Effects of weight on bit on torsional stick-slip vibration of oilwell drill string

The stick-slip phenomenon is a type of dysfunction detrimental to the drilling operation. Field application shows that stick-slip phenomenon is inclined to appear when using a large Weight on bit (WOB). In this paper, effects of the WOB on the stick-slip vibration are investigated. Based on a lumped torsional pendulum model of the drilling system, equation of motion of the drill bit is obtained. By using parameters commonly used in field applications, the bit dynamics are analyzed and the stick-slip vibrations are discussed. During the stick-slip motions, the negative damping effect occurs in the transition from the stick phase to the slip phase. With the increasing WOB, the bit behavior may change from the stable motion to the stick-slip vibration once the WOB reaches the critical value. In case of stick-slip vibration, the phase trajectory ultimately converges to a limit cycle which represents periodical bit motion. With increases in the WOB, the limit cycle enlarges. For cases without stick-slip vibrations, the drill bit vibrates damply and finally converges to a state of uniform motion. The results presented in this paper can be applied to interpret some of the field phenomena related to WOB.     

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界问题研究

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融入全井钻柱系统动力有限元模型中,研究了钻柱的动力学特性,根据仿真结果与现场实测数据的对比,验证了该研究方法的正确性和合理性。     

钻柱结构与井壁岩石互作用下系统耦合非线性动力学研究

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程相当复杂,不仅存在纵向、横向和扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞.在考虑钻头与岩石互作用随机载荷以及钻柱与井壁接触碰撞随机载荷作用下,建立实态工作状态下钻柱与井壁互作用下钻柱系统纵向、横向、扭转耦合非线性动力学模型,研究高度耦合非线性动力学模型的数值计算方法,探讨钻柱在钻井过程中运动规律、力学性能,为实态工作工况下钻柱系统耦合非线性动力学奠定理论基础,具有重要的理论意义和学术价值.     

Vibration analysis of new drill string system with hydro-oscillator in horizontal well

With the growth of oil and gas resource demand, the hydro-oscillator is widely used to enhance the Rate of penetration (ROP) and improve the efficacy in drilling various wells. The vibration model is the key issue of dynamics analysis and optimization of downhole tools. For the vibration analysis of the new drill string system with hydro-oscillator in the horizontal well, based on the design of the new hydro- oscillator and its operation conditions, the kinematics expressions are presented. Combined with the vibration force calculation results of the hydro-oscillator, the dynamics model of the new drill string system is established. Furthermore, the important features of vibration frequency, displacement, velocity and acceleration are discussed in the numerical example calculation results. By comparing the results of the calculation and experiment test, we can verify the correctness of the analysis model. With the hydro-oscillator vibration effect, the static friction between the drill string and wellbore is changed to the dynamic friction, so it can result in a significant increase in run length. At the same time, the ROP can be enhanced with the vibration effect. Moreover, with the parameters’ adjustment according to the operation conditions, the analysis method and model can also provide references to the study of similar downhole tools dynamics or mechanical properties.     

底部钻柱近钻头动态力测量及声传输方法

为研究随钻测井时底部钻柱近钻头动力学特性,设计直梁应变片式测力传感器,研制一种基于虚拟仪器平台的模拟钻柱动态力无线测量装置,用于模拟钻柱旋转过程中轴向力、侧向力和转矩的多线程检测。在此基础上,比较井下数据传输方法,以纵波为传输载体,设计模拟钻柱声传输装置,对动态力数据进行脉冲时延和OOK(On-off keying)调制,沿管轴方向对有限长模拟钻柱施加纵向激励,进行模拟钻柱信道动态力测试信号的声传输试验。结果表明,系统在实验室内实现动态力数据经时延脉冲OOK信号调制后沿模拟钻柱信道的低频声波传输,为近钻头传感器测量数据的低频声传输系统的应用提供理论与试验依据。     

钻铤因素对钻柱振动的影响分析

钻铤因素直接影响着钻柱振动的整体效果。钻铤长度是硬岩钻井中引起钻柱剧烈振动的一方面原因,同时也是解决钻柱振动的主要突破口。文中从钻铤的长度、固有频率、激励来源、钻铤共振及其临界转速、振动的控制等方面对钻柱振动问题进行全面分析论证,以公式的形式给出论证结果,便于钻井工程师们直接应用于生产实践。     

高速摄影测量在旋冲钻进试验中的应用

利用高速相机记录液压旋冲钻进中钎杆不同冲击压力、旋转压力和推进力情况下的作业过程,同时采用数字图像处理技术,绘制钎杆在旋冲钻进过程中的冲击振动、扭转振动以及试验台架在冲击过程中的受迫振动的曲线,得到钎杆冲击频率和扭振频率、钎杆及试验台架的振幅及其相关性等重要数据。试验结果同传统电测结果基本一致,但与传统传感器测量比较,高速图像采集分析技术是一种无接触、全局化、适用范围广、自动化程度高,精度满足试验要求的量测手段,能够更直观充分地描述旋冲钻进中钎杆振动变化过程。     

