分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹的建模与控制

为了抑制钻柱黏滑振动和钻头反弹现象,分析了黏滑振动和钻头反弹的运动机理,根据牛顿第二定律及电力拖动系统运动学理论,建立了钻柱旋转系统、起升系统的动力学模型及其负载模型,设计了基于线性二次型（LQR）控制策略的钻柱旋转系统和起升系统的状态反馈控制器。仿真结果表明,LQR控制器可使钻头转速稳定在给定转盘转速附近,控制系统的响应时间小于25 s,减少了钻压、扭矩和轴向位移波动,有效抑制了钻柱黏滑振动和钻头反弹现象。     

钻头与岩石互作用下钻柱黏滑振动规律研究

黏滑振动会引起钻柱上产生高频波动的剪切应力,导致钻柱过早疲劳。为此,在考虑钻头与岩石互作用的情况下,耦合了钻头与岩石互作用模型与钻柱系统4自由度扭转振动模型,建立了考虑钻头与岩石互作用的钻柱系统扭转振动模型,并以现场实测数据对模型精度进行了验证;分析了井深、岩石类型对钻柱系统扭转振动特性的影响规律;据此提出了一些抑制深井/超深井黏滑振动的方法。研究结果表明：井越深越容易发生黏滑振动,且黏滑振动越强;岩石的可钻性越高,钻头在此类岩石中钻进时钻柱系统黏滑振动越弱;使用扭力冲击器等井下动力钻具可以有效地抑制黏滑振动,特别是在硬地层中钻进时,配合攻击性强的钻头可以有效抑制黏滑振动,提高机械钻速。     

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。     

水平井钻柱动力学研究进展

水平井钻柱动力学是水平钻井工程的重要理论基础.通过水平井钻柱动力学分析可以很好地了解水平井钻柱的运动状态,科学地预测和控制井眼轨迹,揭示钻柱失效的动力学机理.就目前国内外水平井钻柱动力学研究现状进行了分析研究.综合研究表明,目前水平井钻柱动力学理论研究较欠缺,已滞后于实际工程应用,研究的内容也侧重钻柱动力学的某一方面.指出了今后水平井钻柱动力学研究的方向,提出了用全井钻柱系统动力学模型来研究水平井钻柱动力学.     

扭力冲击器对钻柱黏滑振动的影响分析

扭力冲击器可抑制钻柱黏滑振动并提高机械钻速,被广泛应用于深井、超深井钻井中。其工作参数作为影响扭力冲击器应用效果的直接因素,相关研究还很不充分。为了评价扭力冲击器对钻柱黏滑振动的抑制效果,文中建立了考虑扭力冲击器高频扭矩的钻柱扭转振动模型,编制了相关计算程序,并采用四阶-五阶Runge-Kutta算法进行求解,讨论了扭力冲击器主要工作参数对钻柱黏滑振动的影响。研究结果表明：扭力冲击器可以有效缩短黏滑周期,以抑制钻柱黏滑振动和增加其机械钻速;当扭转冲击载荷较低时,增大扭转冲击载荷可以缩短黏滑周期甚至消除钻柱黏滑振动,但是当黏滑现象消失后,继续增大扭转冲击载荷对钻柱扭转振动的影响较小;增大冲击频率可以减弱钻柱黏滑振动,并提高钻柱转动时的稳定性。研究结果可为扭力冲击器工作参数的选择提供参考。     

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。     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

非线性转子动力学应用于油井钻柱振动

钻柱是一个具有不平衡质量的管串,运转中振动十分剧烈,严重影响钻柱的使用寿命。本文应用转子动力学,分析建立了钻柱振动的力学模型及运动方程,并进行了求解。     

旋转钻柱振动的动力响应分析

针对钻井过程中钻柱的旋转运动及扭转和横向弯曲振动形式的同时发生，分析和探讨了旋转状态下的钻柱耦合振动问题，建立了一个含回转项的旋转钻柱运动方程，并用近似方法解出了其动力响应的具体表达式。     

