关于提高钻机许用载荷的问题

<正> 为了论证提高钻机总有效载荷的可能性,以便增加其钻井深度,就必须确定动载荷值,并估计动载荷对提升系统零件的疲劳强度的影响。钻机动力学研究的现有发展水平,已能采用数学模拟的方法来解决这些问题。人们用电子计算机对钻具起下过程进行了研究,根据这些研究资料绘制了动载系数和最大动载荷与钻柱重量的综合关系曲线,例如图1给出的综合     

自走式修井机游动系统仿真模型

为了获得自走式修井机的系统动力学特性,在系统动力学仿真软件ADAMS中建立了修井机游动系统的起升和下钻仿真模型,成功地用Rack-and-Pinion Joint模拟了钢丝绳与滑轮间的缠绕关系,用Single Component Force模拟出了钢丝绳在起升、下钻过程中刚度的变化过程。对仿真模型在额定工况时的起升、下钻过程进行了仿真运算,得到了游动系统中快绳、死绳、各游绳及井架上的最大动载荷和动载系数。仿真结果可用于钢丝绳的选择、井架的设计和使用时参考。该仿真模型中解决钢丝绳与滑轮间的缠绕和钢丝绳的刚度随时间变化的方法也可为研究钻机、矿井提升系统等类似的时变结构系统动力学时借鉴。     

轴向拉力作用下复合钻柱允许扭转圈数的计算方法

深井、超深井钻井中经常使用复合钻柱,如出现卡钻等井下故障,处理时需要计算复合钻柱允许扭转圈数,但目前尚没有关于复合钻柱允许扭转圈数的计算方法。为此,从材料力学基础理论入手,建立了复合钻柱各分段最大剪切应力与几何尺寸之间的数学关系式和各分段谁先达到许用值的判定式,并推导出了在轴向拉力作用下的复合钻柱允许扭转圈数计算式。实例验算表明,推导出的轴向拉力作用下的复合钻柱允许扭转圈数计算式具有科学性和合理性,对处理深井、超深井复合钻柱卡钻等井下故障具有指导作用。      

交流变频电驱动钻机起升系统的模拟

为了进一步探讨交流变频电驱动钻机起升系统的动态特性,采用ADAMS仿真软件,对ZJ30/1700DB型交流变频电驱动钻机起升系统进行了模拟计算与分析.建立了系统模拟模型,分别对基本载荷、考虑钻柱和井壁摩擦时的钻机起升系统以及考虑系统弹性时的钻机起升系统进行了动态模拟,得到了大钩载荷、大钩速度以及绞车滚筒角速度的模拟结果,并通过模拟得到了起升系统起升过程的动载系数.模拟结果表明:钻机在起升过程中存在着动载,动载系数随着起升条件的改变而改变;在起升过程中由于钻柱与井壁产生摩擦,使起升过程的平稳性变差,使大钩载荷增加,滚筒、大钩速度呈现出明显的不均匀;考虑起升系统弹性后整个系统在起升过程中振动增大,在实际控制过程中必须要认真对待;控制系统的灵敏性、准确性也影响起升系统的动载系数.为减小起升时的动载系数,可采用直接控制电机特性的方法,有效减小起升动载荷.模拟结果对进一步继续深入研究电驱动钻机及其绞车特性和产品设计都具有一定的参考价值.     

顶驱钻井柔性钻柱动力学特性分析

与单独分析钻杆纵向振动不同,将钻柱、吊环、顶驱装置、水龙头、起升系统和井架组成的柔性多体系统与钻井液、井壁耦合进行分析。首先推导了多体系统在耦合条件下起下钻过程钻柱系统纵振方程和频率方程,把内外钻井液对钻柱系统的作用力折算成等效的附加质量,运用Matlab编程计算,得到钻柱前8阶固有频率的理论解,并与采用Ansys软件计算得到的数值解比较,验证了理论推导的合理性;其次,针对钻柱提升或下放速度与加速或减速所延续的时间的比值与动载的线性关系,对钻柱系统进行谐响应分析,得出了不同v/t值下钻柱系统的动力响应。为起下钻过程中合理的起升、下放速度和时间参数设计提供了参考依据。     

水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立

相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入。为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道、钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik模型对比,验证了仿真模型的准确性。通过模拟钻进全程来剖析稳定器、大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响。研究结果表明：三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值。研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考。     

减振器减振效果的控制因素分析

石油钻井现场对井下钻柱纵向振动的控制普遍使用井下减振器，利用隔振原理来降低钻柱振动。采用钻柱的连续系统振动模型，对井下减振器的作用进行分析，得出减振器的效果与减振器的刚度、转速、钻压、减振器的安装位置之间的关系：减振器的刚度愈小，吸振性能更好；装有减振器的钻柱应尽可能在高于80 r/min的转速下工作；减振器的减振效果与钻压关系较复杂，适当提高钻压可降低共振转速，降低动载传递系数，但效果不如增加转速明显；在合理位置安装减振器，既能起到保护钻头和钻柱的作用，又能达到提高机械钻速的目的。     

