双梯度钻井关键工具及井筒压力动态变化规律

为了解决注空心球双梯度钻井中分离器的分离效率不高的问题,对井筒压力的动态变化规律进行了研究。设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器,并通过数值模拟与室内试验进行了验证,过滤分离器最高分离效率可以达到98.5%。建立了空心球分离进入环空时所产生的波动压力数学模型,结合该模型并考虑空心球的体积分数、钻井液排量、分离器位置以及机械钻速的动态变化,进一步建立了井筒压力动态变化的数学模型。基于钻井数据进行了算例计算和影响因素分析。研究结果表明:在分离器位置处,井筒压力分布存在明显拐点,而环空中钻井液密度分布存在突变;通过动态调节空心球体积分数和分离器位置等关键参数可以灵活调节环空中轻质钻井液的密度大小、液柱长度以及随钻井底压力的大小,从而实现对随钻井底压力的实时预测。研究结果可以为窄压力窗口条件下的安全钻进提供理论基础与技术支撑。     

深水多梯度钻井空心球分离规律及其对井筒传热与传质的影响

深水注空心球多梯度钻井中井筒温度的准确预测对井筒压力控制有至关重要的作用。文章利用新的分离技术与室内实验相结合研究了空心球在不同影响因素下的分离规律。基于能量守恒方程、连续性方程以及动量方程并考虑分离效率对于空心球传质与传热过程的影响,建立了瞬态传热与传质条件下的温度与压力相耦合的井筒温度计算模型。并将现场测量数据与理论模型的计算结果进行对比,验证了文章所建模型的准确性。最后对影响环空温度以及热物性参数的重要因素如分离效率、空心球注入速率、分离器位置等进行了敏感性分析。研究表明,通过调节泵排量与空心球直径以及分离器位置,可以实现环空压力梯度的准确控制,很好地改善深水钻井中窄压力窗口引起的溢漏问题。     

深水钻井井筒压力预测与控制方法研究进展

深水油气资源储量丰富,勘探开发前景十分广阔。井筒压力预测与精准控制对于提高深水油气钻井成功率及施工效率至关重要。为了避免钻井过程中喷、漏、卡、塌等井下复杂情况的发生,其关键点是对井筒压力进行精确预测,进一步采取有效的压力控制措施。以井筒压力预测模型为前提、压力控制为主线,系统阐述了深水油气钻采的单相流、多相流井筒压力预测模型以及单梯度、双梯度、多梯度控压钻井方法基础研究的新进展。结合目前井筒压力预测与控制方法的研究现状,提出了控压钻井技术的重点攻关方向,如酸性气体气侵后井筒流动规律、多梯度控压钻井新方法与配套装备、智能化钻井与井控系统等。该研究成果可以为控压钻井的理论发展与工艺设计提供一定的参考。通过对比研究国内外海洋控压钻井技术的特点、核心装备、工作原理及适应性等,明确不同控压钻井技术的优势与不足之处,综合考虑中国深水区域的地质结构、施工环境与经济效益,对控压钻井技术的发展提出相关建议。     

双梯度钻井分离器设计及其分离效率的研究

针对目前双梯度钻井中分离器的分离效率低的技术难题,设计了能够对空心球实现高效分离的过滤分离器。对过滤分离器的结构以及工作原理进行了介绍,基于分离器的结构,建立了工具的物理模型,依据给定的边界条件对其进行了强度校核,验证了工具的可靠性。根据工具的内部流场结构,建立了流体域物理模型,并结合多孔介质模型和欧拉多相流模型对分离器内部流场以及分离效率进行了研究,通过室内试验对分离效率进行了进一步的验证。验证结果表明,过滤分离器能够对空心球实现高效分离,其中最高分离效率可以达到98%,且过滤分离器的强度也满足安全需求。该研究突破了分离器分离效率不高的技术瓶颈,显著提升了注空心球双梯度钻井方式的可行性。     

注空心球多梯度钻井气侵快速识别分析

为研究注空心球多梯度钻井中分离器位置等关键参数对气侵识别时间的影响,文章考虑多梯度钻井参数、井筒与地层间能量交换对井筒内混合流体的物性参数、气液两相流的瞬态传热过程与流动规律的影响,建立了多梯度钻井瞬态气液两相流新模型,研究了不同多梯度参数对气侵识别时间和井底压力的影响规律,并对在不同影响因素条件下的气侵时间进行了无量纲对比分析。结果表明：在不同空心球体积分数、密度或分离器级数条件下,溢流量和井底压力变化包括“线性分布”和“指数分布”2个阶段;在不同分离器位置条件下,溢流量和井底压力变化包括2个“线性分布”阶段和1个“指数分布”阶段;指数阶段中钻井液池递增速率显著增大可以作为气侵识别的早期信号;0.8 m³溢流量作为气侵监测的阈值时,空心球体积分数的影响最为显著,其溢流量变化规律作为气侵早期监测的依据会更准确;分离器数量的影响程度最小。该研究成果可以为注空心球多梯度钻井的早期气侵监测提供理论参考,对下一步的井筒压力有效干预提供重要依据。     

