基于CFD-DEM的新型铝合金钻杆携岩仿真分析

由于川渝地区的地层结构较复杂,在钻探过程中产生的岩屑容易在井内沉积,使得岩屑运移难度大,最终还会造成卡钻与钻具断裂等重大井下事故。为了提高页岩气井的携岩能力,提出一种新型铝合金钻杆,对新型铝合金钻杆的携岩原理进行分析,得出该钻杆既可以提高岩屑运移能力,也可以降低摩阻,减少钻井液压耗,再对该钻杆进行力学分析与建模,利用实际参数计算,验证了钻杆的可浮性;然后对岩屑沉降与排出全过程进行分析,提出岩屑沉降与排出全过程的5个阶段;最后在充分考虑了钻井液、岩屑颗粒、钻杆和井壁相互作用的影响下,利用CFD-DEM耦合对新型铝合金钻杆的携岩过程进行精确仿真。改变钻井液排量、钻杆转速、岩屑粒径、钻杆偏心度,对新型铝合金钻杆的携岩能力进行分析,并将该钻杆的携岩效率与传统钢钻杆进行对比,研究了两种钻杆的岩屑运移率,最终得出新型铝合金钻杆相比传统钢钻杆具有更高的携岩效率。该研究成果对减少岩屑沉降、提高岩屑运移能力具有重要意义。     

脉冲射流式岩屑床清理工具的研究

针对大斜度及水平井段,岩屑极易沉积在井筒底部形成一定高度的岩屑床,使得钻杆被埋没,造成钻杆摩阻增大、钻具断裂等问题,设计一种射流式岩屑床清洁工具,基于液固两相流理论,建立三维射流式清洁工具与普通携岩钻杆的仿真模型,并利用Fluent分析射流式清理工具的喷嘴喷射角度、喷嘴流速、岩屑粒径、钻井液排量等参数变化对环空井筒内岩屑体积分数及岩屑质量的影响规律。结果表明：增加脉冲射流式工具后,环空内的岩屑沉积量明显减少,在钻杆转速为80 r/min时,最佳的喷嘴角度为90°;增加喷嘴流速及钻井液排量都可以降低环空内的岩屑量;随着岩屑粒径的增加,环空内岩屑沉积更多。该工具能够降低沉积在环空内的岩屑质量,提高岩屑的运移能力。     

新型铝合金钻杆对岩屑运移效率提升研究

设计一种新型铝合金钻杆。该钻杆可以悬浮在井眼上部,使高速区与岩屑床重合,提升岩屑运移效率。对新型铝合金钻杆进行载荷分析及各零件强度校核,验证新型钻杆的强度。在Fluent中,对环空井眼岩屑运移三维模型进行定性分析,对比不同钻杆转速、岩屑粒径、钻井液排量和钻井液密度下新型铝合金钻杆相对于传统钢钻杆岩屑运移的效率提升。结果表明：新型铝合金钻杆在不同条件下都有更好的携岩能力,特别是对于大粒径的岩屑运移有较大优势。研究结果有助于新型铝合金钻杆的使用和提升井眼清洁度。     

全液压自动猫道钻杆运移系统设计及仿真分析

根据大陆科学钻探钻机自动猫道的设计要求,设计了猫道的钻杆运移系统。系统具有机构新颖、动作稳定可靠、控制方便等优点,能够代替人工完成在钻井过程中运移钻杆的动作,实现钻具的自动运移。简要介绍了钻杆运移系统的结构组成、工作原理及系统的动作流程,并利用Inventor软件为设计平台建立钻杆运移系统模型,并在此基础上运用ADAMS仿真软件建立仿真模型。对系统进行运动学仿真模拟,得到钻杆运移系统与钻杆之间接触力的变化以及钻杆运移系统关键部位的应力变化。通过仿真分析验证了系统的稳定性,为系统实际动作的优化及控制提供了理论依据。     

钻杆的热处理

<正> 钻杆是石油管中一个性能要求较高的品种。钻杆具有加厚的端部,内外加厚的φ127mm钻杆,其加厚端厚度约为管体的两倍。钻杆在作业时所受的力有:a)因钻杆柱本身重量所产生的拉应力;b)快速旋转的钻杆,因井拐折而引起的反复拉伸与弯曲交变应力,这种应力造成疲劳破坏;c)旋转的钻杆在钻进过程中所产生的扭转应力;d)因与岩石撞擦而产生的冲击载荷和对工具接头的磨损。此外,钻杆工作时还受到周围介质的腐蚀。钻杆在使用过程中产生的最普遍的破坏是疲劳破坏(包括机械刻痕所引起的疲     

