摘要：针对目前常规的固井滑套分段压裂技术在深井超深井中存在工具管串下入性差、安全性低、开采效率不高等问题,提出一种无限级键槽式固井滑套,并设计配套的梭镖和新型中间三胶筒结构。基于橡胶热疲劳老化力学性能实验,建立梭镖胶筒三维动力学数值模型,研究防突环结构和胶筒结构对密封性能的影响规律。研究结果表明:当防突环的数量为2和防突环的开槽数为4时,胶筒的最小密封压力达到最大;胶筒长度对密封压力有显著影响,随着中间胶筒长度的增加,最小密封压力整体呈先增大后减小的趋势;胶筒的不同开孔形状对胶筒密封性能影响显著;当梭镖中间胶筒长度为125 mm时,开孔形状为半圆形且开孔半径为3~5 mm时,密封压力高,密封效果最好。

摘要：双级牙轮式扩孔器作为水平定向穿越扩孔过程中最新出现的扩孔钻具类型,其与常规扩孔器相比,它通过改变井底岩石的应力场而提高扩孔效率、减少事故发生率,而合理的结构设计是确保发挥其技术优势的前提.本文基于有限元理论建立了双级牙轮式扩孔器破岩的数值仿真模型,分析了级差比、切削角度和切削距离对井底应力场的影响.研究表明：领眼井壁与扩眼井壁的破岩难度最大,较小级差比有利于领眼面岩石的破碎,较大级差比有利于扩眼面岩石的破碎;切削角度大于0°时,随着切削角度的增大,井底岩石破碎难度先减小后增大;切削距离的增大使岩石的破碎难度增加,破碎效率降低;最后对不同结构参数进行敏感性评价,得到切削角度对破碎井底岩石的影响最大,其次为级差比,影响因素最小的为切削距离.本文的研究工作对于正确认识双级牙轮式扩孔器的破碎机理以及指导其结构设计都具有重要价值.

摘要：针对气体钻水平井中岩屑在下井壁滞留和聚集的问题,设计了一种气体钻井专用稳定器,所设计的新型结构可避免稳定器处发生沉屑卡钻或减少其发生几率。基于气-固两相流理论和数值模拟技术,提出了稳定器工作性能优劣的评价指标,并研究了稳定器结构参数(流道入出口径、槽深、窄流道位置、螺旋度、螺旋棱轴向长度、螺旋棱形状)对稳定器工作性能的影响。研究表明:在气体循环介质条件下,结构参数对稳定器的工作性能影响很大,燕尾槽形的流道入出口和零端面厚度的螺旋棱导流坡面复合结构可以有效解决稳定器入、出口端的岩屑粒子反射和沉降问题。直径为215.9mm稳定器可用于气体钻井,特别是气体钻水平井中,提出的工作性能评价方法和研究结论可指导其他规格气体钻井稳定器的设计。

摘要：为解决大位移井钻杆接头剪切失效的突出问题,根据钻杆接头受扭时的变形协调关系,设计出一种高抗扭双台肩钻杆接头,其结构特征为:主、副台肩长,螺纹锥度小以及牙底圆角半径大。首先基于虚功原理、Von Mises屈服原则以及接触非线性理论,建立该钻杆接头的三维数值仿真模型;然后利用正交优化方法,对其关键结构参数进行正交优化,获得了该钻杆接头关键结构参数的最优组合为:锥度1︰16、螺距6.55 mm、导向面角度29°、承载面角度28°、牙高3.755 mm。进而采用Abaqus和Fe-safe对比计算了该钻杆接头与API钻杆接头的承载性能和疲劳性能。结果表明:①该钻杆接头与API钻杆接头相比,抗拉性能提高10.65%,抗扭性能提高62.5%,抗弯性能提高2.75%,抗压性能提高52%;②该钻杆接头比API钻杆接头的拉压疲劳寿命提高1.19倍,弯曲疲劳寿命提高1.74倍,扭转疲劳寿命提高550倍,复合疲劳寿命提高28.79%。结论认为,该钻杆接头在不降低抗拉能力、抗弯能力和抗压能力的前提下可以大幅提高抗扭能力,可更好地满足大位移井的钻井条件。

