（油气井工程专业论文）井下减振增压装置设计研究.pdf

d e s i g nr e s e a r c ho nd r i l l i n gs t r i n gs h o c k a b s o r p t i o n & d o w nh o l eh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e m l i uy o n g w a n g ( o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d ir e c t e db ys e n i o re n g i n e e rw e iw e n z h o n g p r o f e s s o rg u a nz h i c h u a n a b s t r a 堪 a sar e s u l to f t h el i m i t e dp r i n c i p l ew h i c hi st r a n s m i t t i n gs o m ee n e r g yt oa p a r t o ft h em u d t h es u p e r c h a r g i n gs y s t e mm u s th a v ec o m p l e xh y d r a u l i c p r e s s u r et r a n s f o r m a t i o no r g a n i z a t i o n a sc o m p l e xi n s t i t u t i o n se a s i l yl e a dt o a c c i d e n ti nt h el i m i t e d s p a c ea n dt h ew o r s tc o n d i t i o n s ，i ti se x t r e m e l y n e c e s s a r yl od e v e l o pan e wt y p eo f p r e s s u r ed e v i c e s i na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，w h i c hi sd e s i g n e db yt h e p r i n c i p l e o fs i m i l i t u d et o i n v e s t i g a t et h em o t i o nb e h a v i o r so fb o t t o md r i l l s t r i n g s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et ou n d e r s t a n dt h ea x i a lv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fb o t t o ms t r i n gi ns t r a i g h th o l e t h er e s u l t so fa n a l y s i sa l s o p r o v i d ei m p o r t a n td a t at od e s i g no fd r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o n & d o w n h o l eh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e m i ti sv e r yb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gt h er a t e o f p e n e t r a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fd r i l ls t r i n gl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o ns t u d y , t h e o v e r a l ls t r u c t u r ea n dm a i np a r t so ft h ed e v i c ei sd e s i g n e da n dc h e c k e d w e k n o wi ti sr e a s o n a b l eo nd e s i g no fd r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o n & d o w n h o l eh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e mt h r o u g h i m p o r t a n tp a r t so fe x a m i n a t i o n p r o c e s s ，i n c l u d i n gd i s hs h a p es p r i n g ，o u t e rs l e e v ea n dc y l i n d e r j a c k e t ，t h r o u g h t h es i m u l a t i o nb yd y n a m i