PDC切削齿冲击载荷预测模型的试验研究

为了预测PDC切削齿所受冲击力,利用PDC切削齿在不同性质的岩样上进行冲击试验,研究了切削面积、后倾角、岩石压入硬度及切削速度等因素对PDC切削齿所受冲击载荷的影响规律。研究结果表明,PDC切削齿的切向冲击力和轴向冲击力与切削面积、岩石的压入硬度和切削速度均呈显著的线性关系;后倾角为10°左右时,PDC切削齿受到的冲击力最小,随着后倾角的增大,切削齿所受的冲击力呈增大的趋势。建立了PDC切削齿冲击载荷预测模型,通过切削齿的切削参数可以预测切削齿所受冲击载荷的值。实例计算结果与实际测量结果误差在10%以内。该项研究结果为PDC钻头抗冲击性能的优化设计提供了理论依据。     

潜孔冲击器结构性能参数优化研究

为了研究潜孔冲击器的冲击运动规律,提高其冲击性能,采用有限差分法,通过对活塞运动进行数学建模及MATLAB仿真计算,模拟活塞动力学过程,并得出潜孔冲击器相应的冲击性能参数。同时研究后气室配气长度对潜孔冲击器冲击性能的影响,对后气室排气长度、后气室压缩长度和后气室进气长度建立关于冲击功率、冲击功和冲击频率的正交分析试验,并对数据结果进行优化,以更好地提高潜孔冲击器的冲击性能。研究结果表明:对冲击功率影响最大的是后气室进气长度,对冲击功影响最大的是后气室排气长度,而对冲击频率影响最大的则是后气室排气长度及后气室压缩长度;优化后冲击功率提高9. 64%,冲击功基本保持不变,冲击频率提高10%。相关研究对潜孔冲击器设计及应用具有一定的指导意义。     

旋转冲击破岩实验装置的设计与应用

旋转冲击钻井技术是深井、超深井钻井常用的提速措施之一。实践表明,钻压、钻头转速、冲击力与冲击频率是影响旋冲钻井破岩效率的关键参数,优选旋冲钻井参数有助于提高冲击器的破岩提速效果。设计了一种新型旋转冲击破岩实验装置,利用齿形振套的碰撞产生冲击载荷,用地质钻机带动钻头破岩。测量实验表明该装置冲击载荷受弹簧压缩量影响,冲击频率为冲击振套齿数与钻机转速的乘积,冲击过程稳定高效,冲击参数与现场多种旋冲钻井工况有较好的对应。旋冲破岩实验表明旋冲钻井技术可以显著提高钻头破岩速率;提高冲击载荷幅值,能够提高钻头破岩速率。旋冲钻井技术存在最适宜钻压,使用不同类型冲击器钻进不同地层时需要对钻压进行优选。利用该实验装置研究旋冲钻井参数对破岩速率的影响规律,有助于旋冲工具性能参数的设计和优选。     

轴扭耦合冲击器结构设计与室内试验

为提高PDC钻头切削齿在硬地层中的吃入深度、消除扭转振动带来的危害,在自激换向式扭冲总成结构的基础上,增设水力脉冲式轴冲总成,利用扭冲总成拨叉带动轴冲总成动盘阀同步旋转,使过流面积发生周期性变化,产生水力脉冲轴冲载荷,与扭冲载荷一起形成轴扭耦合冲击,设计出一种结构简单、冲击频率相同的新型轴扭耦合冲击器。同时,基于能量转换与守恒定律,建立了冲击器性能参数数学模型,并开展了轴扭耦合冲击器性能参数室内试验。试验结果表明,该轴扭耦合冲击器的压降、轴冲载荷与流量平方呈正比,扭冲载荷、冲击频率与流量呈线性增大关系,最大相对误差仅7.91%,验证了该数学模型的准确性。研究结果可为同类冲击钻井工具的开发提供理论指导。     

新型液动射流冲击器顶紧及密封机构设计

针对液动射流冲击器中压盖与射流元件之间出现的密封及缸体活塞卡死问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构,对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验。试验得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度,得到了冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明：该机构可以解决液动射流冲击器内部零部件因预紧力不足导致的密封失效和因预紧力过大导致缸体变形、活塞运动受阻或卡死的问题;冲击器的性能参数得到了优化,可以根据现场所需的冲击功和冲击频率,对冲击器的流量等操作参数进行调节,以满足不同地层岩性的钻井需求。     

