深井钻柱粘滑振动特性分析

粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期。为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程。基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响。结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制。     

钻柱的粘滑振动规律分析

钻柱的粘滑振动是由强烈的扭转振动和井下摩阻导致的一种破坏性极强的扭转振动。这种振动表现为,在一段时间内钻头静止不动,当加在钻柱上的扭矩足够大时,钻头突然高速转动。首先建立一个钻柱粘滑振动力学模型,分析了粘滑振动的运动方程,得到钻柱粘滑振动的一般规律。钻柱的粘滑振动是一种强烈的低频振动,在振动过程中钻头的瞬时转速很高,最大转速甚至超过了转盘转速的2倍。讨论了钻柱长度对钻柱粘滑振动的影响,随着钻柱长度的增加粘滑振动的频率降低,钻头最大转速增加,粘滑振动更加剧烈。     

钻柱系统粘滑振动稳定性分析及减振方法探讨

随着深井、超深井的发展,钻柱系统粘滑振动严重影响着钻井速度、钻井成本和钻井安全。钻头切削岩石的摩擦力是钻柱系统发生粘滑振动的主要因素。针对钻头切削岩石的实际工况,分析了钻头—岩石的切削模型,建立了其相互作用的摩擦模型,得出钻头处扭矩随转速的变化趋势。从能量守恒出发,分析了钻柱系统粘滑振动的稳定性,计算得出了钻柱系统粘滑振动稳定时的临界钻压。将临界钻压公式描绘成钻柱振动状态的钻压—转盘转速关系图,并在此基础上探讨了粘滑振动的减振方法,以期为钻井过程中减少钻柱的粘滑振动提供参考。     

钻柱粘滑振动仿真和控制策略研究

在深井和超深井钻探过程中存在钻柱粘滑振动,不仅造成机械钻速降低,驱动能量浪费,而且会加速钻具的老化和失效,严重威胁钻井安全。以钻柱旋转系统为研究对象,建立转盘、BHA(Bottom-Hole Assembly)和钻头的二自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转刚度、粘滞阻尼和岩石钻头相互作用等高度非线性摩擦。通过MATLAB/Simulink仿真模块对该模型进行仿真试验,分析了实际钻井过程中钻柱产生的粘滑振动特性。为抑制钻柱的粘滑振动,设计1套基于PID控制策略的双闭环控制系统。该研究结论对工程实践中钻柱粘滑振动的抑制具有重要意义。     

复合冲击破岩钻井新技术提速机理研究

为了解决PDC钻头钻遇硬地层时出现的机械钻速低、钻头粘滑振动失效快等问题,提出了PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术,并对该技术的提速机理进行了研究。根据建立的PDC钻头受单向轴向冲击及复合冲击时的扭转振动模型,对PDC钻头的运动规律进行了分析,并利用ABAQUS软件对岩石受单向轴向冲击及复合冲击时所受的剪切力进行了模拟。模拟结果表明,PDC钻头受单向轴向冲击时切削齿的切削深度会增加,但是会造成PDC钻头扭转振动;复合冲击大大提高了PDC钻头对岩石的剪切作用,降低了岩石的阻抗扭矩,从而抑制了PDC钻头受单向轴向冲击所产生的扭转振动。研究表明,PDC钻头复合冲击钻井破岩新技术能够增加切削齿的切削深度并抑制扭转振动,提高硬地层的机械钻速。      

