摘要：为了解决现有水平定向钻进导向方法测量精度低,定位深度浅,测量数据不连续以及受磁场干扰影响大的问题,提出一种基于磁信标的水平定向钻进导向定位方法,实现水平定向钻进的位置和姿态测量;设计了基于三阶磁梯度张量的测量阵列,通过仿真验证该方法可以消除地磁场的影响,实现位置测量;依据惯性导航理论,利用MEMS传感器、测量阵列位置信息和零速信息进行多源数据融合,对惯性导航解算出的姿态误差进行估计和修正,提高姿态测量精度。通过地面位置测量实验对基于三阶磁梯度张量的位置测量算法进行验证,位置测量结果的平均相对误差为4.57%;通过地面姿态测量实验对多源数据融合算法进行验证,结果表明,倾角误差在0.3°以内,工具面角误差在0.7°以内,方位角的误差值在1°以内,证明了提出的姿态测量算法的准确性和有效性。研究成果可以提高非开挖水平定向钻进适用范围、实时性和定位精度,为水平定向钻进导向技术自动化提供了理论基础。

摘要：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。

摘要：井下动力钻具微钻试验装置是为研制新型动力钻具提供试验条件的关键装备,该装备用于原理样机的试验测试,可降低试验成本并缩短研发周期,试验测试结果可为全尺寸物理样机的制造提供参考。本文依据井下动力钻具的工作特点和钻具试验装置测试原理,设计了一套井下动力钻具微钻试验装置,该试验装置区别于常规和传统的微钻实验台,其采用数控闭环控制钻井液动力循环和钻压,实现了水力驱动与钻压给进的精确控制,并验证了井下动力钻具微钻试验装置的可行性,为水力驱动的钻具样机试验研究提供了平台。

摘要：在科学钻探中,利用自动垂直钻井技术能够有效控制井斜。但是,现有机械式自动垂直钻具的执行机构需要较大排量的泵机来提供动力。若要降低排量,则要求执行机构的内部结构有良好的保压效果。为解决上述问题,提出一种内部带有泄流缝隙的新型执行机构,以提升其保压性能,并利用CFD(computational fluid dynamics,计算流体动力学)方法对其内部流体区域的流线分布进行模拟,分析泄流缝隙对流体区域压强产生的影响,以验证利用缝隙泄流实现保压的可行性;同时,通过对泄流缝隙宽度、长度等参数的敏感性分析,得到不同参数对新型执行机构保压效果的影响。结果表明,在泵机排量较小的条件下,新型执行机构仍具有良好的保压效果,对保压效果影响最明显的因素为泄流缝隙宽度;当泄流缝隙宽度小于0.2 mm时,该执行机构内部流体区域的整体压强较大,即其保压效果良好。由此可知,开设泄流缝隙可实现执行机构的性能优化,这对进一步提升机械式自动垂直钻具的纠斜能力具有重要意义。

摘要：动态机械式自动垂直钻具广泛应用于直井作业中,改善其纠斜性能是优化钻具的关键目标。钻具稳定平台中上盘阀的开口角度对其纠斜性能影响很大。以扩径力冲量、导向力冲量、导向力突变幅度和波动幅值作为钻具井眼螺旋程度、有效推靠力作用和导向力稳定性的评价指标,来评价不同上盘阀开口角度下钻具的纠斜性能。通过分析钻具在纠斜过程中的状态,得到巴掌推靠合力的变化规律,并与试验测试值进行对比,最终得到在不同上盘阀开口角度下3种评价指标的变化规律。研究结果表明:推靠合力的理论值与测试值接近;在上盘阀开口角度为180°时,纠斜过程平稳,纠斜效率高,且能最大程度地降低井眼的螺旋程度。3种钻具纠斜性能评价指标的提出及研究结果为后续垂直钻具的整体优化设计提供了新思路。

摘要：机械式自动垂直钻具具有耐高温、成本低和适用范围广等优点,其在深部资源勘探领域有广阔的应用前景,但纯机械式结构导致其纠斜精度易受外界环境的干扰。为进一步提高机械式自动垂直钻具的纠斜精度,对不同强度黏滑振动下钻具稳定平台的控制性能进行研究。首先,通过构建钻具稳定平台控制性能的数学分析模型,得到影响稳定平台控制性能的因素。然后,利用ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)软件建立黏滑振动下钻具稳定平台的多刚体动力学仿真模型,并对不同影响因素以及振动强度下稳定平台的控制精度和控制效率进行分析。最后,综合分析得到钻具稳定平台控制性能最优时各影响因素的推荐值。分析结果表明:PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)半径对钻具稳定平台控制精度的影响最大,而填充物密度的影响极小;轻度和中度黏滑振动对钻具稳定平台控制效率的影响不大,重度黏滑振动可大幅提高控制效率,但黏滑振动强度对控制精度几乎没有影响。研究结果可为黏滑振动下机械式自动垂直钻具的优化设计提供参考。

