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.     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

通过建立数学模型的方法对单牙轮钻头与岩石的互作用运动进行仿真,仿真结果不能完全准确地反映单牙轮钻头钻进的实际情况和破岩细节。鉴于此,笔者采用线性Drucker-Prager模型模拟岩石材料,并考虑岩石损伤以及钻头与岩石之间的随机接触,通过ABAQUS有限元分析软件建立了单牙轮钻头钻进过程的非线性动力学模型,对单牙轮钻头在破岩过程中的运动规律及力学性能进行了探讨,分析了不同岩石材料和不同钻压情况对单牙轮钻头钻进性能的影响,得到了钻头传动比及牙轮转速。仿真结果可为单牙轮钻头的设计提供依据。     

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。     

三维井眼全井钻柱系统动力学模型研究

依据Hamilton原理,利用有限元法建立了综合考虑钻柱纵向横向扭转耦合振动、钻柱与井壁的碰撞及摩擦、钻井液对钻柱的黏滞阻尼、钻柱内钻井液对运动钻柱的弯曲效应、环空钻井液对运动钻柱的压差效应、地层压差效应、屈曲对摩阻的增益、钻头与岩石相互作用等因素的三维井眼全井钻柱系统动力学模型。研究了具有不确定性和动态边界的大型非线性系统的求解方法,开发了钻柱系统动力学特性仿真软件。该软件可以计算任意钻井参数、钻具组合、钻井液参数及地层参数下任意钻柱单元的动力学特性参数(包括位移、速度、加速度、载荷等)。     

钻头与岩石互作用下钻柱黏滑振动规律研究

黏滑振动会引起钻柱上产生高频波动的剪切应力，导致钻柱过早疲劳。为此，在考虑钻头与岩石互作用的情况下，耦合了钻头与岩石互作用模型与钻柱系统4自由度扭转振动模型，建立了考虑钻头与岩石互作用的钻柱系统扭转振动模型，并以现场实测数据对模型精度进行了验证；分析了井深、岩石类型对钻柱系统扭转振动特性的影响规律；据此提出了一些抑制深井/超深井黏滑振动的方法。研究结果表明：井越深越容易发生黏滑振动，且黏滑振动越强；岩石的可钻性越高，钻头在此类岩石中钻进时钻柱系统黏滑振动越弱；使用扭力冲击器等井下动力钻具可以有效地抑制黏滑振动，特别是在硬地层中钻进时，配合攻击性强的钻头可以有效抑制黏滑振动，提高机械钻速。     

钻柱振动录井的研究现状及发展趋势

钻进过程中钻头破岩会引起钻柱的轴向、横向和扭转振动,这种振动携带了井下钻头、所钻地层和钻柱的信息.利用在钻柱顶部测量的振动信号,监测井下钻具的工作状态,获取钻头下方地层特性的技术称之为钻柱振动录井.对钻柱振动录井技术的基本原理、钻柱振动特征、测量仪器、数据处理方法和存在的主要问题及发展趋势作了系统分析,认为:钻柱振动录井可用于井下工况监测、地层评价与钻前预测,具有很好的发展前景;钻柱的传播效应使井下振动信号发生了强烈畸变,发展钻柱振动录井的关键是引入新型信号分析方法,分离钻头、钻柱、地层信息,有前景的方法包括反褶积、小波分析、独立成分分析等;无线传输、多参数、多分量钻柱振动测量手段的应用将有助于信号分析和井下信息提取.     

液力井斜控制-减振-推进器

为便于控制井眼轨道、延长钻具的使用寿命和简化钻进操作，提出了液力井斜控制－减振－推进器，该钻具具有井斜控制、减振和推进三大功能。通过调节钻压与泵压的关系，工具可实现伸出和缩进，从而调节稳定器之间和稳定器与钻头之间的距离，改变钻具组合的造斜特性，达到不起下钻就可改变下部钻具造斜特性的目的。此外，在钻进时还可根据需要，通过钻具的液力推进功能使钻头钻进，而不必由地面连续送钻。在此过程中，钻头的纵向振动主要传递给钻井液，而传递到上部钻具的纵向振动很小，具有良好的减振作用。     

牙轮—PDC混合钻头的破岩特性及温度场变化

较之于常规的PDC钻头或牙轮钻头,牙轮—PDC混合钻头有着更好的破岩效果,其破岩过程产生的热量对其使用寿命和钻井效率都有着重要的影响,但目前对其破岩过程中温度场和破岩特性的研究还不够深入。为了给混合钻头的优化和推广提供理论支撑,基于有限元法、弹塑性力学等建立钻头破岩仿真模型,据此研究了破岩过程中的混合钻头温度场变化规律和破岩特性。研究结果表明:(1)牙轮主导型混合钻头破碎岩石时牙轮切削结构先冲击岩石,形成破碎坑,PDC切削齿再进行剪切,而PDC主导型混合钻头由PDC切削齿对岩石进行刮切形成沟槽,牙轮切削齿再对岩石进行破碎;(2)混合钻头在破岩初始阶段温度上升较快,一段时间后趋于平稳且钻压越大温度越高;(3)较之于PDC钻头和牙轮钻头,混合钻头破岩过程中温度更低,混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和;(4)混合钻头在硬地层中的破岩温度高于在软地层中的破岩温度,而钻速则相反;(5)钻头破岩温度和破岩特性与其自身结构有关。结论认为,该研究成果有助于混合钻头的优化设计和推广应用。