钻柱恶性振动识别与抑制技术研究进展

钻柱振动问题在钻井实践中普遍存在,钻柱恶性振动是造成钻头、钻柱失效的重要原因,其会降低钻井时效,增加钻井成本。如何有效识别钻柱恶性振动并加以抑制是一个重要的课题,国内外对其开展了大量的攻关研究和工程实践。本文详细阐述了钻柱耦合振动的理论研究现状及最新发展趋势,对钻柱振动室内实验研究进行了总结,介绍了国内外井下振动监测装置、钻柱振动抑制工具研发与应用的最新进展;最后提出理论研究与室内试验相结合,研发钻柱动力学分析软件及井下振动识别监测工具,配套合适的抑制、减振工具是解决钻柱恶性振动问题的主要方法;同时建议开展振动抑制一体化解决技术的研究。     

基于有限元法的钻杆柱纵向振动分析

钻杆的纵向振动对钻杆失效有较大影响。采用ANSYS软件对2000 m以内钻杆柱的纵向振动进行了分析,得到了不同钻具规格、不同钻铤长度、不同钻杆柱长度的固有频率,获得了钻杆柱纵向振动的前五阶固有振型。结果表明,钻杆柱的固有频率受钻杆规格和钻铤长度影响很小,受钻杆柱长度影响较大。     

深部地质钻探钻柱失效行为分析

国家的“三深一土”规划确定全面开展深地探测,而在深地探测中钻柱是最重要的连接纽带,其长期在充满钻井液的井眼内工作,受力十分复杂,且受腐蚀、磨损、温度等影响,极易发生钻柱失效事故,造成重大经济损失。研究发现,振动是引起钻柱失效的主要原因,但是深部地质钻探中除了振动引起钻柱失效外,还包括钻柱质量因素、人为因素、钻井质量、套管下入因素、测斜因素以及钻井液因素引起的钻柱失效,本文针对这些影响因素提出了对应的预防措施。同时随着地质钻探井深的不断加深,地质钻探钻柱动力学研究会变得越来越重要,这就需要地质钻探人员在充分考虑地质钻探钻柱失效影响因素的前提下,加大对地质钻探钻柱动力学的研究,以更好地保证深部地质钻探的顺利进行。     

钻杆振动频率检测系统的研制与应用

在钻进过程中,当钻杆的固有频率与外部激励频率一致时,会产生共振现象。共振会使钻杆疲劳破坏,导致钻杆失效,造成严重后果。为了避免这种破坏,研制了一套基于微机电系统（MEMS）传感器的检测钻杆振动频率系统。此系统采用微型三轴加速度传感器测量钻杆3个方位的加速度变化,用LabVIEW编写的上位机软件进行存储、上传、显示、处理数据,将得到的数据进行快速傅里叶变换后分析出钻杆的振动频率。最后将此系统安装在钻杆上进行了钻进试验,分析得出了钻杆的纵向、横向、扭转振动频率及转速,为避免钻杆共振破坏和调整现场钻进参数提供了准确的信息。      

YSZ-50型声频振动钻机的研制

声频振动钻进技术是近年来发展较快的新型钻探技术,主要利用声频振动头产生的高频振动力,引起钻柱系统的共振,并带来土体的局部液化,实现快速钻进和高质量地质取样。主要介绍了YSZ-50型声频振动钻机的结构设计、主要技术参数和特点以及取样试验。     

钻柱纵振固有频率与钻机转速之间的关系

井内钻柱振动会对钻进效率带来极大影响,而合理的钻机转速是从激振频率角度减小钻柱振动的有效方法之一。通过ANSYS建立了金刚石绳索取心钻井钻柱有限元模型,分析了钻柱纵振固有频率随井深变化趋势,并研究了钻柱纵振固有频率与引起钻柱共振的临界转速之间的关系;综合分析了钻井深度、钻柱固有频率、钻机转速之间的联系,在其基础上预测了各段井深钻进时所应避开的钻机转速,为实际钻进过程中合理的转速选取提供了理论依据。     

有关钻杆胶箍使用情况

钻杆上加橡胶护箍在石油钻井已采用数十年,用它减少钻杆和接头的磨损。地质钻探采用钻杆胶箍,在国内外亦有十多年,主要是用以减少钻杆及其接头的磨损;同时并能改善钻柱工作状况(如有利于加压和防止孔斜等);部份地区在钻铤上亦采用胶箍。     

绳索取心复合钻柱的动力学行为研究

绳索取心复合钻柱在岩心钻探“满眼钻进”过程中,钻杆易出现不同程度的划痕、压痕及磨痕等情况。本文利用非线性有限元方法,采用三维管单元对绳索取心复合钻柱拉压两处截面的涡动轨迹、涡动速度、横向振动、纵向振动规律进行了分析。结果表明：转速的增加和钻压的增大会显著增加钻柱与井壁的碰撞次数;在相同钻压条件下,随着钻柱回转速度的增大,钻柱与井壁的碰撞机率增加、接触轨迹增长,致使钻柱与孔壁的滑动摩擦机会增多;钻柱的涡动速度均值将随钻压和转速的增加而增大,转速大于钻压的影响;转速的增加则会加大钻柱的横向振荡频率,钻压的增大会增加钻柱横截面的纵向振荡幅值。     