摘要：为探究钻井液流变性变化对涡轮钻具性能的影响,针对Ф89mm取心涡轮钻具涡轮级进行叶片建模,采用CFX进行不同钻井液性质下的多级涡轮仿真。流场及数值模拟结果表明:随着钻井液粘度增加,涡轮级的转矩呈对数增长、压降增大,效率降低,钻井液在涡轮级的出口速度减小;而钻井液密度的增加增大了其在涡轮定转子中的流速及压降,同时涡轮效率有所提高。研究结果可为优化涡轮叶片的设计提供依据;现场使用涡轮钻具,也应考虑其对钻井液流变性变化的适应能力,及时调整泵压、钻压保证最佳工况。

摘要：金刚石止推轴承组是井下动力钻具的重要组成部分。为研究实际钻进过程中金刚石止推轴承组的振动特性,分析振动信号对金刚石止推轴承组的影响,首先通过试验测试的方法获得金刚石止推轴承组的频谱图并确定金刚石止推轴承组的共振频率;而后对实际钻进工况进行简化,分析实际工况中存在的振动类型,并在实验室条件下创造这些类型的振动信号。通过试验分别观察周期性振动信号对不旋转状态下金刚石止推轴承组的影响以及模拟地层钻进条件下阶跃型振动信号对旋转状态下金刚石止推轴承组的影响。试验结果表明:试验样本整体的共振频率为50、90和189 Hz;考虑到螺杆马达的转速影响,对轴承组在40~70 Hz、80~100 Hz区间振动响应振幅变化的趋势进行试验分析可得,在实际工况中轴承组内外圈振动同步性较好,但在不同频率下响应幅值相差较大,在研究过程中需将轴承组的内外圈分开进行分析;模拟实际钻进过程中,振动信号的试验验证了PDC钻头在切削过程中存在大切削和小切削的现象。研究结果可为金刚石止推轴承的推广、普及以及设计改进提供试验数据支持。

摘要：自动垂直钻井系统可解决传统被动防斜效果不佳的问题。为使自动垂直钻井工具高效防斜纠斜,研究了其纠斜能力影响因素。通过分析钻头钻进趋势的方法来研究工具纠斜能力,基于纵横弯曲连续梁法,建立了考虑变截面处理的自动垂直钻井系统BHA力学模型,推导钻头侧向力和转角计算公式,结合钻头与地层相互作用模型,推导钻进趋势预测模型,并对模型进行了验证。在此基础上,以井斜趋势角为评价指标,结合钻头侧向力和转角,对工具纠斜能力影响因素进行了分析。分析结果表明,钻压、推靠力、翼肋位置、第一稳定器位置、柔性短节参数、钻头各向异性以及地层各向异性对工具纠斜能力影响显著,并对钻具组合进行了优化。研究结果可为钻具组合结构设计、钻井参数优选以及井眼轨迹预测和控制提供理论依据。

摘要：井下装备的密封结构极易受到钻井液中颗粒的侵蚀而发生磨粒磨损最终导致密封失效,明确颗粒对密封件的损伤机理是提升密封性能延长密封寿命的关键.本研究中通过配置含二氧化硅颗粒的膨润土基液建立井下的磨粒环境,以常用于制作密封件的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料作为研究对象,采用正交试验法研究颗粒浓度和尺寸对材料磨粒磨损行为的影响关系.正交试验分析结果表明:颗粒尺寸对UHMWPE摩擦学行为的影响程度显著高于颗粒浓度.在不同颗粒尺寸环境中对摩擦过程中的摩擦系数、材料磨损量和磨损形貌的变化行为展开分析时发现,摩擦副的摩擦系数和磨损量均表现出随着颗粒尺寸增加而逐渐增加的趋势,磨损状态逐渐恶化.此外,材料的表面磨损形态随颗粒尺寸的变化表现出“颗粒尺寸效应”.研究结果揭示了UHMWPE的磨粒磨损机理,为材料的工程应用和井下密封结构的设计提供了参考.