深井套管强度设计中实际外挤载荷的数值分析

套管的受力分析是套管强度设计的基础。通过建立套管-水泥环-地层模型,对实际钻井工况下的外挤载荷进行ANSYS有限元计算分析。分析结果表明,地应力和地层弹性常数对套管的外挤载荷影响十分显著。用现行方法进行深井套管强度设计时,套管外挤载荷按下入过程中静液柱压力来分析,未考虑地层因素的影响,与实际值差异较大。按照地层因素来确定套管外挤载荷,不同地应力和地层弹性常数得到不同的套管外挤载荷,更符合工程实际,可为深井套管柱强度设计提供合理参考。     

鱼骨状水平分支井分支初始段的优化设计

随着鱼骨状分支井的应用越来越广泛,对鱼骨状分支井的设计提出了更高的要求。在鱼骨状水平分支井的设计中,分支初始段的形态关系到管柱重入问题、岩屑的堆积问题以及分支井眼与主井眼连接处井眼的稳定性问题,因此,分支初始段设计的合理与否在鱼骨状水平分支井的设计中显得尤为重要。对影响鱼骨状水平分支井分支初始段设计的因素进行了分析,通过对分支初始段长度、配合不同工具面角、造斜率关系进行研究,对分支初始段进行了优化设计,给出了符合实际设计要求的分支初始段长度和所需工具面角的取值范围,以上研究对鱼骨状水平分支井的设计有一定的参考价值。     

井下钻柱减振增压装置工作原理及提速效果分析

为了进一步提高深部地层钻井速度,基于直井钻进过程中底部钻柱振动特性的研究成果和有效利用直井底部钻柱纵向振动能量实现钻井液增压的思路,研制出了JZZY-1型井下钻柱减振增压装置。该装置工作时,能将钻柱振动能量转化为钻井液的压能,使钻井液增压并通过钻头上的特制喷嘴产生超高压射流,从而实现既减小钻柱纵向振动,又提高钻井液喷射压力来辅助破岩的目的。胜利油田3口井的现场试验结果表明,该装置能够大幅度提高钻井速度,不但结构可靠、工作稳定,工作寿命能够满足现场应用的要求,而且其减振效果优越。这表明利用钻柱纵向振动来实现井下钻井液增压是可行的,应对该增压装置进行深入研究,以满足深井超深井安全高效钻井的需求。      

井眼环境影响钻柱信道的声波传播效果试验

研究井眼环境因素对钻柱中声波传播的影响规律不仅是实现井下信息声波传输技术的基础,也关系到井下信息声波传输技术载波的选取及中继装置的设计安装。为此,设计了用于测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置,开展了井壁性质、井眼内循环介质对声波传播的影响试验,分析了钻柱与井壁的接触状态及循环介质对钻柱声传播的影响规律。结果表明:①井眼环境主要影响声波在钻柱中的衰减,基本不影响通阻带分布规律;②随着井壁硬度的增加,声波衰减减小;③随着钻柱与井壁支撑点的增加,声波衰减加剧,但通阻带的位置和宽度变化不明显;④液体循环状态下的声波辨识效果弱于液体静止状态,有液体存在的声波辨识效果弱于气体状态。在井下信息声波传输系统载波选择及中继器位置确定过程中,应该充分考虑井眼环境引起的声波衰减,而基本不用担心其引起的频带变化。     

水平井钻柱中传输井下信息声波频率的选择

水平井水平段钻进的钻柱具有独特性,且钻进时传输的井下信息量大,传输速度要求高,因此探索在水平井内利用声波来传输井下信息非常必要。利用有限差分法对加重钻杆及普通钻杆内声波传播的频谱结构进行了计算分析,对φ127.0 mm加重钻杆及普通钻杆、φ139.7 mm加重钻杆及普通钻杆中声波传播的频谱结构差异进行对比,探讨了材料差异对声波频谱的影响。研究结果表明,相同材料加重钻杆的频谱结构与普通钻杆相比,阻带宽度产生变化,通带中心位置基本不变;2种结构通带的交集随着频率的降低而增大;通带顶端毛刺的波度幅值变大、数量变少。φ127.0 mm加重钻杆与φ139.7 mm加重钻杆的频谱结构基本无差异。加重钻杆材料差异导致频谱结构变化较大,实际选频中不可忽略此差异。水平井钻柱中传输井下信息声载波的频率应该全面考虑上述因素,选择在频谱结构中通带的交集范围之内。     

喷嘴方位角对PDC钻头齿清洗力的影响

对不同喷嘴方位角时水射流对ＰＤＣ钻头齿清洗力的影响进行了实验究。根据悬臂梁原理设计了实验装置。用均布于模拟钻头刀翼上的５根测杆作为测量元件，可以测出水射流对模拟钻头齿上的水力清洗力。     

水平井眼中旋转钻柱运动特性的实验研究

根据相似原理,设计建造了水平井底部钻柱运动状态的模拟实验装置。利用该装置进行了水平井钻柱在不同钻压、转速条件下钻柱运动状态的模拟实验。实验结果表明：水平井底部钻柱在不同转速下表现出近似圆形摆动,“8”字形摆动和扁“8”字形摆动3种运动状态。随着转速的增加,钻柱的摆动由近似圆形摆动向“8”字形和扁“8”字形摆动转化;钻压和转速是影响水平井底部钻柱运动状态的2个重要因素。转速越高,越容易形成“8”字形摆动,增加钻压有利于底部钻柱“8”字形摆动的形成;水平井底部钻柱的运动范围始终处于井眼的中下偏右部。     

基于超声波的近钻头无线随钻测斜系统设计

为了实现近钻头测斜,同时提高特殊工艺井、定向井及水平井等高精度井施工中井眼轨迹的控制能力和计算精度,对利用超声波作为无线信号传递的编码方案做了简要介绍,设计了基于超声波的近钻头无线随钻测斜系统,并对该系统进行了现场试验。试验结果表明,利用超声波来实现近钻头部分井斜角数据的传递是切实可行的。在室内利用超声波最大可达到1 000 b/s的数据传输速度,随着研究的深入可以实现近钻头部分其他参数的测量。     

撞击射流井底漫流特性数值研究

应用大涡模拟方法对不同条件下单喷嘴垂直撞击射流的流场特性进行了数值模拟,对数值模拟结果的分析研究表明,在射流撞击距离小于射流等速核长度的条件下,射流撞击距离和喷嘴出口面积的变化对井底漫流层的厚度没有明显影响.提出了采用井底有效漫流层厚度和有效平均漫流速度研究水力作用对井底和钻头的清洗及冷却效果的新概念.研究表明,就PDC钻头而言,减小钻头面至井底的距离,对提高整个井底的有效平均漫流速度,效果并不明显.     

吸振式井下液压脉冲发生装置

为了提高钻井过程中井底钻井液能量及其利用效率,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置,建立了装置的仿真模型并进行了仿真分析,对装置的性能进行了现场测试。基于将钻柱振动能量转化为井底钻井液液压的思路,设计了吸振式井下液压脉冲发生装置的结构并分析了其工作原理,在此基础上建立了装置的仿真模型。仿真分析结果表明:该装置可调制出较高幅值的井底脉冲压力,产生高出常规钻进喷嘴压降2~6 MPa的射流压力,且通过优选钻井液排量和钻头喷嘴当量直径可提高脉冲压力幅值。现场试验结果表明:与常规钻进相比,该装置可大幅提高钻进速度,有效延长钻头使用寿命;装置性能稳定、使用寿命长,可满足现场钻井施工要求。图5表3参13