扭力冲击器与螺杆钻具集成BHA应用研究

为了解决定向井钻进过程中钻头的黏滑效应问题,提高钻井机械效率,提出了扭力冲击器与螺杆钻具集成BHA应用的方法,并从理论上进行了可行性论证与分析。首先结合扭力冲击器和螺杆钻具各自的特点,剖析了集成BHA组合工具的提速机理;然后针对两者的匹配性进行分析研究,形成了集成配套优化计算方法;最后开展了扭力冲击器+螺杆钻具BHA提速组合工具的现场试验。在宁76井中经过148 h的钻进试验,机械钻速提高27%,滑动钻进段整体稳定,定向能力略微降低,机械钻速有所提高,MWD信号稳定,可实时测量井斜。应用结果表明:集成BHA组合工具发挥了扭力冲击器和螺杆钻具各自的优势,验证了两者集成应用的可行性。该集成BHA组合工具的成功应用,可为钻井提速工具的发展提供一定的指导。     

东海L区块螺杆马达搭配复合冲击器提速技术研究与应用

中海油东海海域L区块地层可钻性较差，瓯江组存在大段含砾中砂岩和砂砾岩，单只钻头进尺短，灵峰组以泥岩、粉砂质泥岩为主，钻头吃入困难，机械钻速（ROP）低、井眼浸泡时间长，易发生钻具遇阻和卡钻等复杂情况。为提高该区块钻井效率、缩短钻井周期，加快L区块油气田勘探开发进程，开展了钻井提速实践探究。该文总结分析L区块已钻井提速现状，综合考虑螺杆马达和复合冲击器两种不同类型的提速工具工作原理，将螺杆马达与复合冲击器配套使用，强化钻头攻击性和布齿技术，应用于L区块直探井瓯江组砾石层和灵峰组泥岩段，提速效果显著，很好地解决了该区块单只钻头进尺短、磨损严重、机械钻速低和井斜不易控制等难题，创该区块单只钻头最长进尺记录，实现了12-1/4″井眼一趟钻工程。该技术可在类似区域直探井推广应用。     

螺杆钻具定转子热力耦合行为

针对螺杆钻具定转子啮合热滞后常常引起定子烧心失效这一工程难题,建立了三维螺杆马达定转子动态仿真模型,编写相关计算程序与仿真软件二次开发子程序,利用单向解耦方法,将复杂的动态超弹性材料热力耦合问题分解为形变分析、损耗分析和传热学分析3部分,对影响定子衬套线型及温度分布的相关因素进行热力耦合有限元分析。研究发现,热滞后对定子的温度分布与定子型线位移有较大影响,钻井液压力对定子型线的位移分布影响最大,同时也会加大定子的滞后生热,而过盈量的大小也对定子的滞后生热有着较大影响,当井深达到一定深度时,不适当的过盈量会导致螺杆马达效率降低。研究结果为螺杆钻具在使用过程中常常出现的烧心、效率降低、转速慢等现象提供了理论支撑,同时也为螺杆钻具定转子线型结构优化提供理论依据。     

中空转子螺杆钻具工作特性分析

介绍了中空转子螺杆钻具的结构、原理，导出了转矩、转速、功率、效率与马达两端压降的关系式，分析了其工作特性。为了改善该类螺杆钻具转速软特性，对中空转子分流嘴结构提出了改进建议。     

扭转冲击器在金跃7-1井的现场试验

为解决我国深井钻井速度慢和成本高的问题,需要抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,为此而提出一种新的钻井提速工具——扭转冲击器。该工具可以将钻井液的部分液动能量转化为高频、周向振动,并直接作用于PDC钻头,保证下部钻具组合运动平稳,有效抑制"黏滑振动"对PDC钻头的影响,同时其高频的振动冲击也可以提高PDC钻头的破岩效率。扭转冲击器在塔里木油田金跃7-1井进行了现场试验,试验中工具工作稳定,提速效果达到了国外扭力冲击器同等水平,较螺杆钻具平均机械钻速提高了42%,在硬质泥岩地层提速更为明显,机械钻速提高了88%。试验结果表明扭转冲击器对深井钻井提速具有较好的作用效果。     

螺杆马达微机CAD/CAM系统

CAD/CAM是设计及制造螺杆马达十分有用的软件系统,能解决螺杆马达在设计和制造上存在的问题。使用设计的CAD可提供所需的参数及数据,有助于提高设计质量和缩短开发螺杆钻具的周期;使用设计的CAM能明显地改善定、转子的加工精度,显著提高螺杆马达的总效率。     

螺杆钻具瓣形万向轴瓣齿压扭组合强度分析

瓣形万向轴是连接螺杆马达转子和传动轴的中间构件,也是螺杆钻具的易失效件之一.针对瓣形万向轴常见的失效形式,结合实际工况,对瓣形万向轴承受轴向压力和扭转组合栽荷时瓣齿的受力特征进行了分析,讨论了瓣形万向轴的两种主要失效形式,并分析了啮合位置参数对万向轴失效形式的影响.最后应用ANSYS分析软件对瓣形万向轴承受压扭组合栽荷时瓣齿的强度进行了校核,校核结果与理论分析结果基本一致,为今后瓣形万向轴的结构设计和强度校核提供了理论依据.     

