磁库仑定律法优化液动岩屑清洁工具扭矩研究

磁扭矩是液动岩屑清洁工具主要工作特性参数之一,是工具输出功率的主要决定因素。通过磁库仑定律建立了磁扭矩计算数学模型,优化设计液动岩屑清洁工具磁传动机构参数。将理论模型数值计算结果分别与2D有限元模拟结果及实验结果进行对比,验证理论模型的准确性与合理性。结果表明：理论模型结果与有限元模拟及实验结果误差较小,证明了理论模型的准确性;优化了液动岩屑清洁工具的磁力传递结构,磁偶数量为10~14对时,磁扭矩传递效率较高,永磁铁端面有效横截面积控制在80%左右,单位体积永磁铁产生的磁扭矩最高,符合工程要求。该研究结果为液动岩屑清洁工具磁传动结构的设计奠定了理论基础。     

基于有限元的油气管道漏磁检测器励磁结构影响分析

设计长输管道漏磁内检测器时,因管径尺寸限制,其励磁结构尺寸往往会受磁饱和强度、检测灵敏度、通过能力等多重因素限制。为分析励磁结构对缺陷漏磁场的影响,建立了不同管道尺寸参数的三维有限元分析模型,计算出不同励磁结构尺寸下缺陷漏磁场径向磁通量密度分布曲线。得出永磁铁厚度、永磁铁宽度,两磁极间距对缺陷漏磁场分布的影响规律,为励磁结构的优化设计提供必要的理论基础。     

储罐漏磁检测励磁源耦合分析与实验研究

漏磁检测凭借灵敏度高、成本低、操作简单等优点在储罐底检测中得到了广泛应用。设计了永磁铁和电磁线圈共同作用的新型混合励磁磁化部件,采用ANSYS软件对仿真模型进行基于缺陷漏磁场分布的励磁源耦合有限元分析,分析了励磁源参数及检测对象参数对缺陷产生的漏磁场分布的影响,确定底板厚度和饱和安匝数的关系。通过搭建的实验装置开展一系列实验研究,分析对比实验数据,验证有限元分析结果的正确性。为基于混合励磁漏磁检测的缺陷量化、仪器设计等提供一定理论基础。     

水平井岩屑床清洁工具的设计与试验

页岩气井水平段钻进过程中的岩屑堆积是造成钻井摩阻扭矩大、托压严重进而影响钻井速度的主要原因之一,因而抑制岩屑床生成、保持井眼清洁是确保水平段安全顺利钻进的重要前提。为了提高水平井段井眼清洁的效率,应用CFD数值模拟方法、采用欧拉—欧拉双流体模型并结合颗粒动力学理论,对所研发的带有"V"形叶片的新型水平井岩屑床清洁工具的螺旋角、转速参数诱导螺旋流动衰减规律及对岩屑颗粒重新悬浮分布的影响等进行了研究,进而优选了叶片旋转速度、叶片螺旋角等关键参数。研究结果表明:(1)随着转速的增加,环空底部的岩屑沉积发生了一定程度的偏转,转速越大偏转越明显;(2)环空压降损失随着螺旋角的增加而增大,在螺旋角较大时该现象表现更为明显;(3)在四川盆地南部地区长宁H25-7井进行的现场试验结果表明,使用新型水平井岩屑床清洁工具后钻进摩阻下降33%,起下钻通畅、无阻卡,新工具应用过程中未发生井下复杂事故,发挥了良好的井眼清洁作用,保证了后期下套管作业的安全顺利实施。结论认为,该工具不仅可以满足水平井岩屑床的清洗及钻井降本增效的需求,具有良好的推广应用价值,而且还可以为同类型岩屑床清洁工具的设计提供借鉴与参考。     

自旋转岩屑清洗工具模拟计算与分析

现有岩屑清洗工具通过钻杆旋转对环空岩屑进行清洗,因钻杆转速较低,所以会影响工具的井眼清洁效率。鉴于此,设计了一种自旋转岩屑清洗工具。该工具可通过钻杆内部涡轮来实现叶片的高速旋转清洗。采用计算流体动力学对该工具的工作流场进行数值模拟分析,并设计了涡轮叶片的结构。从流线图、速度场和扭矩等角度对工具的清洗能力进行分析,分析结果表明:自旋转岩屑清洗工具比叶片固定式井眼清洁工具的流速提高了1.4倍,高转速下的平均周向涡流速度比低转速下的平均周向涡流速度提高约0.78 m/s。这说明自旋转岩屑清洗工具可使流体携岩和清岩的能力迅速提高,更有利于岩屑的携带和清除。所得结论可为自旋转岩屑清洗工具后续的研制和应用提供理论支持。     

