旋转导向偏心稳定器力学特性研究

基于悬臂梁模型,建立了旋转导向偏心稳定器在提离井底条件下的力学模型,分析了偏心稳定器产生的造斜力与钻具横向均布载荷、井斜角、钻具长度、偏心位移以及钻具抗弯刚度等参数的关系,其结果可以为旋转导向钻井工具的设计和钻具组合的选配提供依据.     

旋转导向偏心稳定器井壁推靠力力学特性及影响因素研究

通过建立切合实际情况的力学模型,推导出旋转导向偏心稳定器井壁推靠力方程,该方程包含了与钻井作业有关的钻压(轴向力)s、钻具自重q、井斜角α、偏心稳定器与上部稳定器之间的距离l、钻具的弹性模量E和轴惯性矩I以及偏心稳定器翼肋位移δ等参数。通过计算实例,分析了sl、、α及δ对井壁推靠力的影响,所得认识对于开展旋转导向偏心稳定器钻具系统和旋转导向钻井技术研究有重要意义。     

新型旋转导向井下闭环钻井工具

近年来大位移井和复要轨迹井眼的需求不断增加,对井下钻井工具的研制提出了新的要求,利用现有的动力导向技术,钻压旗加困难,难以发挥高效钻头的作用,“滑动”方式下大摩阻的存在使井底工具面的控制难度加在,井眼水平延伸受到限制,为减小摩阻,使钻柱具有更大的延伸能力,实现对井眼轨迹的精确控制,国内外纷纷致车于井下可控工具和旋转导向闭环钻井系统的研究,本文介绍了2类可实现井下全方位控制的偏置机构及目前国内外已有的几种旋转导向闭环钻井系统。     

旋转导向钻井技术应用研究及其进展

旋转导向钻井技术随着油气田开发过程中人们对于钻井井眼轨迹的新要求应运而生。中国对该项技术的研究始于“九五”期间,到“十一五”期间便完成了旋转导向钻井系统工程化的研究,最终形成了一套旋转导向钻井工具系统。2009-2012年,在甘肃、四川、渤海油田等区域进行了20余次不同类型的井眼轨迹控制实钻试验,该系统已基本实现了地层参数测量、工程参数测量、定向井井眼轨迹测量和控制、信号脉冲反馈及收发等4项功能,试验最大造斜能力为6.73°/30 m,达到了预期的目标和设计要求。在3大关键技术方面取得了突破：①从井下工具的测控原理到方法上取得了突破;②在定位总成的设计原理和技术上取得了突破;③在偏心稳定器获得尽可能大的侧向力的研究和设计上取得了突破。今后还将把工具的长期稳定运行和轨迹控制精度作为重点试验内容,以期尽快实现其在钻井工程中的实用化目标。     

旋转导向钻井系统中振动加速度的消除方法

在钻井过程中,钻头切削岩层、钻柱与井壁的碰撞,必然造成钻井工具的振动,这些振动会在测斜加速度传感器的输出上得到反映,使其不能真实地反映井眼姿态的变化。为及时得到准确的井眼姿态,有必要研究振动条件下传感器的输出规律,进而消除振动的影响。从室内模拟振动实验的原始数据入手,通过Matlab对传感器输出信号进行功率谱密度估计,得出了振动频率与转速的大致关系,并设计了具有针对性的滤波器。通过对实验数据分析处理,振动干扰信号的能量得到大幅衰减,测斜传感器3个敏感轴的输出波动明显减小,提高了姿态测量的准确性,从而验证了该方法在旋转导向系统中是可行的。     

旋转导向钻井偏心位移的测定方法

翼肋定位控制系统是可控偏心器的核心执行机构,决定了位移偏心矢量的大小和方向。利用系统辨识的方法可以进行无位移传感器时的位移测定,对系统的工作特性进行了仿真分析,得到了翼肋液压定位控制器的系统模型。对辨识所得的数学模型在可控偏心器系统中进行了实验验证,对辨识模型在可控偏心器中的应用能力进行了评估。利用该方法可以实现可控偏心器井下无位移传感器的位移控制。     

