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通过有限元分析方法，建立了带偏轴接头下部钻具组合的动力学方程，在处理相应的边界条件后，对带偏轴接头的下部钻具组合的钻头侧向力随时间变化的趋势和钻具任意截面的运动轨迹进行了全面的动态仿真研究，讨论了钻具的结构参数（偏轴距）、钻井参数（钻压、转速）对钻头侧向力和下部钻具在井内运动形态的影响，根据仿真结果判断带偏轴接头下部钻具组合的防斜效果，并提出为达到好的防斜效果所需的钻具结构参数和钻井参数。计算结果表明，由于偏轴接头的存在，带偏轴接头下部钻具组合的公转趋势增强，钻头无稳定的指向，这是偏轴钻柱能够防斜的重要原因。偏轴接头偏轴距的大小、转盘转速对偏轴钻柱防斜效果的影响较大，而钻压对防斜效果影响较小，因而可以通过增加钻压来提高机械钻速，达到既防斜又提高机械钻速的目的。     

临盘油田PDC钻头防斜打快钻具组合优化及应用

临盘油田地层软硬交错频繁,直井井斜问题突出、钻井效率低。为了充分发挥PDC钻头在软到中硬地层中钻速和进尺方面的优势,在提高钻速的同时确保直井防斜打直,应用钻头与地层相互作用模型,以钻进方向角作为钻进趋势判别指标,模拟分析了稳定器位置和钻压对钻进趋势的影响规律,优化设计出了适用于临盘油田直井的PDC钻头防斜打快钻具组合,并对钻压及钻头转速进行了优选,钻压优选为50~70 kN,钻头转速优选为100 r/min以上。PDC钻头防斜打快钻具组合在临盘油田7口井进行了现场应用,结果表明,该钻具组合防斜打直效果好、钻进速度快、起下钻次数少、钻井成本低,能够满足临盘油田直井或定向井直井段防斜打快的要求。      

气体钻井轨道易斜原因及对策

气体钻井能有效地保护低压油气层和提高钻进速度,在地质条件适合的区域获得了比较广泛的应用。实践中发现,钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时,效果不佳。分析了钻压、钻井流体密度对钻具增斜能力的影响。研究表明,钻井流体密度降低使钻进速度增加,钻进速度增加使近钻头稳定器下沉量减小,近钻头稳定器下沉量减小导致增斜能力增强,是钻井液钻进时的有效的防斜钻具组合和钻进参数在气体钻进时效果不佳的主要原因。提出了气体钻井的防斜措施。     

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速,因此,需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性,然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论,利用底部钻柱力学装置,模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明:合侧向力随钻压的增大而增大,转速对合侧向力的影响较小;随钻压增大,井斜力增大,转速越大,井斜力越大;方位力随钻压增大而增大,转速对方位力的影响较小;合侧向力方向角随钻压增大而减小,随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。      

单弯双稳钻具旋转钻进防斜打直效果分析

与传统的钟摆钻具组合和满眼钻具组合相比,弯螺杆钻具组合复合钻进防斜打直技术具有优越性.针对常用的单弯双稳导向钻具组合,考虑弯螺杆钻具公转产生的离心力影响,应用纵横弯曲连续梁方法和达朗伯原理,建立了单弯双稳钻具复合钻进条件下防斜打直效果分析模型.以提高(Φ)215.9 mm直井段防斜打直效率为目标,模拟分析了钻具结构和钻进参数以及井眼参数对钻头侧向力和井斜趋势角的影响规律,推荐了钻具结构优化和钻井参数优选方案.     