非开挖穿越磁靶参数优化方法研究

由于磁饱和现象的存在,导致磁靶磁感应强度不能像理论值一样持续增加,因而磁靶理论导向范围与实际值存在差异,针对这一问题,提出一种考虑到磁饱和现象的磁靶参数优化方法。该方法首先采用理论分析、数值模拟和室内实验相结合的方式,分析了在非开挖穿越过程中影响磁靶导向范围的主要因素;然后在此基础上,设置其他参数的限制条件,并通过修改主要因素的数值来进行模拟计算;最后比较各方案的功率,选择功率最小的方案作为最终优化方案。仿真结果表明：与理论分析相比,数值模拟可以更好地考虑磁饱和现象;影响磁靶导向范围的主要因素是磁芯长度,磁芯体积相同的情况下,磁芯长度与直径的比值越大,磁场强化系数越大。该研究结果表明,在出现磁饱和现象时,数值模拟方法更适合用于对磁靶进行分析。     

钻杆在线漏磁探伤系统探头静磁力的数值模拟

永磁探头对钻杆的静磁力将直接影响探头总成对钻杆的吸附程度。利用ANSYS有限元分析软件对探头总成与钻杆进行了三维建模,并结合虚功法对探头与钻杆之间的静磁力进行了数值模拟分析;同时还定量分析了不同气隙厚度与不同磁轭厚度对探头静磁力的影响。分析结果表明,由于钻杆圆柱面的存在,探头与钻杆之间气隙厚度对其静磁力将产生非线性影响;探头磁轭厚度的改变将导致探头与钻杆之间静磁力成线性变化,而且气隙厚度的变化对探头与钻杆之间的静磁力的影响要大于磁轭厚度变化对其的影响。该项研究结果对钻杆漏磁检测中探头的设计有一定的参考价值。     

磁传动增压注水泵磁力传动器的设计

现有增压注水设备所面临的主要问题是高压动密封，目前国内对高压动密封尚无很好的解决方法。采用磁力传动技术，将高压动密封变为静密封，很好地解决了现有注水设备密封结构的弊端，文章阐述了磁传动增压注水泵磁力传动器的结构原理，磁路设计，隔套设计及轴承设计等关键技术。     

螺旋形岩屑床清除工具流场数值模拟

岩屑床清除工具能够防止岩屑床形成,破坏已形成的岩屑床,有效解决水平井井眼清洁问题。许多学者开展了水平井岩屑清除技术研究,研制出不同类型的岩屑床清除工具,但在工具结构参数优化方面缺少深入研究,缺乏高效的岩屑床清除工具,制约了其进一步的开发与应用。文中设计了不同结构参数螺旋形岩屑床清除工具,通过CFD(计算流体动力学)数值模拟的方式,从叶片前后压降、切向速度、岩屑分布情况等方面分析了叶片长度、高度和叶片数对岩屑床清除工具作用效果的影响规律,为水平井岩屑床清除工具的研制与应用提供了重要的参考依据。     

本期导读

复杂结构井钻井过程中常有岩屑成床现象发生,容易造成一系列井下复杂问题。目前使用螺旋式工具清除岩屑床取得了较好的效果。闫铁等从工具叶片对岩屑颗粒的推动作用角度出发,对井眼清洁工具清岩作用效果进行分析,得出了岩屑颗粒在工具叶片上的运动方程,通过数值模拟分析岩屑颗粒在这类工具上的运动特征,为螺旋式工具设计提供一定参考依据。     

连续波钻井液脉冲发生器用磁力耦合器设计

为了解决工作在井下高温高压等恶劣环境下转子与定子之间的旋转动密封问题,设计了磁力耦合机构,通过磁场的相互作用来传递动力。内磁钢与轴组成转子,外磁钢与外磁钢套组成定子,转子和定子由隔离套隔离,实现密封,定子、转子通过磁力耦合来传递转矩。通过数值分析来确定耦合器的相关参数,用有限元法计算出不同极对数情况下的转矩特性,并将仿真结果与试验曲线对比,验证了设计的耦合器是合理的,技术指标符合要求,用磁力耦合机构替代动密封,可以简化传动系统。     

岩屑床清除工具携岩效率仿真分析

在水平井的造斜段,尤其是钻斜度大于65°的定向井过程中,岩屑容易沉降、堆积,形成岩屑床。在停泵期间,钻井液停止循环,加速了岩屑在井眼低边沉积。岩屑床会造成蹩泵,还会使钻具下部的扶正器产生相当大的摩阻转矩,或造成扶正器泥包,甚至导致卡钻。介绍了非线性螺旋型岩屑床清除工具的结构和工作原理。建立螺旋槽型、直棱槽型、光杆型3种岩屑床清除工具的CFD模型,进行液固耦合的携岩流场仿真分析。结果证明非线性螺旋型岩屑床清除工具具有更高的岩屑清除效率。     

连续油管缺陷综合检测传感器的磁路设计

为了在现场能同时检测连续油管金属截面损耗缺陷 (LMA)和连续油管局部缺陷 (LF)两类磁特性完全不同的缺陷 ,做了连续油管缺陷综合检测传感器的磁路设计。传感器的励磁源选择具有较高性价比的钕铁硼永磁体NdFeB ,选用多回路励磁方式。为了获得较好的缺陷检测信号的信噪比 ,经过对磁路的理论计算和磁化曲线的分析 ,提出连续油管检测时磁场强度应选在磁化曲线的近饱和区。磁路尺寸参数设计时 ,磁轭和极靴的尺寸应尽量小 ,但又不能进入饱和区     