cm e c h a n i c a is i m u l a t i o nt 0 0 1p r 0 e n g i n e e r w i l d f i r e t h er e s u l t sp r o v e1 h a tt h ed r i l l i n gs t r i n gs h o c ka b s o r p t i o n & d o w n h o l eh y d r a u l i cp r e s s u r i z i n gs y s t e mc a nb ef e a s i b l e o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so ft h e s es t u d i e s ，a l lt h ep a r t sd e s i g no ft h e s y s t e ma r ec o m p l e t e d ，s u c ha sm a c h i n i n gd r a w i n g s ，o v e r a l la s s e m b l yd r a w i n g s ， a n ds of o r t h p r o t o t y p e st e s t so nt h eg r o u n dh a sb e a nd o n e t h ep r e d i c t e d r e s u l t sb yt h em o d e la r ea l s oi ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l ti ss a t i s f a c t o r y ag o o df o u n d a t i o ni sm a d ef o rp r e d i c t i n gt h er e s u l t s o ff i e l dt e s t k e yw o r d s ：u l t r a h i g hp r e s s u r e ，j e t b o o s td e v i c e p r i n c i p l e ，f i e l dt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标i _ i = 和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 岁月如卜l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中困石油大学有关保筐、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论艾被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全音l j 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 矾矽年步月知同 霉7 铒fb 目 中国i i 油人学( 毕0 、) 硕卜论文第1 章前言 第1 章前言 油气钻井丁程实践已经表明，提高井底钻头喷嘴射流压力可以大幅度提 高钻井速度。为此，在圈内外的钻井。【程领域人们提出了对钻井液的地面增 压和井下增压两种措施。地面增压由于所用设备和工艺比较复杂、成本昂贵， 尽管提高速度明显，但没有得到推广应用。关于井下增压一直是近几年的研 究重点，其主要优点是不必改变现有的钻井工艺及设备，在钻头以上安装一 个增压装罾，就可以使部分钻井液的厄力达到1 0 0 m p a 以上，达到高压射流 辅助破岩的目的，现有的井f 增r j 三装置的工作动力都是柬自钻井液本身所携 带的压能基本工作原理都是将整体钻井液的部分能量集中提供给小部分钻 井液，由于在这种原理限定下，要求增压装胃必须具有复杂的液压转换机构 ( 以活塞式增口j 装置为代表) 或复杂的液能一机械能液能的转换机构( 离 心式增j i 装胃) 。而在 f 仃限的守f j 条仆和恶劣的f 况条件下，如此复杂的 机构很难实现或很难i 1 ：常_ 作。冈此，到目鲋为止，尽管研究人员进行了艰 苦的努力和潜心的研究，还没有+ 种在不改变现有的钻井工艺及设备的条件 下使井一f 钻井液射流压力超过! o o m p a 的井底增压装置在钻井中应用，仍 停留在可行性研究或样机的设计和研制阶段。 钻井过稃中，由于钻头破岩特点使并下钻柱产生纵向、扭转和横向的冲 击振动，尤其在钻进硬地层或软硬央层时更为剧烈。钻柱振动给钻井作业带 来极大危害，主要表现在：不能均匀地加钻 i 三和施加扭矩，使钻头早期破 坏，影响钻头寿命和钻速。加剧钻杠疲劳破坏，以钻杜组件连接部位最为 严霞，常发乍刺扣粘，断裂贯故。般m 、地而设备。 虽然钻杠的振动是有害的，仉合理利州振动能量有利于钻头冲击破石宁硬 地层岩石，获得较高的机械钻速。如果町以设计出一种钻杠减振增压装詈， i 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 既能减少钻柱的振动，又能实现井底高压水射流，这样就可以使钻柱振动变 害为利。 该课题是从另外一种全新的原理出发，利用钻井过程中由于钻柱纵向振 动所引起的井底钻压波动作为能量柬源。通过钻柱的纵向振动带动井下柱塞 泵的柱塞上下运动，利用柱塞上下运动压缩钻井液使之增压。研制出一种集 钻柱减振和钻井液增压功能于一体的钻柱减振增压装置，以达到提高钻井速 度，降低钻井成本的目的。