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在建立牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,建立了基于钻柱和岩石互作用下的牙轮钻头横向振动动力学模型。该模型将钻头在钻井过程中与井底岩石互作用产生的力或位移作为钻柱横向嗥牟下端边界条件,采用数值计算方法－龙格库塔法求解该动力学模型,并开发了基于钻头与岩石互作用下的钻头动力学仿真分析条件。为提高钻头、钻柱的使用寿命,改进钻头、钻柱的设计方法提供了新的理论依据和方法。     

冲旋钻井中钻柱纵向振动模型的建立与求解方法

根据动力学的基本理论分析认为 ,影响冲旋钻井中钻柱纵向振动的因素主要来自钻头与井底岩石的相互作用和冲击器的冲击作用。据此 ,在适当的简化条件下 ,利用弹性杆理论和单元法建立了在冲击器作用下的钻柱纵向振动的动力学模型 ,并采用数值差分法求解了这一模型 ,与旋转钻井情况下的结果进行了比较。为进一步研究钻柱在冲旋钻井中的实际运动规律和动力学性能 ,推广冲旋钻井技术在油气田中的应用奠定了基础。     

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动,其钻压的振幅一般为平均钻压的30%左右;同时,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为,对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。     

牙轮钻头动力学模型的建立与仿真分析

在牙轮钻头几何学、运动学和钻头与岩石互作用静力学模型的基础上，对钻进过程进行适当简化后，建立了牙轮钻头动力学模型，主要包括钻头纵向动力学模型、钻头横向动力学模型和钻头扭转振动模型。在建立钻头动力学模型的基础上，完成了牙轮钻头动力学仿真分析软件的设计，利用该软件实现了对牙轮钻头动力学仿真分析计算，并与静力学模型的仿真计算结果进行分析对比，得出了影响钻头、钻柱动力学性能的因素除与钻头结构、牙齿结构、岩石性质和钻井参数有关外，还与钻具结构和钻具的组合形式有较大关系等结论。     

牙轮钻头纵向振动动力学仿真模型的建立

牙轮钻头的纵向振动对钻井过程的影响很大，也是造成钻柱振动的直接原因。在3点假设和简化条件下，利用钻柱动力学有限元模型的数值计算方法，建立了钻柱振动的有限元模型；在考虑钻头一岩石互作用力学模型的基础上，建立了钻头纵向振动动力学仿真模型，共叙述了具体的仿真过程。通过仿真计算可以预测钻头的动钻压及进尺。对81/2XHP2S钻头的仿真结果表明，钻头的动钻压可以达到钻压的2倍以上，较好地反映了钻头的动力学特性。     

三牙轮钻头井底横向力的计算机仿真

在定义钻头的井底横向作用力后，建立了钻头结构参数、钻井参数和岩石性质与钻头井底横向力的定量关系、相应的仿真模型和仿真程序。用计算机仿真实验得到井底轮廓和任意时刻井底岩石对钻头的横向作用力。实验结果表明，钻头旋转一周的井底横向作用力矢量统计平均值始终很小，说明钻柱作用在钻头上的横向力为零时，井底横向力表现为扩眼力。     

异形牙轮单牙轮钻头井底轨迹的计算机仿真

利用异形牙轮(非球形)单牙轮钻头几何模型及计算机仿真技术,建立了钻头与井底岩石互作用仿真模型,编制了钻头与岩石互作用仿真分析软件。由仿真计算得到了给定结构参数的钻头与给定岩石互作用后的井底轨迹。通过钻头破岩实验,得到了实际钻井时的井底轨迹,它与仿真结果很相近,验证了仿真结果的正确性,为钻头设计提供了有力的帮助。     

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。     

偏轴钻具在窿9井轨迹控制中的应用分析

针对偏轴钻具在窿9井中的轨迹控制问题,采用非线性动力学分析方法,综合考虑钻具与井壁的不确定性边界条件、井底对钻头的反向激励、钻柱的屈曲等力学要素,建立了偏轴钻具组合的动力学模型,对模型进行了求解,获得了钻头运动轨迹。计算结果表明,原有钻井参数下,偏轴钻具组合的钻头多在第四象限运动,使切削该方位井底岩石的力度加大,即钻头将朝向该方向偏斜,从而使井斜增加;调整钻井参数后,显著提高了偏轴钻具的防斜能力,也提高了钻头运动的平稳性。     

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。     

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。     

深井钻柱粘滑振动特性分析

粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期。为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程。基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响。结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制。     