脉冲微射流技术实验台气压系统的设计

为了对燃气射流的喷射状态进行研究,通过控制射流的流场状态,实现射流与周围空气更好地混合,提高燃气的燃烧效率,设计了一套基于高频电磁阀控制的脉冲微射流控制圆射流的实验台。利用模块化设计的方法,选择新型的气动元件,进行了脉冲微射流控制圆射流实验台气压系统的设计。     

PDC钻头设计参数对井底流场分布的影响规律研究

研究PDC钻头井底流场分布规律是提高岩屑运移效率、冷却钻头和抑制泥包产生的有效方法。利用Fluent软件,基于 κ-ε 双方程模型和封闭N-S湍流方程,使用Simplec算法,分析钻头转速、钻井液喷出速度和总流过面积相同时喷嘴数量对井底流场分布的影响。结果表明：当钻头转速从90 r/min增加至110 r/min时,转速增加对井底湍动能及速度的提升效果较为显著;但当转速达到120 r/min时,井底湍动能及速度略有降低,提高钻头转速有利于由外向内清洗钻头表面;当钻井液喷出速度从5 m/s增加至9 m/s时,井底湍动能及速度随射流喷射速度的增加而增加,提高钻井液喷出速度可以使漩涡靠近井壁或钻头体,抑制了漩涡面积的增加,有利于岩屑的运移;在喷嘴总流过面积相同时,减小外侧喷嘴直径,外侧喷嘴个数从3个增加至4个,井底湍动能及速度随之增加,有利于井底岩屑的运移,但导致钻头表面中心的低速区域面积增加,不利于钻头表面的清洗。     

全自动石油钻杆校直机的研究与应用

为提高校直效率和减少工人劳动强度,研制了自动石油钻杆校直机。设计了钻杆挠度检测方法,选用激光位移传感器检测钻杆弯曲挠度,利用编码器定位压头施压位置及支点位置,根据弹塑性理论与实际经验确定压头下压行程。设计了自动校直机控制系统,能够显示钻杆挠度和输入参数,可以对不同钢级和尺寸的钻杆进行校直,并可以输出报表。配备了自动上下料系统,能够实现自动上料和下料。现场使用证明:该自动校直机减少了工人劳动量,提高了钻杆校直过程的自动化。     

井下钻柱减振增压装置工作特性的仿真研究

井下钻柱减振增压装置是一种用于实现井底超高压射流辅助破岩的钻井工具,该装置的工作原理是利用井底钻柱振动能量,采用活塞激励的方式调制超高压射流。为研究各参数对该工具工作特性的影响规律,为其现场应用提供理论依据。基于该工具的工作原理,建立了数学模型并进行了仿真分析,对其工作特性进行了研究,以有效破岩水功率(单位时间内装置输出钻井液携带的有效破岩能量值)为优化指标,得出了钻进参数及超高压喷嘴当量直径对其工作特性的影响规律:装置输出压力的峰值随着超高压喷嘴直径的增大逐渐降低;随着钻压、转盘转速的增大而升高;当喷嘴直径为3 mm时,装置输出的有效破岩水功率最大;有效破岩水功率随着钻压、转速的增大而增大。为使单位时间内装置输出的有效破岩水力能量最高,钻进参数与超高压喷嘴直径之间存在最优参数配合。     

油田用稳定器冲击功偏低原因分析

随着油田钻探难度的不断加大,如何有效提高钻杆的强度,实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工程中的关键.井斜的主要原因有地质、技术及工艺等多方面因素,钻具稳定器的作用,就是为了减小孔壁间隙,增加钻具的钢性,使钻头偏转角尽量小,起到防斜作用.     

