液力—磁耦合传动岩屑清洁装置的磁扭矩数值优化

钻井过程中水平井段岩屑携带困难、易形成岩屑床,因而研发了一种新型液力—磁耦合传动岩屑清洁工具,但对其磁扭矩传动影响机制、最佳磁路结构及磁铁配置等尚不清楚。为此,应用有限元数值模拟方法分析了磁路结构和永磁铁几何尺寸对磁扭矩的影响规律,数值模拟和室内实验的结果表明:(1)通过提高气隙磁通密度,降低磁路磁阻,增加静磁能的储积等方式可以提高磁扭矩的传递效率;(2)磁扭矩随磁偶对数的增加呈先增大后减小的趋势,12对磁偶的磁扭矩达到最大值;(3)对工具有效断面磁铁覆盖面积和磁体厚度这两种因素制约下的磁铁用量的耦合,得到永磁铁厚度为8.4 mm、工具有效断面上磁铁覆盖面积为71%时,单位体积磁铁产生的磁扭矩为最高;(4)室内实验结果与数值模拟计算结果绝对误差小于17%,能够满足工程计算对精度的要求。结论认为,所建立的数值模拟模型较为合理,可作为该工具结构优化分析的技术手段。     

螺旋形岩屑床清除工具流场数值模拟

岩屑床清除工具能够防止岩屑床形成,破坏已形成的岩屑床,有效解决水平井井眼清洁问题。许多学者开展了水平井岩屑清除技术研究,研制出不同类型的岩屑床清除工具,但在工具结构参数优化方面缺少深入研究,缺乏高效的岩屑床清除工具,制约了其进一步的开发与应用。文中设计了不同结构参数螺旋形岩屑床清除工具,通过CFD(计算流体动力学)数值模拟的方式,从叶片前后压降、切向速度、岩屑分布情况等方面分析了叶片长度、高度和叶片数对岩屑床清除工具作用效果的影响规律,为水平井岩屑床清除工具的研制与应用提供了重要的参考依据。     

自旋转岩屑清洗工具模拟计算与分析

现有岩屑清洗工具通过钻杆旋转对环空岩屑进行清洗,因钻杆转速较低,所以会影响工具的井眼清洁效率。鉴于此,设计了一种自旋转岩屑清洗工具。该工具可通过钻杆内部涡轮来实现叶片的高速旋转清洗。采用计算流体动力学对该工具的工作流场进行数值模拟分析,并设计了涡轮叶片的结构。从流线图、速度场和扭矩等角度对工具的清洗能力进行分析,分析结果表明:自旋转岩屑清洗工具比叶片固定式井眼清洁工具的流速提高了1.4倍,高转速下的平均周向涡流速度比低转速下的平均周向涡流速度提高约0.78 m/s。这说明自旋转岩屑清洗工具可使流体携岩和清岩的能力迅速提高,更有利于岩屑的携带和清除。所得结论可为自旋转岩屑清洗工具后续的研制和应用提供理论支持。     

动失水仪扇形磁体磁耦合器设计

应用钐钴永磁材料可以解决动失水仪的动力传递问题。介绍用扇形磁体组成耦合器，用有限元分析由6对磁极组成的耦合器在不同条件下所能传递的转矩，用磁极间距作为耦合器的特征量将各种形状的耦舍器进行无因次化，并做出相应的图表，最后给出利用这些图表进行磁耦舍器设计计算的方法。     

基于有限元的油气管道漏磁检测器励磁结构影响分析

设计长输管道漏磁内检测器时,因管径尺寸限制,其励磁结构尺寸往往会受磁饱和强度、检测灵敏度、通过能力等多重因素限制。为分析励磁结构对缺陷漏磁场的影响,建立了不同管道尺寸参数的三维有限元分析模型,计算出不同励磁结构尺寸下缺陷漏磁场径向磁通量密度分布曲线。得出永磁铁厚度、永磁铁宽度,两磁极间距对缺陷漏磁场分布的影响规律,为励磁结构的优化设计提供必要的理论基础。     

