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。     

牙轮外区牙齿与井壁相互作用的仿真研究

牙轮钻头的外区牙齿(包括背锥齿、修边齿和外圈齿)在石油钻井破碎岩石过程中起着重要作用,能提高机械钻速和提高井壁质量.在现代牙轮钻头几何学基础上研究建立了牙轮钻头的空间模型,井壁过渡区的空间模型,外区牙齿的离散模型,外区牙齿与井壁相互作用的仿真模型.根据上述模型,我们开发出了相应的仿真软件.通过该仿真软件可以分析和评价外区牙齿切削井壁的能力,在微机上可以清楚地观察到外区牙齿与岩石相互作用的过程.同时能得到牙齿的切削功、摩擦功、切削岩石的体积等数据信息.该软件使用方便,对钻头设计者正确有效地布齿和提高钻头的整体性能有重要的指导意义.     

牙轮钻头工作扭矩的计算机仿真

对牙轮钻头在破岩过程中的受力和运动状态进行分析，建立了牙轮钻头动力学基本方程，研究井底岩与牙轮钻头的相互作用后，建立了钻头结构参数，钻井参数，岩石性质参数与触底齿受力间的近似关系。研制了牙轮工作扭矩的计算机仿真模型和仿真软件，仿真结果与实验数据比较表明了理论研究和仿真模型及软件的正确性和可靠性。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

基于VB.NET和MATLAB 的三牙轮钻头仿真软件开发

随着钻井地层的日益复杂,对钻头结构的改进提出了新的要求。利用计算机仿真方法,在已建立的牙轮钻头几何学、 运动学模型和钻头与岩石互作用模型的基础上,通过MATLAB 编程,求解所建立的各模型。为了解决软件的运行效率及不易 操作的问题,采用了VB.NET 来编写界面。通过MATLAB 编译器将模型文件转化为.NET 组件（DLL 文件）,与VB.NET 交互, 实现仿真软件的开发。利用该软件进行牙轮钻头破岩过程仿真可得到牙齿图形、任意时刻的井底模式及机械钻速等,对钻头的 优化设计有重要的指导意义。     

盘式钻头破岩机理仿真分析

盘式钻头是一种新型齿形三牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直的圆环形连续齿圈，改变了牙齿与岩石的作用特点及其破岩机理。利用牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术，建立了盘式钻头与井底岩石互作用仿真模型、盘式钻头齿形几何模型及盘式齿形离散模型等，编制了盘式钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的盘式钻头与给定岩石互作用后的井底模式。通过单齿圈复合破岩实验，得到了盘式钻头实际钻井时的井底模式，它与采用计算机仿真软件的仿真结果很相近，验证了仿真模型的正确性，为盘式钻头设计提供了新方法。     

三牙轮钻头轮体速比仿真模型研究

三牙轮钻头轮体速比对进行仿真研究，指导钻头结构设计、钻头选型等都起着关键性的作用。从理论上分析了三牙轮钻头的几何结构与牙齿受力的关系，确定牙轮存在一个主动齿圈，并结合最小功原理建立了求解轮体速比的模型，结合钻压以及岩石性质对轮体速比的影响，对该模型进行了修正。将钻头钻进砂岩时的台架试验牙轮/钻头速比实验值和利用模型计算所得牙轮/钻头速比计算值进行了对比，结果表明，该仿真模型能够有效地预测三牙轮钻头的轮体速比。     

PDC钻头性能的二维模拟

介绍了PDC钻头性能模拟的试验基础及原理。所编制的模拟软件可为PDC钻头的设计方案提供模拟结果和性能评价依据，其主要功能为：1．计算切削齿的各种参数，如切削力、切削体积、切削功率；2．计算切削齿的磨损体积、磨损高度；3．计算钻头不平衡力的大小和方向；4．模拟钻头的钻进特性曲线；5．模拟切痕断面形状及井底剖面形状；6．预测钻头的工作指标。应用该软件对一只使用过的PDC钻头性能进行模拟，分析了主要模拟结果，并将该钻头各切削齿研磨面积的实测结果与模拟结果作了对比，两者的分布规律基本吻合。     

