高压旋转密封总成可靠性设计

高压旋转密封总成能够实现钻具与井口的高压旋转动密封。文章首先根据其使用工况建立数学模型，分析各部件受力情况．然后进行滚动轴承选型和可靠性计算，改进结构设计方案。在广泛调研的基础上进行了润滑、冷却与密封的设计。利用有限元法计算内外壳体的应力。按照串联模式进行旋转密封总成整体可靠度计算。计算表明。在旋转密封总成正常工况下工作2000h的可靠性高于80％。     

高压旋转防喷导流系统研制

针对进口的欠平衡钻井用井口压力控制设备 ,特别是承受高压的井口压力控制设备 ,价格非常昂贵 ,使用成本很高的情况 ,利用可靠性设计法研制了一种具有自主知识产权的高压旋转防喷导流系统。系统由旋转防喷导流装置、冷却 /润滑动力装置和远程控制监测装置等 3部分组成 ,其核心部件———高压旋转密封总成 ,其内外壳体间通过轴承组及动密封组实现承载、旋转、密封功能。经室内试验和现场使用情况证明 ,该系统额定静密封压力达到 35MPa ,动密封压力达到 17 5MPa ,其动密封性能已超过进口产品 ,完全能满足现代欠平衡钻井工艺的需要。     

智能钻柱设计方案及其应用

用旋转导向钻井工具在复杂地质条件下钻复杂结构井、特殊工艺井以及建设智能油井是21世纪的重要课题和发展方向之一。分析了钻井液脉冲无线随钻传输以及电磁波传输所存在的问题,指出采用导线传输方式既能由地面向井下输送足够的电力以电控井下仪表传感器和专用硬件,同时又能建立10^～10^6b／s的超高速率传输多类参数的有线实时双向闭环钻井信息“高速公路”。提出了智能钻柱的设计思路及方案,并分析了智能钻柱的功能、优点。     

DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制与应用

为了进一步促进欠平衡钻井技术的发展,推进旋转防喷器产品系列化,开展了DQX-Ⅱ型低压旋转防喷器的研制。该防喷器采用双胶心结构,上胶心起扶正、减震作用,下胶心起密封作用,弥补了目前欠平衡钻井导流头使用单胶心的不足;此外,上、下胶心全体安装在壳体内部,进一步增强了扶正效果。还采用了滴油润滑设计,能够有效提高胶心的密封效果,延长胶心的使用寿命。室内模拟试验与现场试验表明,该防喷器在使用过程中运转正常,性能可靠,可操作性强,效果良好,达到了设计要求,能满足低压欠平衡钻井的需要。     

新型快捷式过电缆密封器的研制与应用

为了解决海上过电缆密封器密封性能差、电绝缘性能不可靠等技术问题,研制了一种新型快捷式过电缆密封器.该工具内置三芯电缆,外部套装金属壳体,电缆与壳体之间挤注绝缘材料,两端嵌入橡胶以达到密封高压和绝缘防护作用.根据该工具的工作原理和结构特点,对螺纹、薄壁管处进行强度校核,验证了满足极限承受1500 m电缆重量的设计要求;采...     

智能井多档位液控阀结构优化设计

多档位液控阀是井下智能分采技术的核心关键工具,其性能优劣直接影响分采井产能。分析并优选了智能井多档位液控阀的直接液力控制、微型液力解码器控制和数字液力解码器控制3种液控方案,优化液控阀换档控制机构及密封方式,最后通过高温高压井况模拟试验,验证智能井多档位液控阀在实际井况下的工具性能。结果表明:数字液力解码器控制阀可在有限空间内实现较少管线对多目标层位的有效控制,且具有操作简单、作业风险低的优势;液控阀换档控制机构从直线型设计优化为旋转换档型设计,可实现对排量的精细调控;采用不祼T形密封结构,可有效降低井内液体对胶件的冲击,保证液压控制阀的长期密封性;多档位液控阀在高温高压条件下的导向、换档、限位、开度调控等功能良好,能够满足现场使用。本文研究对智能井多档位液控阀的进一步优化及现场应用具有一定指导意义。     

JZZY-1型井下钻柱减振增压装置结构优化及现场试验

现场试验结果表明,利用钻柱的纵向振动可以实现井下钻井液增压以达到超高压射流辅助破岩的目的。井下钻柱减振增压装置能够大幅度提高钻井速度。为进一步提升井下钻柱减振增压装置的工作性能,对其结构进行了优化,并研制了井下钻柱减振增压装置用超高压钻头流道系统。优化后的装置整体结构大大简化,每个零部件的加工、安装、拆卸和维修都比较容易;研制的超高压钻头流道系统无需生产专用钻头,与普通钻头组装后便可配合井下钻柱减振增压装置使用。在胜利油田临盘地区的2口井现场试验评价表明,改进后的井下钻柱减振增压装置配合超高压钻头流道系统结构可靠,工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求。     