电热振动复合钻削加工的研究

结合振动切削和导电加热切削的优点,提出了电热振动复合钻削新方案。通过实验分析了导电加热温度、振动频率和振幅等参数对钻削力、表面质量及钻头寿命的影响。为电热振动复合钻削方法的深入研究,提供了必要的实验手段和理论指导。     

基于AMESim的钻柱补偿装置仿真及控制方法研究

以提高现有钻柱补偿装置的补偿性能为目的,研究钻柱动力学模型,在AMESim软件平台上搭建钻柱补偿装置系统模型,开展对钻井深度、海况、气瓶组容积、伺服阀前蓄能器4个补偿性能影响关键因子的研究。分析位置反馈、速度反馈和加速度反馈3种反馈型PID控制方法的特点,并对波浪预测和波浪跟随控制方法进行研究。仿真分析表明：主被动联合补偿可有效降低钻压波动,加入升沉预测的位置反馈控制方法对于提高补偿性能有明显的效果。研究结果可对钻柱补偿装置的设计和控制优化提供一定的指导意义。     

新型钻井振荡器工作原理与振动特性研究

提出了一种新型钻井振荡器。研究振荡器的工作机理,推导出了轴向脉冲激励函数,在此基础上建立了振荡器轴向振动分析模型,得到振荡器在振动下的位移、速度、加速度等关键参数;根据算例参数设计对应的室内实验,并将算例分析结果与实验结果进行对比,验证了振动分析模型的合理性,结果表明,振荡器可以产生平稳的高频微幅振动,使钻柱与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦。研究结果对解决定向井、水平井钻进过程中钻压传递、钻柱磨损、粘卡等问题具有一定的参考意义。     

硬地层单牙轮-PDC钻扩联合钻头破岩特性

提出了新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头,先依靠单牙轮破岩钻孔,释放地应力,产生岩石损伤,再助推PDC钻头刮切破岩。运用有限元法,建立钻扩联合钻头、双级PDC和常规PDC钻头破岩的非线性动力学模型。通过对岩石本构关系进行D-P准则描述以及确定岩石破碎的判据,分析钻扩联合钻头钻进硬地层的破岩机理,开展了3种钻头动态破岩过程的对比研究。结果表明：钻扩联合钻头在钻进过程中井底井壁的岩石应力得到明显释放,大大提高了岩层可钻性;在硬地层中钻扩联合钻头钻进速度提高的主要原因是拉应力破岩;钻扩联合钻头在硬地层钻进过程中的扭转振动大大降低,破岩效率更高,钻头寿命更长;由于单牙轮领眼破碎岩石的作用,钻扩联合钻头对井底岩石的冲击破碎能力更强,在硬地层中钻进更快。研究结果为新型单牙轮-PDC钻扩联合钻头的研发提供了参考。     

基于ANSYS的钻柱振动规律分析

根据牙轮钻头与井底岩石互相作用的特点,将钻柱视为一连续的管梁结构,采用ANSYS工程软件,对钻柱纵向振动规律进行了分析。结果表明:钻柱系统各阶振动固有频率相差约1Hz左右,容易出现共振。高频振动时,钻柱出现"分段振动"的特点,下部钻铤动态力显著增加;转盘转速对钻柱振动的影响较大,当接近共振点时,下部钻铤螺纹联接处动态力呈数量级增加;钻压对钻柱振型、轴向动态力的影响不大。     

CFRP与钛合金叠层制孔钻头横刃结构优化

针对碳纤维复合材料(CFRP)与钛合金夹层结构制孔过程中加工质量、制孔效率与钻头寿命低等问题,以钻头的横刃结构为主要研究对象设计试验方案,对钻头横刃结构进行优化,以提高加工质量、制孔效率与钻头寿命。结果表明:优化后的横刃结构加工性能优于普通"X"形钻头横刃结构,不论是碳纤维复合材料部位还是钛合金部位轴向切削力明显减小。     

液力推进式钻井工具理论分析和流体仿真

大位移水平井钻井过程中,存在钻压难以控制和上部钻柱振动这两个主要问题,限制了水平段的进尺位移和钻进速度,应用液力推进式钻井工具可以一定程度上解决这些问题。对使用液力推进式钻井工具的性能进行理论分析,并应用“弹簧阻尼”模型进行简化分析。利用SolidWorks和Fluent软件对液力推进式钻进工具进行流体仿真,得到压力云图和速度矢量图,获得准确的钻进速度。最后,应用Fluent和MATLAB 软件对使用液力推进式钻井工具的钻进速度的影响因素进行分析并作出合理解释。     

Effect of the cutting ratio on cutting forces and the drill life in vibration drilling

In this paper, by analysing the axial cutting thickness and the cutting graphics, a new concept of cutting ratio K in vibration drilling is introduced for the first time. Cutting ratio K can show the proportion of cutting time in a cutting cycle and describe the working condition of the drilling during the vibration drilling. The relationship between cutting parameters and vibration parameters are denoted as two parameters, ω_f and E. By computer program, the relationships between K and ω_f is found; their characteristic are periodicity, symmetry and having many peak values. The curves, which describe the relation between K and E, are digressive. The regularity can be used to optimise the parameters in vibration drilling to achieve good machine performance. The experiment results indicate that the thrust, torque and the drill life are related to cutting ratio K.     

