钻柱振动特性的仿真分析

钻进过程中,钻柱振动是不可避免的,而且钻柱产生振动的原因是多方面的。随着研究的深入,人们不仅认识到钻柱振动对钻井作业产生的负面影响,还认识到利用振动可以得到许多井下信息。运用一根钻杆模型,分析了其在不同工作状况下的振动特性,得到了钻杆在横向、纵向、扭转振动的多阶振型,以及对应的应力应变图。对照振型和应力应变图,联系钻井实践中各种钻柱失效形式,以期从中找出一些振动与钻柱失效的关联,更好地利用振动去解决生产问题。     

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。     

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。      

深部科学钻探钻杆接头优化措施

地球深部探测对提高我国勘探开发深部资源能力和深部地质研究水平及地位是不可或缺的,深部科学钻探是唯一准确地获取深地实物资料的工程方法。钻杆柱作为深部科学钻探技术的核心与关键,其管柱规格组合与钻杆接头选配决定着钻杆在平衡其自重后的剩余强度和应付孔内复杂情况的能力,尤其是作为连接各钻杆柱短节的钻杆接头的性能直接决定着钻杆柱的使用极限深度。本文从产品类型、结构特点等方面对国内外高性能石油钻杆接头进行了梳理,分析了现有钻杆接头存在的不足与失效的原因,提出了钻杆接头结构改进方案,对提高钻杆柱的可靠性与安全性,延长钻杆使用寿命,使其更好地应用于深部科学钻探,具有一定的科学意义与工程价值。     

地质特深孔绳索取心钻杆机械性能研究

地质特深孔绳索取心钻杆结构区别于API石油钻杆,其机械性能计算不可直接引用API石油钻杆的相关理论公式。针对这一理论依据与计算方法缺失,本文对地质特深孔双台肩钻杆接头进行了受力分析,开展了钻杆接头拉伸载荷与扭转载荷计算理论研究,构建了绳索取心钻杆机械性能计算的理论方法。同时,通过有限元分析和台架试验,确定了H-5000规格双台肩绳索取心钻杆的机械性能,验证了计算方法的准确性,并提出了钻杆结构改进建议与下一步研究方向,为高性能薄壁绳索取心钻杆“服役”于5000 m地质岩心钻探工程提供了技术支撑。     

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。     

深部取心钻探拧卸工具机械化的思考和实践

通过分析钻杆拧卸对地质钻探起下钻效率的制约以及目前拧卸工具存在的问题,提出了适合深部取心钻探的拧卸工具机械化研制思路及技术要点,介绍了SQ114/8型绳索取心钻杆专用液压钳的技术、性能特点和应用效果。     

用于提高金刚石钻进生产率的新型防振冲洗液

在金刚石岩心钻探中,采用最高回转速度时发现,钻具振动加剧,钻杆耐磨性降低.由于单位时间内交变载荷随转速的提高成比例地增大,所以随着转速的提高,钻杆及其平接头连接处的疲劳强度降低了.可见,在最高转速工作条件下,钻杆及其接头应该加以改进,也就是说,钻杆及其接头应该用优质钢来制造.当前,这些问题要由有关科研机关与制造厂协作共同解决.钻探工作的直接操作者(工艺师与钻探工长)对于解决钻进中的振动问题,应起主要作用.由于钻具振动加剧,会使设备的     

地质钻探自动化移摆钻杆系统的研究

综述了地质钻探移摆钻杆的研究进展,针对全液压地质岩心钻机和钻探工艺,设计地质钻探自动化移摆钻杆系统,设计能完成自动抓取、平移及旋转功能的起下钻自动化系统,对系统进行作业分析,并对移摆钻杆系统的研究进行前景展望。     

钻杆胶皮护圈的制造

苏联达拉游斯基地质探勘队在钻进中使用了钻杆胶皮护圈(图1)。这种护圈是在当地条件下利用旧汽车轮胎制造的,使用钻杆胶皮护圈能预防钻杆与钻孔壁的碰撞,延长钻杆的     

新型涡轮扭力冲击器的试验研究

PDC钻头广泛应用于深部硬岩钻井中,在其钻进过程中经常出现粘滑振动现象,导致钻进效率低、钻头寿命较短,针对这一难题,研制了一种新型涡轮扭力冲击器,不仅能够通过扭转冲击技术来减轻PDC钻头的粘滑振动现象,还能够适应深孔的高温钻井环境。为了充分利用泥浆的能量,考虑使用涡轮组作为动力源,然后通过万向节和减速器进行扭矩传递,最终通过冲击组件旋转实现扭转冲击。根据这一设计思路,进行了扭力冲击器的结构设计、样机试制、测试平台搭建及性能测试等工作。测试表明,新型涡轮扭力冲击器的设计方案是可行的,其冲击频率为4～5 Hz,经过计算可得单次冲击扭力为651.45～814.28 N·m,实现了初期的设计目标。     