基于模糊故障树的螺杆钻具马达总成失效分析

螺杆钻具作为一种容积式井下动力钻具,由于其独特的工作原理和优异的工作性能,广泛应用于钻井现场。由于影响因素较多,其失效形式不宜准确判定。根据螺杆钻具在现场应用过程中出现的典型失效案例,引入了模糊故障树的分析方法,建立了螺杆钻具马达总成失效故障树。通过定性分析,得到了故障树的最小割集,确定了钻具马达总成在工作过程中的薄弱环节; 引用模糊故障树计算方法,对所建立的故障树进行定量计算,并以转子表面磨损和冲蚀失效事件为例,计算其发生概率的范围。为螺杆钻具的设计、制造和使用维修提供了参考依据。     

液动冲击器分析及现场应用

介绍了由西安石油大学研制的液动冲击器的结构原理及该提速工具主要优点和所适应的地层,通过准噶尔盆地腹部已钻邻井达15测井岩石力学参数找出适合液动冲击器适应的地层,经现场试验该工具在达17井三叠系中硬地层与相适应的强攻击性PDC钻头配套使用机械钻速得到极大提升,与同时在该区域相同地层、相同泥浆体系使用多维提速工具的达001井及使用螺杆的玛中5井对比,提速效果明显,对后续在该区域施工的井队具有较强的借鉴和应用价值。     

中空转子螺杆钻具外特性分析

对中空转子螺杆钻具外特性的理论分析表明，随马达压降的增加，马达理论转速和理论效率下降，理论扭矩增大；而马达的理论输出功率先随压降增加而增大，压降达到某一临界值时，理论输出功率达到最大，随后逐渐减小，直至马达停转。中空转子螺杆钻具马达的最大输出扭矩与泵排量密切相关，还受泄漏量的影响，即泄漏量增大最大输出扭矩就减小。中空转子螺杆钻具的临界排量随马达压降的增加而增大，是衡量其性能的一个重要指标。     

基于田口法的潜油电机槽型优化研究

潜油电机作为潜油电泵机组的重要组成部分,其性能指标尤为重要。由于潜油电机细长的结构特征,导致在槽型设计方面不同于普通的异步电动机。 基于田口法,在保证潜油电机定转子外形尺寸、温升条件、机械强度不变的情况下,通过确定6个槽型优化因子(定子斜肩角、定子槽高、定子槽宽、转子斜肩角、转子槽高和转子槽宽)与4个优化目标(电机效率、功率因数、最大转矩倍数及启动转矩倍数),建立潜油电机槽型优化目标正交矩阵,降低了仿真次数。借助于有限元法与电磁设计相结合的场路分析方法,得出不同设计方案的性能指标。通过统计学方法确定各优化因子对优化目标的影响关系和影响程度,确定最终优化方案。最后,以143系列210 kW的潜油电机为例,对其槽型进行优化设计,验证该方法的可行性。     

连续波钻井液脉冲发生器用磁力耦合器设计

为了解决工作在井下高温高压等恶劣环境下转子与定子之间的旋转动密封问题,设计了磁力耦合机构,通过磁场的相互作用来传递动力。内磁钢与轴组成转子,外磁钢与外磁钢套组成定子,转子和定子由隔离套隔离,实现密封,定子、转子通过磁力耦合来传递转矩。通过数值分析来确定耦合器的相关参数,用有限元法计算出不同极对数情况下的转矩特性,并将仿真结果与试验曲线对比,验证了设计的耦合器是合理的,技术指标符合要求,用磁力耦合机构替代动密封,可以简化传动系统。     

双头单螺杆泵定转子啮合转动仿真研究

为了提高双头单螺杆泵的工作效率和使用寿命,研究了结构参数对其工作效率及使用寿命的影响。基于橡胶Mooney-Rivlin双参数模型理论,考虑橡胶衬套材料具有非线性变形特性、内压及转子惯性对橡胶衬套的作用,建立了双头单螺杆泵一个导程的定转子三维啮合模型,分析了过盈量、偏心距对螺杆泵定子衬套应力和摩擦阻力矩的影响。数值模拟结果显示,偏心距选择7.5 mm时,过盈量由0.2 mm增加到0.6 mm,螺杆泵摩擦阻力矩从88.52 N·m增大到466.51 N·m,衬套应力峰值由1.4 MPa增加到1.8 MPa;而过盈量取0.4 mm时,偏心距由7.3 mm增大到7.5 mm,摩擦阻力矩从240.00 N·m仅增加到264.77 N·m,衬套应力峰值由1.28 MPa增加到1.62 MPa。这表明,合理搭配过盈量和偏心距可以提高螺杆泵的工作效率和使用寿命,为螺杆泵设计及结构参数优化提供了理论依据。      