利用钻杜振动原理所设计的井下增压装置可以使 整体结构大大简化，使之更利于在井一f 环境下实现增压目的和证常工作。同 时，又起到了钻柱减振效果。课题的完成对提高钻井速度尤其是深井钻速将 具有重要的意义。 2 中国_ i 油人学f 华尔) 硕卜论文第2 节估t 振动及井r 增乐技术研究进展 第2 章钻柱振动及井下增压技术研究进展 2 1 钻柱力学及振动特眭研究进展 1 9 9 1 年s ，d a 1l e y 等”j 指出，直井钻井环境中的纵向冲击和振动是有据 可查的。m 1 ：| f d 仪器先前测量到了一些数掘，这些数据证明底部钻具振动要比 钻柱的纵向振动严重得多。该振动的测量数据已经超过了2 0 0 g s 并能造成多 种钻具组合的失效，例如，钻铤的连接、操纵系统、钻头以及m w d 工具组合 等。现存已纾有多种演算模犁可以针对多种钻其绢合下的临界转速。这o g 模 型是有效的，f f l 存多变的现场直井钻井j 小境中这些模型又不是太可靠。较好 的操控能够完成对钻具绢合纵向振动的数槲测量。纵向振动的实时监测能够 使操作员放心地优选钻进参数减轻强烈的振动，并能降低钻具组合疲劳破坏 的风险。钻具组合要随着井底条件和疲劳破坏几率的改变而改变。这样的话， 传统卜= 把累计t 作进尺作为计划时间表的条件就显得不够充分。用特殊的工 具组合柬监测累计振动循坷、能够加强对钻具组合的维护。累计工作进尺应该 是制约维护计划的主要因素，但是，累计振动循环和累计工作进尺都应陔作 为钻具疲劳破坏的影响因素。一个钻具组合的累计振动数掘库可以由统计学 分析的方法柬确定疲劳破坏的几牢。 1 9 9 2 年s c r e w c a s t 【e 等! 研究认为，许：多b h a 和m w d 失效都是钻进过 程中钻柱的剧烈冲击和振动直接造成的。横向振动所引起的冲击含有巨大的 能量，能够最大程度地破坏井眼中的电子设备，剧烈的横向涡动能够造成工 具接头的疲劳破坏和扭转破坏，能够降低牙轮钻头轴承的寿命，破坏p i e 钻 头的切削刃。研究者建立了许多模型，芹用地面的测量数据柬模拟纵向振动， 仇选转速减轻纵向振动。但是现场数扼显示这螳模型在实际应用中是非常局 限的。定向井中钻柱和井壁的接触减轻了钻杜的振动。在垂直井中，大部分 1 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章钻 牛振动及升卜增乐技术研究进展 模型对产生极限值的边界条件有很高的灵敏度。他们发现了一个简单、实用 而且成本很低的解决方案。在1 】| d 系统上加装个加速度检波器束计量横向 振动是有开发价值的，而且他们发现在海洋钻井中的丌发价值是相当可观的， 每一两分钟装霄就会自动向地面发送一次数字信号，根据该信号，司钻就可 以改变转速和钻压柬减轻或者是消除纵向振动。如何减轻横向振动就要看轴 向和扭转振动的最小化情况了，因为它们之问有很微妙的关系。 1 9 9 3 年屈展和张绍槐”3 认识到实际钻压在井底随时日j 发生波动，能使钴 柱发生一种与通常失稳完全不同的动力失稳现象后，利用钻柱纵向非线性振 动方程与突变流形的相似性，将突变理论应用到振动失稳问题中，建立了钻 柱振动失稳突变模型。得出了失稳的临界点和条件。 1 9 9 5 年屈展和刘德铸通过研究指出了钻柱振动对钻井所带来的危害， 客观地分析了钻柱振动可利用的一面，并从钻柱运动状态、环境和受力状况 入手，分别列举了研究钻柱纵向振动、横向振动，扭转振动较为典型的方法 和数学模型，介绍了影响钻柱振动的几个关键因素。 1 9 9 6 年马斐和施太和剐结合从现场实际测得的钴柱振动数据较全面地研 究了钻柱的振动特征，并分析了由各种振源引起的钻柱振动特征，包括出钻 头与地层之j 日j 的相互作用，不规则井壁对钻柱的作用、钻头失效、钻柱的自 激振动、地面泥浆泵以及地面动力传动设备等引起的钻柱振动。尤其是对地 面动力传动设备引起的钻柱振动，指出了当链条和齿轮的牙齿有定的磨损 后，啮合冲击的威力将变得不容忽视，这种周期性的冲击能够传递至转盘、 方钻杆及整个钻柱，造成钻柁的振动，该研究结果为进一步研究钻柱振动及 今后发展钻托振动识别技术打下了良好的基础。 吕英民和蔡强康等。应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻桂 4 中国一由人牛( 华力、) 硕十论文第：孳钻柑振动及升 增乐技术研究进展 进行了纵向振动的动力响应分析和固有频率计算比较了常规钻柱和隔振钻 柱钻头处的位移、井口处的位移以及钻压的变化。钻柱隔振后，其固有频率 远高于常规钻井时的激振频率。因此隔振后的钻杜可以避免发生共振现象。 提高钻井效率。钻杠隔振理论可以为隔振器的设计和虚用提供可靠的理论基 础。 1 9 9 7 年姚恒申、江晓涛和刘清友。j 建立了钻柱钻头系统纵向振动的随机 微分方程，通过对方程的求解并用牛顿第二定律对钻头和钻柱各处进行受力 分析，表示了钻头和钻枉各部位的受力过程，利用阈交问题分析方法计算了 单位时日j 内钻头受力超过一定值( 如疲劳受力) 的平均次数，可直接应用于 钻压、转速的合理控制和钻头的寿命预测。 1 9 9 8 年张焱、陈平和簏太和”1 讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转 振动及进动之删的相- 瓦耦合关系介绍了两种研究钻杜振动动力学的方法， 即有限无法和机械阳抗法。经举例说明深”中大井眼小钻铤的危害性，认为 大井眼小钠铤的j 小气! 