直井井底钻压波动特性及吸振式脉冲发生装置设计与应用

摘要

提高钻井机械钻速对于加快深层油气资源的勘探开发至关重要。导致深井超深井机械钻速慢的因素复杂而多样，其中井底水力能量不足、能量利用效率低是影响机械钻速的重要因素之一。为强化井底水力能量、提高能量利用效率，本文提出了转换钻柱振动能提升钻井液液压能从而提高钻头射流压降的全新设计思路，基于该思路研制了吸振式脉冲发生装置。该装置既可强化井底水力能量、提高井底水力能量利用效率，还可避免钻柱振动对钻井带来的危害。从而实现井底机械能与水力液压能的优化组合，使井底能量分配更合理，为深井超深井安全高效钻进提供有力的装备支撑。 为研制相关利用钻柱振动能量的井下工具提供设计依据。本论文运用含减振机构的钻柱动力学模拟实验装置，开展了不同钻进参数、减振机构弹性刚度及安装位置条件下的井底钻压波动特性及钻柱纵向运动特性实验研究。基于井底钻压波动特性的实验研究结果，给出了钻井过程中底部钻具组合内含减振机构时的使用建议。分析了钻进过程中钻柱振动所蕴含可用机械能的范围，优选了使钻柱振动能量转换效果最佳的减振机构弹性刚度选取范围。 依据吸振式脉冲发生装置工作原理，在 matlab 环境下的simulink 系统内建立了数值仿真模型，对装置转换钻柱振动能量提升井底液压能的效果进行了评价分析。分析结果表明：常规钻进参数条件下，在8寸半井眼内使用装置后可提高井底水功率70-110kW，随井深的增加，提升井底水力液压能的效果越佳。为确定装置提升井底水力液压能效果最佳时的装置关键结构参数，本文以使用装置时井底输出的水力液压能为目标值，在综合考虑装置可靠性及结构合理性建立的约束条件限制下，利用蚁群算法完成了最优装置结构参数的寻优过程，确定了装置的结构参数。通过动态仿真及有限元分析，论证了机构设计的合理性及可靠性，完成了吸振式脉冲发生装置的样机加工。 开展了吸振式脉冲发生装置样机的地面性能测试及井下性能测试。地面性能测试结果表明：装置的弹性性能、抗拉及抗扭性能均符合设计要求，装置压耗低于 1Mpa。井下性能测试结果表明：装置正常工作时机械钻速较邻井提高87.2%，初步验证了装置的提速有效性。装置内活塞激励阀在井下性能测试过程中遭到了冲蚀破坏，暴露出阀体结构设计不合理的问题。针对阀体可靠性问题，本文利用 CFD 流体力学分析方法，研究了稳态流动下阀内流场的分布规律，揭示了引起冲蚀现象的结构因素，并有针对性的开展了阀体结构优化设计。优化后阀体的性能评价分析结果表明：优化后的活塞激励阀性能可靠，可满足现场使用要求。 吸振式脉冲发生装置在新疆油田、塔里木油田、青海油田及华北油田等开展了10余井次的现场试验。现场应用结果表明：装置提速效果普遍在30%以上，并可起到保护钻头，延长钻头寿命的效果，装置使用寿命在267小时以上，与现有钻井设备及常规钻井参数均有有良好适应性，与无线随钻技术有较好匹配性，对钻头无特殊要求，在砂岩、含砾层段等硬脆性地层提速效果更佳。为进一步拓展装置应用范围，本论文完成了四种尺寸规格装置的设计加工，初步实现了装置系列化设计。完善了集强度检测、裂纹探伤、拆装维修、配件供应等一体化的后期保障配套措施，为装置的推广应用提供了有力支持。初步形成了吸振脉冲钻井提速技术，为深井超深井提高机械钻速提供了一种可供选择的安全高效钻井技术。

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