牙轮钻头钻进岩石过程的数学模型和模拟方法——承力区假说与旋转压入法

根据“承力区假说”,建立了牙轮钻头钻进岩石过程的数学模型和模拟方法。利用这种模型和方法,可在计算机上实现对实际钻进过程的仿真和对牙齿载荷时间历程等的模拟。换言之,也就是借助于计算机仿真的手段,可把钻头机械钻速、牙齿载荷谱等与钻头结构设计参数、齿形和岩性联系起来。这对于牙轮钻头的研究无疑具有重大意义。     

PDC钻头钻进过程的动态仿真

计算机软件模拟试验可对各种形式的PDC钻头在不同的岩层条件和钻井参数下进行试验。将井架、钻柱和钻头作为一个系统,建立了PDC钻头动力学模型,包括纵向振动、横向振动、扭转振动以及钻头与井壁碰撞模型。通过面向对象的编程方法,在Visual C6.0的环境下将模型实现为计算机软件。实例证明,仿真软件计算结果与PDC钻头实际工况吻合。利用该软件可在不同岩石性质和钻井参数下,对PDC钻头进行仿真,研究各种设计方案在钻进过程中的工作性能,进行分析对比,优选出较好的设计方案。     

针对特殊需要设计专用钻头

随着钻井区域扩大,现有钻头已不能满足某些特殊的作业要求,现场希望开发能适应具体情况的新钻头。国外钻头公司采用以仿真技术为核心的设计方法设计专用钻头,既为公司创造了利润,又为钻井队节约了成本。从现场资料和试验资料积累,钻头-岩石-下部钻柱系统计算机仿真,以及钻头优选和优化设计软件开发等方面阐述了专用钻头设计技术的要点。     

斧形齿PDC钻头的研制及其在东海的应用

东海多口井所用PDC钻头在深部地层钻进过程中出现了机械钻速低、进尺少的情况,钻头起出后发现PDC钻头切削齿磨损严重。为此,在详细分析东海深部地层所用PDC钻头使用情况的基础上,对PDC钻头进行机械设计和水力设计。在机械设计优化时,根据设计三原则和力平衡原则,从钻头冠部轮廓、布齿设计两方面对钻头机械结构进行优化。在水力设计优化时,以ANSYS软件分析作为主要优化手段,对喷嘴和排屑槽进行优化设计。通过分析斧形齿的性能优势,以室内性能测试数据为依据,研制了斧形齿PDC钻头。东海X1井和Y8H井的应用情况表明,斧形齿PDC钻头机械钻速分别提高了15.11%和26.65%,钻头出井评价磨损轻微。因此,斧形齿PDC钻头可提高东海深部地层的钻进效率。     

导向PDC钻头设计及其在临盘地区的应用

针对常规PDC钻头在胜利油田临盘地区定向井钻进过程中存在的工具面不稳定、井斜角和方位角难以控制、滑动钻进时钻速较低等问题,研究分析了PDC钻头的剖面形状、切削结构、保径设计等对钻头导向性能的影响规律,在此基础上,研制出一种适合临盘地区地层特性的BTM115H型导向PDC钻头。该型PDC钻头采用浅内锥、双圆弧剖面形状,特殊双重切削布齿、短保径设计和侧向力平衡设计,能够有效提高钻头的导向性能和机械钻速。多口定向井的现场应用效果表明,BTM115H型导向PDC钻头在定向钻进过程中,工具面可控性好,复合钻井速度和定向机械钻速较常规PDC钻头都有大幅度提高,为临盘地区的定向井快速钻进提供了有力保障。      