较大， 占铤l y , j l * l l l 度较g g ，n ：轴卸力作用下易屈曲，激发 横向振动，且钻铤的横向变型较大因振动引起的交变应力也较大：纵向振 动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。所以在深 井中建议使用大井跟大钻铤方案。 孙超、刘臣保等9 建立了整体钻杜瞬念动力学分析模型，运用n e w m a r k 方法求解钻杜动力平衡方程，通过理论分析计算结果与室内模拟实验实测结 果的对比分析，进行了理论模型、分析方法与室内实验的十目互验证。 刘清友、马德坤和汤小文“。4 在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之 上，将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻十r 纵向振动的下端边界条件 在适当简化的条件卜，利h j 弹性 r 理论和单冗法建立了钻杜在钻井过程中由 5 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章钻枰振动及升卜i 增乐技术研究进展 子钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模 型，在给定仞始条件和边界条件的情况下，采用数值计算方法对模型进行了 求解。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力掌性能， 改进钻头、钻柱的设计方法，预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。 高岩、刘志国和郭学增“”认为钻柱的共振与钻压、转速、泥浆性能等钻 井参数有关，通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象，达到优化钻井的 目的。他们给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式。现场测量及计 算表明，不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动，它取决于振动传 输比，现场试验数掘验证了计算公式。通过固有频率的计算，分析了减振器 对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势。 1 9 9 9 年章扬烈、肖载阳。论述了振动的多种形式产生的机理、环境，征 兆和控制措施。在钻井界的实践中提供了参考。 2 0 0 0 年高岩“”指出，三牙轮钻头的特殊结构使得它在钻进时容易在岩层 的顶部形成一个三脊状井底，当钻头旋转一周时钻柱轴向三次凹凸变化，由 此在轴向产生1 倍、2 倍和3 倍及其更高次倍于转盘转速r m p 的谐波振动。 另外，三牙轮钻头与地层作用时牙轮牙齿产生啮合振动，由于三脊状井底对 啮合振动进行幅度调制形成调幅信号，根掘调幅信号的频率特征，振动信号 在频域表现为具有一定边带的束谱线，它是钻头工作t f 常的“健康信号”。 他总结了一! 牙：轮钻头轴向振动的r 一般规律，通过实测数据分析，这一特征已 得到现场数据的验证。 吴泽兵、马德坤和况扇舂认为研究钻柱振动时把钻枉下端当作铰支。 假设激振源为周期的，偏离实际。从建立符合实际的下端边界条件入手，着 重研究钻桂的级向振动，用有限元法，求出整体质量、整体刚度，整体阻尼 6 中国f i 油人芋( 华尔) 硕十论文第2 章钻柠振动及升p 增乐技术研究进展 矩阵采用的是比例阻尼矩阵利用牛顿法得到钻柱的振动方程，另外钻头与 岩石的相互作用模型得到真实的钻柱下端边界条件并利用h o u b o lt 数字解 法模型求解振动微分方程。根掘上述模型他 l 、】编制了用于分析钻柱纵向振动 的计算机仿真软件，并进行了大量仿真实验，通过对实验结果分析得到了有 意义的结论。 2 0 0 1 年韩致信，李钫等“4 提出了钻柱纵向自由振动的离散力学模型，根 据l a g r a n g e 方程推导建立了相应的数学模型和特征值的计算式，并用买际算 例进行了计算。计算结果表明，按离散模型确定的圃有振动圆频率比按连续 等直卡t 横犁确定的固有振动阋频率略小。考晦到吱陆钻杜系统的非等直性， 可以认为离散模型的精度将高于连续等直十r 模型的精度。 王珍应林建等”为了弥补先i 口的变量分析法和有限元法存在的不足， 提出了广义传递矩阵法。根掘钻柱结构、受力和运动特性，建立了适合任意 钻柱组合，且能真实反映钻杜系统的轴向振动的计算机仿真模型。引入描述 钻柱轴向振动特性的广义状念向量，可简化复杂的= 程计算问题。针对不同 的测量方法，可仿真钻杠不同截面与不同功用的振动量。实现的两种仿真方 案。一种用束优选钻头、优化设计钻具组合和优选钻井参数：另种用来随 钻监测井底工况、井底岩石性质和钻头工作状态。 况阳春、t5 德坤等。