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。     

钢齿牙轮钻头滑动轴承接触应力分析与间隙优化

在石油钻探工程中牙轮钻头承担着极为重要的作用,其工作寿命与钻井性能对工程质量、效率和成本都有重大影响。轴承作为牙轮钻头最重要的结构,其表面接触应力分布及其不均匀是导致轴承结构失效的最主要原因,因此有必要对轴承接触应力分布和大小进行分析研究。利用Creo与Pro/E软件对牙轮钻头滑动轴承副结构进行了3D实体模型的搭建,利用ANSYS软件建立了牙轮钻头滑动轴承接触应力的有限元分析模型,并得出轴承接触应力分布图与接触应力峰值。通过上述途径方法成功对12种不同的间隙值对应的滑动轴承受力情况作出了计算分析,清晰地看到牙轮受力时滑动轴承表面应力的分布情况,通过峰值比较优选出了使寿命最长的孔轴间隙值。     

三牙轮钻头滑动轴承副接触有限元分析

采用ANSYS分析软件的参数化设计语言APDL,利用接触问题的有限元法,对三牙轮钻头牙轮和牙爪间的间隙进行了分析和研究。首先建立了三牙轮钻头滑动轴承三维模型,然后利用网格划分技术对牙轮和牙爪进行网格划分和单元属性定义,最后施加边界条件进行接触有限元分析求解。通过调整间隙,得出不同间隙的轴承接触Mises应力峰值。经过分析比较,推荐轴承Mises应力峰值较小的尺寸间隙,用以指导生产。     

牙轮钻头及钻柱系统扭转振动仿真模型

利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法 ,在考虑了钻头与岩石互作用力学模型的基础上 ,建立了钻头和钻柱扭转振动动力学仿真模型。通过仿真计算可预测钻头处阻力扭矩、钻柱顶部扭矩和钻头转速的变化情况。对 8 英寸XHP2S钻头做了仿真 ,结果表明 ,钻头处受岩石的阻力扭矩是随机变化的 ,并有负扭矩出现 ,扭矩的变化幅值随静钻压的增加而增加 ;钻柱顶部转盘施加的扭矩变化不如底部剧烈 ;钻头的转速在局部有较小的波动 ,其总体变化较为平缓。     

球形单牙轮钻头钻进过程的计算机仿真

从单牙轮钻头几何结构出发, 利用仿真技术, 建立了钻头运动模型、牙齿几何模型、井底模型和岩石与牙齿作用力模型等。在这些模型的基础上, 编制单牙轮钻头钻进过程仿真程序, 在计算机上模拟钻头破岩过程, 揭示了钻头与岩石互作用的大量细节, 并获得牙齿载荷和机械钻速等许多重要信息。仿真结果与台架试验结果很接近, 从而验证了仿真程序的正确性。采用该仿真程序可对不同钻井条件下不同结构单牙轮钻头的性能作出比较和判定, 也可预计尚未制成钻头的钻进能力。     

可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头的破岩仿真

针对钻井过程中岩性识别困难、PDC钻头磨损严重、孕镶金刚石钻头破岩效率低和钻头泥包等问题,采用BP神经网络学习算法建立了岩性识别模型,并设计了一种新型可伸缩式PDC-孕镶金刚石耦合仿生智能钻头,分别在软件Matlab和ABAQUS上进行了岩性识别仿真和破岩仿真。仿真结果表明:BP神经网络模型对岩性的识别精度非常高,有利于合理选择钻头类型、及时调整钻井参数和提高钻井效率;仿生智能钻头作用于岩石表面的应力远大于常规钻头,使岩石更易达到破碎极限,从而提高钻头钻速。本设计集智能岩性识别、高破岩效率、自再生功能、防泥包功能于一体,为我国石油钻头的设计提供了一种新思路,具有重要意义。     