井下粘滑振动强度量化评估方法研究与应用

井下钻具粘滑振动是影响钻头破岩效率,引发钻具失效的主要因素之一。建立井下钻具力学模型,能够量化评价粘滑振动强度、提高钻头破岩效率、降低钻具事故。为此,依据粘滑振动表现特征定义了三种主要类型粘滑振动。在牛顿运动方程的基础上,建立了频率域下,单自由度、有阻尼钻柱受迫粘滑振动预测模型,对描述井下钻柱受力状态更加准确。在此基础上,采用半解析传递矩阵方法建立粘滑振动状态下钻柱各点内力波动变化与地表参数变化特征响应关系,减少了模型求解所涉及到的未知变量,提高了计算效率。同时,将粘滑振动状态下的钻柱响应特征的表征参数整合成一个综合指数,实现了粘滑振动强度量化评价。井下振动存储式测量短节对模型计算结果现场试验验证,振动强度计算结果与实际测量值基本相符,机械钻速同比提高20%以上。 建立的井下粘滑振动强度评价方法能够改善钻头破岩效率并保护钻具。     

脉动式扭转冲击钻井工具工作特性分析与测试

为抑制PDC钻头钻进硬地层时的粘滑振动,设计了一种可以为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果表明:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。脉动式扭转冲击钻井工具样机性能室内测试结果表明,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能够为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。      

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。     

扭转冲击钻具设计与室内试验

常规钻具在钻硬地层时机械钻速低,钻头失效快,钻井成本高。为此,设计了扭转冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成扭向的、高频的机械能并直接传递给PDC钻头,给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击,当与钻柱稳态扭矩相结合时,能对钻头施加高效的破岩扭矩,大幅减小或消除钻头的粘滑振动,在保证井身质量的同时提高机械钻速,延长钻头寿命。对扭转冲击钻具的关键部件——扭转冲击副的运动可行性分别进行了仿真分析和室内试验。结果表明,扭转冲击副运转顺利,滑动块与传动轴周期性的碰撞可对传动轴施加周期性的低幅高频扭向冲击。     

深井硬岩地层钻井高频低幅扭转振荡耦合冲击器研制与应用

随着深层油气资源的勘探开发，地层岩石的可钻性越来越差。常规钻井方式钻遇此类地层破岩效果差，钻井效率低，PDC钻头往往由于卡滑、振动而导致失效快、寿命短。为此，将脉冲射流和冲击振动钻井破岩相结合，研制了一种工作原理全新的高频低幅扭转振荡耦合冲击器，借助有限元分析软件对所研制的冲击器进行了应力分布及振荡腔结构参数等仿真分析，基于模拟结果提出了结构改进方案，并设计加工了一套原理可行且结构安全的高频低幅扭转振荡耦合冲击器。现场试验表明，该装置能显著改善钻头工作状况，提高平均机械钻速，工作寿命也完全能够与钻头寿命相匹配。高频低幅扭转振荡耦合冲击器有利于解决现有钻井技术中钻头钻遇坚硬地层时的黏滑效应、间歇性卡钻问题，能够有效减小甚至消除卡滑、振动对钻头的损害，提高PDC钻头的破岩效率。     

近钻头扭转冲击器破岩机理及应用

PDC钻头是超深井硬地层主要的破岩工具。由于黏滑振动引发的PDC钻头过早失效是造成超深井钻井成本增加的一个重要因素。本文针对PDC钻头的黏滑振动效应,理论分析了黏滑振动机理,建立了PDC钻头黏滑振动系统的力学模型,并用高频低幅扭转冲击器及优化钻头结构的方式来消除钻头的黏滑振动。研究结果表明:PDC钻头长度越长,能量衰减越快,扭转冲击能量传递效率越低;PDC钻头截面积越大,长度越小,高频扭转冲击器冲击系统能量传递效率越高。新疆塔里木盆地XK3井试验表明,扭转冲击工具与常规钻具相比机械钻速提高1倍以上,能够有效消除PDC钻头的黏滑振动效应,减轻钻柱扭转振荡,降低钻井成本。     

