挠性连接钻头——PDC钻头抗振新原理

钻头与底部钻具结合之间的刚性连接是产生井下严重振动的根源。在钻头和底部钻具组合之间采用倾斜的挠性接头可提高钻头的稳定性。这种设计原理已经过专门设计的、能够模拟井下动态条件的实验装置的验证。设计出了一只８１／２ｉｎ原型钻头，并进行了现场试验。井下加速度仪记录结果表明，钻头采用挠性接头可显著降低井下振动程度。     

国外新型防振PDC钻头

井下振动是引起PDC钻头早期失效的主要原因 ,而挠性钻头能很好地解决钻头的振动问题。美国研制的挠性钻头是在普通PDC钻头的基础上 ,将刚性的上体接头设计成挠性接头。该挠性接头由公接头、母接头、弹性管、螺纹锁紧环、推力环、密封圈、弹性环等组成。挠性接头允许井底总成相对于钻头做倾斜运动。室内试验和在美国Catoosa现场试验表明 ,这种挠性钻头在防止钻头振动、延长钻头寿命方面 ,具有十分明显的优势。     

主动减振器可提高钻井性能和减少钻井成本

主动减振器（AVD）可通过监测底部钻具组合内的振动并调整阻尼系数来减小振动,从而提高机械钻速。介绍了AVD结构和工作原理,开展了阻尼大小对机械钻速的影响试验研究。试验结果表明：AVD可通过保持钻头和岩石面更均匀接触来提高归一化机械钻速,从而提高钻井效率;通过优化工具中的阻尼级别可使AVD上部和下部的振动达到最小,减小振动对钻柱的破坏,增加钻头寿命;AVD能提高单只钻头进尺、减少起下钻次数并增加井下传感器寿命。     

PDC钻头钻井时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式，通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

钻具振动对FEWD井下仪器的影响及预防措施

在水平井地质导向钻井过程中，井下钻具振动易导致井下FEWD测量仪器损坏，造成巨大经济损失。分析认为，钻井参数、井斜角、钻具组合和钻头是导致井下钻具振动的主要原因，防止FEWD测量仪器因井下钻具振动而损坏的一种最有效的方法就是通过井下传感器DDs监测井下钻具的振动。结合振动传感器DDS的工作特点，分析了DDS测量值与钻具振动的关系，给出了几种典型钻具振动（包括钻头弹跳、扭转振动、钻头涡动、钻具涡动、横向振动和振动耦合）出现时的DDS测量值变化情况，提出了相应的预防和控制井下钻具振动的技术措施。以桩12-平3井为例，介绍了井下钻具振动的判断与控制措施的实施情况。准确判断井下钻具振动并采取相应的技术措施对于有效保护FEWD测量仪器、提高钻井综合效益具有重要意义。     

PDC钻头钻进时扭矩影响因素研究

分析了钻压、每转进尺、切削齿磨损和岩性对ＰＤＣ钻头扭矩的影响，并用力平衡和能量守恒原理推导了ＰＤＣ钻头扭矩与这些因素的关系式。通过钻头台架试验证明ＰＤＣ钻头扭矩模式计算与试验结果相符，可用于指导井下动力钻具选用和设计。     

PDC钻头防失速工具在复杂地层中的应用

为防止钻井工程中PDC钻头卡滑产生的冲击能量达到损坏级别,优化岩石切削效率,研制了一种PDC钻头防失速工具。该工具设计有使旋转运动(超出设定转矩时)转化为直线运动的机械结构,能够实时自动调整钻进转矩,减少钻具振动,防止马达失速、随钻测量仪器损坏和井下工具磨损,并提高机械钻速。介绍了PDC钻头防失速技术的原理和工具结构。该工具在深井、复杂地层中的应用达到了预期效果。     