液动周向扭矩冲击发生器动力学分析

液动周向扭矩冲击发生器是抑制钻井过程中"卡-滑"现象的有效措施。介绍了液动周向扭矩冲击发生器的结构和工作原理,建立了该扭冲器的流道分布模型,计算了其工作过程中各流道的流量,确定了典型零件冲击过程中的运动参数和瞬时冲击载荷,得出了液动周向扭矩冲击发生器的冲击扭矩及旋转频率。试验情况表明,计算结果与实际工况比较接近,这为扭冲器的设计和使用提供了依据。     

水平井岩屑床清洁工具的设计与试验

页岩气井水平段钻进过程中的岩屑堆积是造成钻井摩阻扭矩大、托压严重进而影响钻井速度的主要原因之一,因而抑制岩屑床生成、保持井眼清洁是确保水平段安全顺利钻进的重要前提。为了提高水平井段井眼清洁的效率,应用CFD数值模拟方法、采用欧拉—欧拉双流体模型并结合颗粒动力学理论,对所研发的带有"V"形叶片的新型水平井岩屑床清洁工具的螺旋角、转速参数诱导螺旋流动衰减规律及对岩屑颗粒重新悬浮分布的影响等进行了研究,进而优选了叶片旋转速度、叶片螺旋角等关键参数。研究结果表明:(1)随着转速的增加,环空底部的岩屑沉积发生了一定程度的偏转,转速越大偏转越明显;(2)环空压降损失随着螺旋角的增加而增大,在螺旋角较大时该现象表现更为明显;(3)在四川盆地南部地区长宁H25-7井进行的现场试验结果表明,使用新型水平井岩屑床清洁工具后钻进摩阻下降33%,起下钻通畅、无阻卡,新工具应用过程中未发生井下复杂事故,发挥了良好的井眼清洁作用,保证了后期下套管作业的安全顺利实施。结论认为,该工具不仅可以满足水平井岩屑床的清洗及钻井降本增效的需求,具有良好的推广应用价值,而且还可以为同类型岩屑床清洁工具的设计提供借鉴与参考。     

井下涡轮发电机系统特性分析与实验

为了详细了解无线随钻测量仪器中磁耦合器传递扭矩式井下涡轮发电机系统的工作特性,首先分析了其结构及工作原理,基于MATLAB的Simulink仿真环境,给出了井下涡轮发电机系统各组成部分的数学方程,建立了井下涡轮发电机系统的仿真模型。仿真了井下涡轮发电机系统空载和负载2种工作状态下的发电机转速、磁耦合器输出扭矩等各输出量的典型动态响应波形,分析了引起磁耦合器滑脱(失步)的2种情况(钻井液排量超过上限值或者发电机电磁扭矩与阻尼扭矩之和超过给定值)及其预防措施。空载时发电机整流输出电压随钻井液排量变化的实验数据与仿真结果基本吻合,验证了井下涡轮发电机系统仿真模型的正确性。井下涡轮发电机仿真模型为进一步分析磁耦合器传递扭矩式井下涡轮发电机系统的性能提供了很好的平台。      

大位移井岩屑清洁工具仿真分析

在进行大位移井钻井时,岩屑不易清除,出现卡钻、机械钻速低等问题。针对大斜度、大位移井的特点,应用有限元软件对钻杆周围岩屑床的流动特性和力学性能进行模拟,并对比“V”型和螺旋型岩屑床清洁工具性能。结果表明:螺旋型工具的岩屑清理效能比“V”型工具降低了14%,而岩屑最大环空返速提高了11.9%; 两种清洁工具在受到相同外力下,“V”型工具的安全系数为螺旋型工具的1.28～1.64倍。此模拟研究为工具选型和研制提供参考。     

复杂结构井井眼清洁技术研究进展

复杂结构井在海洋油气田、老油田和低渗透油气田开发中应用广泛,但该井型的大斜度井段和水平井段易出现井眼清洁问题,造成卡钻等事故,从而影响机械钻速和井下安全,制约了复杂结构井技术的发展。文中分别从井眼清洁的主要影响因素、数学模型及岩屑床清洁工具等方面,对井眼清洁技术进行了系统综述。通过分析井眼清洁的主要影响因素,结果表明,井斜角在30~60°时岩屑床最难清除,增加环空流速、钻杆转速和调整钻井液性能,可在一定程度上提高井眼清洁效果。此外,分析了描述岩屑运移规律的经验模型、分层理论模型及岩屑床清除工具,并对未来井眼清洁数学模型和井眼清洁技术发展趋势进行展望,为今后深入研究井眼清洁问题提供了参考。     