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文章分析研究了大位移井钻井过程中对钻具破坏很强的一种扭转振动：“粘滞—滑动”,这种振动在大位移井钻井过程中发生的概率比较大,表现为或停或转的状态,转动的瞬间钻头以很大的速度冲出,引起钻头与地层、钻柱与井壁强烈碰撞,因此引起钻具失效。通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型,分析了在钻头与地层扭矩及钻柱与井壁间摩阻扭矩作用下钻柱的动态行为,给出了钻柱所受摩阻力与钻柱动态位移之间的函数关系。分析了钻柱“粘滞—滑动”振动所遵循的物理规律,获得了大位移井“粘滞—滑动”共振频率的分布。结果表明：大位移井的“粘滞—滑动”现象表现为低频反应。根据“粘滞—滑动”共振所满足的条件,通过调整钻井参数可以避免“粘滞—滑动”现象的发生;扭转负反馈对“粘滞—滑动”现象有一定的阻碍作用。该问题的分析结果具有较高的理论价值和实际意义,对大位移井钻进中如何减少钻具失效问题提供力学依据。     

PDC钻头钻进过程的动态仿真

计算机软件模拟试验可对各种形式的PDC钻头在不同的岩层条件和钻井参数下进行试验。将井架、钻柱和钻头作为一个系统,建立了PDC钻头动力学模型,包括纵向振动、横向振动、扭转振动以及钻头与井壁碰撞模型。通过面向对象的编程方法,在Visual C6.0的环境下将模型实现为计算机软件。实例证明,仿真软件计算结果与PDC钻头实际工况吻合。利用该软件可在不同岩石性质和钻井参数下,对PDC钻头进行仿真,研究各种设计方案在钻进过程中的工作性能,进行分析对比,优选出较好的设计方案。     

液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术研究与现场试验

在应用PDC钻头钻进硬地层时易出现钻具粘滑振动、跳钻、钻具突然回转等问题,导致钻头崩齿、钻具扭转变形,从而影响钻井效率和钻头、钻具的使用寿命。为此,研制了液力扭转冲击器和液力加压器并组合应用,形成了液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术。室内性能试验结果表明,液力扭转冲击器能够产生高频冲击扭矩,且随着排量的增加,冲击扭矩、冲击频率和节流压力均会增加;液力加压器可以降低钻头的剧烈振动,从而达到提高钻速、保护钻头的目的。该技术在3口井进行了现场试验,与邻井相比,机械钻速分别提高了50%,33%和68%,且单只钻头进尺显著增加。研究表明,液力扭转冲击器配合液力加压器的钻井提速技术,可以大幅度提高机械钻速,并解决定向钻井中存在的托压问题,为实现油气藏高效开发提供了一种新技术。      

硬地层稳压稳扭钻井提速技术

采用PDC钻头钻进硬地层时,如果破岩扭矩较小或波动幅度较大,易造成钻头恶性振动和钻头使用寿命短,从而导致机械钻速低和钻井周期长。因此,建立了PDC钻头破岩所需门限扭矩的计算模型,以门限扭矩定量计算为核心、平稳传递钻柱应变能为手段,形成了硬地层稳压稳扭钻井提速技术。该技术通过优化井眼尺寸、选用合适的钻头和冲击类辅助破岩工具,降低破岩门限扭矩和门限钻压;通过选择合适的井下动力钻具,为钻头提供足够的破岩能量;通过选用减振工具和优选钻井参数,降低振动,保证钻头运动平稳。稳压稳扭钻井提速技术在夏河1井古生界硬地层进行了现场试验,二叠系机械钻速提高485.6%、全井机械钻速提高70.4%,取得了显著的提速效果。研究结果表明,稳压稳扭钻井提速技术能够提高硬地层机械钻速,可为复杂地层钻井提速提供借鉴。      

钻柱纵向振动仿真分析

国仙外在研究钻柱振动时都把钻柱下端当作铰支,假设激振源为周期性的,偏离实际。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,另外通过钻头与岩石的相互作用模型得到了起初的钻柱下端边界条件,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     

钻进过程中基于小波包理论的岩性识别研究

提出了一种利用钻柱轴向振动调幅信号实现岩性识别的方法.三牙轮钻头钻进不同岩石时易引发携带强烈背景躁声的钻柱轴向调幅振动信号,采用小波包多层分解、域值滤波、最优向量选取及重构信号等方法并结合快速傅立叶变换频谱分析,有效地提取出被噪声淹没的调幅信号,检测出中心频率及其边频率带,计算出与岩性相关的综合齿数,从而快速、有效地实现了岩性分类.