领扩眼钻具间钻铤数量对随钻扩眼钻进特性的影响研究

针对横向振动引起的扩眼器过早失效、钻进速度缓慢等问题,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的屈服准则,建立钻具-岩石互作用非线性动力学有限元模型,分析了领眼钻头和扩眼器之间的钻铤数量对钻进时领扩眼钻具的钻压分配、横振强度和机械钻速的影响。研究表明,在领扩眼钻具间连接适当数量的钻铤能够有效减小扩眼钻压的占比、降低扩眼器的横振强度、提高钻进效率;将扩眼器设计在中和点下方并使其远离中和点,有利于降低扩眼器失效的风险;在该工况下进行随钻扩眼时,领扩眼钻具间的最佳钻铤数量为3根。研究结果对随钻扩眼钻具组合设计和扩眼器寿命的提高具有一定的指导意义。     

减振器对井下钻具振动特性的影响分析

针对使用减振器后,井下钻具振动并非都能得到明显减缓、因振动引起的钻具断裂事故仍时有发生的工程难题,该文基于虚功原理并利用数值模拟技术,结合牙轮钻头在破岩过程中的力学性能和运动规律,系统地分析了减振器对井下钻具纵向和扭转振动特性的影响。通过分析获得了纵向减振器特征参数（刚度、安装位置和阻尼）对井下钻具纵向振动的影响规律;给出了不同刚度纵向减振器的最优阻尼取值范围;发现纵向减振器对井下钻具的扭转振动和纵向振动具有相似的影响,扭转减振器在减缓上部钻杆振动的同时加剧钻头扭转振动;指出在确定减振器最优特征参数时,应在考虑转速的基础上增加对钻杆和钻头振动特性的关注。本文研究工作为减振器的现场使用和优化设计提供了重要的科学依据。     

钻头钻进不同介质时的振动信号特征识别研究

钻井作业中,钻头破碎岩石产生振动,利用该振动特征可以实时反映钻进介质的种类。提出了一种钻头钻进不同介质时的振动信号特征识别方法,通过牙轮钻头破岩室内实验,采集到在不同钻压下钻头钻进砂岩、页岩、水泥环和套管时的声振信号,基于数字信号的时频处理,提取了信号时域和频域的50个特征值,应用PCA降维特征矩阵获取特征向量,建立不同钻进情况的钻头信号"指纹"特征,最后通过BP神经网络对"指纹"信息进行聚类后识别岩性和钻压。结果表明,该方法可以完成对钻头信号的特征识别,进而区分钻进地层和井眼材料(套管和水泥环),为井眼防碰作业中岩性在线识别提供技术支撑。     

潜孔锤破岩系统动力学特性研究

为深入研究潜孔锤破岩过程中推进力、激振频率等对潜孔锤破岩系统特性的影响,基于弹簧、阻尼、滑动器等元件建立了考虑潜孔锤与岩石局部接触、完全接触状态的动力学模型。分别建立不同状态下系统的动力学方程,并基于阶跃函数建立破岩系统的连续无量纲微分方程组,采用龙格-库塔法求解获得不同状态下的潜孔锤钻头位移图、速度图、相空间图以及庞加莱截面图。结果表明:破岩系统的运动状态随推进力改变而改变,当系统处于周期-1状态时,系统相对较稳定且破岩效率最佳;随着激振力频率增大,系统稳定的区间范围随之增加,但破岩效率反而降低。破岩系统动力学特性研究结果为潜孔锤在实际工作中的参数确定提供理论依据。     

混合式单牙轮钻头破岩性能研究

在石油钻探过程中,优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计,将牙掌结构与牙轮结构相连接,并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿,从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿,利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心,所有齿圈与井壁接触,在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型,并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明,数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符,破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比,侧向力减小39.6%,破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高,可以减小井斜发生的概率。根据结果可知,数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的,该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。     

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头的运动规律，改善钻柱动力学性能，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工业中亟待解决的关键技术难题。本文根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头-岩石互作用力学模型，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型，编制了系统动力学仿真程序，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。     

强振动环境下缠绕式液压胶管流固耦合特性

针对TBM破岩过程产生基础振动对液压胶管内流体动态特性影响,根据层合板理论建立缠绕式液压胶管振动梁模型,并结合轴向流固耦合模型建立胶管轴向振动动力学模型。运用特征线法求解该数学模型,研究基础振动参数和胶管结构参数对流体响应特性影响,发现胶管出口压力波动幅值随基础振动振幅呈线性增加的趋势,随振动频率增加,在40 Hz左右达到最大,此时振动频率接近系统固有频率;胶管出口压力峰值随液压胶管长度增加而减小,胶管内径在8 mm到30 mm变化时,其先增大后减小,随泊松比增大而增大。研究结果表明振动沿胶管轴向分量加强了流体与胶管互动效应,可为TBM液压管系设计和抗振提供理论依据。     