控制软管滚筒的研制与应用

为使连续管作业机液控系统传输管线能够有序排布、节省空间,研制了用于缠绕注入头和防喷系统液力软管的控制软管滚筒。该装置以旋转接头为筒体轴心,单边驱动,两端配转向集成块接液压管线,整体结构紧凑。对研制的滚筒开展了动态寿命和静态密封试验,试验过程中,各通道保压情况良好,旋转接头内部无泄漏,旋转接头和转向集成块的连接处无泄漏,满足现场使用要求。试验完成后对旋转接头进行拆解,拆解情况表明,旋转接头密封组合仍可继续使用,轴套与轴心磨损仅为0.02 mm,壳体与轴心表面粗糙度无明显变化,验证了产品的可靠性。     

井下钻柱信道的声传播特性

基于钻柱信道的随钻数据声波传输方式能够满足现代钻井速度快、传输数据量大的要求。在声传播特性分析模型建立基础上,采用传递矩阵计算方法,对不同钻柱组合的声传播特性进行了研究。结果表明,钻柱信道的一个最明显特征是窄频带多波段通信。钻柱信道的几何结构、物理参数和信号频率对信道传输性能有显著影响,随着信号频率和传输距离的增大,接收信号衰减程度增大,同时信道的声传输性能还受钻柱材料的弹性模量和密度的联合作用影响。对于周期性钻柱,当钻杆长度增大时,通带中心向低频偏移,通带和阻带变窄;当接头横截面积减小时,通带变宽,阻带变窄,一个频带周期内通带中心向频带中心频率偏移,距离频带中心越近,其偏移量越大。对于非周期性钻柱,结构和物理参数差异的增大,会引起钻柱信道频域特性的显著变化,声传输性能显著下降。信噪比是影响井下信息声传输系统设计的关键因素,同时为了实现声波遥测,声传输方式的通信工作频率应尽量选择低频。     

钻柱信道中声波信号传输性能研究

石油钻井过程中使用的钻柱自上而下贯穿整个井筒,钻柱是连续的钢质结构,为声波的高速传输提供了得天独厚的条件,被认为是一种很有潜力的高速通信方法。为此,笔者对纵波声波信号在钻柱信道中传输的时频域特性进行研究,并对钻井液阻尼的影响规律进行分析。研究结果表明,纵波声波以正弦信号形式传输效果较理想,钻井液阻尼对钻柱信道传输性能的影响较小;信道通带内的频率信号传输性能较好,经过钻柱信号的幅值和波形保持良好,阻带内的频率信号经过钻柱时其幅值衰减明显,并产生显著的色散现象,信号波形失真严重。因此,传输信号频率应尽量选择在低频段的通频带内。     

弯曲井眼中钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了弯曲井眼中的钻柱模型,在模型中考虑了重力、钻井液浮力、曲率半径、井眼轨迹等因素,用有限元法对钻柱屈曲过程进行分析,通过调整扶正器安放位置,得到超刚性钻具组合,并与满眼钻具组合计算结果进行比较。结果表明,超刚性钻具的最大挠度比满眼钻具的最大挠度小,说明超刚性钻具的刚度比满眼钻具的刚度大,受钻压和转速的影响小,抗地层造斜能力强;钻压和转速对钻柱挠度都有影响,但转速影响比钻压大得多。     

旋转钻柱内赫巴流体流动模型与流场特性研究

为了揭示钻井液在旋转钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了旋转钻柱内赫巴流体的流动模型。研究了钻柱的旋转速度、轴向流速及密度的变化对钻柱内螺旋流场的影响,并给出了合理的解释。通过分析得出旋转钻柱内赫巴流体的流动由于其表观黏度的单峰分布特性,使得螺旋流场减弱了流体质点在各方向上的随机脉动趋势,并增强了流场旋流的整体趋势。该项研究成果对于钻柱内考虑旋转效应流场钻井液流动的深入研究具有指导意义。     

基于叠加原理的钻柱行星运动诱发平面流场的PIV分析

为了研究钻柱行星运动诱发流体平面流动的规律,解决提高钻井液携岩能力、降低流动压耗、降低涡动对钻柱破坏等的实际工程问题,提出了基于叠加原理的求解思路,将行星运动诱发的平面流场分解为钻柱与井筒等角度旋转的离心力场和钻柱与井筒同时自转诱发的流场。为分析后者流场,设计了内杆与外筒自转诱发流体平面流场的测量实验装置,并进行了粒子图像测速（PIV）实验。结果表明：内杆与外筒自转所诱发平面流场的速度呈近似对称分布,对称轴是外筒与内杆横截面圆心的连心线;内杆偏心自转时,存在出现二次流的偏心率临界值,且二次流出现在远离内杆、近外筒壁的地方;内杆与外筒自转方向相同时,二次流的出现与偏心率以及内杆与外筒转速差都有关,且二次流分布区域随偏心率的增大、内杆与外筒转速差的增大而扩大;内杆与外筒自转方向相反时,二次流呈月牙儿状近似对称分布,分布区域随内杆或外筒转速的增大、偏心率的增大而扩大。     