核磁共振成像测井仪磁体设计方法

永久磁体是组成核磁共振成像测井仪探头的主要组成部分，其作用是对地层中氢原子产生一个纵向方向的极化磁场。永久磁铁往往被设计成梯度磁场（或均匀磁场），尤其是近几年随着成像测井技术的发展，梯度磁场已成为一种流行，也是今后核磁共振成像测井仪在二雏、三维甚至多维成像技术上的要求。目前磁体的设计国际上多采用有限元分析法（FEM），相关设计软件有OPERA、ANSYS等。可以利用有限元分析法及相关设计软件设计出更适用、更科学的二维、三维乃至多维核磁共振成像测井仪的磁体，使核磁共振成像测井仪更上一个新台阶。     

垣平1井长水平段水平井设计与施工

为确保大庆油田第一口长水平段水平井垣平1井的安全顺利钻进,开展了该井钻井工程设计方案研究。针对该井水平段较长,钻井过程中存在钻柱易屈曲、摩阻/扭矩大、井眼净化难、套管难以下入等技术难点,运用Landmark软件对不同设计剖面、不同靶前距和井眼曲率下的摩阻/扭矩及钻柱屈曲情况进行了模拟,以模拟结果为基础,设计了该井的井眼轨道;根据Landmark软件模拟钻柱滑动钻进与旋转钻进时的钻柱屈曲情况,对三开水平段钻具组合进行了优化设计;根据钻井参数对岩屑床厚度影响的模拟结果,优化了三开水平段的钻井参数;模拟计算结果表明,采用漂浮接箍下套管工艺能降低下套管时的摩阻和屈曲程度,因此该井三开采用漂浮接箍下套管工艺。该井钻井过程中没有出现井下故障,完井、电测及下套管安全顺利,说明该井工程设计合理,有效克服了钻井过程存在的技术难题。      

磁性粘弹体封隔器的开发与应用

磁性粘弹体封隔器的主要密封件是被永磁体吸附在油套环形空间的磁性粘弹物质，能可靠地封隔套管腐蚀变形井的油套环形空间。室内试验结果表明，这种封隔器坐封合格率和解封合格率均为100％，性能完全达到了设计要求。在矿场试验中，采用这种封隔器取得了油井增油降水，减少出砂和延长免修期的良好效果。     

气体钻井防沉屑工具结构安全性分析

使用有限元软件研究了气体钻井防沉屑工具结构因素(喷孔角度、喷孔直径、喷孔距端面距离、工具壁厚)和工作载荷(扭矩和轴向力)对防沉屑工具结构安全性的影响。研究结果表明:(1)气体钻井防沉屑工具的工作安全性较高,可用于气体钻井施工;(2)孔径和工具壁厚对工具应力影响大,喷孔距端面距离次之,喷孔与轴线夹角影响最小;在设计和使用防沉屑工具时,为兼顾携岩性能和结构安全性,孔径不应太大,工具壁厚应适当增大,孔开在防沉屑工具中间部位;(3)防沉屑工具上使用减阻吸振套,可有效降低工具与井壁的碰撞强度和动载系数,还可降低工具的实际应力。     

往复式磁力驱动柱塞泵举升工艺技术研究

针对常规抽油机举升存在的一次性投资大、能耗高和系统效率低等实际问题,研制了往复式磁力驱动柱塞泵及地面数控装置.通过动力电缆给井下直线电机供电后产生交变磁场,永磁体动子在交变磁场作用下带动泵柱塞上下往复运动,从而达到举升抽油的目的.通过信号电缆将井下传感器的压力、温度信号上传至地面数控装置的参数调整模块,经过压力脉冲液位数字信号转换,自行调整泵柱塞运行次数,使油井始终工作在合理的沉没度范围内,确保供排合理.配套DX-1型电磁防蜡器防蜡工艺现场试验,取得了较好的防蜡效果.     

磁场对石油污水管线钢的腐蚀行为研究

采用第3代永磁材料NdFeB(钕铁硼),研究了在施加永磁场条件下,模拟油田污水介质对20号钢的腐蚀过程,采用增重法、X射线衍射以及电化学方法对磁场作用下石油污水管线钢的腐蚀行为进行分析和评价。研究结果表明,磁场对Fe3O4的形成、自腐蚀电位正移幅度有促进作用,磁场对腐蚀产物的增重率影响较大,但它们与磁感应强度之间存在着极值关系。     

基于CFD软件的涡轮流动特性数值模拟及敏感性分析

利用CFD软件模拟了单级涡轮的压力分布、内流线分布、纵截面速度分布。模拟结果验证了所创建实体模型的可行性;通过改变钻井液的排量、密度、塑性粘度及转子工况对涡轮钻具的输出压降和制动扭矩进行了敏感性分析,得到了与实际相符的结论。采用数值模拟得到压降值,结合水力学计算得到立压值,以便优选入口排量。