中速涡轮工具在砾石层钻进应用分析

塔里木油田山前,PDC钻头和牙轮钻头单趟进尺少、垂钻工具容易失效;上部地层属高陡构造,地层倾角大,钻进容易井斜。博孜301井311.2 mm井眼应用新型中速涡轮工具+孕镶钻头,同时配套双钟摆钻具组合的钟摆力进行防斜,利用MWD随钻检测技术对井斜进行随钻检测技术对砾石层钻进进行提速。试验表明该配套技术在巨厚砾石层中钻进,明显地提高了趟钻进尺和机械钻速,为山前大段砾石层的钻井提供了经验借鉴,并展示了良好的应用前景。     

钻柱振动信号的在线监测及应用

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动,钻柱与井壁相互碰撞和粘卡-释放引起的振动等。研究表明,井下钻柱的运动状态、牙轮钻头的磨损状况和岩石的破碎方式的不同,会表现出不同的振动特征。因此,在线监测和分析钻柱振动信号的时域和频域特征,实时识别井下钻具的工作状态,对预防钻具（钻柱和钻头）的早期损坏、减少钻井事故的发生具有重要作用。在调研国内外钻柱振动信号测量方法的基础上,研制了钻柱三轴振动信号的地面测量装置,并进行了现场试验。试验结果表明,通过对振动信号的时域和频域信号的特征分析,对可以识别出钻柱的非稳定工作状态、钻柱粘卡、钻头故障等异常工况,并且通过改变钻压或转盘转速可以消除因钻进参数配合不当二引发的高幅振动,防止钻具的早期损坏。     

电机的电磁阻尼理论与转子的非线性振动

对转子横向振动时的电磁阻尼及考虑电磁阻尼时转子的横向振动进行了研究。用电磁场理论得到了电机三相不对称稳态运行时电磁阻尼力 ,应用拉格郎日 -麦克斯韦方程得到了考虑电磁阻尼的转子横振微分方程。研究了三相对称情况下的电磁阻尼 ,并应用非线性振动理论中的渐近法得到转子横振微分方程解析解的一次近似 ,再从其稳态解消去相角得到了振幅方程 ,利用振幅方程研究了转子横振的幅频特性 ,与实验进行了对照。研究结果表明 :理论结果与实验结果吻合得很好     

关于PDC钻头破岩效率的研究

钻头作为钻进过程中主要的破岩工具,其质量的优劣直接影响钻进速度以及钻井的质量和成本。PDC钻头作为金刚石钻头的一种,其在低钻压下可以获得比较好的进尺和钻速,因而得到了广泛的应用。对于PDC钻头,其切削齿尺寸、后倾角和布齿密度是影响其性能的重要参数,本文通过对PDC钻头的室内试验,探讨了切削齿尺寸、后倾角和布齿密度对PDC钻头破岩效率的影响。     

冲击旋转加载下金刚石钻头-岩面动摩擦特性试验模拟研究

为研究旋转式钻进过程中金刚石钻头与岩石接触界面动摩擦参量的变化规律,利用自主研发的钻进模拟系统,通过应力波精确、可重复测量钻头与混凝土试样间随时间变化的关键参量,直接获得轴压力、摩擦力,计算出相对滑动速度、滑动位移及摩擦系数。结果表明,金刚石钻头与试样间相对滑动速度、位移与旋转加载速率相关性较大,随其增加而增大;界面动摩擦系数随冲击速度增高而增大;在每次冲-旋加载过程中试验所得动摩擦系数基本恒定,不受轴向冲击加、卸载过程影响,稳定动摩擦力与应力波峰持续时长一致,且随冲击速度增加逐渐缩短,揭示出冲-旋加载作用下金刚石钻头与岩面之间动态摩擦特征。     

液力冲击工具在雅探6井的应用

液力冲击工具安装于钻头与钻铤之间,钻井液流经该工具阀腔内由于液压作用冲击锤不断下击,冲击力传递至钻头,提高钻头破岩效果,同时工具产生的脉冲射流作用于井底,改善井底岩石的受力状况和井底流场,强化清洗效果从而提高钻头的破岩效率。雅探6井施工中液力冲击工具通过旋转破岩及冲击破岩双重作用提速25％。本文着重介绍液力冲击工具的工作原理及在雅探6井实际使用情况。     