旋转导向闭环钻井系统

通过对比研究国内外有代表性的旋转导向钻井系统的组成及特点,介绍了旋转导向闭环钻井系统的集成方式、井下定向控制单元、地面监测系统,论述了旋转导向钻井工具在旋转钻进时具有连续三维导向和增大延伸长度的能力,可提高钻速,缩短建井周期,降低钻井成本,并详细阐述了国内正在开发的旋转导向闭环钻井系统(MRSS)的定向控制原理、5个组成部分及主要技术特点。认为只有开发和集成钻井信息管理与决策软件,才能充分发挥旋转导向闭环钻井系统的效益     

旋转导向偏心稳定器芯轴挠曲特性研究

根据旋转导向偏心稳定器芯轴的实际工作情况以及芯轴在纵横弯曲转动条件下的受力运动特征,基于能量法基本原理,推导出了芯轴受轴向力和横向均布载荷条件下转动时的挠曲方程。算例分析表明,利用所推导的方程对偏心稳定器芯轴挠曲变形进行分析,可为芯轴的设计和合理使用提供指导。     

带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究

为了提高旋转导向工具的井眼轨迹控制效果及作业安全性,研究了带静态推靠式旋转导向工具底部钻具组合（RSBHA）的横向振动特征。静态推靠式旋转导向工具通过控制3个导向翼肋的驱动压力实现井眼轨迹控制,可以将其等效为偏心距和偏心方位角已知的偏心稳定器;建立RSBHA的三维小挠度静力学模型,基于加权余量法确定RSBHA在钻压作用和井壁约束下的空间构形,获得上切点的位置;以上切点到钻头的距离作为横向振动的有效长度建立有限元模型,利用振型叠加法求解RSBHA的横向振动响应,分析工作参数和结构参数对其横向振动的影响。算例结果发现:转速约为138 r/min时, RSBHA的动态位移在距钻头8.20,18.10,24.60和31.60 m处较大;钻压对RSBHA最大弯曲应力的影响较小;偏心距和偏心方位角对RSBHA横向振动特性的影响较大,对于某些特定的偏心距和偏心方位角,RSBHA最大弯曲应力会明显增加。研究结果表明,结构参数和工作参数对RSBHA的横向振动影响较大,应对其进行优化设计,以确保旋转导向工具的应用效果和钻井作业安全。      

自升式钻井平台横向振动特性研究

将自升式钻井平台(简称钻井平台)桩腿简化为悬臂梁力学模型,研究了钻井平台横向振动特性,建立了较为简便的钻井平台横向振动周期、频率及振幅计算方法;利用得到的钻井平台横向振动特性计算式,对海洋石油钻井作业所用三桩腿、四桩腿钻井平台进行了横向振动特性值计算,并对振动周期、频率计算结果进行了分析;研究了钻井平台横向振动影响因素,并且提出了相应的改进思路及措施,这对指导海上钻井平台操船作业具有重要意义。     

可控偏心器旋转导向钻井工具偏心位移控制分析

介绍了所研制的可控偏心器旋转导向钻井工具的工作原理。可控偏心器旋转导向钻井工具主要是通过导向机构的合成偏心位移矢量来控制井眼轨迹,这与国内外目前研究的旋转导向钻井工具在导向控制原理方面有着本质的区别。分析了可控偏心器旋转导向钻井工具合成偏心位移的形成与分解原理,以及导向机构位置状态发生改变时偏心位移矢量的控制过程。     

旋转导向钻井工具稳定平台振动模态计算

旋转导向钻井工具稳定平台的闭环控制是调制式旋转导向钻井系统的关键。巨大的动态冲击载荷引起的振动会严重影响稳定平台的正常工作和动力学性能。针对新开发设计的稳定平台,建立了振动模态分析的力学模型,利用有限元软件进行了稳定平台的振动模态分析,计算了其固有频率和振型。通过对计算结果的分析,认为应适当调整局部形状尺寸,尽量增大稳定平台刚度,为稳定平台的结构设计和动力学分析提供了理论依据。     

