基于磁记忆的海上钻柱接头啮合螺纹检测技术

钻井作业过程中频发的钻柱接头螺纹断裂事故严重影响了油气资源的勘探开发进程。为了解决此问题,总结了钻柱结构特点及工况,分析了常规无损检测技术的不足,挑选出了能够在起钻作业过程中实现钻柱啮合螺纹损伤状况监测的金属磁记忆检测技术; 利用自行设计的井口钻柱检测装置,在中国南海某平台完成了钻柱监测试验,监测了钻柱啮合螺纹磁记忆信号,提取了磁记忆信号梯度信号,并利用基于大数据统计的螺纹应力集中评判标准,评价了啮合螺纹应力集中状况。试验结果显示,磁记忆检测技术能够准确检测啮合螺纹应力集中状况,为防止钻柱啮合螺纹断裂事故的发生提供了安全有效的技术手段。     

基于金属磁记忆的钻柱疲劳损伤早期监测方法

钻井作业过程中频发的钻柱断裂事故严重影响了油气资源的勘探开发进程。为了解决此问题,将金属磁记忆(MMM)检测技术应用于钻柱疲劳损伤的检测试验中。利用国内典型钻具材料(42CrMo)开展了模拟钻具典型工况的磁记忆检测拉伸疲劳试验,采集了不同循环次数对应试样表面的磁记忆信号值,并提取了磁记忆信号特征参量。进行了钻柱解体单根钻具螺纹损伤磁记忆检测试验以及钻井过程中啮合螺纹疲劳损伤监测试验。拉伸疲劳试验结果显示:磁记忆信号特征参量可以很好地诠释材料的拉伸疲劳过程,表征出不同疲劳阶段材料的应力集中程度。单根钻具螺纹损伤检测试验以及钻井过程中钻柱啮合螺纹疲劳损伤监测试验结果表明:磁记忆检测技术能够有效地检测出钻具螺纹应力集中程度以及分布情况。基于金属磁记忆的钻柱疲劳损伤早期监测方法为防止钻柱断裂事故的发生提供了安全有效的技术手段。     

基于磁记忆的钻柱损伤井口检测技术

钻井作业过程中频发的钻柱断裂事故严重影响了油气资源的勘探开发进程。为了解决此问题,在充分考虑钻井平台特点的基础上,提出了基于巨磁阻原理的磁记忆井口钻柱损伤检测技术,并利用该技术在南海某井进行井口钻柱损伤检测试验,同时对检测数据进行了处理分析。分析结果表明:磁记忆检测技术能够准确检测出钻柱各部位应力集中状况,其中加厚带部位被吊卡夹伤较明显,啮合螺纹部位应力集中最大部位出现在两端。该试验实现了钻柱管体、加厚带及接头部位一体化监测,为防止钻柱断裂事故的发生提供了安全有效的技术手段。     

考虑钻柱作用的深海隔水管柱力学分析

隔水管作为海洋石油钻井的重要设备,其安全使用直接关系到整个钻井作业的顺利完成,甚至关系到钻井平台的安全。目前关于隔水管的研究主要集中在海洋环境载荷及钻井平台漂移影响下的隔水管柱力学分析,对于隔水管内部钻柱这一影响因素研究较少,这给计算结果带来了较大误差。考虑起钻过程中钻柱侧向力、轴向摩阻对隔水管横向位移、弯矩的影响,建立了深水钻井时隔水管柱力学模型,用数值差分法进行求解。研究结果表明:考虑钻柱影响下隔水管横向变形影响幅度增加7.9%。靠近水面的位置,隔水管所受弯曲载荷最大。该模型为海洋隔水管设计、安全使用、以及深水钻井井口安全等提供理论分析方法。     

海上油气田钻修井安全管理模式的创新与实践

随着海洋石油工业的不断发展壮大,海上钻修井作业活动也将越来越多地展开,而钻修井作业是被石油行业公认的高风险作业之一。近几年来,海上油气田钻修井作业发生了多起人员伤亡事故,从事故发原因分析结果来看,事故的发生都是由于违反标准作业程序、人员的隐患辨识能力不足、现场监管不到位,导致了事故的发生。本文对某石油公司海上平台发生两起钻修井作业典型事故原因进行深入分析,对原有钻修井作业安全管理模式进行探索,创新了安全管理模式,采取有效的管理策略,提升海上钻井作业的安全性,为海上油气田钻修井作业的安全管理提升提供依据和借鉴。     

