摘要：针对油田生产作业区环境恶劣、工具管理困难等问题,基于物联网技术提出一种智能化系统设计方案,设计了基于射频识别(radio frequency identification,RFID)技术的钻井工具管理系统。该系统利用RFID技术为钻井工具赋予唯一身份码,通过建立相应的数据库,实现对工具生产、运输、维修及使用情况的全程监控。系统采用3层架构模式进行设计,该方法可以实现手持端与服务器数据库的实时同步。

摘要：为抑制PDC钻头钻进硬地层时的粘滑振动,设计了一种可以为PDC钻头提供周向冲击载荷的脉动式扭转冲击钻井工具,并在介绍其结构设计和分析其工作原理的基础上,建立了计算其周向扭矩、直井工况下冲击功的数学模型,通过算例分析了其工作特性。分析结果表明:脉动式扭转冲击钻井工具的周向扭矩随排量增大而增大,随节流喷嘴直径增大而减小;在直井中的冲击功随钻柱扭矩和扭转角度增加而增大,随钻压增大而减小。脉动式扭转冲击钻井工具样机性能室内测试结果表明,该钻井工具能实现高频扭转冲击,且其工作频率、周向腔体压差和周向扭矩均随排量增大而增大。研究和测试结果表明,脉动式扭转冲击钻井工具的结构设计合理,能够为PDC钻头提供周期性扭转冲击载荷,抑制PDC钻头的粘滑振动。

摘要：工作液控制分配单元的设计是旋转导向钻井工具导向功能的实现关键和难点之一,该单元的工作特性主要取决于上盘阀高压孔圆心角、上下盘阀摩擦副的结构尺寸和摩擦副的密封性。上盘阀高压孔圆心角的大小,决定工具推靠力的作用形式,直接影响工具的导向能力、使用寿命和密封性,理论分析表明,当3个“巴掌”作用合力的覆盖面角αo=60°时,该圆心角的最优值为θ=180°。由于工具中的扭矩发生器所能提供的驱动力矩有一定限制,为了实现对控制轴的稳定控制,应该尽量减小控制轴上阻力矩之一的上下盘阀摩擦副之间的摩擦阻力矩,该摩擦阻力矩主要受上下盘阀摩擦副结构的影响,给出了上下盘阀的结构及主要尺寸,并定量分析了该摩擦阻力矩。

摘要：为实现对钻井工具故障的精准检测,引进经验小波变换技术,设计旋转导向钻井工具故障检测方法。根据钻井工具的现场作业条件与实际工况,在其钻头安装传感器,用于实时采集旋转导向钻井工具的作业信号,将信号划分为高频与低频两种信号,按照规范对信号去噪处理;引进经验小波变换法,根据信号在空间中的频谱特点,采用自适应划分的方式,构建一组与旋转导向钻井工具作业适配度较高的正交小波滤波器,通过对原始信号调幅、调频的处理,提取钻井工具故障信号特征;采用建立旋转导向钻井工具作业面组合测量模型的方式,辨识钻井工具在作业中的故障状态。设计对比实验证明:设计的检测方法实际应用效果良好,该方法可以精准检测到旋转导向钻井工具在作业中的故障信号。

摘要：滑动导向是钻定向井及水平井常用的导向技术。在定向钻进过程中,钻柱拖压严重,钻井效率和机械钻速低,并且严重限制了水平段长度。针对滑动导向工具在定向钻进阶段摩阻较大的问题,研制了一种定向井液力耦合钻井工具。该工具能够调节上方钻柱传递至下方钻具的转矩,保证在定向钻进阶段其上方钻柱持续旋转,从而降低摩阻。介绍了该工具的结构和工作原理,对工具产生的驱动转矩进行计算分析。通过有限元分析,对该工具的关键零部件进行强度计算,结果显示各零件的强度均满足设计要求,验证了工具结构的可靠性。通过室内试验得到工具的输出转矩曲线。