水平井仿生磨鞋钻磨复合桥塞的设计与仿真

针对水平井可钻式复合桥塞技术钻塞效率低及返屑困难等问题,以土壤动物蜣螂的胸节背板为仿生原型,设计出一种仿生孕镶金刚石取心磨鞋(以下称仿生磨鞋)。仿生磨鞋以“套铣”的方式钻磨多级复合桥塞,与传统磨鞋相比其钻塞速度更快,返屑成功率更高。为了验证仿生磨鞋的改善效果,在有限元分析软件ABAQUS中对常用的5翼PDC镶齿平底磨鞋与仿生磨鞋进行了钻除复合桥塞仿真对比试验。仿真结果表明：两种磨鞋在钻塞方式上存在较大的差异,仿生磨鞋的钻塞速度明显快于常规磨鞋;仿生磨鞋钻除下来的钻屑尺寸更小,返屑成功率更高,卡钻的可能性更低;增加钻压与转速对提升磨鞋的钻塞速度都具有促进作用,但增加钻压的增速效果更明显;磨鞋底面最外圈边缘的磨损量最大,在加工磨鞋时应该对其优化加强。研究成果可为国内可钻式复合桥塞工艺技术的进一步发展提供理论基础。     

混合钻头破岩特性研究

现有的常规PDC钻头和牙轮钻头均无法满足深硬地层、难钻性地层以及软硬交错地层的破岩要求。混合钻头在国内外的成功应用证明其具有较好的破岩效果,但对其破岩特性的研究还不够深入,导致混合钻头设计优化和推广受限。鉴于此,基于有限元分析法和弹塑性力学理论,以Drucker-Prager准则为岩石的本构关系,建立了混合钻头破岩仿真模型,开展了混合钻头破岩特性研究。研究结果表明:混合钻头破岩量大于单个PDC钻头和单个牙轮钻头破岩总量之和,这与现场结论一致;牙轮主导型混合钻头适用于硬地层,PDC主导型混合钻头适用于软地层;混合钻头破岩特性与其自身结构有关。混合钻头破特性研究为促进混合钻头的优化设计和混合钻头的现场应用奠定了基础。     

基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿与破岩仿真

近年来PDC钻头在结构与类型上均发生了较大变化,这对布齿设计提出了更高的要求,而合理的布齿设计是保证PDC钻头使用寿命的关键。为此,提出了一种基于ABAQUS的PDC钻头参数化布齿设计与破岩仿真方法。该方法通过编写Python脚本代码对ABAQUS内核程序进行控制,可以自动读取数据库中PDC钻头的几何参数,实现PDC钻头的参数化布齿;快速完成模型网格的自动划分、接触对的自动设置以及载荷与速度等条件的定义等,简化了PDC钻头切削齿与岩石的破岩仿真模型的建立过程,实现仿真结果的输出与保存,方便对布齿模型破岩性能进行分析。通过与常规建模方法建立的布齿模型进行对比分析,证明了采用该方法建立布齿模型的正确性;对仿真结果中的扭矩进行了分析,并与前人试验结果进行对比,证明了仿真模型的正确性。采用该方法可大幅度提高布齿设计和破岩分析效率,缩短PDC钻头的研发时间。     

钻柱纵向振动时钻头钻进计算机仿真

国内在研究钻头钻进岩石时着重研究钻头与岩石相互作用,没有考虑因钻柱振动带来的影响;而国外没有考虑钻头与岩石作用来研究钻柱振动,而且假设激振源为周期性的,都偏离实际。该文从建立符合实际的下端边界条件入手,着重研究了钻柱的纵向振动。用有限单元法,求出整体质量、整体刚度,整体阻尼矩阵采用的是比例阻尼矩阵,利用牛顿法得到钻柱的振动方程。并利用Houbolt数字解法模型求解了振动微分方程。根据上述模型编制了用于分析钻柱纵向振动的计算机仿真软件,并进行了大量仿真实验,通过对实验结果分析得到了有意义的结论。