用纵横弯曲法对弯接头——井下动力钻具组合的三维分析

对弯接头-井下动力钻具组合进行三维分析,可确定钻头上的变井斜力和变方位力,以满足对定向井井眼轨道进行定量预测和控制的需要,本文用纵横弯曲法建立了弯接头——井下动力钻具组合的力学模型,提出了关于连续条件的一般命题和处理弯接头弯角的两种等效方法,提出了等效钻铤假设并用力学实验方法确定动力钻具的等效抗弯刚度,推导了装置角为任意值时的计算弯角公式,建立了在三维井身条件下弯接头-井下动力钻具组合受力分析的普遍方程以及在一维、二维分析中的简化形式.这些结果可用来定量计算各种带有动力钻具的井底组合在各种井身条件下的钻头变井斜力和变方位力、钻头倾角、各点挠度、支点处内弯矩和转角值等.本文进一步分析了钻具结构参数、井身几何参数和工艺操作参数对钻头侧向力的影响,其中影响最大的是下部组合长度、弯角和装置角.现场验证证实了上述理论分析的正确性.     

近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性研究

为提高现有导向钻具组合井眼轨迹控制能力,针对近钻头变径稳定器导向钻具造斜特性开展了研究。根据纵横弯曲梁法和三弯矩方程,考虑钻具结构弯角和变刚度管柱的影响,建立了带近钻头可变径稳定器的导向钻具组合力学特性分析模型,采用单因素法,对各种条件下近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力的影响进行分析。分析结果表明,近钻头可变径稳定器外径对钻具造斜能力影响显著,在所研究的参数范围内,钻具长度和井径扩大率对复合钻进造斜率的影响较为明显,上稳定器和钻压的影响次之,螺杆钻具结构弯角对复合钻进造斜率的影响最小。最后根据研究结果并结合现场实际工况,设计并研制出了井下遥控式近钻头可变径稳定器导向钻具。     

基于近钻头测量数据的异常振动预警方法研究

钻井过程中，时常由于钻井参数、钻具组合与地层之间不匹配等因素，导致底部钻具异常振动，进而导致钻具损坏、钻井效率降低、井眼质量不合格等。为此，建立基于Informer时间序列的井下异常振动预警模型；基于近钻头振动数据时频域特征，标注正常振动和异常振动数据集，将井下振动经过小波变换后的均值和均方根值作为输入量进行预警模型训练；利用测试集数据测试预警模型的有效性。研究结果表明：在长序列预测结果上，该模型的建立相较于LSTM模型，E_MS降低了70%,预测精度提高。同时针对井下振动均值的长序列预测，可提前90 s判断黏滑振动的发生。该预警模型的建立可以有效识别和预警井下异常振动，降低钻井风险，为进一步建立先进的智能钻井系统提供一定的技术基础。     

智能钻头技术研究与应用探索

实际钻井过程中，在多主频、多维度、多振幅复合的六自由度复杂振动作用下，极易引发井下钻具疲劳损坏与岩石重复破碎，钻井工程在效率、安全、效益和质量层面面临着严峻挑战。作为破岩钻进的直接执行机构，钻头动力学响应是钻进参数、地质特性、钻具结构数据关系的直接体现。开展钻头位置数据采集与融合挖掘，是统筹钻进效率、经济效益、风险控制关系，针对性开展提速增效工具改进与钻井参数优化的根本需要。智能钻头技术是解决上述问题的重要手段。由此对智能钻头技术硬件研发与数据分析过程中的部分关键问题进行了探索，针对性地提出了中心式模块应力测量的刚性连接方案，设计了运动测量的棱柱式阵列构型及数据推算方法，开展了模块结构水力学优化；研制智能钻头样机，基于实测数据开展了BHA井下听诊与钻井参数优化应用探索；开展现场应用测试5井次、累计入井超140 h,工艺与方法可靠、有效。     

扭转冲击器在金跃7-1井的现场试验

为解决我国深井钻井速度慢和成本高的问题,需要抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,为此而提出一种新的钻井提速工具——扭转冲击器。该工具可以将钻井液的部分液动能量转化为高频、周向振动,并直接作用于PDC钻头,保证下部钻具组合运动平稳,有效抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,同时其高频的振动冲击也可以提高PDC钻头的破岩效率。扭转冲击器在塔里木油田金跃7-1井进行了现场试验,试验中工具工作稳定,提速效果达到了国外扭力冲击器同等水平,较螺杆钻具平均机械钻速提高了42%,在硬质泥岩地层提速更为明显,机械钻速提高了88%。试验结果表明扭转冲击器对深井钻井提速具有较好的作用效果。     