同频异位式复合冲击器的研究开发与现场试验

为了提高PDC钻头在硬地层中的破岩效率，增加切削齿吃深，同时消除井底钻头的“黏滑”现象，研制出同频异位式复合冲击器。该复合冲击器具有轴向冲击和扭向冲击2种功能，且2种冲击频率相同、但相位不同。基于同频异位式复合冲击器的结构特点和工作原理，确定了轴扭冲击相位角θ₂为20°,建立了PDC切削齿轴向冲击力和扭向冲击力的数学模型，明确工具扭冲系统与轴冲系统消耗水力能量比值的合适范围为2.0～3.0。现场试验结果表明，带有复合冲击器钻进时，井底钻柱扭矩平稳，与邻井扭力冲击器+PDC钻头的钻具组合相比，其进尺和机械钻速分别提高111.36%和46.83%,节省1趟钻，且出井PDC钻头复合片磨损轻微。该工具使用效果良好，可为复杂难钻地层提速增效提供一种有效手段。     

赫-巴流体钻头水力参数优化程序设计方法

循环压耗的准确计算是钻头水力参数优化程序设计的基础。在给出用赫-巴流体准确求解循环压耗的基础上,以最大钻头水功率或最大冲击力的工作方式为依据设计出最优的水力路线,以此来优选钻井水力参数和最优喷嘴尺寸。最后通过计算实例和编制的程序对宾汉模式、幂律模式和赫-巴模式进行了分析对比,指出采用赫-巴流体模式进行计算准确度高,完全能满足钻井工程设计要求。     

弹性蓄能激发式旋冲钻井工具特性分析

为了解决常见旋冲钻井工具冲击力小、冲击频率不稳定的问题,设计研制了弹性蓄能激发式旋冲钻井工具,将弹性蓄能元件与凸轮机构结合,利用螺杆马达带动齿形冲击振套碰撞产生冲击载荷。基于冲击动力学理论建立了该工具冲击参数计算模型,利用钻井泵和高速力值采集系统开展了工具样机冲击特性测试研究。试验结果表明,该工具冲击载荷曲线形态接近于简谐曲线,冲击载荷峰值为18~43 kN,冲击载荷随弹性元件压缩量增大而增大;冲击频率为25.7~37.2 Hz,可以由钻井泵流量调节。根据力学分析和试验结果,该工具冲击频率为螺杆马达转速与冲锤齿数的乘积,且与钻井液排量成正比;冲击载荷与弹性元件压缩量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数增加关系;冲击作用时间与冲锤质量呈幂函数增加关系,与齿面变形系数呈幂函数减小关系。弹性蓄能激发式旋冲钻井工具的研制和特性分析,为旋冲钻井技术的发展提供了一种新的设计方法和技术思路。      

?228.6 mm射流冲击器研制及硬地层提速试验

涪陵页岩气田二开?311.1 mm直井段钻遇的龙潭组、茅口组地层坚硬,可钻性差,钻头使用寿命短,机械钻速低。为了提高该井段机械钻速,研制了?228.6 mm射流冲击器,并进行了台架试验,结果显示,该射流冲击器性能参数可调范围大,当行程、冲锤质量和排量变化而其他条件不变时,冲击力、单次冲击功、冲击频率随之呈近线性变化。在台架试验的基础上,优选了?228.6 mm射流冲击器的结构及性能参数,优化了钻具组合及旋冲钻井参数,并在焦页109–1HF井硬地层进行了现场试验。现场试验结果表明,?228.6 mm射流冲击器提速效果显著,较邻井二开平均机械钻速提高104.9%。?228.6 mm射流冲击器的成功研制,为涪陵页岩气田二开直井段硬地层钻井提速提供了有效的技术手段。      

阀式反作用液动冲击器参数计算及性能分析

本文论述了阀式反作用液动冲击器的工作原理,提出了计算冲击力和冲击频率的方法。通过分析指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上地层,并且应尽量增大泥浆排量,采用较大刚度的冲锤弹簧,以使冲击器的优点得到发挥。     