钻削机构与煤岩互作用系统耦合动力学研究

针对因井下煤岩复杂性及钻削煤岩时冲击、钻削机构间扰动、煤岩-钻头-钻杆系统的耦合振动,使钻削式破岩机构运动规律、动力学行为、可靠性难以有效控制、预测问题,考虑钻头与煤岩互作用的实际载荷及钻杆与孔壁煤岩接触碰撞载荷,将钻杆离散成有限个单元,建立钻削机构与煤岩互作用系统耦合非线性动力学模型,研究钻削机构在煤岩硬度f=4.65,f=3.7,f=2.7及不同转速下纵向、横向、扭转振动及不同条件下钻削机构振动试验。结果表明,随煤岩硬度的减小,钻杆横向振动半径、纵向振动频率及幅值均有所减小;对相同硬度煤岩,钻杆横断面上位移最大半径随深度变化始终呈指数关系;在研究的转速范围内,耦合系统横向振动受转速变化影响不大,且转速变化均仅改变纵向、扭转振动曲线幅值。可为钻削机构设计提供理论依据。     

爆破振动频率调控技术研究与应用

应用机械振动控制理论研究爆破振动的频谱特性,发现延时爆破引发的地震是由逐孔破岩振动和孔间延时振动两种不同能谱的振波迭加而成。以延时起爆振动作为控制基波,将逐孔破岩振波转为谐波分析,再利用运动震源所产生的多普勒效应,合成混频实现振波频移。据此,建立了爆破振动动力响应控制的基本理论和设计方法,并成功应用于岩土爆破和拆除爆破。     

高频扭转冲击钻进的减振与提速机理研究

高频扭转冲击钻井是一种能大幅提高钻井效率的新兴钻井技术,但由于对其破岩机理认识不清,使得高频扭转冲击钻井技术未能在国内推广应用。基于弹塑性力学和岩石力学,采用Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,塑性应变作为岩石破碎的失效判据。通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,分析了高频扭转冲击作用下硬地层中钻头的动态破岩过程。结果表明,高频扭转冲击钻进硬地层时拉应力与压应力区域交叉出现且以拉应力为主,较以压应力为主的常规钻进可大幅提高钻头的机械钻速;高频扭转冲击钻进有效地减弱了硬地层中钻头处的粘滑振动,大大地提高了钻头的破岩效率。研究成果有助于深化对高频扭转冲击破岩的认识,为高频扭转冲击钻井技术的应用提供理论依据。     

运行列车对周围建筑物振动影响的试验研究

研究了运行列车对建筑物振动的影响规律。测试时,客车的速度范围为40～115km／h,货车为26～57km／h。测试结果表明：建筑物的振动总的趋势是随与振源距离的增大而减小,随列车车速的提高而增大;相同车速的货车比客车引起的速度振级大5～15dB;对6层建筑物,楼板振动沿层高呈增大趋势,顶层的竖向振级比底层大2～6dB,横向振级比底层大10～15dB;房间中央的楼板振动大于边角和楼梯楼面的振动;楼外地面的速度振级比楼内地面大2～10dB,其差值随振级的增大逐渐变小。列车对附近建筑物的振动影响比较严重,超出了有关标准的规定,应引起重视。     

基于统一强度理论分析软岩断裂面对岩体强度的影响

对含有结构面的岩体,基于统一强度理论,在考虑洛德参数的基础上,推导出可以考虑不同受力状态下随洛徳参数和中间主剪应力系数b变化的材料统一强度参数Ct、φt,建立了含断裂面岩体的强度公式,即考虑中间主应力的岩体破坏公式,并分析了其有效范围。通过硅藻质软岩的普通三轴试验结果验证了所建立公式的正确性,并根据岩土材料统一强度参数确定的方法,分析了含有不连续面岩体强度以及统一强度参数随洛德参数的变化,以及中间主剪应力系数b值对强度参数的影响,结果表明:统一强度参数随洛徳参数的增大而增大一定值后随洛徳参数的增大而减小;随中间主应力系数的增大而增大。     

棱锥齿-半抛齿物探钻头的设计及破岩仿真

在川渝地区复杂难钻地层的钻井勘探中,常规物探钻头存在破岩效率低、钻进速度慢、钻头使用寿命短、作业成本高等不足。因此,设计了棱锥齿和半抛齿两种新型硬质合金齿,并结合这2种齿的结构和工程实际设计了棱锥齿-半抛齿物探钻头,在钻头中间端面布置棱锥齿,边缘锥面均匀布置半抛齿。分析了棱锥齿和半抛齿的破岩机理,并采用有限元仿真方法,开展了棱锥齿与锥形齿、半抛齿与球形齿破岩的对比研究。结果表明：在冲击载荷和钻压作用下,相比于锥形齿,棱锥齿在岩石内部产生的应力更为集中;相比于球形齿,半抛齿切削刃切削挤压岩石时,在接触区域产生的应力更为集中;棱锥齿和半抛齿更容易破碎岩石,其破岩效率得到提高。开展了棱锥齿-半抛齿物探钻头和常规物探钻头的破岩仿真。结果表明：与常规物探钻头相比,棱锥齿-半抛齿物探钻头的钻进速度提升了38.3%,钻头的轴向加速度波动幅度减小了13%。研究结果可为棱锥齿-半抛齿物探钻头的研发提供理论支撑。     

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究EI北大核心CSCD

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。