深井中钻柱动力学机理研究

为合理设计深井中的钻柱结构，提高钻具寿命，防止井下断钻具事故，讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转振动及进动之间的相互耦合关系，并指出了钻柱振动的危害和减少振动的现场措施。介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法──有限元法和机械阻抗法。经举例说明深井中大井眼小钻铤的危害性，认为大井眼小钻铤的环空较大，钻铤的刚度较弱，在轴向力作用下易屈曲，激发横向振动，且钻铤的横向变形较大，因振动引起的交变应力也较大；纵向振动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。建议使用大井眼大钻铤设计方案。     

大位移井钻柱振动规律研究与应用

在大位移井钻井工程中钻柱受着各种振动，当各种振动共振时，钻柱承受着非常大的动载，很容易受损，同时，钻柱的振动影响着井壁的稳定，严重威胁着井下的作业安全。以大位移井近井底的钻柱为研究对象，分析了钻柱振动行为所遵循的规律。采用线性分析法，获得了大位移井钻柱横向振动和扭转振动的频谱方程。同时获得了钻柱各种共振频率的分布。经分析表明：大位移井钻柱的横向振动和扭转振动的共振频率与实际钻井转速非常接近，应合理选择转速以减小钻柱共振的发生。文章的分析研究为大位移井钻柱动态行为的研究提供了理论依据。     

基于支持向量机的钻柱黏滑振动等级评估方法

为评估钻柱黏滑振动的严重程度,提出了一种基于因子分析(FA)与支持向量机(SVM)的黏滑振动风险评估方法。对仿真得到的扭矩数据进行时域与频域分析,提取信号的特征值,然后应用因子分析方法减少高维特征的冗余信息,获取特征向量,最后通过SVM对降维处理后的数据进行黏滑振动等级分类。研究结果表明:基于井口扭矩信号的SVM黏滑振动等级预测方法的整体预测精度超过80%,能够较准确地对黏滑振动强度等级进行预测。因此该方法是一个有效的黏滑振动等级分类方法,应用该方法能够有效地对钻柱黏滑振动等级进行识别,有助于司钻根据钻柱黏滑振动剧烈程度实时调整钻井参数,减轻黏滑振动产生的危害,提高钻井作业效率和安全性。     

侧钻水平井钻柱动力学几个关键问题研究

通过对实际钻井经验总结和钻柱动力学研究现状分析,认为反转运动是钻柱疲劳失效的一个主要原因,侧钻水平井钻柱的反转运动尤其需要进一步研究.钻柱的接触摩擦影响到井身剖面、钻柱及下部钻具组合的优化设计.目前对钻柱动态摩阻和大变形后摩阻问题研究不足,井眼中固体、流体耦合关联,钻井液阻尼对钻柱动态影响不能忽略,钻柱内钻井液可处理为附加质量,但外部钻井液则应考虑为阻尼.为了实现依据钻柱动力学的井眼轨迹控制,应特别重视钻柱振动特性与钻头受力状况的相互影响.     

大位移井钻柱粘滑振动机理分析及减振研究

通过将钻柱系统等统一成一个集中质量摆,分析了在非线性钻头扭长和钻柱与井壁间摩扭矩作用下钻柱系统的稳定性,并从钻柱氯转振动能量度,阐明了钻柱产生的粘滑振动的原因,在对非线性钻头扭矩和钻柱与井壁间摩扭矩进行适当简化的基础上,给出了钻柱产生的粘滑振动的判别式,分析了钻柱粘滑振动的影响因素及防止和消除钻柱粘滑振动可能 的途径和措施,并对顶部扭矩负反馈减振方法进行了讨论,给出了其数值模型拟结果。     