摘要：旋转导向钻井工具可以根据井下工程、地质、几何参数的监测及实际需要,按已设定的程序或交互式给定的指令进行井身轨迹(包括井斜、方位)的控制和调整,有两种基本控制执行模式,一是导向执行模式,二是稳斜或不导向执行模式。导向执行机构是该工具功能实现的最终执行机构。文章介绍了导向执行机构的工作原理,给出了其三维CAD结构图,指出了设计时应注意的问题、设计难点和采取的主要措施。指出导向执行机构的设计需考虑的主要因素有:导向执行机构所产生的推靠力应均匀,避免对井壁产生过大的冲击力;保证导向执行机构本体中通往钻头的钻井液主通道的流畅,尽量降低压力损失;保证通往3个推力柱塞的钻井液流量与主流道流量的合适比例;提高推靠井壁的巴掌的耐摩性。初步计算了巴掌的推靠力。室内功能实验证明所设计的导向执行机构结构设计方案基本正确。

摘要：为解决深井与超深井钻井机械钻速低的问题,基于文丘里效应,设计了井下自循环粒子射流钻井工具,建立了工具的物理模型与流体流动的数值模型,在设计工况条件下,利用有限元模拟方法,研究工具的可行性,并分析下喷嘴喷速的影响因素。结果表明:当上部喷嘴直径小于30 mm时,工具能够实现文丘里效应,并在下喷嘴形成射流,验证了工具原理的可行性;随着喉管长度的增长,下喷嘴喷速先增大后减小;扩散管扩散角的大小对下喷嘴喷速影响不大;喉管直径对下喷嘴喷速影响很小,但当喉管直径小于40 mm时,喉管直径与下喷嘴喷速呈负相关关系。该研究从理论上证明了基于文丘里效应的粒子自循环射流钻井工具的可行性,为下一步实际应用提供了理论支持。

摘要：为了测试在实际钻井过程中钻井工具的工作性能,研制了旋转导向钻井工具性能测试试验台,并开发了一种加载控制系统,应用于试验台模拟加载装置。该试验台主要用来模拟钻井工具在实际钻井过程中所受的扭矩和轴向力。根据其数学模型分别建立了模拟加载装置的液压缸、磁粉制动器和比例溢流阀的传递函数;运用模糊推理方法使用模糊自适应PID控制器计算出输入和输出之间的关系,进行PID参数的最佳调整;然后应用Matlab软件中Simulink模块将所设计的控制方法与常规PID控制方法的仿真结果比较。分析结果显示:模糊自适应PID控制方法具有更快的响应时间、更强的抗干扰能力;设计的模糊自适应PID控制方法提高了指向式旋转导向钻井工具试验台控制的灵敏度,满足对试验台较高控制精度的要求。所得结论可为旋转导向钻井工具的性能研究提供参考。

摘要：为了开发高性能的旋转导向钻井工具系统,进行了动态指向式旋转导向钻井工具测控系统设计与性能分析。在自行设计的动态指向式旋转导向钻井工具原理样机的基础上,设计了测控系统,分析了其关键技术;通过模拟实际钻井工况,测试分析了测控方案的可行性,检验了测量信号处理与控制算法的有效性。测试结果表明,应用互补滤波算法,能够将工具面角动态测量波动降低84%;采用永磁同步电机电流环、电机转速环、稳定平台对地转速环和稳定平台位置环的四环控制系统,除满足导向钻井的性能指标外,在粘滑度为200%工况下,还可以将系统工具面角波动控制在±5°范围内。研究结果表明,互补滤波算法能够有效提高工具面角的动态测量精度,四环控制系统能够实现工具面角的快速稳定控制,测控性能指标能够满足钻井工程技术要求。

摘要：以旋转导向钻井工具的导向工况为背景,从旋转导向钻井工具执行机构侧向力的规律分析入手,推导了侧向力和工具导向力的解析式,总结出了执行机构侧向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力及其覆盖面角的变化规律、工具导向力在导向方向及其垂直方向上两个分量的变化规律。从保持导向力平稳等目标出发,以上盘阀高压孔圆心角为基本变量,给出了最优的导向力及其产生的条件,为工具结构参数的设计提供了依据。