小直径深孔振动钻削钻头的研究

分析了小直径深孔振动钻削对钻头的要求；设计了一种新型内排屑深孔钻头；分析了该钻头的结构和刃磨特点，进行了振动钻削试验。试验表明，合理匹配切削参数和振动参数，可实现断屑可靠且排屑顺畅，能钻出尺寸精度高、表面粗糙度参数值小、直线度较高的深孔。分析了用新型钻头进行振动钻削提高工艺效果的原因，表明该种钻头具有良好的工艺性能。     

等壁厚螺杆钻具的结构及现场应用效果分析

螺杆钻具作为一种以钻井液为动力的工具,目前被广泛地应用于石油钻井施工过程中。与普通的螺杆钻具相比,等壁厚螺杆钻具作为一种新型的钻具,其在性能、技术以及使用效率上具有一定的优势,并得到了广泛的推广。阐述了等壁厚螺杆钻具的结构特点及其优势,并分析了等壁厚螺杆钻具在现场中的实际运用效果。     

超声振动辅助钻削技术综述

麻花钻钻孔是机械加工领域最为常用的孔加工方法。传统麻花钻钻孔加工中,特别是对一些难加工材料进行钻孔加工时,存在轴向力大、表面质量差等诸多问题。超声振动辅助钻削属于振动钻削技术的一种,即在钻孔过程中在麻花钻上施加大于15 kHz的高频振动,钻头的周期性振动改善了切削刃工作状况,可在一定程度上解决难加工材料制孔难题。介绍超声振动辅助钻削技术的分类、技术特点和系统组成的基础上,从动力学研究、振动断屑理论研究、切削力研究、精度及加工质量研究、在新材料上的应用和超声振动钻削装置六个方面论述了超声振动辅助钻削理论和技术的国内外研究进展。基于超声振动辅助钻削技术的发展现状,结合航空航天等领域难加工材料制孔技术的需求,从理论研究、超声振动系统开发完善、新材料工艺研究、专用超声辅助钻削机床开发以及超声振动辅助加工规范标准制定等方面指出了现有研究和应用中存在的问题并对未来发展趋势做以展望。     

A study on combined vibration drilling by ultrasonic and low-frequency vibrations for hard and brittle materials

This research aims to improve machining accuracy concerning the method of drilling ceramics and other hard and brittle materials as well as to establish a drilling technology that would ensure high efficiency and longer life of tools. Specifically, the authors contrived a new drilling method that combines ultrasonic vibrations of a diamond core drill and low-frequency vibrations of the workpiece and produced a combined vibration drilling apparatus experimentally. In this paper, the combined vibration drilling apparatus is used for a series of experiments under different vibration conditions to examine the behavior of drilling force, drilled hole accuracy, and edge chipping on the drilled hole surface. In addition, the behavior of tools during combined vibration drilling are theoretically examined. As a result of these considerations, the authors found that combining ultrasonic and low-frequency vibrations is one of the most effective methods for drilling hard and brittle materials.     

微小孔钻削刀具制造技术研究进展综述

随着航空航天、医药、汽车及电子工业的迅速发展,精密设备及微结构的制造需求逐年增加,微小孔(d≤1mm)作为微结构中的常见难加工特征,其制造技术是限制相关领域装备发展的关键所在,因此,微小孔制造一直是机械加工行业的研究热点和难点,诸多学者从多种维度进行了相关研究,形成了丰硕的研究成果。由于微小孔钻削技术现阶段仍然是微小孔制造的核心工艺,而刀具性能则是保证微小孔钻削的核心要素,因此总结了近年来微钻刀具制造领域的重要技术进展,并从微钻刀具的材料选择、几何角度设计、制造工艺方法等角度展开叙述,介绍了最新的微钻刀具材料研究进展、解释了微钻刀具几何角度的设计方法,总结对比了国内外最新的微钻刀具制造技术,包括磨削、电火花磨削、高频激光加工技术等。由于PCD微钻具有优异的切削性能和极大的技术潜力,还重点介绍了PCD微钻制造技术及最新研究成果,并针对不同材料、工况下的微小孔钻削加工工艺参数进行了总结。