广义Gibson饱和地基中刚性圆板的扭转柔度系数

考虑到地基在竖直方向上的非均匀性,结合扭转振动的特点,建立了简谐扭转动荷载作用时剪切模量随深度增大的广义Gibson饱和地基的动力方程,通过积分变换求解了动力方程。考虑到半空间地基表面处应力自由、埋置圆板所在平面为混合边界和无穷深度处为波的辐射边界等条件,得到了广义Gibson饱和地基中刚性圆板扭转振动时的对偶积分方程,通过合适的变换转化成了一个第2类Fredholm积分方程,求解了相应的动力响应问题。对比静扭距作用时的荷载-位移关系,给出了动力柔度系数和扭转角位移幅值的表达式,并把所研究的问题进行退化且与前人成果进行了对比。数值研究表明：当基础的埋置深度小于5倍基础半径时,广义Gibson饱和地基中埋置基础的扭转振动存在明显的边界层现象,且埋置深度越小,边界层现象越明显。     

基于压电效应的随钻式能量回收装置设计

针对钻探领域中井下仪器的连续供电问题和钻杆纵向振动能量的回收问题，设计了一种基于正压电效应的新型随钻式能量回收装置。通过现场经验及地质调查报告，设计了装置的径向尺寸参数及压电片材料。基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立压电耦合模型，通过强迫振动分析得出压电片的长度范围及最佳安装位置；通过模态分析与频率响应研究，得到压电悬臂梁固有频率在到达拐点厚度之前随压电片厚度单调递增，峰值电压随压电片厚度增加呈区域性变化等规律，压电片厚度为1.2~1.4 mm时发电性能最佳，装置峰值电压为15~40 V。该设计为压电式能量回收装置应用于钻探领域的探索提供了理论支撑和设计参考。      

高频振动回转顶驱的研制

为满足城市地质大调查复杂地层钻进的需要,研制了JDD-100型全液压钻机高频振动回转顶驱。该顶驱具有回转钻进、高频振动钻进、高频振动回转钻进功能。对顶驱的回转机构和振动机构进行了全面系统的设计,运用ADAMS动力学仿真分析软件对高频振动回转顶驱的工作过程进行了动态仿真分析。试验表明,该装置结构设计合理,钻进效率高,工作寿命长,满足了城市地质大调查复杂地层高效钻进的要求。     

黏弹性地基中PCC桩扭转振动响应解析方法研究

考虑土体材料的黏性阻尼和桩-土扭转耦合振动,把桩看作一维杆,将土体视作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇混凝土大直径管桩（简称PCC桩）扭转振动频域特性进行了理论研究,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩顶扭转频域响应解析解。将所得解完全退化到实心桩的解,并与经典平面应变解进行对比,验证了解析解的合理性。分析了桩长以及土体黏性阻尼系数对桩顶速度导纳和复动刚度的影响,得到了各参数对桩扭转振动特性影响的规律。分析表明：桩周土黏性阻尼系数增大可以显著提高桩顶扭转复动刚度和减小速度导纳振荡幅值,而桩芯土黏性阻尼系数的影响不明显;桩长越长,桩顶复动刚度越大,速度导纳振荡幅值越小,但当桩长增大到一定程度时,再继续增加桩长,桩顶复动刚度基本没有改变。     

水动力质量实效施加方法及地基-筒型基础-塔筒体系的地震敏感性研究

针对海上风电结构在有限元计算中水动附加质量的施加问题,提出了一种在ABAQUS软件中简便有效易于实现的方法,可以提高有限元分析的前处理效率;建立有限元模型,分析有、无考虑水动附加质量和不同边界条件对海上风电结构自振特性的影响,并从力学角度进行分析;利用有限元模拟地震动作用下的海上风电结构塔筒响应,并对水动附加质量和边界条件进行敏感性分析。通过数值计算并结合理论分析表明：提出的水动附加质量施加方法是合理实用的;水动附加质量的施加使得结构固有频率减小,且随着阶数增大,固有频率减小的绝对值增大;边界条件对体系的模态参数影响比水动附加质量更显著,黏弹性透射边界条件下计算得到结构体系的各阶频率较固定边界均有比较明显的减小;黏弹性透射边界模型在地震动作用下的位移响应比固定边界模型大。分析结果对此类海上风电工程具有借鉴意义。