可控偏心稳定器钻具组合弹性稳定性研究及其应用

可控偏心稳定器是旋转导向钻井技术中的核心工具之一,结合钻井作业的实际情况,对可控偏心稳定器钻具组合的弹性稳定性进行了研究和分析。运用纵横弯曲梁的理论,建立了管柱在纵横弯曲条件下的挠曲变形方程;运用能量法建立了受压管柱在旋转状态下的弹性变形方程,并且得到了临界钻压的求解方法;通过综合考虑井斜角、钻具自重、扭矩、转速、钻具的几何尺寸、钻压等6个重要因素对管柱临界失稳的影响,推导出了临界钻压的表达式,为合理使用好旋转导向钻井工具,特别是可控偏心稳定器心轴的合理设计和安全使用提供了理论依据,对现场钻井作业有积极的指导意义和借鉴作用。     

旋转导向钻井信号井下传送技术研究

对旋转导向钻井工艺中钻井液脉冲传输、电缆传输、声波传输、电磁波传输等常用指令传输方式进行了分析,选择钻井液负脉冲传输方式向地下传送地面指令,设计了地面钻井液负脉冲信号下传整体方案。综合考虑指令传输时间短、井下识别准确率高的原则,提出了改变泵排量的三降三升脉冲传输方式,优选出三降三升三进制负脉冲编码组合方式。通过检测发电机电流(频率)变化来实现井下信号接收。室内的实验测试证明,这一方式是可行的,并作为调制式旋转导向工具的一个子系统,开发了完整的指令控制系统软件。     

旋转导向钻井系统关键技术研究与实钻试验

为了加快我国海上油气藏开发的步伐,降低勘探开发成本,中海油田服务股份有限公司成功研制了一套旋转导向钻井系统。文中主要对该系统中的关键技术,如导向机构、井下涡轮发电机、地面指令下传装置的组成与工作原理进行了论述,并对其实钻试验作了简要介绍。     

垂直钻井系统配合单稳定器力学性能研究

国内外研发的垂直钻井系统在防斜快速钻进过程中表现出良好的优越性,在高陡构造地层得到了越来越广泛的应用。在充分调研垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的结构特征和工作原理的基础上,应用三弯矩方法建立了垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合的力学模型,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式,编制了计算程序,采用宣页1井的现场施工数据进行数值求解,分析了垂直钻井系统导向块与稳定器配合位置、井斜角、井眼扩大率、钻井液密度、稳定器外径、钻压、井眼曲率等因素对垂直钻井系统配合单稳定器钻具组合造斜特性的影响规律,并以井斜趋势角为衡量参数,讨论了主动力与最大钻压的关系。     

冲击回转碎岩机理研究

地下岩体中,天然地存在有许多微观裂纹与节理。在钻头的冲击回转合作用中,冲击使近钻头的岩石发生裂纹断裂、破碎,形成破碎小坑;使远离钻头的岩石中的微观裂纹扩展、连通、甚至断裂;在离钻头更远区域,使岩石产生新的微观裂纹。回转使冲击产生的破碎小坑沿圆周方向扩大;并使钻头上的金刚石颗粒换位。在回转冲击的联合作用下,岩石中的裂纹不断产生、扩展、断裂,从而达到高速碎岩的目的。本文简单回顾了冲击破碎岩石理论的发展,并着重从与冲击回转钻井技术密切相关的角度从数量关系上介绍了裂纹的萌生和扩展。更分别介绍了冲击作用和回转作用分别对岩石中裂纹的萌生与扩展的影响。     

悬臂式钻井平台悬臂梁振动特性研究

根据海上悬臂式钻井平台的结构特点,结合海上作业的实际情况,考虑平台受到的均布载荷与集中载荷,建立了悬臂式钻井平台在作业状态条件下的力学模型,并推导出了悬臂梁挠曲方程和振动频率求解方程.通过算例,分析了悬臂梁外伸距离、甲板质量、井深等对钻井平台振动频率的影响规律.本文研究结果对提高井口及井下工具作业安全有指导意义.