钻井安全监控智能防护系统的研制

针对国内钻井安全防护装置和监控操作技术存在功能单一、现场适应性差以及综合性差等问题,研制了钻井安全监控智能防护系统。该系统集自动化、智能化防护为一体,现场应用检测表明,该系统实现了钻井泵泵压防护、游车防护、溢流与井漏实时监视与定性、智能式自动灌浆、钻井参数及曲线实时显示等功能,最大限度地降低了钻井泵异常高压造成的风险,累计防护游车碰撞1 000余次,准确率达100%,避免了起钻因灌浆不及时造成溢流事故的发生。该系统的成功应用降低了石油钻井风险、保障了生命财产安全,标志着钻井安全防护技术进入了一个新的可控阶段。     

浅谈海洋石油钻井完井机械及工具的国产化

针对海洋石油勘探与开发投资高、风险大的特点 ,简述了海上作业对海洋石油钻井完井机械及工具的特殊要求。总结了近几年来我国海洋石油钻井完井机械及工具如PDC钻头、钻柱稳定器、钻井泵、井口装置、修井机、井下工具和管材等在国产化方面取得的成绩和目前存在的问题。面对 2 1世纪和我国即将加入WTO的机遇和挑战 ,特别是针对近几年来国外海洋石油钻井完井机械及工具领域出现的高新技术 ,提出了我国石油机械制造企业应以质量为核心 ,加强行业化管理 ,实施名牌战略和向高新技术进军等方面进一步加强国产化工作的建议     

全尺寸钻柱弯曲疲劳损伤试验研究

以往有关钻具疲劳损伤的研究多为模型模拟或小尺寸试验,不能准确反映全尺寸钻柱的疲劳损伤。为此,在四点弯曲疲劳试验的基础上,采用全尺寸钻柱作为试验试件,通过磁记忆检测技术对试件的应力状况进行检测分析,以此来描述钻柱损伤的演变过程。分析结果表明:在全尺寸钻柱四点弯曲疲劳试验过程中,循环加载后在中间段管体位置发生断裂,断裂过程中,不同的循环次数对应的磁记忆信号梯度峰值呈现出稳定阶段、裂纹萌生阶段和裂纹扩展失效断裂阶段。当循环82 000次时,管体部位信号梯度最大值达到1.14 V/mm,之后随着循环次数的增加,磁记忆信号梯度峰值迅速增大,当循环85 000次时,钻杆发生完全断裂。研究结果对预防钻柱断裂具有一定的参考作用。     

某海洋钻井井架振动测试及有限元分析

某海洋平台配置有ZJ50/3150DB型海洋钻机,在钻井工况下井架的振动幅度较大。为了进行安全评估,对该井架进行振动测试和有限元分析,工况有:起钻柱作业、下钻柱作业、钻井作业、8级风。结果表明,在设计工况下该井架是安全的。     

基于GPRS的石油钻机远程安全监控系统

针对石油钻机施工作业环境恶劣、钻进过程实时监控困难的现状,开发了基于GPRS的石油钻机远程安全监控系统。该系统由现场监控主机、终端监控机、GPRS DTU、GPRS网络构成。工控机、PLC和现场总线构成基于IPC＋PLC＋PROFIBUS的现场监控。终端监控机、监控主机、GPRS DTU和GPRS网络构成基于GPRS的远程监控。该系统具有钻井过程实时远程监控与故障诊断功能,实现了石油钻机远程安全监控,在海上平台钻机和沙漠腹地钻机远程监控中具有典型的应用示范作用。     

摩阻扭矩装置钻柱稳定性分析及可视化应用

钻进过程中钻柱的非线性屈曲影响着摩阻扭矩试验装置的安全和平稳运行。针对现有的水平井摩阻扭矩试验装置,基于动力学软件ADAMS,结合力平衡理论和相似理论,建立了与真实试验装置具有一致钻井参数的水平井段钻柱-井壁动态非线性接触模型。研究了不同钻压下钻柱在井筒中的运动状态与钻柱系统各测点的偏移量,通过分析得到钻柱屈曲的临界预警钻压为29 N,进一步保证了装置的安全运行,提高了钻柱摩阻扭矩装置的试验效率。另因钻柱系统在井筒中的钻进过程难以观测,结合仿真结果,基于Keyshot软件重现了井下钻具组合钻进过程,实现了井下钻柱系统工作状态的可视化。在试验和理论相互补充、支撑的同时便于利用该装置针对钻柱摩阻扭矩开展更深层次的研究。     

侧钻井钻柱疲劳损伤评价方法的研究

通过对侧钻井用钻杆材料的疲劳性能试验 ,得到了钻杆材料P S N曲线 ,在此基础上获得修正的钻杆柱P S N曲线 ,提出了一种描述侧钻井钻柱疲劳损伤的新方法 ,即采用理论简化的办法 ,先获得钻杆材料标准试样的P S N曲线 ,再考虑钻杆的形状、尺寸、表面加工方法、应力状况等影响 ,将钻杆材料的P S N曲线转化为钻杆柱的P S N曲线 ,来进行疲劳强度的评估。将此方法运用于胜利油田井下作业公司侧钻井钻杆柱的优化设计 ,对钻具组合做了必要的修正、完善后 ,使钻杆柱所受疲劳损伤降至最低程度 ,从而延长了钻杆柱的使用寿命     

