【摘 要】
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水力脉冲振动工具能够有效改善水平井、大位移井等复杂结构井滑动钻进过程中存在的载荷传递困难,机械钻速低等问题。但是目前的脉冲振动工具只采用单点振动的方式,效果有限,针对这一情况,本论文提出开展多点振动减阻机理研究并进行配套工具的设计。首先,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,建立了钻柱振动载荷传递模型并进行编程求解,分析了多点振动减阻钻井工具参数对减摩阻及载荷传递效果的影响规律,优选了工具的参数范围
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水力脉冲振动工具能够有效改善水平井、大位移井等复杂结构井滑动钻进过程中存在的载荷传递困难,机械钻速低等问题。但是目前的脉冲振动工具只采用单点振动的方式,效果有限,针对这一情况,本论文提出开展多点振动减阻机理研究并进行配套工具的设计。首先,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,建立了钻柱振动载荷传递模型并进行编程求解,分析了多点振动减阻钻井工具参数对减摩阻及载荷传递效果的影响规律,优选了工具的参数范围。研究发现,脉冲频率超过40 Hz时,机械钻速和井底钻压曲线图像出现低频波动,整个钻柱处于交变应力状态,易发生损害,脉冲幅值较低无法克服钻柱的粘滑效应,幅值越高减阻效果越好,轴向振动位移幅值对减阻效果几乎无影响;脉冲幅值随频率的升高衰减速度加快,工具设计的理想压力脉冲为高幅值,15-30 Hz中低频率。然后,设计了动静阀式的多点振动减阻钻井工具(包括脉冲发生器和振动短节)结构,对脉冲发生器的结构参数进行分析,设计了振动短节的碟簧组。计算表明,脉冲发生器动静阀孔直径减小、动阀孔偏心距增大会导致脉冲幅值增大,脉冲频率与流量有关,增大流量,压力脉冲幅值和频率均增大;在入口流量为30 L·s-1的条件下,172 mm尺寸的脉冲发生器可以产生幅值近似5 MPa,频率近似15 Hz的压力脉冲,工具压耗为5.1MPa。最后,基于所获得的工具参数及载荷传递模型,分析了工具的减摩阻效果,探索了钻井参数对工具使用效果的影响规律,形成了工具使用策略。分析结果表明,工具可以产生较好的使用效果,且安装3个振动短节的工具比安装2个振动短节的工具有更好的减阻效果;振动短节的安装位置中应尽量避免距离钻头过远以及避免相邻振动短节之间距离过远;使用2个振动短节的情况下,振动短节安装距钻头300 m和500 m为工具最佳安装位置,使用3个振动短节的情况下,振动短节距钻头100 m,300 m,500 m为最佳安装位置。研究结果补充完善了水平井、大位移井技术的相关理论,为强化载荷传递,提高钻井速度,增大水平段延伸距离提供了一个可行的技术手段。
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