利用单齿瓜入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互 作用力学模型，实现了对钻头任钻井过程中一f i 作行为的仿真计算；建立了基 于研究钻杜钻头岩石系统动态行为的动力学模型，可以对钻井过程中钻 压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可 以看出，钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸 不平造成钻头存井底的纵向振动，其钻压的振幅一般为平均钻压的3 0 左右： 同时，由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化，转速的 7 冲国f i 油人譬( 华尔) 硕十论文第2 章钻杜振动及井p 增压技术研究进展 变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱钻头岩石系统 的动态行为，对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。 朱j 朝、谢永春和秦大同“川根掘牙轮钻头的实际振动状态分析了钻头产 生各种摆动的机理，讨论了岩石与钻头之b j 的相互作用力，用能量法建立了 考虑牙轮钻头纵向、横向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型， 并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。 2 0 0 2 年赵德云、杨海波、杨跃波o 。以深井中的整体钻杠为研究对象，建 立了深井钻柱一维纵向振动分析模型采用动力有限元理论建立了描述钻柱 振动的动力学方程，并且编制了一套钻杜纵向振动分析软件，最后使用该软 件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。通过对现场的统 计分析发现，陔分析计算结果具有很高的实用价值，对今后深井钻进中提高 钻井效率、减少钻具失效有一定的指导意义。 邱利琼“o 在其发表的文章中指出，钻井用钻柱在使用过程中受力比较复 杂，钻柱不仅存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，并且3 个振动相 互耦合，用一般受力分析方法很难确定，作者采用能量法求出单元的动能和 势能，利用拉格朗f i 方程建立起钻柱系统动力学有限元模型，求出了系统质 量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵及系统载荷矩阵，利用微分方程的数值计算方 法对钻柱过程进行计算机仿真。通过研究得出了一套钻柱系统动力学模型及 求解方法，对新型钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。 2 2 超高压水射流破岩研究进展 射流按压力分为低压、高压和超高压射流。当射流压力 1 0 0 m p a 称为超高压水射流，可以直接破 8 中国_ i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章t 6 抖振动及升 增乐技术研究进展 辞岩石。1 9 9 5 年，m i s s o u r i 提出高压水射流技术是新发展起柬的- - f 3 技术， 由于其具有传递能量集中、无机械磨损、无火花和尘埃等特点而在各工业部 门中得以广泛应用。“。大量的试验表明超高压射流辅助机械钻井机械钻速 能提高2 3 倍，所以具有广阔的发展前景。 表2 - 】再种破岩仃式h 所耗能颦 破岩方式 单何切割面积所需要的能管( j c m 2 ) 高压水射流 2 5 0 - - 5 0 0 激光 1 0 0 0 - - 2 0 c 0 电子枭3 0 0 0 6 0 0 0 j 三化射流 2 0 0 0 0 _ 一4 0 0 0 0 苜离f 求 5 0 0 ( ) 驴一】0 0 0 0 0 在2 ( ) 世纪5 0 年代，石油工业应用高压水射流实现了喷射钻井技术，这 是石油工业钻井史上的一次重大变革，使钻井速度第一次获得解放。从实践 中人们认识到提高射流在井底的压力和水功率可以有效提高钻井速度，而 通常是采用提高地丽泥浆象的j i ! 力和助率来实现的。这就带来泥浆泵体积过 大、地面柴油机功率增大和钻机搬家运移围难等不利因素，不仅增大了设备 投入，而且增大了同常的燃料费用。为此，钻井工程界早已提出在不增加地 面泥浆泵压力和功率条件下如何提高射流在井底工作效率的研究课题。 在2 0 世纪6 0 年代术，美国国家科学基会会发起了一项旨在探求一种新 的高效破岩方法的庞大的研究计划，分别对2 5 种可能的新方法进行破岩效率 的研究。l o 余年的研究结果表明，最有潜力、效率最高、易于实现的新钻井 方法当属高压水射流钻井法。其明显的优势在于能量传递方便和破岩的高效 率。莫勒博十的实验证明，用工作压力为1 0 3 , m p a 的高压射流钻井，其钻进速 度可比普通f l 玎旋钻头的钻进速度商2 q 倍。j 露它疗法相比，其破岩效率最 高“，见表2 一l 。 9 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章钻十 振动及升f 增乐技术研究进展 前期的研究和现场实践都表明，高压水射流用于钻井有巨大潜力和优越 性。为了满足石油钻井技术发展之需要，王瑞和教授等人用特殊方法设计出 了带有导向元件的喷嘴，调制出旋转射流，并在室内进行了一系列实验嘲。 实验结果表明该旋转射流可以产尘足够大的冲击面积，钻出比喷嘴直径大4 0 多倍的孔眼。其破岩以剪切破碎为主，破岩效率是普通喷嘴的数l o 倍，破岩 门限压力仅为普通射流的1 2 庄右。根掘试验结果，证实了旋转射流具有破 岩成孔能力。为了使高压水射流技术应用到石油钻井中去，有必要对射流破 岩技术进行更深入的研究。 