牙轮钻头及钻柱系统扭转振动仿真模型

利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法 ,在考虑了钻头与岩石互作用力学模型的基础上 ,建立了钻头和钻柱扭转振动动力学仿真模型。通过仿真计算可预测钻头处阻力扭矩、钻柱顶部扭矩和钻头转速的变化情况。对 8 英寸XHP2S钻头做了仿真 ,结果表明 ,钻头处受岩石的阻力扭矩是随机变化的 ,并有负扭矩出现 ,扭矩的变化幅值随静钻压的增加而增加 ;钻柱顶部转盘施加的扭矩变化不如底部剧烈 ;钻头的转速在局部有较小的波动 ,其总体变化较为平缓。     

牙轮钻头纵向振动动力学仿真模型的建立

牙轮钻头的纵向振动对钻井过程的影响很大，也是造成钻柱振动的直接原因。在3点假设和简化条件下，利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法，建立了钻柱振动的有限元模型；在考虑钻头一岩石互作用力学模型的基础上，建立了钻头纵向振动动力学仿真模型，共叙述了具体的仿真过程。通过仿真计算可以预测钻头的动钻压及进尺。对81/2XHP2S钻头的仿真结果表明，钻头的动钻压可以达到钻压的2倍以上，较好地反映了钻头的动力学特性。     

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。     

单牙轮钻头动力学研究

单牙轮钻头是小井眼钻井的重要工具。对单牙轮钻头在井底工作过程中的受力进行了分析,在此基础上建立了单牙轮钻头所受阻力矩计算模型,该模型反映了钻压、钻头尺寸、岩石性质等因素对阻力矩的影响。建立了单牙轮钻头动力学基本方程,该方程真实描述了钻头的受力与运动情况,即钻压越大,钻头阻力矩则越大,钻头转速则越低;反之,钻压越小,钻头阻力矩也越小,钻头转速则越高。单牙轮钻头的阻力矩计算模型和动力学基本方程对小井眼钻井中的钻柱设计具有重要的参考价值。     

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在建立牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,建立了基于钻柱和岩石互作用下的牙轮钻头横向振动动力学模型。该模型将钻头在钻井过程中与井底岩石互作用产生的力或位移作为钻柱横向嗥牟下端边界条件,采用数值计算方法－龙格库塔法求解该动力学模型,并开发了基于钻头与岩石互作用下的钻头动力学仿真分析条件。为提高钻头、钻柱的使用寿命,改进钻头、钻柱的设计方法提供了新的理论依据和方法。     

牙轮钻头动力学特性仿真研究

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性.根据汉弥尔顿原理和有限单元法,建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型.在大量单元实验的基础上,建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型.从系统动力学的角度出发,建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型.研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法,编制了钻头动力学特性仿真分析软件,在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下,对牙轮钻头动力学特性进行了仿真.明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理,为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段.     

水平井钻井过程中井底钻压预测及应用

钻头的性能主要通过机械钻速来评判,而井底钻压是影响机械钻速的主要参数。特别对于水平井,其水平段摩阻大、不易施加钻头载荷,导致井底钻压与地面钻压差异较大,因此计算和测量井底实际钻压非常重要。综合Johancsik模型和Aadnoy 3D模型并考虑管柱的刚度,建立了摩阻扭矩模型。井底钻压的计算分为两步,即先使用钻头空钻数据计算钻柱与井壁间的摩擦因数,然后用所得摩擦因数预测钻井时的井底钻压。同时,在Visual C++2013的集成开发环境下,利用C#开发了井底钻压的计算程序,使用开发的程序对摩擦因数和井底钻压进行了计算。结果表明:计算所得井底钻压在数值和变化趋势方面与实测值吻合较好,钻压计算模型和程序能够依据地面钻井数据准确预测井底钻压。井底钻压计算模型和程序可用于钻井事后分析,也可与常规自动送钻系统集成实现井底钻压的准确控制,从而提高钻头性能和钻井效率、降低钻井成本。     

随钻扩眼钻具组合与钻井参数优化研究

鉴于国内现有随钻扩眼系统钻具组合与钻井参数优化研究缺乏,同时考虑领眼钻头及扩眼器几何结构、地层岩石强度及钻井参数等3种影响因素的计算模型少有报道,以及扩眼系统扭矩分配比计算方法缺失等现状,通过建立模型分析了领眼钻头钻压和扭矩分配比随钻具组合、钻柱转速及地层强度的变化规律,进行了钻前不同扩眼钻具组合对比与优选以及随转扩眼...     