基于聚类分析法的斜井岩屑运移经验-半经验模型优选

斜井钻井过程中,岩屑得不到及时有效运移会造成严重的井下事故。及时了解井眼清洁状况,对于钻进参数的调整具有重要意义。相对于理论模型,利用岩屑运移经验-半经验模型预测井眼清洁状况的方法方便快捷,但对于同一作业条件,不同模型的计算结果相差很大,为此提出了一种基于聚类分析法的斜井岩屑运移经验-半经验模型优选方法。首先通过文献调研,确定影响岩屑运移的8个主要因素,同时建立斜井岩屑运移经验-半经验模型数据库,模型库中的各模型分别作为一个样本,8个主要影响因素作为样本指标;然后通过计算、比较实际作业条件样本与各模型样本之间的距离,对计算结果进行从小到大排序,得到优选结果;最后通过实例计算,验证了该优选方法的可靠性。     

井眼清洁工具沿全井段分布位置的计算方法

实践表明,应用井眼清洁工具,可以大幅度提高水平井大斜度段和水平段的岩屑床清除效率。但由于井眼清洁工具的有效作用距离有限,需要沿大斜度段和水平段布置多个井眼清洁工具才能达到较好的岩屑床清除效果,而目前对计算井眼清洁工具布置数量的方法研究较少。根据岩屑床休止井斜角实验研究结果,提出了井眼清洁工具沿大斜度井段分布数量的模拟计算方法。现场试验表明,该方法能够满足工程需要。     

分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析

水力分层压裂技术由于施工排量大、携砂量大、管柱工具井下工作时间长，导致压裂管柱工具部件冲蚀严重。为了研究井下压裂工具冲蚀规律，有针对性分析了井下压裂部件的3种易冲蚀结构:轴向键结构、径向开孔结构和变径结构。采用CFX流场仿真模拟软件，研究了混砂液在易冲蚀结构位置的流场分布，总结出混砂液对易冲蚀结构的冲蚀磨损规律，并通过井下易冲蚀部件实验对有限元计算结果进行了验证。研究表明，键尖冲蚀率随轴向键的键尖形状由大到小变化顺序为:键尖角度60°、90°、45°、180°（键尖圆形）、30°，且键尖部位冲蚀率明显大于键尾冲蚀率；方形出砂口比圆形出砂口抗冲蚀能力强；缩径结构变径比越小冲蚀影响越明显，扩径结构的冲蚀影响可忽略；室内实验结果与有限元计算结果的最大相对误差为10.9%，说明了数值模拟结果的准确性。研究结果为分层压裂工具结构与管柱组合设计提供了理论和施工依据。     

考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究

大位移井钻井技术作业难度大,对井眼清洁作业要求较高,岩屑堆积对摩阻扭矩的影响不容忽视.通过改进摩阻扭矩计算中常用的软杆模型,建立井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型;考虑钻机、钻柱和钻头约束,建立大位移井机械延伸极限的预测模型.针对一口水垂比大于5的实钻大位移井,考虑岩屑对摩阻扭矩的影响,计算不同工况下的摩阻扭矩,预测大位移井水...     

