旋转导向钻井工具稳定平台静力学有限元计算

稳定平台安装在旋转导向钻井工具的内部，对其外形尺寸有特殊要求，要求尽可能地细小，同时又要承载巨大的动态冲击载荷，所以旋转导向钻井工具稳定平台的刚度和稳定平台控制轴的强度直接关系到稳定平台能否正常工作及其寿命的长短。针对开发设计的稳定平台进行了静力学分析，分别建立了稳定平台刚度分析和控制轴强度分析的力学模型，利用有限元分析软件计算了稳定平台的刚度和控制轴的强度。从计算结果可以看出，稳定平台控制轴的最大应力不超过306MPa．发生在靠近下轴承处，强度安全系数大于2．7，满足强度要求。发电机涡轮处最大横向位移为0．528mm，刚度安全系数大于2．8，满足刚度要求。稳定平台最大挠度为3．321mm，偏大，可能会影响稳定平台的动态平衡性能，有必要进一步采取措施，改进设计。     

旋转导向钻井工具3D参数化虚拟样机设计

简述了旋转导向工具的结构组成和工作原理.利用SolidWorks软件平台对某型旋转导向工具进行3D参数化设计.采用SolidWorks自带的有限元插件COSMOSWorks建立了该工具的三维有限元网格模型,对芯轴进行了有限元分析,分析结果证明芯轴的结构设计合理,强度满足工况要求.虚拟样机设计和有限元计算结果为进一步改进和优化旋转导向钻井工具提供了理论依据.     

旋转导向钻井工具BHA侧向力的有限元仿真

为了研究推靠式旋转导向钻井工具的导向能力,建立了旋转导向钻井工具BHA的力学模型,通过ANSYS有限元软件,对该工具的BHA受力与变形进行了仿真计算。分析了工具侧向力的大小及其主要影响因素,除了常规的影响因素(如钻压、井斜角、扶正器欠尺寸)之外,这种工具对侧向力的影响还包括工具覆盖面角、推靠力大小及其作用点等。仿真分析为优化井底钻具组合、研究旋转导向钻井工具导向能力及控制井眼轨迹提供了理论基础。     

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制仿真实验

可控弯接头钻井工具的偏心机构控制方法决定着可控弯接头钻井工具的成败。对已提出的一种基于该可控弯接头钻井工具的控制方法进行了验证。通过Labview软件和SolidWorks软件联合仿真实验,并运用牛顿插值法,验证了在外套旋转和不旋转2种情况下,调整导向轴偏置角β公式的正确性,调整导向轴方位角θ公式的正确性以及调整导向轴偏置角β公式和调整导向轴方位角θ公式联合使用的正确性,并得到了各种情况下导向轴的运动轨迹,可为以后的研究提供参考。     

旋转导向钻井工具稳定平台单元机械系统的设计

稳定平台单元机械系统的设计是旋转导向钻井工具的关键和难点之一。其作用是保证在钻井时不受钻柱旋转的影响，配合旋转导向钻井系统的指令系统对导向工具的工具面角随钻实时调控，实现导向功能，并承担与MWD之间的测控信息无线传输。介绍了旋转导向钻井工具稳定平台的基本原理，展示了所设计的稳定平台单元机械结构图。指出了稳定平台单元机械系统设计的几个特点：进行了稳定平台整体支承方案选择分析，确定了稳定平台整体重量上挂在稳定平台上主支撑座的上挂式方案；进行了轴承选型的对比分析，确定了滚动轴承结构的设计方案，为了提高其使用寿命特设计了轴承保护器；进行了稳定平台主轴控制转动时驱动力矩与阻力矩的分析，给出了所需扭矩的供需平衡的解决办法；进行了影响稳定平台主轴整体刚度的因素分析，提出了提高稳定平台整体刚度的办法；进行了稳定平台旋转主轴的静平衡和动平衡分析；说明了选择防磁材料的原因和轴向累计加工、安装误差的调整方法等。这些措施的实施从机械设计方面保证了整个稳定平台功能的实现。     

基于旋转导向钻进方式的可控弯接头发展现状

旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心工具,代表了目前导向技术的先进水平,其最基本的功能是导向功能和稳斜功能。文章概述了导向钻井工具的发展,叙述了滑动导向钻进方式的缺点与不足,介绍了现在世界上已成功商业化的几种自动旋转导向钻井工具的结构原理。可控弯接头属于指向式导向工具,本文着重探讨了可控弯接头导向机构的结构、导向原理、特点以及发展现状。     