气体钻井井斜机理研究

气体钻井存在井斜不易控制的难题,其机理尚不明确。应用纵横弯曲BHA(底部钻具组合)分析方法和钻头与地层相互作用模型,根据实钻资料对比分析了气体钻井和钻井液钻井的地层造斜特性,进而探讨了气体钻井的井斜机理。结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井条件下地层造斜力和钻具降斜力都有增加,但地层造斜力增加的幅度更大,这正是气体钻井更容易发生井斜的原因。因此,建议在用气体钻井技术打直井段时,通过调整钻具组合和钻进参数适当增加钻具的降斜力,以提高井身质量。     

机械式自动垂直钻井工具的研制

为了有效地提高直井的钻井速度和质量,根据现有技术研制了机械式自动垂直钻井工具。这种钻具能适时感应井斜的重力信号,并由重力驱动执行机构,利用钻井液循环在钻柱内外形成的压差,在钻柱旋转的情况下推动活塞靠向高边井壁,对钻头施加指向井眼低边的周期性侧向力,在钻进过程中实现对井斜的适时修正。现场试验结果表明,机械式自动垂直钻井工具的工作原理正确,结构可靠,能够在主动、适时防斜的同时,有效地释放钻压,提高钻速。该工具的研制成功为直井的防斜打快工艺提供了一种新的技术手段,具有广阔的应用前景。     

柔性钟摆钻具纠斜的理论分析

在控制井斜技术中，钻头侧向力是衡量控制井斜效果的关键参数。本文利用纵横弯曲理论对柔性钟摆钻具和钟摆钻具的钻头侧向力进行计算，从理论上说明柔性钟摆钻具比钟摆钻具有更好的纠斜效果。     

气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析

针对气体钻直井的井斜控制问题,设计了一套气体钻井专用稳定器,用有限元仿真软件对气体钻井专用双稳定器钟摆钻具的力学特性进行模拟分析。从钻具本身的结构参数、井眼参数以及钻井参数等方面考虑,分别讨论了上下稳定器间距、下稳定器与钻头的距离、钻压、井斜角以及上下稳定器尺寸与钻具钟摆力的关系,分析了各个参数对钻具钟摆力的影响程度。计算结果与相同条件下纵横弯曲梁理论得出的结果相对比,两者基本吻合。通过分析可知,使用该专用稳定器的钟摆钻具组合在用气体钻井时具有较强的防斜纠斜能力,能够有效地控制气体钻井井斜问题。     

预弯曲动力学防斜快钻技术的试验研究

预弯曲动力学防斜打快钻井技术主要利用预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的涡动特征，在钻头上形成一个远大于钟摆降斜力的防斜力，从而使井眼保持垂直。预弯曲动力学防斜打快钻具组合是一种带预弯曲结构的特种钻具组合，钻进时，其在井眼内形成特定的涡动轨迹，引起钻具组合以较大的不平衡几率向下井壁方向振动，从而实现向下井壁的冲击力。常规钟摆和满眼钻具组合的工作原理都是力求钻具组合发生尽可能小的变形，减小钻具组合因变形引起的增斜力。预弯曲动力学防斜打快钻具组合在胜利油田史138-6井进行的试验表明，这种方法具有很好的防斜打快效果。与邻井常规钟摆钻具组合相比，这种钻具组合的钻压提高50％以上，机械钻速则提高120％。文中给出了钻压和转速对预弯曲动力学防斜打快钻具组合防斜力的影响规律。     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。     

Experimental research on characteristics of hole reaming and side cutting of one-cone bits

The hole reaming and side cutting characteristics of offset one-cone bit and conventional one- cone bit were investigated on simulated drilling experimental equipment. The borehole diameter was a little larger than the bit diameter due to side force. However, the reaming effect was not very apparent, whether drilling with an offset or conventional one-cone bit. The side cutting displacement increased gradually with increasing depth of drilling and side force. The side cutting displacement of offset onecone bits was larger than that of conventional ones under the same conditions of weight-on-bit （WOB）, rotary speed, side force and borehole depth.     