关于单螺杆水力机械的某些理论问题

本文论述的单螺杆水力机械基本技术理论问题包括:定子转子理论啮合状况的特征及其在运转过程的变化规律,单螺杆工作付压降分配及产生压降脉动的原因,在不考虑液体介质流动的沿程阻力和机械摩阻等因素时的单螺杆工作付的液体势能与机械能的相互转换问题及平均扭矩表达式问题,偏斜力矩的产生原因及表达式问题,作用于转子的力的分析.     

螺杆钻具马达定子失效机理及措施分析

随着钻具应用数量的增多,钻具寿命的稳定性也越来越受到广大钻井工程人员的关注,其重要性直接影响钻井的设计及施工进度。螺杆钻具定子失效类型包括机械失效、疲劳失效、热失效、滞后失效、化学失效。通过分析失效原因,提出延长定子寿命的具体措施:①根据钻井参数确定马达的设计参数;②根据实际井况确定马达配合尺寸;③根据马达的实际状况做到与服务的井况相匹配;④采取措施严格控制马达的现场操作;⑤合理选择马达定子橡胶的材料;⑥加强定子橡胶内衬套检测手段,提高修复定子橡胶的质量;⑦重视钻井液中化合物对定子橡胶的影响;⑧树立延长寿命降低成本,实现生产者与应用者双盈的思想。     

炭黑填充橡胶复合材料定子衬套力学特性分析

传统的螺杆马达定子橡胶衬套在使用过程中容易出现失效、老化等现象,很大程度上缩短了螺杆马达的使用寿命。提出采用炭黑颗粒增强橡胶复合材料作为螺杆马达定子衬套的材料,提升其工作性能。选择恰当的代表体积单元(RVE)为对象,基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立炭黑颗粒填充橡胶复合材料三维细观力学模型,对炭黑颗粒增强橡胶复合材料的弹性常数进行求解。将所求得结果导入ANSYS中进行仿真分析,获得炭黑颗粒填充橡胶复合材料的螺杆马达定子衬套在工作压力下的受力情况。仿真结果证明:使用炭黑颗粒填充橡胶制造定子衬套,可以减小应力和变形,提高螺杆马达的使用寿命。     

基于齿条啮合的螺杆钻具定转子造型设计理论

用传统的线型设计方法设计的定转子轮廓线在摆线弧和圆弧连接处不平滑,该部位在运行过程中不断磨损定子橡胶,会加速橡胶衬套的损坏,缩短螺杆钻具的使用寿命。而基于齿条啮合方法的定转子造型设计不仅可以克服传统线型的造型缺点,而且还可设定更多参数,获得的线型也更加多样,除了用于螺杆钻具定转子线型外,还可供其他螺杆式水力机械使用。为此,利用数学分析方法详细论述了螺杆钻具定子及其啮合转子的线型生成过程,得到了不同参数下的定子及其共轭转子线型的参数方程,可通过基本参数对定转子线型进行精细控制。比较了不同水平偏移量下定子线型的变化情况,阐述了该参数对线型的影响。研究结果可为螺杆式水力机械定转子线型设计提供参考。     

螺杆钻具定子寿命分析

马达失效通常是由于定子橡胶的失效而造成的,定子寿命取决于转子/定子设计、材料构成、井下温度、钻井液、定子橡胶性能、马达转速、马达压降及井下作业环境等因素。着重论述了定子失效机理和影响定子寿命的因素,应用非线性有限元分析方法对定子橡胶进行热分析和结构分析,并验证了工作条件对定子寿命的影响。     

螺杆钻具工作特性和结构参数的分析研究

为了提高现代螺杆钻具的设计和使用水平,分析研究了螺杆钻具在空转工况、最优工况、稳定工作区边界工况和制动工况下的工作特性,以及螺杆钻具主轴转矩、工作容积、压力降、螺杆 衬套副的效率和直径过盈值等结构参数。提出了以螺杆钻具 钻头 油井系统的综合负载特性曲线作为螺杆钻具正确选择和使用的依据。为提高定向井和水平井用螺杆钻具的主轴转矩,推荐在减小工作容积的同时,增加其导程数以及减小其直径过盈值。最后建议开发设计多功能螺杆钻具,以扩大螺杆钻具在钻井和修井中的适应性以及缩减其零配件的种类和数量。