下部钻柱扭摆运动的力学特性实验研究.pdf
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1、下部钻柱扭摆运动的力学特性实验研究易先中杨泽红马苏南陈 辉贺东旭乔少峰易 军(.长江大学 机械工程学院湖北 荆州.湖北省智能油气钻釆装备企校联合创新中心湖北 荆州.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司孤岛采油厂山东 东营.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司桩西采油厂山东 东营)摘 要:国内钻柱扭摆减阻技术尚不成熟缺乏钻柱扭摆减阻的理论研究和试验数据的支撑 为此利用相似参数搭建扭摆运动钻柱力学特性试验平台通过试验分析了地面扭矩传递范围、反扭矩作用范围以及扭摆作用对载荷传递的影响、扭摆角度对载荷传递的影响、扭摆速度对载荷传递的影响 试验平台测试结果表明适当增加扭摆角度和扭摆速度有利于钻压平稳
2、保持工具面稳定关键词:钻柱 扭摆运动 试验 相似原理中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:引言目前国外一些油服公司贝克休斯、威德福、斯伦贝谢、哈里伯顿等在美国能源部以及国际钻井协会的资金支持下基于扭矩控制原理以钻柱系统左右扭摆力学模型为基础开发出扭摆控制系统有效解决滑动钻井过程中存在的工具面快速定向和托压卡钻的问题 国内对滑动钻井技术中引入扭摆运动的研究还处于探索阶段相关理论基础和现场试验材料较少但是已经取得一些阶段性进展 易先中等提出钻柱扭摆滑动钻井技术的研究重点是分析钻柱扭摆运动和钻柱与井壁之间的相互作用规律 李智鹏等从减阻机理分析研究静摩擦转化成滑动摩擦的方法以及扭摆扭矩控制机理同
3、时结合顶驱扭摆减阻控制系统在此基础上研发一种扭矩控制系统 武广媛等提出一种通过弯角马达控制办法实现工具面自动控制的钻井系统开展相关室内试验初步研制成功 徐文等开发出顶部驱动和井下动力钻具联合控制的滑动钻井导向控制技术 李乾、汪兴明等从摩阻扭矩计算模型出发考虑了扭摆减阻工艺实施流程、有限刚体假设和 摩擦模型的钻柱模型制定了扭摆减阻过程摩阻扭矩计算软件 为了完善钻柱扭摆三维力学模型谭天一考虑温度对摩阻扭矩计算的影响建立了考虑温度影响的扭摆减阻力学模型 白璟等结合钻柱与井壁间滑动摩擦的特点分析扭摆过程对上部钻柱系统和螺杆钻具反扭矩载荷传递的影响并且得出钻速较低时钻柱扭摆条件下钻压的传递更平稳的结论
4、虽然国内针对扭摆减阻技术取得一些阶段性进展但对滑动钻井作业中的扭摆减阻的影响因素缺乏理论知识扭摆效果参差不齐导致扭摆减阻不能在安全的前提下发挥最佳效果本文通过相似参数搭建扭摆运动钻柱力学特性试验平台研究了扭摆作用对载荷传递的影响、扭摆角度(、)对载荷传递的影响、扭摆速度(/、/、/)对载荷传递的影响为研究滑动钻井扭摆减阻技术提供参考 钻柱扭摆试验相似参数推导相似模拟试验前需要借助量纲分析法推导扭摆运动钻柱力学试验的相似参数将函数表达式无因次化得到各试验参数的等效数值 相似理论是试验平台搭建的重要组成部分在试验前进行相似参数的推导是搭建试验平台与现场应用对比的基础地面端采用伺服电机驱动钻柱与井筒
5、采用空心圆筒忽略钻井液的影响下部通过伺服电机提供扭矩通过合理简化将物理原型按照比例缩小搭建扭摆作用下钻柱力学特性分析试验平台 改变变化参数(扭摆角度、扭摆速度)测试钻柱力学载荷传递的分布规律 扭摆运动下钻柱力学特性分析试验平台的相关物理量及因次如表 表 水平段钻柱相关物理量及因次钻柱物理量公式转换物理量因次钻柱弹性模量/钻柱材料密度/钻压 井壁摩阻 钻柱重力 钻速/极惯性矩 将表 中所含有的物理量写成一般函数关系式:()()式()中含有三个物理量因次、其中、作为基本量其因次表达式为:()量纲分析法通过、这三个基本量表示其他三个物理量、表达式如式()所示:()通过相似参数的推导如公式 所示建立现
6、场实际工况与室内模拟实验之间的相似依据通过式()可以求得钻柱原型与实验模拟钻杆对应物理量之间的相似比例现场试验现场试验现场试验现场试验 现场试验 现场试验()式中:为钻柱原型与实验模拟钻柱的几何比为钻柱原型材料与实验模拟钻柱材料的弹性模量比为钻柱材料与实验模拟钻柱材料的密度比为钻柱原型与实验模拟钻柱的对应载荷之比为钻柱原型与实验模拟钻柱的转速比为钻柱原型与实验模拟钻柱的钻压比在现场试验过程中为了减小钻柱力学特性的误差对现场参数按照相似参数进行缩小以保证钻柱的力学特性不受影响 在试验过程中按照相似原理设计与现场相近似的物理模型通过传感器等记录仪器记录模型力学参数变化及其影响因素 通过量纲分析法相
7、似理论推导出钻柱扭摆试验的相似参数现场参数与试验参数之间的相似比例如表 所示表 钻柱现场参数与试验参数参数现场参数试验参数相似比例./././钻柱扭摆试验装置设计地面扭摆钻柱力学特性试验平台是通过 变频器控制顶部电机正反旋转电机通过减阻机与转盘相连带动转盘运转转盘与下部钻柱系统相连接带动钻柱系统正反旋转 在钻柱系统旋转过程中井筒为钻柱系统提供支撑力同时下部电机提高反扭矩等效替代井下钻柱系统摩阻 井筒设置石英砂材料模拟钻井摩阻 下部电机通过蜗轮蜗杆试验装置为钻柱系统提供钻压如图 所示图中为钻柱扭摆试验主要装置及零部件省略部分传感器等测量装置图 钻柱扭转摆动的试验平台.整体试验台架钻柱扭摆整体试验
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