钻柱扭转振动模型的建立及求解

在建立了牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头与井底岩石互作用力矩作为钻柱的下端边界条件。在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法,建立了在钻井过程中由于钻头与岩石互作用和钻柱弹性变形而导致钻柱产生扭转振动的动力学模型。在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱扭振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在井底的实际运动规律和动力学性能,控制井眼轨迹,预防钻杆早期失效奠定了理论基础。     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

扭矩和边界约束对水平井钻柱静力分岔的影响

分析了轴向力和扭矩对钻柱弯曲变形的影响,推导出在井孔约束下水平井段钻柱的非线性静力分岔微分方程。采用Galerkin方法对其简化形式的研究表明,在钻井工程中,水平井段钻柱的静力分岔主要取决于钻压和井孔尺寸,扭矩产生的影响可以忽略。在不计扭矩情况下,用解析法求得的两端铰支模型钻柱的临界钻压与用能量法得到的结果相同。对铰-固模型钻柱静力分岔的研究表明,当钻柱屈曲后形成的半波数达到4以上时,两种模型计算的临界钻压差别很小。因此,对水平井段较长的钻柱可用比较简单的两端铰支模型计算其临界钻压。     

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

基于转动定律的钻头轮头速比仿真模型

在牙轮钻头的破岩过程中,影响牙轮转速的因素非常复杂,因此,研究牙轮钻头的轮头速比对岩石破碎机理研究和钻头设计都有重要的指导作用。总结了国内外以力矩平衡、最小功原理等为代表的几种牙轮钻头轮头速比模型的建模理论及其优缺点。通过分析台架试验数据,发现影响轮头速比的主要因素是外齿圈和次外齿圈的齿数、每颗触底齿与岩石的相互作用力、钻压及岩石的硬度。在此基础上,假设牙轮是对称结构、牙轮轴心线为牙轮中心惯性主轴,考虑影响轮头速比的钻头结构参数、钻压和岩石硬度等主要因素,建立了一种基于转动定律的牙轮钻头轮头速比仿真模型。采用数学回归方法对台架试验数据进行处理,求得了所建仿真模型的相关系数。对比分析发现,所建仿真模型的计算结果与台架实物试验结果相对误差较小,说明所建仿真模型可以用来计算实际钻头或仿真钻头的轮头速比,为牙轮钻头破岩机理分析和建立钻进仿真模型奠定了基础。      

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。     

底部钻具组合运动状态及钻进趋势评价方法研究

应用室内模拟试验装置,研究了转速、钻压对底部钻柱运动状态的影响,得出：当钻压一定时,底部钻柱随转速变化存在3种运动状态,即低转速时的规则正向公转、中转速时的无规则摆动和高转速时的规则反向涡动;当转速较低时,钻压对底部钻柱运动状态影响较大,转速较高时,影响较小;当转速较低时,底部钻柱处于同步正向公转状态,当转速较高时,底部钻柱处于反向公转状态。通过理论分析,提出了“井斜趋势角”的概念,推导出了“井斜趋势角”的计算公式,并给出了应用“井斜趋势角”评价底部钻具组合防斜打直能力的方法。应用所提出的评价方法,对钟摆钻具和偏轴钻具组合的钻进趋势进行了评价。     

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。     

Experimental study of rock-breaking with an offset single cone bit

An experimental study of rock-breaking with an offset single cone bit was completed on the bit bench test equipment. Data such as transmission ratio, weight on bit （WOB）, rate of penetration （ROP） and torque on bit were acquired in the experiments. Based on analyzing the experimental results, several conclusions were drawn as follows. The transmission ratio of the offset single-cone bit changed slightly with rotary speed of bit, weight on bit and offset distance. The rate of penetration of the offset singlecone bit increased with increase of WOB and off＇set distance. The torque on bit increased with increase of offset distance under the same WOB and bit rotary speed, decreased with increase of bit rotary speed under the same WOB. The rock-breaking mechanism of the offset single-cone bit was a scraping action. This indicates that the offset single-cone bit is a chipping type bit.     

PDC切削齿切削深度对PDC钻头黏滑振动影响动态实验

通过室内动态破岩实验,研究切削齿切削深度及岩石可钻性对PDC钻头黏滑振动的影响。选取了红砂岩、黄砂岩、白砂岩和花岗岩4种不同岩性、400 mm×400 mm×400 mm的天然岩石作为实验岩样,通过改变钻压,分析切削齿切削深度、岩石可钻性与钻头黏滑振动的关系。选取扭矩和转速波动作为黏滑振动特征参数来描述PDC钻头黏滑振动现象,对其进行无因次化处理,定义为黏滑严重度,并分别建立了PDC钻头黏滑严重度、扭矩振幅,与平均每转切削深度和岩石可钻性的二元非线性关系模型。实验结果表明:实验室条件下扭矩黏滑严重度差异性更加明显;实验的5种钻压下,扭矩黏滑严重度均随岩样可钻性级值的增加而显著增加;PDC钻头每转切削深度增加,扭矩黏滑严重度显著增加。