旋转导向马达(RSM)控制精度浅析

旋转导向钻井技术是20 世纪90 年代发展起来的以旋转导向钻井工具为核心的钻井新技术，其中旋转导向钻井系统主要由井下旋转导向钻井工具系统、双向通讯系统和地面监控系统3大部分组成。在简述旋转导向钻井系统国内外发展概况后，重点对影响旋转导向钻井马达控制精度的传感器选择、各种算法及工具系统特性等主要因素进行了分析，重点从姿态控制传感器的选取、如何有效消除由系统惯性引起的误差以及采样率和工具分辨率的关系3方面进行了论述，并通过实验的方法对论题进行了解释说明，得出了几点关于如何提高旋转导向工具控制精度的认识，为导向工具的精度控制提供了理论依据。     

一种旋转导向工具设计方案及其旋转导向功能的实现

导向工具是导向钻井系统的核心,是实现井下闭环钻井的关键因素之一。旋转导向工具能克服滑动导向工具存在的诸多缺陷,是大幅度提高钻井工作能力的有效工具,必将成为未来导向钻井的主流。文中提出了一种旋转导向工具设计方案,并对其实现旋转导向的机理进行了深入研究。作者认为,这种导向工具设计方案不但能够实现旋转导向力方向和大小的有效控制,而且结构简单,可靠性好。     

旋转导向钻井工具系统的研究及应用

总结了国家863课题“旋转导向三维可控钻井技术研究”的研究工作进展及其在现场试验情况，根据旋转导向钻井技术方面的技术特点，开展了旋转导向偏心工具及导向机构、钻井液脉冲器，井下测量数据传输技术，随钻地质参数测量技术，井下钻井工程参数测量技术4个方面的关键技术研究，研制出了旋转导向钻井工具系统。通过室内模拟试验，验证了该工具系统设计原理的合理性。陆地和海上油田的钻井试验表明，在井斜约60°的大斜度稳斜井段，井斜控制和方位控制都满足控制要求；采用旋转导向钻具组合提高了钻压，最高钻压可达240 kN。为“十一五”期间旋转导向钻井工具系统的进一步完善和应用奠定了坚实的工程化基础。     

旋转导向钻井工具导向力优化设计

以旋转导向钻井工具的导向工况为背景，从旋转导向钻井工具执行机构侧向力的规律分析入手，推导了侧向力和工具导向力的解析式，总结出了执行机构侧向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力在导向方向及其垂直方向上两个分量的变化规律。从保持导向力平稳等目标出发，以上盘阀高压孔圆心角为基本变量，给出了最优的导向力及其产生的务件，为工具结构参数的设计提供了依据。     

钻井隔水导管临界载荷及弹性稳定性研究

从海上钻井实际出发,假定隔水导管为一端嵌固、一端铰支约束的典型受力杆件,根据能量守恒准则和弹性稳定性理论,推导出了在有端部集中载荷及自重均布载荷联合作用下其临界载荷的计算方法,并对不变刚度结构和变刚度结构两种不同组合形式的隔水导管的临界载荷进行了实例计算与分析。对于自升式平台钻井隔水导管,采用本文提出的模型及方法求解其临界载荷,这在原理上和技术上都是可行的;在现场作业中,采用本研究方法中的变刚度结构隔水导管组合形式是可操作的。这些研究成果对于进一步提高海上钻井作业的安全性以及合理使用现有设备和降低成本均具有一定的指导意义。     

旋转导向钻井工具导向执行机构设计

旋转导向钻井工具可以根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要，按已设定的程序或交互式给定的指令进行井身轨迹（包括井斜、方位）的控制和调整，有两种基本控制执行模式，一是导向执行模式，二是稳斜或不导向执行模式。导向执行机构是该工具功能实现的最终执行机构。文章介绍了导向执行机构的工作原理，给出了其三维CAD结构图，指出了设计时应注意的问题、设计难点和采取的主要措施。指出导向执行机构的设计需考虑的主要因素有：导向执行机构所产生的推靠力应均匀，避免对井壁产生过大的冲击力；保证导向执行机构本体中通往钻头的钻井液主通道的流畅，尽量降低压力损失；保证通往３个推力柱塞的钻井液流量与主流道流量的合适比例；提高推靠井壁的巴掌的耐摩性。初步计算了巴掌的推靠力。室内功能实验证明所设计的导向执行机构结构设计方案基本正确。     