底部钻具振动特性分析及信息传输实验

振动问题一直是引起底部钻具失效的主要原因,对其进行研究能减小钻具损害和各类井下事故的发生。设计了振动测量系统,测量了底部钻具组合(BHA)在井底受到的各类作用力下的振动特性并分析了其规律,利用钻柱的振动特性传输井下信息。BHA振动实验是在分析井下钻柱受到的作用力的基础上,通过对某组合的钻柱施加3种典型的井下作用力进行实验,利用设计的振动测量系统检测并分析数据,得到BHA的部分振动规律;信息传输实验是以钻柱为媒介、振动波为载体,在激励端施加信号、接收端分析钻柱传递的信号的初步试验。把钻井作业中几种常见行为引起的振动进行了分类实验,定性分析了各种作用引起的振动特征。该研究是国内对底部钻具各类振动及利用振动传输信息的全面研究。     

PIPE ROCK钻柱扭摆系统应用评价

国外以斯伦贝谢公司Slider系统为代表的钻柱扭摆系统在常规滑动定向钻进时,取得了较好的减轻摩阻、克服钻进"托压"的应用效果,但国内钻柱扭摆系统仍处于试验与完善阶段。为此,从分析自主研发的PIPE ROCK钻柱扭摆系统的原理及系统构成、操作流程、使用方法、试验实钻结果等方面入手,结合与常规滑动钻进方式的技术效果比较结果,总结了该系统现场试验所取得的成果,分析了该系统的缺陷并提出了改进措施。研究结果表明:(1) L204井应用该系统前后的数据表明,扭摆钻井防托压效果明显;(2) Long016-H1井水平段共定向调整轨迹20次,使用常规滑动定向平均纯钻时效为64.3%,而使用钻柱扭摆系统的定向纯钻时效提高到83.4%,提升效果明显;(3)使用扭摆系统后,可以在钻进过程中不停钻调节定向工具面,使工具面保持长期稳定,提高了定向精准度;(4)钻柱扭摆系统目前还存在着自动化程度较低、需要人工实时调整扭矩设定值、使用效果受人员个体差异影响较大等缺点,因而有必要持续改进该系统以最终实现轨迹的智能控制。结论认为,该钻柱扭摆系统成功地解决了定向钻进托压难题,具有提高定向纯钻时效、提高定向精准度的作用,减少了定向次数和定向段长,大幅度提高了定向机械钻速和单趟钻的行程钻速,能够满足现场作业要求,具备工业化应用的条件。     

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

钻柱升沉补偿试验台控制系统设计

为实现海洋钻井用升沉补偿装置的国产化,采用相似原理设计了海洋钻井平台钻柱升沉补偿试验台控制系统。该系统采用电液比例换向阀控制不对称液压缸模拟海浪升沉,可对升沉运动进行钻柱补偿控制;由于控制部件采用的电液比例换向阀存在死区,系统采用PID和死区补偿控制算法,较好地实现了海浪模拟和补偿控制。为保证升沉给定和跟踪控制精度,软件采用VB调用API函数,可对采样时间间隔进行精确控制。试验数据表明,该控制试验台可满足浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统控制要求。     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

充满液体的圆筒中受压屈曲杆柱旋转实验

在钻井过程中,下部钻柱的主要运动形式为受压屈曲后的自转和涡动。受压屈曲钻柱旋转可以增大钻柱与井壁的接触摩擦力,诱发钻柱横向振动和涡动,造成井壁失稳和钻柱损坏,甚至造成钻井作业失败。目前,井筒中受压屈曲旋转钻柱的运动规律的认识尚不全面甚至部分认识是错误的。通过实验研究了载荷、转速、钻井液和圆筒内径等参数对圆筒中的受压屈曲杆柱旋转运动的影响。分析了模拟钻柱在液体中由正向涡动转为自转和反向涡动的耗散能量。结果表明：①随着载荷的增大,屈曲钻柱首先正向涡动;其次既有正向涡动,又有自转;然后沿部分井壁反向涡动和自转的组合;最后沿井壁反向涡动。②钻井液的动力润滑作用可以减小钻柱正向涡动旋转幅值,并能阻止反向涡动的形成。③提高钻井液的动力润滑性、减小井眼直径、增加井斜角,出现反向涡动的载荷增大。④钻柱随载荷增加可能出现2次反向涡动。⑤钻柱运动状态转换符合最小耗散功率原理。     

气体钻井钻柱抗疲劳短节设计与应用

气体钻井过程中由钻柱运动（包括公转和纵向共振） 引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节：该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明：安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。