垂直钻井系统纠斜机构脉宽调制控制研究

为解决自动防斜垂直钻井系统在井下纠斜时纠斜方位难以准确控制的问题,开展了垂直钻井系统井下纠斜力连续控制的研究.在不改变钻具组合、元件和参数的前提下,建立了钻具导向纠斜机构机电液系统的动力学模型,推导出控制元件二位二通电磁阀在钻杆一个旋转周期内的通断时间与机构输出纠斜力的幅值及钻杆转速之间的函数关系;根据钻杆转速确定脉宽周期T,再根据目标纠斜力计算出电磁阀的断电持续时间Δt,在脉宽周期T内让电磁阀断电Δt,即可使纠斜机构输出预期的纠斜力.结果表明,试验模拟钻杆转速为65 r/min,在1个脉宽周期内对电磁阀分别断电50,60或70 ms时,液压缸目标控制压力(即纠斜力)分别稳定在7.0,5.0和3.5 MPa左右.研究结果表明,采用脉宽调制控制方法调节自动垂直钻具的井下纠斜力,能将纠斜力控制在稳定的目标值.      

气动潜孔锤钎头破岩分析及工艺参数优选

为提高硬质地层气动潜孔锤的破岩效率和进尺能力,基于非线性接触动力学理论,运用ABAQUS软件建立了活塞-气动潜孔锤钎头-岩石(花岗岩)仿真模型,采用无反射边界条件,分析了冲击速度和回转速度对钎头冲击反力、侵入深度和破岩比功的影响,进而对工艺参数进行优选。分析结果表明:冲击反力峰值与冲击速度近似呈线性增加,回转速度对钎头冲击反力和钻头侵入岩石深度影响较小;钎头在冲击破岩过程中存在多次反弹,活塞第二次撞击钎头后,钎头侵入岩石深度达到最大;相同条件下,冲击回转钻进破岩速度比仅在钻压作用下回转剪切钻进速度提高3～5倍;破岩比功受冲击速度和回转速度影响较大,随着冲击速度的增加,破岩比功存在一个最优值,当钻压为25 kN时,最优工艺参数组合为冲击速度8 m/s,回转速度20 r/min。研究结果可为现场工程施工提供参考。     

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。     

铅垂井段钻柱的动力分岔研究

基于弹性大变形理论,考虑到轴力沿钻柱轴线的变化及其对钻柱弯曲变形的影响等因素,将受自重作用的铅垂井段钻柱在波动钻压激励下的振动转化为一个参数激励系统,用Galerkin方法首次得到了描述此系统的Mathieu方程,并通过将方程的解展成富里叶级数的方法,得到了该振动系统的动力分岔值曲线及其所包围的动力不稳定区。当钻井作业参数落在动力不稳定区时,钻柱将发生破坏性振动。根据钻柱的物理与几何性质及钻柱的工作状态,首次推导出了参数激励系统分岔参数的计算公式,并据此开发了相应的程序模块。该模块可以根据钻井现场的实际情况,提供合理的转速和钻压等作业参数,以避开动力不稳定区,改善钻柱的工作状态,延长其工作寿命。     

单牙轮钻头轴承载荷测试与分析

用带传感器的试验用单牙轮钻头，在改变轴倾角、钻压和转速的条件下进行钻头轴承载荷的台架试验，得到动载荷系数、轴向力、径向力、周向力、扭矩和牙轮传动比等数据。对实测和计算数据的分析表明，单牙轮钻头的动载荷系数基本不随钻压、转速和轴倾角变化，并且比三牙轮钻头低；轴向力和径向力随钻压的增加而增加，且受轴倾角的影响；周向力随扭矩的增加而增加；牙轮传动比小于１，基本不受钻压和转速的影响，但与轴倾角有关。有限元分析表明，轴承内部存在三个应力集中区域。     

新型刮刀钻头的设计及现场试验研究

在理论分析的基础上，综合PDC钻头和刮刀钻头的优点，设计了一种新型的刮刀钻头，并进行了现场试验。现场试验结果表明，该钻头运转平稳，采用低钻压、高转速，钻进速度快，井眼规则通畅，有较明显的防斜作用，该种钻头的推广应用对提高钻井工程的整体效益具有十分重要的意义。