2 3 井下增压技术研究进展 2 0 世纪7 0 年代初美国| 丌始进行了高压射流技术用于深井钻井的可行性 研究与试验。m a u r e r 等提出利用地面装置。将整个循环钻井液的压力提高到 6 8 1 0 5 m p a ，在5 口3 0 0 0 m 序右的深井中进行了试验，机械钻速提高2 3 倍。出于该技术要求整个循环系统承受很高的压力，尽管可以获得很高的机 械钻速，但因为当时钻井泵、地面循环管汇、钻桂、钻头等均不能在这样高 的压力下可靠地工作，未能推广应用。2 0 世纪8 0 年代术9 0 年代初，美国 f l o w d r i l 公司研制出一套用于射流辅助双管钻井系统，在地面上利用增压泵 将小排量( 约2 5 l s ) 的钻井液压力提高到2 0 0 m p a 以上，采用双通道钻柱把大 量的常规钻井液和小排量的超高压钻井液同时送到钻头。超高压钻井液从钻 头上的特殊喷嘴射出，以5 0 0 m s 以上的速度冲击破碎岩石；而常规钻井液仍 从普通喷嘴喷出，清沈井底和携带岩屑。i 亥系统需要独立的高压地面管汇、 立管、水龙带、双水龙头和双层方钻杆。o m c ef l o w d r i l 和g r a c e 钻井公司合 作，共进行了2 2 次现场试验，在t e x a s 的东部和疆部各1 1 次。在直径为2 0 0 m m 和2 2 2 2 m m 的井眼共完成迸尺2 7 4 3 2 m ，机械钻速比常规钻井提高2 3 倍， l o 中国f l 油人学( 毕尔) 硕一卜论文第2 章钻梓振动及计p 增乐技术研究进展 证明射流辅助钻井可以大幅度提高钻井速度。但陔系统存在可靠性差、寿命 短以及使用不方便等问题，而且价格昂贵，用户难以接受。因而也未能获得 推广应用。因此，近十年来人们又将超高压射流辅助破岩钻井技术的研究重 点转移到了井下增压装置的研究方面。 s d v e e n h u i z e n 等人率先把高压泵送到井下，进行了井下超高压泵实 现射流破岩或辅助破岩的试验研究“。实现井下增压1 0 0m p a 以上，使机 械钻速在相同条件下提高2 倍左右。1 9 9 5 年和1 9 9 6 年的两次# - f 试验证明 存在着使用寿命问题，一般仅能在井下t 作4 0 ，- 6 0 h ，同样难以得到推广应 用，但它是井下辅助钻井高效破岩的研究发展方向。 1 9 9 3 年后期，美困f l o w d r i l l 公刮和天然i 研究院( g r i ) 丌- 始了一项 庞大的用射流辅助破岩的井下超高压泵的三年研究计划。“1 “，该井下泵系 统因为是水力驱动，可以将井下常规钻井液的十分之一增压至2 0 0 2 4 0 m p a 柬辅助切割破碎岩石。5 口井现场试验表明，与常规钻井相比，该技术可提 高机械钻速1 5 3 5 倍。井下增匠泵比地面增压泵具有下列优势：设备投资低； 易于实现从常规钻井向超高压射流钻井方式转变，经济性好，安全性高，可 靠性强；市场两景更为广阔。井下超高压泵装在钻头上方，钻井液以常规排量 通过钻丰亍送至，# 下超高压泵。井下超高压泵将大约1 0 的钻井液加压至 2 0 0 m p a 以上。这部分超高压钻井液通过钻头的号用流道到达钻头的加长喷 嘴，而来加压的钻井液流向普通喷嘴。由f 该技术在常规钻井液体系中应用， 很容易实现超高压喷射钻井，近期又出现了井下超高压泵专利技术，因此可 以说它代表了目d 口超高压射流钻井方式研究的发展趋势。 我国自上世纪9 0 年代初以束，提出了静压式井下增压器吖”3 的结构及 水力设计方案，它根掘流体静压传递的帕斯卡原理。利用大活塞带动小活塞 中国t i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章钻 l 振动及井卜增压技术研究进展 的方法上下律复运动产生超高压，j 、股射流。1 9 9 6 年，第一代全尺寸样机经过 室内实验，输出压力在1 5 0 m p a ：彳 累计t ：作时| 开j 已超过i o o h 。但没能达 到现场应用条件。目前国内外采用了串联和并联两种井下增压回路技术1 ， 串联回路是利用地面钻井泵的全部流量作为动力束增压破岩，动力缸卸荷的 钻井液用来净化井底。并联回路是利用地面钻井泵的小部分流量作为增压破 岩，大部分低压钻井液用来直接净化井底。 1 9 9 4 年石油天然气总公司勘探丌发研究院| 丌- 始对井下增压泵进行研究 ，如成本的预测，增压理论，增压方式串、并联，大、小喷嘴参数优选， 动密封技术，钻头水动力特性研究等。当时的设计指标为并下增压泵输出压 力为1 5 0 m p a 。 另外，我国的不少石油高校和研究机构也丌展了大量的井下增压装置的 理论研究、结构设计和样机丌发研究，但至今未能生产出样机，也还没有看 到国内增压泵在现场实验或应用的报导。原因其一有可能是我们的制造技术 和加工能力还达不到设计要求，其二有可能是研究的基本原理和技术路线还 存在某些问题。但不管怎样超高压射流辅助破岩技术是提高钻速的一个有 效和重要途径，井下增压装置仍是浚项技术成功应用的关键和必须攻克的难 点。 t 2 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻抖纵向振动及升底钻乐波动特性研究 第3 章钻柱纵向振动特性及井底钻压波动特性研究 3 1 钻柱及钻压纵向振动的实验原理、装置及参数组合方案 利用直井底部钻柱纵向振动的能量柬实现射流增医是井下增压原理的新 探索，直井底部钻杠纵向振动特忡是没计及设汁可行性的关键问题。