己内酰胺加氢精制磁稳定床反应器的模拟

为了给工业磁稳定床反应器的设计提供科学依据，笔者建立了己内酰胺水溶液加氢精制的液固磁稳定床反应器数学模型。采用Range-Kuta法对模型进行计算，处理能力6kt／a的中试液固磁稳定床反应器的模拟结果与实验结果的平均相对偏差为13．2％。对处理能力70kt／a的工业磁稳定床反应器进行了模拟。模拟结果表明，反应器内径为0．9～1．0m时，经磁稳定床加氢，己内酰胺水溶液的PM值(Permanganate number)从50s提高至3000s。     

水平井和斜井井眼清洁技术研究进展及展望

水平井钻井技术的进步有利于开发常规和非常规油气储层,然而,与水平段岩屑清除相关的井筒的不稳定性和井眼清洁困难严重制约了钻井生产。井筒岩屑清除效率低下会导致摩阻和扭矩增加、管道卡住,严重时可导致井漏等钻井事故。首先,分别从井眼清洁机理和井眼清洁主要影响因素（钻井液流变性、钻具转速、井角、岩屑尺寸、钻井液密度和流速等）分析综述了水平井和斜井岩屑沉积的成因和适用于现场生产的技术参数。其次,针对水平井和斜井井眼清洁困难分别从国内外钻井液技术和井眼清洁工具两个方面阐述了岩屑清除方法与机理。最后,对水平井和斜井井眼清洁发展方向进行了展望,为未来井眼清洁技术提供了参考。     

排液采气涡流工具结构参数优化实验研究

目前对涡流排液采气的机理认识不清,且鲜有分析涡流工具结构参数对排液效果的影响方面的研究报道,无法有效指导现场应用。为此,基于相似原理建立了涡流排液采气物理模拟实验装置,测试了安装不同涡流工具后的井筒压降和流量,分析了涡流工具螺旋流道宽度、流道两侧密封性和螺旋角对排液效果的影响;选取了排液最优的涡流工具并测试了临界携液流量;同时,根据两相流体动力学理论建立了最优螺旋角理论模型。实验发现:涡流工具螺旋流道两侧有效密封、并在井筒压降较小的前提下,缩小螺旋流道的流动截面可以提高涡流工具的排液效果;实验最优螺旋角为45°,与理论模型计算结果吻合较好;使用优化后的涡流工具井筒压降降幅约为9.6%,排液量约提高12.4%,临界携液流量约降低20%。研究结果表明,优化后的涡流工具增强了排液能力,最优螺旋角理论模型结果可靠,可为涡流工具设计和现场应用提供理论指导。      

储罐漏磁检测励磁源耦合分析与实验研究

漏磁检测凭借灵敏度高、成本低、操作简单等优点在储罐底检测中得到了广泛应用。设计了永磁铁和电磁线圈共同作用的新型混合励磁磁化部件,采用ANSYS软件对仿真模型进行基于缺陷漏磁场分布的励磁源耦合有限元分析,分析了励磁源参数及检测对象参数对缺陷产生的漏磁场分布的影响,确定底板厚度和饱和安匝数的关系。通过搭建的实验装置开展一系列实验研究,分析对比实验数据,验证有限元分析结果的正确性。为基于混合励磁漏磁检测的缺陷量化、仪器设计等提供一定理论基础。     

SDDC型液动旋冲接头的设计理论研究

旋冲钻井技术是解决硬脆性地层机械钻速低、钻头使用寿命短的主要手段之一。在阐述旋冲钻井的主要工具--双作用液动旋冲接头结构及原理的基础上，提出了SDDC双作用液动旋冲接头的结构设计方案，并根据其工作性能及其内部活动件之间的匹配关系，推导出了旋冲接头性能参数、冲锤质量及寿命的计算模型，同时利用这些模型进行了178 mm SDDC型双作用液动旋冲接头具体结构尺寸的计算。计算结果验证了上述理论模型的正确性。同时通过室内实验，确定出了冲程、上阀程、下阀程的匹配关系。试验表明，所研制的SDDC双作用液动旋冲接头具有工作平稳、启动灵活、冲击力大、使用寿命长等特点。     

本期导读

复杂结构井钻井过程中常有岩屑成床现象发生,容易造成一系列井下复杂问题。目前使用螺旋式工具清除岩屑床取得了较好的效果。闫铁等从工具叶片对岩屑颗粒的推动作用角度出发,对井眼清洁工具清岩作用效果进行分析,得出了岩屑颗粒在工具叶片上的运动方程,通过数值模拟分析岩屑颗粒在这类工具上的运动特征,为螺旋式工具设计提供一定参考依据。