基于AMESim的节流阀自动控制系统

针对压井过程中节流阀的自动化程度不高以及控制精度低的问题,基于节流阀自动控制系统对子元件的选型以及液压系统的控制关系,建立了流量-压力特性方程,并利用拉普拉斯变换和叠加原理得到了控制系统的传递函数数学模型,同时建立了节流阀的位移与节流压降的数学关系,并得到了节流压降与速度随开度的变化规律。以系统传递函数为依据,建立了节流阀自动控制系统,并对系统进行了仿真计算和稳定性分析。研究结果表明,所设计的节流阀自动控制系统具有较好的稳定性及快速性。该研究可以在一定程度上提升压井作业的自动化程度,使得压井作业变得更加安全与高效。     

基于空心球破碎概率的双梯度钻井井筒压力预测

为了研究注空心球双梯度钻井过程中空心球破碎对井筒压力分布的影响,首先,利用分形强度理论与碰撞动力学,建立了空心球在钻井循环过程中的碰撞破碎概率模型,研究了在钻柱内、分离器内部、分离口及环空中的破碎概率分布规律;然后,利用双梯度钻井室内模拟实验系统,研究了过滤分离器在不同排量及空心球注入体积分数时的分离效率;最后,结合碰...     

基于Archard模型的螺杆钻具十字万向轴啮合面磨损规律研究

十字万向轴对于螺杆钻具的扭矩与转速传递具有重要作用,然而十字万向轴的运动磨损使得传递效率大大降低。为探究十字万向轴啮合面的运动规律与防磨合金块的磨损规律,建立十字万向轴多体运动和合金块体积磨损量计算的联合仿真物理模型;依据赫兹接触理论和Archard磨损理论对仿真模型的接触边界条件进行设定,对磨损条件进行定义,研究共轭运动副啮合面之间的运动规律与接触力的变化规律;以多体运动仿真求解所得啮合面的运动路径和接触力峰值作为防磨合金块磨损分析的边界条件,研究不同结构形态对防磨合金块体积磨损量的影响规律。结果表明：当运动啮合稳定后,啮合面会产生沿着切向与轴向的合成方向做往复滑动摩擦运动,接触力呈现周期性波动规律;接触面不同结构形态与关键结构参数对合金块的磨损量有显著影响,采用凹双斜面结构可有效提升合金块的耐磨性。该研究可以为十字万向轴的结构优化设计及耐磨性的提高提供参考。     

十字万向轴多体动力学仿真与啮合面磨损机理

目前对非密封式十字万向轴所产生的运动磨损机理研究较少。为此，建立了十字万向轴多体动力学仿真物理模型，研究了中间轴与上接头、下接头共轭运动副之间的运动规律及其啮合面之间接触力和摩擦力的变化规律，对比分析了现场测试与理论计算的结果。分析结果表明：工作时，十字万向轴啮合面之间先产生法向碰撞后达到相对稳定的啮合状态，再沿着轴向与切向的合成方向形成周期性往复滑动摩擦，并最终使其端面与侧面出现严重磨损；接触力与摩擦力在啮合面产生碰撞时，呈现无规律分布状态，在达到相对稳定的啮合状态后，首先出现峰值，然后呈现先减小后增大的周期性变化规律。所得结论可为十字万向轴啮合面耐磨性结构优化设计提供理论参考。     

多梯度控压钻井可行性室内模拟试验

为了对多梯度钻井井筒压力梯度的变化规律进行研究，对井下过滤分离器附近的关键井段进行了分析，自主研制了多梯度钻井室内模拟试验系统和新型井下过滤分离器。首先对该试验系统的重要结构与功能进行了介绍；然后对井筒压力梯度测试试验的工作原理和基本流程进行了阐述；最后基于该室内试验系统，开展了不同排量、空心球直径、密度、质量浓度和流体黏度对模拟井筒内压力梯度分布规律的影响试验。试验结果表明：排量和空心球物性参数或流体黏度对井筒压力梯度分布有显著影响，环空内存在明显的压力梯度变化；分离器上部环空内的压力梯度最小，分离器处环空内的压力梯度略高于其下部环空内的压力梯度。研究结果可为多梯度钻井井筒压力控制的相关理论研究和控压钻井工艺设计提供一定的参考。