等壁厚螺杆钻具研制与现场试验

等壁厚螺杆钻具是近年来研制成功的一种新型螺杆钻具,具有单级密封压力高、转速低、扭矩大、曲率半径小、使用寿命长、耐高温和使用更加安全可靠等技术优势,适合在常规生产井、深井、斜井和定向井中使用,但国内刚处于试验研究阶段。在介绍等壁厚螺杆钻具国内外发展现状、基本结构与设计要点的基础上,指出了等壁厚螺杆的技术特点及与常规螺杆的主要区别,并在2个区块、相同井型进行了2种不同形式螺杆钻具的应用试验。现场数据分析表明,等壁厚螺杆钻具在不维修情况下,累计下井使用时间平均193 h,比常规螺杆提高40%以上,机械钻速提高22%。等壁厚螺杆钻具的使用寿命比常规螺杆钻具长,且能有效提高机械钻速、缩短建井周期,可以推广应用。      

螺杆钻具等壁厚衬套的设计及仿真分析

螺杆钻具以其独特的优势在定向钻井生产中得到青睐,但仍不能广泛应用于深井、高密度钻井液井以及小曲率半径的水平井。常规衬套的内表面是螺旋曲面,橡胶衬套厚薄不均,衬套抗变形能力低,单级承压小,泄漏沿程长,机械特性软,热膨胀不均、磨损速度快,故导致效率持续降低。因此,长度短、大功率、高压降、低转速螺杆钻具的开发与应用,已成为提高钻井效率、节约钻井成本的重要环节。为此,设计了一种等壁厚螺杆钻具衬套,进行了螺杆钻具橡胶衬套力学性能实验,建立了螺杆钻具等壁厚衬套和常规衬套的力学计算模型。结果表明,在相同压力下,等壁厚衬套比常规衬套有更好的抗形变能力;在相同的过盈量下,等壁厚衬套有更好的密封能力。在同等扭矩下,等壁厚定子螺杆钻具的定子长度可以得到缩短。     

准等壁厚螺杆钻具马达断面型线设计

分析了等壁厚螺杆钻具马达的性能优点和马达金属外壳的加工方法。针对等壁厚螺杆钻具马达金属外壳内表面存在的加工难题,提出了准等壁厚螺杆钻具马达的设计思路。阐述了准等壁厚螺杆钻具马达金属外壳断面型线的绘制方法,并给出了设计实例。试验分析了准等壁厚和等壁厚螺杆钻具马达的性能。结果表明:准等壁厚螺杆钻具马达不仅具有等壁厚螺杆钻具马达的性能优点,还解决了等壁厚螺杆钻具马达金属外壳电解加工的难题。     

等壁厚螺杆钻具定子衬套变形规律研究

研究了静压和压差对等壁厚螺杆钻具定子橡胶衬套变形规律的影响,并与常规螺杆钻具定子衬套做了比较。分析结果表明,静压和压差作用对等壁厚定子衬套变形规律的影响与常规定子衬套相比有很大区别,如等壁厚定子衬套弧底位移最大,弧顶位移最小,与常规定子衬套相反;等壁厚定子衬套变形受内压作用影响比常规定子衬套小,且随着压力增加,等壁厚定子衬套内轮廓线各点法向位移增加较均匀;与常规定子衬套相比,等壁厚定子衬套具有更高的抗压能力和更好的密封性能。因此,采用等壁厚定子衬套可提高螺杆钻具的工作效率和延长其使用寿命。     

等壁厚螺杆钻具及应用

等壁厚螺杆钻具是一种新型动力钻具。介绍了等壁厚螺杆钻具的基本结构、与普通螺杆钻具的结构区别和技术优势,并对其现场应用效果进行了分析。与普通螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具具有工作扭矩大、使用寿命长、耐高温等优点,在深井和高密度钻井液井及小曲率半径水平井应用具有较大的技术优势。     

等壁厚关键参数对螺杆钻具衬套性能影响研究和试验分析

根据Mooney-Rivlin双参数模型建立橡胶衬套本构关系,取橡胶泊松比为0.5,做不可压缩处理,确定弹性模量、剪切模量等相关材料参数.根据定子轮廓方程确定结构尺寸,建立定转子接触模型,完成等壁厚衬套厚度由5 mm变化到12 mm、马达头数为3∶4、5∶6、7∶8条件下等壁厚衬套性能对比分析,完成等壁厚衬套厚度、马达头数变化对螺杆钻具性能影响研究.根据计算结果优化钻具结构参数并完成等壁厚衬套试验分析,试验数据给出了压差由1.93 MPa变化到5.90 MPa时,扭矩、转速、容积效率、总效率的变化规律.等壁厚结构关键参数对衬套性能影响的计算结果,为确定制造参数、提高钻具性能提供基础.     

螺杆钻具的前沿技术

为了延长螺杆钻具的使用寿命、提高其输出性能、满足特殊钻井工艺及特定区块的特殊需求,对螺杆钻具的前沿技术进行了调研,分析了当前的研究热点,主要涵盖2个方面:①改进马达定子,包括等壁厚定子、定子橡胶新工艺新配方的研究;②传动轴总成的改进,包括推力轴承、径向轴承等新工艺新技术的研究。基于此,展望了螺杆钻具的未来发展趋势。     

等壁厚螺杆钻具旁通阀水力循环试验与CFD分析

针对钻井过程中循环钻井液流量控制不准确,造成螺杆钻具旁通阀总成无法开启闭合,阀心密封件失效刺漏等问题,通过244 mm等壁厚螺杆钻具旁通阀理论计算和循环试验,验证旁通阀工作可靠性。测得244 mm等壁厚螺杆钻具旁通阀关闭流量和开启流量;测得不同流量下旁通阀压降,确定阀心实际流量系数。分析结果表明,244 mm等壁厚螺杆钻具旁通阀在不同流量下产生的压差与循环试验获得压差十分接近,并且旁通阀在一定流量下均能实现阀心顺利打开和关闭。当流量由大变小时,阀心打开流量为20.20~14.60 L/s,当流量由小变大时,阀心关闭流量为22.51~26.38 L/s,旁通阀实际流量系数为1.138~1.395。研究结果对于起下钻时旁通阀循环流量控制具有指导作用。     

中空螺杆钻具的外特性及其改进

分析了中空螺杆钻具的外特性,探讨了中空螺杆钻具的输出转速、扭矩、功率以及效率与马达压降的关系,从而指出中空螺杆钻具存在着严重的转速软特性和抗载能力差等问题;并在此基础上研制了一种稳流阀,用于改善中空螺杆钻具转速软特性。实验和分析表明,带稳流阀的新型中空螺杆钻具显着改善常规中空螺杆钻具的转速软特性,并且效率也明显提高。文中还提出的中空螺杆钻具的临界排量的概念,可作为评价中空螺杆钻具性能的一个重要指标。     

连续油管作业用小螺杆钻具的研究

针对连续油管作业的技术特点和对小螺杆钻具的功能需求,在现有螺杆钻具制造经验的基础上,吸收部分国外产品的优点,设计开发了直径为60～80mm的小螺杆钻具。对小螺杆钻具的马达、万向轴、传动轴等主要的总成结构进行了改进,制造出小螺杆钻具的样机,并进行了试验。结果表明,在输入流量为8L/s时,随着工作压降增加,输出扭矩基本呈线性增加,转速略有下降;在达到设计满载压降3.2MPa时,工作扭矩达到700N.m,输出转速219r/min,总效率达到44%,样机性能达到了设计要求。