深井复合钻柱技术在特深科学钻探中的应用探讨

深井复合钻柱技术是解决特深科学钻探超长钻杆柱可靠性问题的重要途径,其与设备能力、材料性能、钻进条件及管柱力学等息息相关。本文系统总结了复合钻柱技术在我国深部钻探中的发展和应用情况,在复合钻柱强度理论的基础上,探讨了不同复合钻柱的组合方案及其极限下深。研究结果表明,若以?216 mm直径终孔,仅依靠钢质钻柱已无法满足特深钻探13000 m的下深要求,而采用V150钢级?127 mm钻杆配合?127 mm钛合金钻杆及S135钢级?127 mm钻杆配合?129 mm铝合金钻杆可分别满足最大13484 m和18783 m的下深要求,钻柱总重分别仅有360.5 t和324.3 t,均具备可靠的安全性保障。本文对特深科学钻探用复合钻柱的设计和选择具有参考意义。     

深部地质钻探孔内钻杆动力响应特性研究

深部地质钻探时,钻杆受力条件复杂,振动形式多变且剧烈.为认识钻杆的动力学特征,减少钻杆失效风险,提高钻进效率,建立了仅考虑纵向振动和扭转振动耦合作用下的深部地质钻杆动力学分析模型,并推导了钻杆固有振动频率公式,在此基础上,借助ANSYS软件进行仿真分析.研究成果表明:在纵向(扭转)振动下,随着模态阶数的增加,钻杆的轴向...     

哈萨克斯坦KKM油田钻具强稳降振提速技术研究

KKM油田下部砂泥岩互层非均质性强导致井下钻具振动剧烈、PDC切削齿寿命低,且井眼易偏斜。目前在用PDC钻头多采用5刀翼或6刀翼16 mm切削齿以降低井下振动保证PDC钻头寿命,但降低了钻头攻击性导致机械钻速较低。针对KKM油田下部地层特点,优选了4刀翼19 mm复合片PDC钻头。该钻头具有较高的破岩效率和攻击性,可大幅度提高机械钻速;同时通过底部钻具组合动力学分析,优化形成了双稳定器+单稳单弯（0.5°）钻具组合,3个稳定器串联具有较强的稳定降振作用,配合小弯角螺杆钻进可有效提高防斜能力,降低了井下振动,配合大尺寸聚晶金刚石复合片PDC钻头实现了三开井段一趟钻完成的目标,机械钻速提高115.35%。     

基于涡轮-转阀驱动的小直径水力振荡减阻器设计研究

小直径水平钻井在钻探中应用广泛,可以有效提高效率,降低成本。但钻柱与井壁之间存在较大的摩阻,导致出现托压现象,影响钻压传递,进而严重影响钻进效率。本文研究了一种基于涡轮-转阀驱动的小直径水力振荡减阻技术,通过振荡器的轴向振动,降低钻柱在钻井过程中所受阻力,提高钻进效率。文章从振动减阻器的研究现状、结构设计和实验结果等方面做了系统分析,得到实验结论:当泵排量相同时,振动频率越小,振幅越大,此时转速对压降影响较小。在转速保持不变的情况下,泵排量越大,振幅越大,且压降明显增加。这一研究成果可为该技术的发展提供一定参考。     

TGSD-50型声频振动取样钻机的研制

声频振动取样技术是近年发展速度较快的适用于土壤环境地质取样的新型取样技术,是利用声频振动头（激振器）内对称分布于钻机输出轴两侧的两个激振锤同步旋转产生的高频振动力（50~200 Hz）振动钻杆或外套管钻进。主要介绍了TGSD-50型声频振动取样钻机的结构设计、主要技术参数和特点。     

特深钻探钻柱组合优化设计研究

钻杆柱作为地球深部探测中深地与深水钻探技术的核心与关键,单一规格钻柱许用深度有限,难以满足大陆万米特深孔科学钻探及大洋深水深孔钻探工程的设计要求。本文通过减轻下部钻柱重力及提高上部钻柱强度方案,对其组合设计开展优化研究。以拉伸条件下的强度计算为主,加之一定的设计安全系数和拉伸余量来满足动载荷以及其他复杂情况对钻柱强度的需求,并开发了钻柱组合设计与安全系数计算的软件,可实现不同孔深设计和钻杆结构要求下的钻柱组合设计与安全系数计算。     

绳索取心钻杆管材的模糊综合评价

从国内外有关硬岩取心钻进的经验及相关研究来看,科学超深井先导孔的设计工作具有重要的意义,在此项工作中,绳索取心钻柱的研究更显其重要性,主要涉及钻杆管材的选择及高强度钻柱的设计。本文针对国内四种绳索取心钻杆用冷拔无缝钻探管材,进行了室内力学性能测试;同时,采用模糊数学方法对其进行了评价与选用方法的初步探讨。     

海洋钻井钻柱升沉补偿系统分析

随着海洋资源勘探开发由浅海到深海逐渐增多,深水钻井面临的难题也不同于陆地与浅水,如何在随着波浪起伏的钻井平台上保持钻压稳定,钻柱升沉补偿系统应运而生。钻柱升沉补偿系统应用于浮式钻井平台或钻井船,在船受风浪影响起伏颠簸时可以使钻柱保持相对静止,使钻头与孔底保持持续接触,钻压保持基本恒定,起到保护钻具,提高钻进效率的作用。本文介绍了升沉补偿系统的发展阶段和常用升沉补偿系统结构及优缺点,通过示意图说明了主动补偿系统、被动补偿系统和主被动一体式补偿系统的工作原理。同时通过实例与数据说明升沉补偿系统在提高钻速和岩心采收率方面的积极作用。