石油钻杆刺穿失效原因分析

某石油钻杆在油田使用过程中发生早期刺穿失效。运用理化检测技术对失效的钻杆进行宏观形貌、化学成分、显微组织、力学性能分析和硬度测定。结果表明,钻井过程中在腐蚀介质的作用下,在钻杆内壁起刺处首先形成腐蚀坑,在复杂交变应力载荷作用下,钻杆表面腐蚀坑底部形成微裂纹并迅速扩展,最终导致钻杆发生腐蚀疲劳失效。为预防此类失效的发生,要严格控制钢管轧制工序,选用合适轧制工具尺寸,提高钢管内外壁表面质量,避免钻杆在油田使用时再次发生腐蚀疲劳失效。     

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 石油钻井过程中,钻杆加厚过渡带刺穿和钻具螺纹断裂是最常见的钻柱失效形式,影响了钻井安全和经济效益,一直是国内外冶金和石油钻井研究的重点。传统的断裂力学只能解释石油管柱静态断裂问题,而不能解释动载下钻柱失效问题。文章采用动态断裂韧性评价钻杆断裂性能,在对现有动态断裂韧性测试方法进行研究的基础上,提出用动态断裂力学理论研究钻柱失效问题的理论及其测试方法。通过实验研究了国内外钻杆厂家的材料的动态断裂韧性,得出了钻杆材料动态断裂韧性与钻杆失效的相关性。     

陆地钻机钻具自动运移装置研制

针对目前国内传统的钻井工艺下人工运移钻具所存在的问题,设计了陆地钻机钻具自动运移系统。对于陆地50型钻机,该自动运移系统可实现钻杆、套管及钻铤在钻台和地面排放架之间安全、高效地自动运移。文中对该系统各部分结构进行了具体设计,对所用材料、焊接工艺进行了选择和制定;对系统的核心——起升装置设计进行了力学性能计算及相应的液压缸选型。设计结果能够满足目前钻井工艺对自动化的需求。     

方钻杆对接焊缝的超声波检测及缺陷分析

方钻杆在石油钻井过程中主要是传递扭矩并承受钻柱悬挂重量,因此需要对其对接焊缝进行超声波检测。介绍了方钻杆的超声波检测方法、步骤、缺陷定位方法以及质量判定时的注意事项。同时介绍了焊缝典型缺陷（如未焊透、裂纹和气孔）的形成原因及波形特点。多年的检测实践证明,采用超声波检测方法检测方钻杆是切实可行的。     

铰接式柔性钻杆的参数化设计

柔性钻杆是超短半径水平井钻井工具的重要组成部分,其结构设计的好坏直接影响钻井工具的工作性能.根据柔性钻杆的强度条件以及与导向筛管的几何关系,得到了满足不同井眼曲率半径的柔性钻杆结构参数;考虑球头柱键与凹槽的接触非线性及柔性钻杆的材料非线性特性,采用有限单元法建立了单节柔性钻杆有限元模型;对不同结构参数的柔性钻杆进行了仿...     

45MnCrMo钻铤管内壁裂纹成因分析

在生产45MnCrMo钻铤管时,钢管内壁常出现较多裂纹,影响了钢管质量及成材率。通过采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪、热模拟试验机、低倍热酸浸分析测试手段,分析研究了钻铤管内壁缺陷特征和形成原因。结果表明:45MnCrMo钻铤管的内壁缺陷,是由于管坯穿孔过程中,内壁金属与顶头在摩擦和扭转变形等复杂应力作用下产生了较高的温升,从而导致毛管局部区域过热失塑、晶界弱化所形成,与管坯的冶金质量无关。提出了改进钻铤管内壁质量的有效措施。     

Mechanical load distribution along the main cutting edges in drilling

Used in a very large variety of applications, drilling is one of the most complex manufacturing processes. Most of the research on drilling was done in the field of metal cutting since, in this case, high precision and quality are needed. The use of composite materials in engineering applications has increased in recent years, and in many of these applications drilling is one of the most critical stages in the manufacturing process. Delamination and extensive tool wear, affecting the quality and the costs, are among the problems which drilling of composite materials are currently facing. Understanding and predicting the cutting forces occurring during drilling of such materials would allow extending the currently used optimization methods and proposing new tool geometries and tool materials. The current paper introduces a new mechanistic model for predicting the cutting force distribution along the cutting edges of a drill. A simple, generic and effective method is proposed to relate drilling to oblique cutting using a direction cosine transformation matrix valid for any drill geometry. The oblique cutting model used considers forces on both rake and relief faces, and a simple system of empirical coefficients (their number is significantly less than other similar models). The empirical coefficients are calculated assuming the work-piece material is isotropic. The model is validated on experiments carried out on carbon-fiber and glass-fiber reinforced composites using two different drill types (tapered drill reamer and 2-facet twist drill), which are described in more detail in a previous published paper. The mathematical expression of the drill geometry is also reviewed; removing certain assumption, generalizing some definitions and introducing new drill geometry and features.