新型高速牙轮钻头滑动轴承的试验研究

为了研制出能与动力钻具相匹配的牙轮钻头，作者从钻头轴承的材料选择入手，对硬质合金滑动轴承进行了分析，认为硬质合金的磨损抗力高，可应用于井下工具。在此基础上，进行了全尺寸牙轮钻头硬质合金滑动轴承的室内试验研究，结果表明：使用硬质合金滑动轴承可使牙轮钻头转速提高到２００～４００ｒ／ｍｉｎ。     

山前构造带推覆体段岩石力学实验及钻头选型

在钻遇山前构造推覆体段以花岗岩为主的岩石时，极易发生钻具断损及钻头磨损加剧的情况。文章在通过岩石力学实验分析山前构造的地层岩性特征的基础上，论述了钻具断损与钻头选型的关系。并进行了两种牙轮钻头钻进的室内实验研究。实验结果表明，不同的钻头选型将直接影响钻柱振动的强弱，采用合适的钻头型号将减轻井下事故的产生。以城二井钻头使用效果为实例，建议钻头选型要尽量降低钻头对钻柱振动影响的要求，对焉耆盆地推覆体花岗岩进行钻头选型，在311 mm井段，根据岩石性质推荐的HJ637和减小钻头振动的要求，推荐使用HJT637G的钻头较合适。     

挠性抗回旋PDC钻头的有限元分析

回旋是导致PDC钻头早期失效的主要原因，介绍了一种基于挠性钻头的构想设计的抗回旋PDC钻头，阐述了其结构和抗回旋原理。对挠性钻头的公、母接头进行了有限元应力分析，说明了模型建立、网格划分以及约束和载荷施加过程中所采用的方法和关键技术。有限元分析结果表明挠性钻头的强度满足要求。     

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

新型挠性抗回旋PDC钻头研究

回旋是导致PDC钻头失效的主要原因, 在研究国内外抗回旋技术的基础上, 基于挠性钻头的创新思想, 设计了新型挠性抗回旋PDC钻头。该型PDC钻头由于上、下弹性环的弹性作用, 使得公、母接头之间可以倾斜一定角度转动, 井底钻具组合的倾斜不会影响钻头体, 钻头体轴线仍保持与井眼轴线重合, 不偏斜, 不与井壁接触, 从而避免回旋的产生。对挠性抗回旋PDC钻头和常规PDC钻头的运动学分析证明, 挠性抗回旋PDC钻头的抗回旋性能优良, 其工作寿命大大长于常规PDC钻头。     

基于PCA-LSTM的黏滑振动水平评估方法研究

石油钻井过程中，井下工具的黏滑振动会导致钻头发生周期性的黏滞和滑脱，容易引起钻头和钻具组合失效，造成井下事故。为此，基于井下测量技术的发展，采用长短期记忆(Long Short-term Memory, LSTM)神经网络智能算法建立黏滑振动水平评估模型，采用井下近钻头工程参数测量工具在钻头处采集7类高频井下工程参数，验证使用PCA-LSTM神经网络黏滑振动水平评估模型的准确性。研究结果表明，该评估模型均方根误差为0.026,较LSTM、PCA-BP、PCA-SVM评估模型分别下降了0.033、0.011和0.018,表明该模型抑制了过拟合造成的滞后效应，具有较高的精度，可有效评估钻头处黏滑振动水平。研究结果对指导钻井过程，及时调整地面参数，有效抑制黏滑振动，推动安全、快速、高效钻井具有重要作用。     

水平井钻井的几个基本理论问题再探讨

水平井已经成为提高采收率的常规技术,但在一些特殊地层、超长水平段的水平井上,还是暴露出设计符合率低和精细化程度不高、差异性较大的问题。文中就此分析了井眼形状、地层岩性和钻头结构对钻具增斜能力的影响,并在下部钻具组合大挠度分析的基础上,对动力钻具的弯度作另一种形式的等效分析,得出钻头侧向力的计算公式,并用此理论指导龙平1井施工,取得较好的效果。