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)。     

钻井绞车刹车块上单位压力分布的研究

研究下钻时绞车刹车块上单位压力的分布及其对带-块式刹车中刹车副摩擦系数的影响,有着重要的实际意义。 当刹带的张力非均匀分布时,也就是刹车块上的法向载荷非均匀分布时,刹车块沿刹带圆弧均匀排列往往导致刹车块非均匀磨损(刹带死端的磨损比活端的大得多)。由于所有的     

刹带的修整与组装

文章指出,变了形的刹带圈常常是刹车效率低,刹车不灵及刹带块偏磨的原因。本文介绍了在井场上修整这种变了形的刹带圈的具体方法、步骤以及镶装刹带块时应注意的问题。本文可供井队司钻等学习参考。     

超深水NGH无隔水管取样钻柱非线性静力学分析

绳索式钻探取样系统取样过程中,钻柱受到海流、波浪、岩土、钻井船漂浮及其他载荷因素的影响,其静态特性非常复杂,具有几何非线性与接触非线性的特点。鉴于此,考虑海洋环境载荷及海底岩土等对取样钻柱的作用,建立了完整的取样钻柱力学分析模型,研究取样钻柱非线性静力学特性,分析不同外界因素对取样钻柱静力学特性的影响规律。分析结果表明:超深水天然气水合物取样钻柱等效应力和最大弯矩均位于钻柱顶部迎流处,钻柱的最大弯曲变形发生在其顶端1/3偏下位置;海流流速、拖曳力系数及作业水深的增加均使得钻柱弯矩和弯曲变形增大。研究结果可为无隔水管取样钻柱的受力分析和现场施工提供参考。     

PIPE ROCK钻柱扭摆系统应用评价

国外以斯伦贝谢公司Slider系统为代表的钻柱扭摆系统在常规滑动定向钻进时,取得了较好的减轻摩阻、克服钻进"托压"的应用效果,但国内钻柱扭摆系统仍处于试验与完善阶段。为此,从分析自主研发的PIPE ROCK钻柱扭摆系统的原理及系统构成、操作流程、使用方法、试验实钻结果等方面入手,结合与常规滑动钻进方式的技术效果比较结果,总结了该系统现场试验所取得的成果,分析了该系统的缺陷并提出了改进措施。研究结果表明:(1) L204井应用该系统前后的数据表明,扭摆钻井防托压效果明显;(2) Long016-H1井水平段共定向调整轨迹20次,使用常规滑动定向平均纯钻时效为64.3%,而使用钻柱扭摆系统的定向纯钻时效提高到83.4%,提升效果明显;(3)使用扭摆系统后,可以在钻进过程中不停钻调节定向工具面,使工具面保持长期稳定,提高了定向精准度;(4)钻柱扭摆系统目前还存在着自动化程度较低、需要人工实时调整扭矩设定值、使用效果受人员个体差异影响较大等缺点,因而有必要持续改进该系统以最终实现轨迹的智能控制。结论认为,该钻柱扭摆系统成功地解决了定向钻进托压难题,具有提高定向纯钻时效、提高定向精准度的作用,减少了定向次数和定向段长,大幅度提高了定向机械钻速和单趟钻的行程钻速,能够满足现场作业要求,具备工业化应用的条件。     

复杂结构井钻柱解卡参数分析

在复杂结构井解卡过程中,为了优化旋转上提和旋转下放的解卡参数,确保载荷能够最大限度地传递至卡点,分析了遇卡钻柱与正常钻柱在摩阻扭矩计算方面的差异,探讨了旋转、减阻器和卡点深度对遇卡钻柱轴向力传递效率的影响。实例计算和分析结果表明,遇卡钻柱的摩阻系数与变形量存在耦合关系,且随载荷分布、卡点深度等参数的变化而变化;钻柱旋转可以提高载荷传递效率,下放解卡时旋转降阻作用更加明显;旋转上提解卡时卡点拉力随井口拉力的增加而增加,旋转下放解卡时最大卡点压力可能不是悬重放空时,通过优化解卡参数可以最大程度地增加解卡载荷;旋转上提和旋转下放解卡过程中,减阻器会降低最优解卡参数下的最大卡点载荷,减阻器轴向摩阻系数越大越不利于解卡作业。     

水平井中钻柱的临界载荷

对水平井来说,应考虑水平段钻柱的屈曲问题。本文将水平段钻柱视为弹性基础梁,把钻柱与地层看作一个弹性系统,把钻柱所受的轴向压力(钻压)作为此系统的外载荷,应用能量法确定水平段钻柱的临界载荷,提出工程计算方法,并对两个实例进行了讨论。     

钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用

在油气井作业中,由于钻柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻井和修井作业均有很大的影响，甚至成为作业成败的关键。钻柱的拉力和扭矩分析是水平井和大位移井设计和施工的重要内容。为此，介绍了钻柱拉力扭矩分析的数学模型、钻柱稳定性判别方法和屈曲后的附加压力和附加应力的钻柱强度校核方法。对钻进过程中的G104-5CP12侧钻水平井钻柱的各种运动状态进行了力学分析。计算表明，在正常施工过程中钻柱一直处于稳定状态，具有比较大的安全系数。     

变频驱动钻机自动送钻试验系统的研究

为了更好地开展变频驱动钻机自动送钻技术的研究,研制了一套变频驱动钻机自动送钻模拟试验系统。该系统由送钻系统和加载系统组成。送钻系统由可编程控制器(PLC)、变频器、变频电动机组成的闭环系统来实现自动送钻;加载系统采用以计算机电液开环控制系统模拟钻柱载荷。对系统的硬件、软件设计进行了论述。对于送钻系统的控制算法,采用基于神经网络的PID控制策略,利用神经网络的自学习功能在线调整PID的参数。最后对整个系统进行了试验,在恒值载荷和正弦载荷的作用下,送钻系统均能稳定工作。系统的阶跃响应指标为:最大超调9.2%,调节时间2.3s,峰值时间0.6s,最大稳态误差3.0%,满足应用要求。     

钻柱拖扭阻力的计算分析

考虑钻柱主要部分的刚度，对水平井乃至其它井中的整个钻柱的拖扭阻力，进行深入分析，提出了系统的计算模型、方法及其功能与适用范围，并对起下钻及钻进时的大钩载荷、摩阻、水平段长度设计、井身优化等问题，进行了计算分析。     

深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应特性研究

在深水无隔水管钻井系统中,海水段钻柱系统受到外部海洋载荷、顶部转盘扭矩以及底部钻头-地层作用力的影响,极易发生纵-横-扭三个方向的振动,导致钻柱发生强度降低、磨损及疲劳失效。为了对深水无隔水管钻井钻柱三维振动响应进行研究,基于能量法、Hamilton变分、微元法和达朗贝尔原理,在考虑海流、钻井液流速和钻柱-井壁接触碰撞等因素的基础上,建立了无隔水管钻井钻柱的三维振动方程,并验证了其有效性,分析了雷诺数、速度比、波动钻压及钻柱转速等对钻柱振动的影响。研究结果表明：地层段钻柱的振动响应远没有海水段的大,并且横流向振动幅值也要小于顺流向振动幅值,但其振动频率却大于顺流向振动频率;适当增大速度比会减小海流对钻柱的激励作用,钻井液流速较高时会对钻柱振动产生较大影响;波动钻压幅值影响钻柱纵向振动的位移响应,但不影响纵向振动频率,现场钻柱可采用较小的波动钻压,以减小钻柱的纵向振动和扭转剪切应力,但应避开120和60 r/min的转速。所得结论可为无隔水管钻井钻柱的减振措施制定提供参考。     

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石油钻柱的失效80％以上都为疲劳破坏，这与钻柱在弯曲和扭转组合下的交变应力有关。文章结合钻柱疲劳破坏的基本特征和有关实验数据，得到了钻柱在钻井液腐蚀条件下的持久极限应力近似计算公式。利用复合交变应力强度计算理论，考虑钻柱涡动及轴向载荷的影响，建立了钻柱复合交变应力下的动态强度条件，并给出了计算实例。结果表明，静态条件下安全系数满足设计要求的钻柱，一旦动态条件下的疲劳强度不够，就会发生失效。文中所建模型对于钻柱设计时的强度校核、在役钻柱的安全评估以及失效钻柱的事故分析具有实际的指导意义。     

充满液体的圆筒中受压屈曲杆柱旋转实验

在钻井过程中,下部钻柱的主要运动形式为受压屈曲后的自转和涡动。受压屈曲钻柱旋转可以增大钻柱与井壁的接触摩擦力,诱发钻柱横向振动和涡动,造成井壁失稳和钻柱损坏,甚至造成钻井作业失败。目前,井筒中受压屈曲旋转钻柱的运动规律的认识尚不全面甚至部分认识是错误的。通过实验研究了载荷、转速、钻井液和圆筒内径等参数对圆筒中的受压屈曲杆柱旋转运动的影响。分析了模拟钻柱在液体中由正向涡动转为自转和反向涡动的耗散能量。结果表明：①随着载荷的增大,屈曲钻柱首先正向涡动;其次既有正向涡动,又有自转;然后沿部分井壁反向涡动和自转的组合;最后沿井壁反向涡动。②钻井液的动力润滑作用可以减小钻柱正向涡动旋转幅值,并能阻止反向涡动的形成。③提高钻井液的动力润滑性、减小井眼直径、增加井斜角,出现反向涡动的载荷增大。④钻柱随载荷增加可能出现2次反向涡动。⑤钻柱运动状态转换符合最小耗散功率原理。