旋冲钻井破岩力学模型的研究

旋冲钻井技术可有效提高硬地层、易斜地层的机械钻速。以弹性力学、波动理论和冲击动力学为基础，采用室内试验和力学理论相结合的研究方法，建立了旋冲钻井破岩力学模型。在该模型的建立过程中。首先根据冲击器的工作原理，结合冲击动力学，对旋，中钻井中冲击动载作用下的破岩过程进行了简化；假设岩石为弹性介质，根据弹性力理论，分析了轴向力和剪切力作用下岩石的受力状态；对在室内进行的载荷侵入深度曲线的试验结果进行分析，得出岩石所受外栽荷与侵入深度成一定的线性关系；结合波动理论，分析了冲击动栽作用下岩石的应力状态。建立的破岩力学模型对旋冲钻井的进一步发展具有重要的现实意义。     

饱和粘土中导管架平台单桩水平承载力分析

运用ABAQUS有限元分析软件,建立饱和粘土中单桩的桩土耦合模型,对现役导管架平台桩基在水平载荷下的承载问题进行了数值分析。分析结果表明,6倍桩径以上为桩的关键受力部位,平台设计时桩从泥面往下6倍桩径处必须加厚处理,保守设计为12倍桩径;最大土抗力出现在2.5倍桩径处,最大位移为土表面;水平载荷下桩土的承载部位主要集中在上部,土抗力出现最大值的位置比桩出现最大弯矩的位置要往上,并且土抗力不会随着深度的增加而无限增大。该项研究结果对平台的设计及现役导管架平台的评估有一定参考价值和指导作用。     

基于流固耦合的闸板防喷器建模及有限元分析

为了更加准确地分析流体对闸板剪切力的影响规律,需要对闸板防喷器剪切钻杆进行流固耦合分析。以钻杆窜动和扭转2种动态工况为例,利用SolidWorks建立闸板防喷器三维模型,并对防喷器内部流体域进行有限元建模,输出到ANSYS Fluent进行有限元分析。结果表明:在闸板剪切钻杆过程中,流体达到稳态后,在钻杆窜动工况下,流体力随钻杆受载荷力增大而减小; 在钻杆扭转工况下,流体力随钻杆扭转角度而变化,在扭转90°时流体力最大。研究结果可为防喷器剪切闸板的剪切能力分析及结构设计提供参考。     

涡流排液采气的液滴动力学分析与螺旋角优化

井下涡流排液采气是一种新型排采技术,目前对于涡流排液采气井筒旋流场液相受力特性和运动规律的认识仍然不清楚。为此,根据两相流体动力学理论,对井筒旋流场中液滴的受力特性进行分析,得到了液滴沿轴向和径向的运动方程,并对Basset力、虚拟质量力、Magnus力、Saffman力和Stokes力等典型作用力进行了量级比较。同时,以液滴所受垂直向上合力最大为原则,推导了涡流工具最优螺旋角公式;在所建立的液滴受力模型基础上,全面分析了各项作用力的成因、特点和方向。结果表明:1经过量级比较,可以忽略影响较小的视质量力、Basset力和对流体积力;2与常规井筒流场相比,旋流场中液滴在垂向增加了向上的离心力分量,有利于液滴向上运移。进而采用实例分析验证了最优螺旋角公式的可靠性,并且发现:随着井深减小,气体携液能力增强、最优螺旋角增大。该研究成果对于现场井下涡流工具优化设计和涡流排液采气作业具有指导意义。     

海上插入锚定密封弹性爪结构优化研究

对插入锚定密封的弹性爪结构在插入封隔器过程中的插入力进行了理论分析,并将该受力结构简化为一端固定非端部受集中载荷的悬臂梁模型,通过对该模型的力平衡方程求解,建立了弹性爪插入力求解的理论计算公式。对理论公式参数化分析,优选了弹性爪的插入角、插入挠度参数,结合对弹性爪长度、爪厚度、爪切槽宽度等参数,使用Workbench参数化设计方法,得到不同弹性爪结构的弹性爪插入力、最大等效应力; 结合弹性爪金属材料的最小屈服强度参数,选择弹性爪长度为142 mm、爪厚度为4.5 mm、爪切槽宽度为20 mm的弹性爪结构为最优设计方案。 对优化后的弹性爪结构的插入力进行了实物测试验证,测试结果与FEA分析结果接近,表明优选的弹性爪结构是满足设计要求的。     