周向冲击扭矩作用下PDC钻头的黏滑振动分析

黏滑振动是PDC钻头钻井过程中一种常见的现象,它会引起钻头过早失效、钻进效率低等问题,使钻井成本升高。在钻头上部安装一套扭力冲击器,可在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷,减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程黏滑振动。通过对周向扭力冲击器作用下的PDC钻头在钻井过程中的工况分析,结合钻头钻进力学分析和岩石破碎学,建立了PDC钻头在周向往复循环冲击载荷作用下的破岩力学模型。对其数值仿真后结果表明,在一定的冲击扭矩作用下,钻进岩石内聚力为40 MPa的岩层时,卡钻时间减少了51%。这说明对钻头施加周向冲击后可以减轻黏滑振动。研究结果可为周向扭力冲击器在PDC钻头钻井作业过程中的使用提供理论支撑。     

钻机旋转系统的自适应PID控制策略

钻井过程中钻头的黏滑振动会导致钻头失速,引起钻机旋转系统发生故障,从而降低钻井渗透率,增加钻井成本。为此建立了钻机扭转特性模型,并提出了自适应PID控制策略用于抑制黏滑振动。首先对系统进行输入状态线性化控制,补偿钻机非线性特性引起的黏滑运动;其次设计自适应PID控制,使其在旋转系统参数大范围的变化和不确定的情况下,自适应控制保证系统输出的跟随控制及最优工作状态,同时PID控制加快系统动态响应速度,缩短系统调节时间。针对钻机扭转特性模型及钻头和岩石间摩擦扭力模型进行仿真试验,结果表明,自适应PID控制可有效抑制钻头的黏滑振动,改善钻机旋转系统工作的动态及静态响应特性,提高系统的稳定性和可靠性。     

SLTIT型扭转冲击钻井提速工具

在我国钻井大提速的背景下,提出了一种集机械剪切、水力和扭转冲击3种破岩方式共同作用的复合钻井工艺新技术及装备。旋转钻井过程中,在不影响钻进的情况下,扭冲工具利用钻井液驱动内部冲击锤做反复的扭转冲击,将部分流体能量转换成一定频率、周向扭转、冲击型的井底机械破岩能量,并直接传递给钻头。5口井的现场试验结果表明,扭转冲击复合钻井技术与装备适合我国的钻井技术环境,能够有效消除PDC钻头的卡滑现象,减轻钻柱扭转振荡,能够有效保护钻头和钻具等配套部件,有效降低钻井成本。     

PDC钻头切削深度对抑制黏滑振动和提高钻进速度的影响

我国油气需求持续增长,非常规油气田开发力度不断加大,钻井环境日益复杂,黏滑振动常有发生,导致钻井效率降低,钻井费用增加.学界和业界经过长期的研发,一系列黏滑振动抑制技术和工具被应用于钻井工程中.在总结和分析黏滑振动抑制技术发展基础上,着重介绍了PDC钻头切削深度控制技术、控制设备的结构、原理和现场试验效果,分析了这些技...     

基于黏滑振动机理研究的钻头自适应限位齿结构设计

乍得某盆地基岩潜山地层主要由花岗岩构成,岩石研磨性强、可钻性差,使钻头黏滑振动现象成为制约安全钻井与高效开发的主要不利因素之一,亟待开展黏滑振动机理与解决对策研究。本文采用有限元模拟与室内实验等研究手段,以钻头单齿微观动态破岩过程为切入点,模拟分析了钻压、吃入深度对钻齿切削效率的影响,揭示了钻齿吃入深度过大影响钻具扭转、塑性—脆性破碎形式转变、岩石破碎动态平衡打破的黏滑振动发生机理,并估算得到不同岩性地层的吃入深度推荐范围。据此创新设计了自适应限位齿控制单元,通过数值模拟方法对其结构参数进行优化改进。加工样机后进行结构力学运动性能的室内台架压载测试,测试发现,加载时限位块能够有效抵抗模拟钻压而缓慢压入,卸载后又能相对快速地伸出本体,基本实现本结构的设计目的,即自适应地控制钻头切削齿有效吃深,降低黏滑振动发生概率,保护钻头钻柱,减少起下钻频次与降低失稳断裂风险,为钻井提速增效与高效开发深部复杂地层资源提供技术支撑。     

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。