对于底 部钻柱的运动状念，几十年来，中外学者提出了“自转”，“同步公转”、“既 有自转也有公转”、“反向转动”等不同的假设，并提出了许多对工程实践具 有指导意义的结论。为了进一步了解和分析井下旋转钻杜的实际运动状态及 其影响因素，从而根据钻杜的振到j 情况柬确定减振增压装置的主要结构参数， 以底部钻柱实际工作坏境为原形，根掘相似理论建立了底部钻柱动力学研究 实验装霄，并针对钻井现场较广泛采用的钟摆钻具以及偏轴钻具等，在该装 置上进行了底部钻杜在不同钻压、转速条件下运动特征的实验研究。 31 1 模拟装置的建立准则及装置的组成 单值条件中所有具有长度单位的物理量，如钻 t 的内外径、长度，以及 井筒内径等，取相同的几何比。单值条件中所有具有角度单位的物理量，如 钻杠结构弯角、井斜角等，根掘几何相似性质，对应角度相等。模型材料要 与原型材料具有相同的“应力一应变”特性。实际钻柱材料钢的密度 p ；7 8 5 9 c m “、弹性模量e = 2 1 0 ；p a ：模拟钻杜的材料为a b s 塑料、密度 p 。= 1 10 9 c m 3 ，弹性模量e 。= 2 3 0 g p a 。b h a 运动状态模拟实验装置总 体结构参见参考文献f 3 2 。实验架为钢制桁架结构，总体高度1 5 m 、有效高 度1 3 m 。h i 奉茂， ：简和倾剁分支组成，倾斜分支长度8 0 m 、井斜角5 。内可 调。模拟钻柱为a b e ) 工程塑料，片筒为有机玻璃管。测量元件包括各种测量 中国4 i 油人学( 华东) 硕+ 论文第3 章钻样纵向振动及井底钻压波动特性研究 传感器、电荷放大器及数字信号采集仪器。其中，传感器有3 种，分别为电 涡流位移传感器、应变式拉( 压) 力传感器、压电式测力传感器。 底部钻柱模拟装置主要组成部分及功能简单介绍如下； 机械部分是指系统中除了与测量相关的仪器之外的所用部件；主要包括 实验架、模拟钻柱和井筒、驱动装置等。其中，实验架为钢制桁架结构，总 体高度约15 m ，包括支承槽钢，上、下操作台，扶梯，上、下机座，滑轨，扶 证杆( 立柱) ，u 形卡，延伸板等。整个实验架通过支承槽钢与原有的“环空 实验架”相固定，其作用是支承整个钻丰土实验装置。 模拟钻柱由a b s 工程塑料棒加工而成，中空，通过两端的螺纹将各段钻 柱联接成整体。模拟钻头由圆钢加工而成，直径( b 3 0 0 r a m ，外形轮廓与p d c 钻头十分接近。模拟井筒为有机玻璃管，便于直接观察b h a 的运动状态。 驱动装置主要由直流调速电机、调速一稳速控制系统、减速传动机构等 组成。直流电机可实现8 n 6 4 0 r r a i n 范围内1 0 4 级调速，每级5 3 转。调速一 稳速控制系统包括恒速控制系统和一个控制面板：在某转速水平上，转速不 随扭矩变化，做到了恒转速，转速由控制衙板百接读出。 测量系统由1 台数字信号采集仪和多种测量传感器组成。其中，与数字 信号采集仪配套使用t o p v i e w 2 0 虚拟仪器软件，其缺点是数据分析功能较 为简单，且存储文件形式单一，与其它软件交流性差。因此。依据该软件提 供的文件存姥格式，编制了配套b h a 运动状态模拟实验数据处理及分析程 序，包括：数据转换接口模块、数据处理模块。 3 1 2 模拟实验原理 钻杜模拟实验装置是根据将相似理论，按1 ：1 0 ( 模型：原型) 比 例建立的。根据“转子动力学”理沦和柑似理论导出如下关系式： 1 4 中国f 舳人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻十 纵向振动及升底钻乐波动特性研究 转速比：。：堕： “ q 轴向力之比c 。= 争= c f r c ? ( 3 1 ) ( 3 2 ) 式中：c 。为模型和原型的转速比，无因次；c 。为模型和原型的轴向力 之比，无因次：c j 为模型和原型的几何尺寸比，无因次：f ，：为模型和原型的 弹性模量比，无因次：c ，为模型和原型的密度比，无因次；q ，为模型转速， r m i n ：q 为原型转速，r m i n ：只，为模型名义钻压，n ：p 为原型钻压，k n 。 实际钻杠的材料为钢，密度p = 7 8 5 9 c m ，弹性模量e = 2 1 0 g p a ，b h a 长度约1 2 0 m ；模拟钻柱的材料为a b s 塑科，密度p = 1 1g c m ，弹性模量 e 。= 2 3 g 只。戢模犁勺原捌的几何比f ，= 1 ：1 0 4 0 ，钻井参数与实验参数的 关系为： 转速比；鲁2 7 9 6 钻压比，争= 忐 也就是说，当实验转速是现场的2 7 9 6 倍，实验钻压是现场的l 9 1 3 0 时，可以用上述模拟装置束研究b i t a 的运动状态。在实验室中，6 0 f r a i n 转 速相当于现场2 3 i r m i n ，9 8 、钻压相；旨于现场8 9 5 k n 。 3 1 3 实验参数组合方案 实验选用参数见表3 - i ( a ) 。 