金属波纹拱支座刚度对其稳定承载力的影响

金属拱型波纹屋顶结构属于冷弯薄壁构件，稳定问题是影响其承载能力的关键因素。以W666金属拱型波纹屋顶为研究对象，利用简化的计算模型，对18m和30m跨波纹拱，分别利用有限元分析程序SAP93进行计算，研究了波纹拱在不同跨度、不同支座形式下，不同外荷载对该结构受力性能及稳定承载力的影响。结果表明，相同状态下的结构稳定承载力，30m跨的低于18m跨的；支座形式对结构的稳定承载力影响很大，为保证结构安全可靠，在实际工程中应尽量采用固支或接近于固支的支座形式；波纹拱在半跨荷载作用时的结构稳定承载力低于全跨荷载作用时的结构稳定承载力。     

高温高压钻井液P-d-T特性及其对井眼压力系统的影响

在高温高压环境下的钻井与完井,既困难,危险性又大。文中阐述了地温梯度、入口钻井液温度、钻井液类型等因素对当量静态钻井液密度的影响;建立了高温高压井中当量静态钻井液密度的计算模型;分析了钻井液密度变化对井底静压、动压、当量钻井液循环密度和动态波动压力的影响。结果表明,利用地面测量的钻井液密度计算井下压力,只适用于浅井和中深井;对于安全密度窗口很窄的高温高压井,必须考虑井筒温度和压力变化对钻井液密度及井内压力系统的影响,才能确保高温高压井的施工安全。     

油管挂安装工具C形环变形量对结构强度影响

针对水深500 m、设计压力等级为34.5 MPa(5 000 psi),设计温度为-18～121°条件下的立式采油树,研究C形锁紧环在锁紧过程中的变形量对其结构强度的影响。理论分析C形锁紧环在扩张过程中,其表面最大应力与C形环变形量之间的关系,得到简化公式。建立有限元计算模型,使用ABAQUS软件分析研究了C形锁紧环变形量对其强度的影响。结果表明:分析的结果与力学模型计算结果吻合较好,简化公式对初始设计具有一定参考性。     

DZ450／9—S双升式钻机底座的结构优化设计

建立杆系钻机底座结构优化设计的数学模型,以底座结构的结构重量为目标函数,所考虑的约束包括应力约束,截面尺寸上下限约束,位移约束和局部稳定约束,采用离散变量的拟满应力结构优化设计与有限元分析相结合的方法,给优化计算的步骤,编制相应的计算程序,DZ450／9－S钻机底座结构优化设计计算的结果表明,采用的结构优化设计方法是可行的。     

钻井试验装置钻压伺服控制系统的设计与仿真

为提高钻井试验装置钻压伺服控制系统的钻压控制精度,利用Simulink软件包对液压系统进行动态仿真。在论述钻压伺服控制系统的物理模型及工作原理后,建立了电液伺服阀控制系统的数学模型,给出系统的设计参数值、Simulink仿真模型和仿真分析方法。理论分析和仿真结果表明,采用步进式积分分离的PID控制能够满足钻压伺服控制系统的控制要求,控制平稳,无超调量,并具有一定的适应能力。     

非黏结柔性立管轴对称载荷作用下的结构响应和数值分析

轴对称载荷是柔性立管的主要受载形式,由于结构组成的复杂性,柔性立管在轴对称载荷作用下的结构响应往往难以确定。基于静力平衡、变形协调以及本构关系,推导出了能够准确预报柔性立管轴对称响应的理论模型,该模型考虑了立管层间接触压力和层间间隙相互排斥的关系,因而可以分析载荷施加方向对结构响应的影响;同时,为了更真实模拟柔性立管的力学特性,在ABAQUS软件中建立了具有详细截面形式的柔性立管数值模型;基于建立的理论模型和数值模型,分析了柔性立管在拉伸、扭转以及内、外压作用下的结构响应,并将计算结果与实验结果进行了对比分析。研究表明,提出的理论模型和数值模型能够准确预报柔性立管在轴对称载荷作用下的力学特性,可为工程设计提供参考依据。