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响,取得上千组试验数据。试验结果表明:随环空返速增加,小井眼环空压耗增加很快;在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降,但下降幅度很小,在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大;随偏心度增大,环空压耗降低;随环空间隙减小,压耗对钻柱旋转变得更为敏感;随钻井液幂律流性指数增加,环空压力损耗增大;随宾汉塑性粘度增加,环空压耗增加;随钻井液密度增加,环空压耗增大;钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。     

钻柱力学三原理及定性模拟实验

在一般力学中,系统都要遵循平衡原理、最小势能原理和最小耗散功率原理。钻柱力学也遵循这三原理。钻柱的任何一点、任何时刻,都必须满足力学平衡方程;若出现多解,先用最小势能原理判断;若还存在多解,则用最小耗散功率原理判断。用钻柱失稳问题说明了最小耗散功率原理不包含最小势能原理;不可用最小耗散功率原理取代最小势能原理。实验发现:1杆柱的转速越高,其挠度越小,越靠井筒中心。2存在涡动状态转换临界转速。当转速低于此临界转速时,随着转速的增加,耗散功率增加;当转速高于此临界转速时,随着转速的增加,耗散功率先迅速降低并且杆柱的挠度突然减小,然后随着转速的增加,耗散功率又增加。3液体的黏度越大,涡动状态转换临界转速越小;轴向载荷越大,涡动状态转换临界转速越小。钻柱力学三原理为复杂的钻柱动力学问题的多解性判别提供了新的判据。     

涡动钻柱内赫巴流体的流动特性研究

为了揭示钻井液在钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了涡动钻柱内赫巴流体的流动模型,结合流体力学相关理论,对比分析了速度剖面与表观黏度剖面,研究了钻柱自转速度、公转速度、轴向流速及流体密度等参数的变化对钻柱内流场的影响,得到了各参数对涡动钻柱内摩阻压耗的影响规律。研究表明,公转速度正向增大或反向减小时摩阻压耗都有减小的趋势,自转速度增大时摩阻压耗有增大的趋势。由此可见,考虑钻柱涡动的摩阻压耗变化规律,可使涡动钻柱内钻井液的描述更接近于实际钻井工况,有助于钻井液循环系统的优化。      

抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制

为了抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹现象,分析了黏滑振动和钻头反弹的运动机理,根据牛顿第二定律及电力拖动系统运动学理论,建立了钻柱旋转系统、起升系统的动力学模型及其负载模型,设计了基于线性二次型（LQR）控制策略的钻柱旋转系统和起升系统的状态反馈控制器。仿真结果表明,LQR控制器可使钻头转速稳定在给定转盘转速附近,控制系统的响应时间小于25 s,减少了钻压、扭矩和轴向位移波动,有效抑制了钻柱黏滑振动和钻头反弹现象。     

钻柱近钻头力学特性测量系统功能研究

根据井下钻柱力学测量特点，研究了模拟钻柱近钻头力学特性测量系统，其基本功能包括：采用传感器精确得到对应于模拟钻柱在转动过程中包括钻头处的扭矩、径向力的大小和方向以及轴向力大小的电信号；经过调制电路和单片机采集及软件处理后，通过无线发射电路把四路信号以无线传输的方式发出；在控制室接收到信息经进一步处理后传给工控机；在工控机内用软件得到测量信号随时间变化的模拟和数字图并存储下来。在实验室内对该系统性能初步进行了测试。     

反转激发的以拍形式存在的钻柱横向振动

在钻井过程中,横向振动对钻柱的影响十分显著。为了解决横向振动造成的钻柱失效问题,建立了钻柱横向振动的微分方程,获得了钻柱横向振动的基本规律。结合大庆油田升深7井,对钻柱横向振动进一步分析得到:反转是造成横向振动的主要原因,反转转速与环隙比有关,当环隙比较小时,反转转速与自转转速基本呈线性关系,当环隙比较大时,反转转速会出现偏离理论值的现象; 在研究钻柱横向振动时,钻柱横向振动固有角频率不仅与钻柱本身的性质有关,还与钻柱所受静态轴向载荷有关,钻柱振动部位距中和点的距离不同,重力与浮力对钻柱振动频率的影响也不同; 反转所激发的横向振动一般以拍的形式出现,由弯曲应力波叠加而成; 在钻柱既有反转又有自转的情况下,当弯曲应力角频率与钻柱横向振动固有角频率接近时,钻柱发生横向共振。