磊 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻牦纵向振动及井底钻乐波动特性研究 表3 - 】( a ) 实验选婀参数 名义钻压模型转速实验代号名义钻雁模型转速实验代号 ( 9 8 h )t r m i n )( 9 8 n ) ( r m i n ) o 56 4 1t 12 0 6 4 1t 1 9 0 51 2 8 4t 22 01 2 8 4t 2 0 o 51 9 2 6t 32 01 9 2 6t 2 1 o 52 5 6 8t 42 02 5 6 8t 2 2 0 53 2 1 0t 52 03 2 1 ot 2 3 o 5 3 8 5 21 62 03 8 5 2t 2 4 1 o6 4 1t 72 56 4 1t 2 5 1 ，o1 2 s 4 1 h 2 51 2 8 43 2 6 1 o 1 9 2 6 t 9 2 51 9 2 6$ 2 7 l r02 5 6 8 t 1 0 2 52 5 6 81 2 8 l r03 2 1 0t 1 l2 53 2 1 0t 2 9 1 03 8 5 2t 1 22 5 3 8 5 2t 3 0 1 56 4 1t 1 33 o6 4 1t 3 1 1 51 2 8 4t 1 43 01 2 8 4t 3 2 l5 1 9 2 6t 1 53 o1 9 2 6t 3 3 1 52 5 6 8t 1 63 02 5 6 8t 3 4 i 53 2 1 o t l73 0 3 2 1 0 t 3 5 1 53 8 5 2t 1 8 3 0 3 8 5 2t 3 6 实验中所用的模型转速与钻压根掘运动相似性原理得出，模型参数与实 际参数之间的对照关系如表3 1 ( b ) 所示。 6 中国_ ，油人 ( 毕尔) 硕十论文2 f ；3 章t 占 纵向振动及井底钻乐波动特性研究 表：3 - 1 ( b ) 模掣参数l l 实际参数的对比 模型转速原型转速模型名义原型钻 ( r m i n )( r m i l 3 )钻压( 9 8 n )压( k n ) 6 4 12 3 1 o 54 4 7 5 1 2 8 44 6 21 o 8 9 5 1 9 2 66 9 31 51 3 4 2 5 2 5 6 89 2 4 2 o1 7 9 0 _ 一 f 3 2 1 0 】l j j 2 52 2 3 7 5 ：讲j 21 3 h 63 02 6 8 5 3 1 4 模拟实验装置 b h a 运动状念模拟实验装置总体结构如图3 1 所示。实验架为钢制桁 架结构，总体高度l5 m 、有效高度1 3 m 。由垂直井筒和一个倾斜分支组成，倾 斜分支长度8 o m 、井斜角5 。内可调。 为了测量底部钻柱在不同钻压、转速条件下的运动状念，在陔模拟装置 上分别装有钻压和转速传感器，实时测量钻柱的转速和钻压。测量钻压使用 应变式拉( 压) 力传感器1 个。 模拟钻杜为a b s 工程塑料，井筒为有机玻璃管。 包括各种测量传感器及数字信号采集仪器。其中，传感器有3 种，分别 为电涡流位移传感器、应变式拉( 压) 力传感器、压电式测力传感器。测量 仪器的详细信息如表3 - 2 所示。多通道瞬念数字分析仪是采集及观察数掘的 重要设备，界面如图3 2 所示。 中国彳i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻托纵向振动及，f 底钻乐波动特性研究 i 瑚 2 压( 拉) 力佑感器 3 恻掰镳 4 - 渤环 5 ，榭鸱缺 6 井筒 7 捌如5 j | 主 8 簿确粥筒 乒辫盟 l 口崮研 勰 1 1 固勰 1 2 上魄 1 3 传动枰 1 4 僦 1 5 硗懒 1 6 丝扛螺母 1 7 猾乾 1 8 - 升盔蝇 1 9 黼 2 0 ，雠 2 1 电饥 2 2 筘l 作冶 2 3 - 信导戡 2 4 蜘缴；嗑居采集系统 2 5 计墨錾叽 豳3 - l 底部钻梓模拟装簧示意图 1 3 中国i l 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻枰纵向振动及升底钻乐波动特性研究 表3 2 测苗仪器览表 名称用途型号毛耍技术参数备注 将位移量程：0 1 2 哪 涡流位移传 信号转线性电压输出：北京测振仪 感器( 含电 s ，r l 变成电 o s v器厂 压放大器) 压信号灵敏度：0 8 v r 嘶 量程：o 1 0 0 n 压电式测力北京测振仪 将钻头y d 2 5 一a灵敏度：4 0 0 p c n 传感器器厂( 新购) 侧向力频率：l 1 0 0 0 0 h z 转变成 电压信北京测振仪 电荷放大器 器厂( 新购) 应变式拉将钻r j ! 爱狸：o 5 k g 压传感器i 主号镘航天部7 0 1 所 b k 一3灵敏度：l 2 m v y ( 含电压放变为电( 新购) 非线性：0 i f s 大器)压信号 同时进通道数：1 6 个 多通道瞬念行多路最高采样率： t o p 2 0 0 1 2成都t o p 公司 数字分析仪信号采 2 0 0 k i q z 集信噪比： 6 6 d b 中国i l 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章钻枉纵向振动及弗底钻乐波动特性研究 酎3 - 2 多通馗瞬态数： ：分析仪 3 2 钻柱纵向振动特性及井底钻压波动特性研究 模拟实验对应的原型为井眼直径3 】1 1 哪，钻铤外径2 2 8 6 哪。本次，j 析 的实验数据取自以下两种钻具组合： ( 1 ) 钟摆b h a 的原型：3 1 h m 钻头十2 2 8 咖钻铤2 根+ 3 1 0 m m 稳定 器+ 2 2 8 6 m m 钻铤x 4 根+ 2 0 3 2 t a n 钻铤x 6 根+ 1 2 7 n t n 钻杆。 ( 2 ) 柔性钟摆b h a 的原型：3 1 l f t i n 钻头+ 2 2 8 6 m m 钻铤2 根+ 3 1 0 m m s s t + 1 7 7 8