相差太远 ,甚至是荒谬的。对国内近期发表的有关钻柱动力学研究的论文中的数学模型、主要结论和存在的主要问题进行了分析。这些论文的内容涉及钻柱扭矩对钻柱静力分岔的影响、垂直井中旋转钻柱受拉段分岔、铅垂井段钻柱的动力分岔、铅垂井段钻柱的混沌运动以及水平井段钻柱的混沌运动等。     

涡轮钻具叶栅性能测试系统的研制

为检验涡轮钻具叶栅叶形设计的合理性, 降低试验费用, 拟定了采用少数涡轮定转子组成叶栅组进行性能测试的试验方案, 建立了由试验台主机、计算机测控系统和循环系统组成的测试系统。该测试系统采用计算机控制, 自动施加扭矩载荷, 自动控制循环流量, 可根椐采集的数据进一步推算出涡轮钻具整机的性能指标。测试结果表明, 根据十级涡轮叶栅换算出的整机性能参数与实测值非常接近, 其测试数据可做为评价涡轮钻具整机性能指标的依据。     

井下气液混输泵试验台架设计及试验

为了对新研制的井下螺旋轴流式气液混输泵样机进行试验研究,建立了1套气液混输泵试验台架。整个试验台架由泵级部分、吸入部分、排出部分和数据采集部分组成。在给出试验样机基本结构和试验原理的基础上,阐述了样机的试验方法和步骤,通过试验得出样机在设计转速下输送纯水和含气体积分数为40%气液混输工况下的外特性曲线。前期的试验研究验证了新建立的井下气液混输泵试验台架和研制的井下螺旋轴流式气液混输泵样机均满足设计要求,同时也为下一步完善设计和今后样机的试验研究提供了依据。     

4145H钻铤钢的示波冲击性能及其动态断裂韧性

针对石油钻井中钻铤断裂以及北方油田在冬季石油钻铤下井起钻之后存在的冷脆现象,通过示波冲击实验,获得了4145H钻铤钢试样在冲击变形和断裂过程中的冲击力-位移曲线,并用实验得到的总冲击功、起裂功来计算其动态断裂韧度。结论认为：4145H钻铤钢的延性断裂韧度和动态断裂韧度均随温度的降低而降低,其冲击功随温度的降低而降低,起裂功与冲击功的比值随温度的降低而升高,裂纹扩展功及其与冲击功的比值随温度的降低而降低。在钻井工程中表现为：常温下裂纹在钻铤中扩展速率较慢,钻铤不容易断裂;低温下裂纹在钻铤中扩展速率较快,钻铤更容易断裂。该研究成果为合理指导4145H 钻铤的生产工艺和现场正确使用钻铤提供了实验数据支撑。     

油井水泥石断裂韧性的实验研究

固井施工时,由于原因,会在水泥石中形成裂缝等初始缺陷;在射孔等作业中,在冲击载荷作用下,裂缝将迅速扩展产生大裂缝,容易造成含油夹层段窜槽,给开发等工作带来不利影响。文中引入水泥石的断裂韧性这一概念进行了增强经石断裂韧性机理分析,并分别采用“霍布金森法”和“焦散线法”进行了不同配方水泥石的动态断裂韧性测定实验,对增强水泥石断裂韧性的有效途径进行了实验探索,并结合模拟射孔实验结果,提出了能够抵抗射孔冲     

用于抽油泵组装与试验的综合功能台架系统

为了消除抽油泵组装及试验操作的人工误差 ,实现杆式泵、管式泵等泵型组装与试验操作的自动化及综合功能的集成 ,研制了用于抽油泵组装与试验的综合功能台架系统。该系统集液压、气动、电控及传感器、微机等技术为一体 ,具备对各种泵进行组装、检测与试验的综合功能 ,集成度和自动化程度高。按传统的组装与试验操作法 ,5人每天组装检测约 30台泵 ,而新研制的综合功能台架系统只需 1人操作 ,每天可完成 10 0余台相同规格泵的组装与试验工作量。     

高温长效动态测试仪研制及应用

高温长效动态测试仪用于对稠油生产过程中井底流温、流压进行实时动态监测。这种仪器接在泵下随生产油管下入油井 ,采用金属绝热瓶隔热 ,井下单片机存储测试数据 ,地面主机回放处理测试结果 ,是经济有效果的热采生产测试方法。经过理论计算和室内试验确定了金属绝热瓶的优化结构参数 ,按此参数设计制造的金属绝热瓶在 2 5 0℃室内试验条件下 ,2 0天内温升小于 12 0℃ ,满足在井下高温长期工作的需要 ;15井次现场推广应用也取得了很好的经济效益     

高分子材料防砂管的研制与现场试验

针对胜利油田东辛采油厂部分出砂井高含水、地层砂分选程度差 ,采用化学方法防砂和绕丝筛管砾石充填防砂不经济的状况 ,研制成新型高分子材料防砂管。这种防砂管采用特殊成型工艺制成 ,具有防腐、防垢、强度高及憎水亲油的显著特点。经 2 2口井的试验 ,新型防砂管的防砂成功率达 81 8% ,累计增产原油 15 82 4t ,特别适合于高含水、特高含水出砂井的防砂     

非标准试样冲击侧向膨胀量合格判定

分析了JB 4 74 4 - 2 0 0 0中奥氏体不锈钢改用冲击侧向膨胀量的原因 ,标准中没有给出非标准试样的合格指标 ,但ASME规范及试验证明 ,非标准试样的合格指标与标准试样相同。