摘要：密封圈二维有限元分析中,常将密封圈接触面上最大接触压力推广到整个接触面上,针对这种不够精确的方法,提出了一种基于三维仿真模型的有效接触压力高精度计算方法。建立组合密封圈的三维模型,模拟实际工况,对影响其动密封特性的轴往复运动速度、轴转速、介质压力、O形圈压缩量、滑环厚度、滑环动接触面开槽进行了研究,并利用有效接触压力计算方法分析了动接触面上有效接触压力的分布情况。结果表明:滑环开槽、滑环厚度、O形圈压缩量以及介质压力对组合密封圈有效接触压力影响较大,内轴往复速度以及转速达到一定值后对有效接触压力影响较大。研究结果为滑环式组合密封圈的优化设计提供了参考。

摘要：自进式喷头利用反向射流的推进作用实现喷头在径向井眼自进是径向水平井的关键技术之一,然而现有自进能力尚达不到工业预期。该文在多孔直射流喷头基础上,推导出以射流参数为变量的自进力公式,确定可以反映喷头自进力大小的自进系数k,基于CFD仿真技术,分析了系统参数对自进力的量化影响。此外,优选出了前向喷嘴射流喷头4+1布局结构,并以此为基础进行了最佳喷距的理论分析。研究结果表明:喷头自进力大小与射流压力、前后喷嘴直径及前后喷射角度相关;在相同射流压力下,当后喷嘴直径和前侧喷射角越大时,自进力越大;当前侧喷嘴直径和后喷射角越大时,自进力越小;且射流喷头自身的设计参数决定着喷头破岩的最佳喷距。该研究可为喷头优化设计和增强径向钻井的自进能力提供参考。

摘要：以川渝地区油气田现场空气钻井用潜孔钻头为模拟对象,根据实体模型、底部包络面和实钻井眼建立流场模型,采用RNG k-ε方程作为气相湍流模型,用拉格朗日粒子追踪法描述固相,进行潜孔钻头的旋流场数值模拟。研究结果表明:气相在喷嘴出口形成的扇形面积小,未完全覆盖钻齿,钻齿处岩屑携带效率低;转盘转速对井底流场影响很小;钻头中心区域和切削结构中部(径向狭长区域)存在回流;流量分配不均和回流影响携岩效率和钻进速度;借鉴PDC钻头水力结构的设计思路,在潜孔钻头每个切削结构中心位置增加1个喷孔,在潜孔钻头中心增1个中心喷孔,发现改进后钻齿上分配的气量明显增加,过流流速增大,钻头中心区域回流现象基本消除,改进后结构有利于及时清除岩屑,减少重复切削,可以提高机械钻速以及延长钻头寿命。

摘要：针对使用减振器后,井下钻具振动并非都能得到明显减缓、因振动引起的钻具断裂事故仍时有发生的工程难题,该文基于虚功原理并利用数值模拟技术,结合牙轮钻头在破岩过程中的力学性能和运动规律,系统地分析了减振器对井下钻具纵向和扭转振动特性的影响。通过分析获得了纵向减振器特征参数(刚度、安装位置和阻尼)对井下钻具纵向振动的影响规律;给出了不同刚度纵向减振器的最优阻尼取值范围;发现纵向减振器对井下钻具的扭转振动和纵向振动具有相似的影响,扭转减振器在减缓上部钻杆振动的同时加剧钻头扭转振动;指出在确定减振器最优特征参数时,应在考虑转速的基础上增加对钻杆和钻头振动特性的关注。该研究工作为减振器的现场使用和优化设计提供了重要的科学依据。

摘要：开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。

摘要：高频扭转冲击钻井作为一种新兴钻井技术,由于其在硬地层钻进中具有显著的提速效果以及能够较好抑制黏滑振动的发生而得到极大关注。但由于对其破岩机理以及提速机理认识不够清楚,使得高频扭转冲击钻井技术在推广应用时尚未发挥其最佳性能。基于有限元法建立了单齿扭转冲击切削岩石的拟三维数值仿真模型,研究了扭转冲击作用下钻齿切削岩石过程中的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究结果表明:扭转冲击切削作用下岩石相比常规切削更易发生脆性破碎(体积破碎)形成大块岩屑;扭转冲击切削作用下的破岩比功要明显小于常规切削,且岩石单元从损伤萌生到刚度完全退化的时间同样要小于常规切削作用;在软地层中扭转冲击切削几乎没有提速效果。研究结果可为扭转冲击器及钻头设计、钻井参数优选提供依据。