防托压冲击器在盘40斜501井的应用

为了解决临盘油田40块区域内定向井长稳斜段的托压问题,提高机械钻速,缩短建井周期,试验应用了防托压冲击器。通过防托压冲击器水平井模拟试验,验证了其在水平井、定向井应用的可行性,并进行了性能参数测试及寿命评价试验。测试结果表明,防托压冲击器的冲击力为20~160 kN,冲击频率为8~20 Hz,工作寿命达120 h以上。依据施工井钻井设计,模拟计算了应用井段的钻柱摩阻,在此基础上优化了钻具组合及钻井参数。3套防托压冲击器在盘40-斜501井进行了3井次现场试验,总进尺1 080 m,降摩减阻提速效果明显,防托压冲击器的井下有效工作寿命均达到了100 h以上。应用结果表明,防托压冲击器是解决水平井、定向井长井段托压问题的有效工具。      

球形储罐的应力分析

随着球形储罐的建造规格向大型化发展,其材料用量和球壳板尺寸规格也越来越大,由此增加了球壳板在压制、运输、现场吊装及焊接等一系列建造难度。因此,大型球罐在结构、载荷等方面的本质安全要求更高的情况下,需要按照分析设计方法进行球罐的设计。通过全面的分析总结,对涵盖所有载荷组合形式的球罐4种载荷工况和2种结构模型进行整体应力计算,分析了各种载荷工况下球罐的受力状况,重点分析了支柱与球罐连接部位的应力情况。结论是:应力计算要考虑所有可能的载荷组合工况;计算载荷时要分别建立"对中模型"和"跨中模型";最大应力是在支柱与球罐连接处,要尽可能圆滑过渡,有限元应采用六面体单元分析。     

气平衡抽油机游梁与横梁联接螺栓的设计计算

在对气平衡抽油机游梁与横梁联接螺栓进行受力分析的基础上，导出了失载工况下螺栓最大载荷计算式。根据螺栓最大载荷，得出了螺栓的强度条件和设计方法，并举实例作了计算。文中提出这种螺栓的设计计算方法，克服了以往经验设计法的弊病，可减少这种螺栓因抗拉强度不足而断裂的事故。     

钻直井螺杆钻具止推轴承载荷计算

螺杆钻具止推轴承受力计算分两种工况进行，一是钻头离开井底循环钻井液时，轴承受轴向力ＴＬ为转子、万向轴、传动轴和钻头在钻井液中的总重力与传动轴总成受压差力及空转时马达压降产生的轴向水马力之和；二是在加压钻进时，其轴承所受轴向为ＴＺ＝Ｗ＋Ｑ＋Ｆ－Ｂｏ若ＴＺ为正值，轴承受力由上而下；着ＴＺ为负值，轴承受力由下而上；若ＴＺ为零，轴承寿命最高，此时钻压为合理钻压。在实际钻进时，根据地层条件，可得出轴承不受轴向力的合理钻压。     

考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计

钻井液排量的大小直接关系到大位移水平井延伸能力的高低,为获得最大的大位移水平井延伸极限,笔者从钻井液排量的角度出发,提出了排量的优化设计原则,并给出了最优钻井液排量的设计方法。综合利用大位移井的裸眼延伸极限原理和水力延伸极限原理,并考虑井眼清洁的需要从而确定钻井液的排量范围,最终以获得最大的水平段延伸极限为目标,确定最优钻井液排量值。应用该方法对1口大位移水平井进行分析可知,其排量允许范围为26.2~42.9 L/s,最优排量值为31.8 L/s,其对应的最大水平段延伸极限为6 251 m。进一步研究表明:首先,在任意排量下,基于上述两原理获得的两水平段延伸极限值的最小值可以作为大位移水平井的水平段延伸极限;其次,两水平段延伸极限相等时的值即为最大水平段延伸极限,其所对应的排量值即为最优钻井液排量值;最后,该最优排量值既可以保证大位移水平井获得最大的井眼延伸极限,又可以满足井眼清洁的需要,井内压力也不会超过井壁稳定和钻井泵的最大承载能力。