Bit Selection Optimization Using Artificial Intelligence Systems

Abstract

Optimizing bit selection is one of the main challenges in drilling operations. Bit selection is based on the recorded performance of similar bits from offset wells. There are too many parameters intervening in drilling bit selection. Therefore, developing a logical relationship between them to assist in proper bit selection is extremely necessary and complicated though. In such a case, artificial neural networks (ANNs) have proven to be helpful in recognizing the complex relationship between variables. In this new approach, two models are developed with high proficiency using ANNs. The first model provides appropriate drilling bit selection based on the desired rate of penetration (ROP) to be obtained by applying specific drilling parameters. The second model uses proper drilling parameters obtained from an optimizing procedure to select the drilling bit that provides the maximum achievable rate of penetration. Genetic algorithms (GAs), as a class of optimizing methods for complex functions, are applied to help bit optimization and its related drilling parameters. With the given data sets, these new models predicted successfully the bit types and the optimum drilling parameters. The correlation coefficients for the predicted bit types and optimum drilling parameters in testing the obtained networks are 0.96 and 0.86, respectively. MATLAB software was used to perform ANN and GA solutions.     

长庆气田水平井PDC钻头防泥包技术

为实现长庆气田水平井钻井提速的目的,在斜井段中试验了PDC钻头,但均不同程度地发生了钻头泥包的问题。经过广泛的调研分析,找到了导致PDC钻头泥包的主要因素--钻井液问题,另外还有地层、钻井参数、PDC钻头流场设计等影响因素。为此,从强化钻井液抑制性出发,研制出了双钾盐聚合物钻井液体系并在现场应用获得成功,较好地解决了PDC钻头泥包问题。其中GP12 6井实现了斜导眼水平井单只PDC钻头穿越5套地层,平均机械钻速达11.25 m/h,起下钻、电测和下套管等作业均安全顺利完成。     

钻头工作效率实时评估新方法

为了实时评估钻头的工作效率,增加钻井施工的可控性,对钻头工作效率实时评估方法进行了研究。基于前人提出的机械比能理论,对钻头扭矩进行简化处理并提出了岩石有侧限抗压强度理论,给出了相关计算公式,利用各参数间的相关性,反推出钻速方程,达到了通过邻井钻井数据预测钻速的目的。根据以上理论模型,开发研制了相关软件,实现综合利用测井数据、岩石力学参数、机械比能和机械效率等多类连续剖面科学评估钻头性能,并采用现场数据进行了验证。结果表明:该模型计算出的钻头扭矩、岩石有侧限抗压强度和机械效率等参数很好地反映了现场钻头运行情况和磨损程度,基本满足了钻井施工的要求。所研究的评估方法对钻头优选、钻井实时模拟决策和钻后分析具有指导性意义。     

地层岩性与钻头工况的评估方法研究及其应用

地层岩性与钻头工况的评估对钻井工程技术人员和地质人员十分重要。根据能量守衡原理和钻头破岩机理,建立了地层岩性与钻头工况评估模型。该模型在钻井过程中,利用钻压、扭矩、钻速、转速等井下或地面的各种信息,预测所钻遇的地层岩性、岩石视抗钻强度、岩石视抗剪强度及当前的钻头工况,并且开发研制出地层岩性与钻头工况实时评估软件系统。该软件在现场得到初步应用,取得了较好的效果。     

利用井眼偏移量模式预测井眼轨道

根据多元幂积侧向切削理论模型和钻头岩石相互作用理论,给出了考虑地层因素、钻头切削破岩特性对钻头轴向力和侧向力的有效作用的综合影响,以及井深增量、钻头转速和井眼前进方向地层可钻性等因素的井眼偏移量计算模式.在理论和实验研究的基础上,编制了应用软件、理论成果和计算软件,已成功地用于大庆油田水平井井眼轨道控制中.结果表明把理论分析方法与实钻数理统计理论分析结合起来建立的计算模式是预测井眼轨道的有效方法.