水平井非线性摩擦扭矩的研究

文章利用非线性有限元的数学方法,研究了海上水平井钻进中的非线性摩擦扭矩问题。提出了一套有关摩擦扭矩的非线性有限元计算公式,并编制了一套非线性钻柱力学计算程序,在海洋石油总公司所属的南海北部湾一个钻井平台上进行了实际验证,从而得出了一些有启发性的结论。目前国内计算水平井摩阻力的研究很多,但大都集中于计算轴向摩阻力,对于钻柱摩擦扭矩的研究进行得很少,原因之一是国内大多数钻机缺少扭矩的精确测量装置。此文利用了海洋钻井平台上的有利条件,使软件计算精度达到了预期效果。     

基于黏滑振动机理研究的钻头自适应限位齿结构设计

乍得某盆地基岩潜山地层主要由花岗岩构成,岩石研磨性强、可钻性差,使钻头黏滑振动现象成为制约安全钻井与高效开发的主要不利因素之一,亟待开展黏滑振动机理与解决对策研究。本文采用有限元模拟与室内实验等研究手段,以钻头单齿微观动态破岩过程为切入点,模拟分析了钻压、吃入深度对钻齿切削效率的影响,揭示了钻齿吃入深度过大影响钻具扭转、塑性—脆性破碎形式转变、岩石破碎动态平衡打破的黏滑振动发生机理,并估算得到不同岩性地层的吃入深度推荐范围。据此创新设计了自适应限位齿控制单元,通过数值模拟方法对其结构参数进行优化改进。加工样机后进行结构力学运动性能的室内台架压载测试,测试发现,加载时限位块能够有效抵抗模拟钻压而缓慢压入,卸载后又能相对快速地伸出本体,基本实现本结构的设计目的,即自适应地控制钻头切削齿有效吃深,降低黏滑振动发生概率,保护钻头钻柱,减少起下钻频次与降低失稳断裂风险,为钻井提速增效与高效开发深部复杂地层资源提供技术支撑。     

钻井液对钻柱纵向振动影响分析

钻柱纵向振动严重时造成钻头损坏、钻杆磨损加剧和迅速的疲劳破坏,使钻井成本大大增加。利用ANSYS软件建立钻柱振动有限元模型,采用Block Lanczos法进行固有振动特性分析,然后在钻头处施加干扰力,采用完全矩阵法进行动力响应分析,得出钻井液密度对钻柱纵向振动的影响规律。钻井液密度降低,导致固有振动频率升高,振幅增大;钻柱响应力的变化趋势与响应位移基本一致;钻井液密度降低引起钻柱的响应位移和响应力增大,进而造成von Mises等效应力增大,疲劳寿命降低。     

川渝地区三维水平井钻柱力学模型研究

近年来川渝地区的水平井多设计为三维水平井,特别是页岩气井多设计为丛式三维水平井井组。三
维水平井大幅度扭方位后均不同程度的出现摩阻、扭矩增大、钻具偏磨、定向托压等严重现象,严重影响了钻井安
全和钻井速度。为此,在调研分析国外钻柱力学试验数据的基础上,研究三维水平井整体钻柱三维力学模型,结合
有限元理论对钻柱受力力学分析方法,考虑井眼几何形状、钻柱屈曲、钻柱刚性对钻柱力学的影响,提出了三维空
间中的整体钻柱与井壁接触力、摩擦力分布的计算方法,采用微软ｎｅｔ平台ｃ^＃语言编制了相应的计算机软件,使现
场施工人员能够根据钻柱力学仿真数据及时了解井下钻柱形态与受力状态,及时调整施工参数,避免井下复杂情
况的产生。     

基于单齿破岩有限元模拟的黏滑振动机理研究

油气勘探开发中深部复杂地层具有孔隙压力高、温度高、岩石硬度高、塑性强及可钻性差等特点,给钻井作业带来了诸多困难,为此,进行了钻头齿破岩黏滑振动机理研究.通过单齿切削数值模拟及试验,研究在破岩过程中钻头齿与岩石的作用方式、破碎微观过程,以及在不同钻压及岩性条件下钻齿切深、破岩载荷及破碎效率之间的关系.研究结果表明:在不同...