钻柱动力学与钻头.ppt

基于深井钻柱动力学的高速牙轮钻头与振动筛研制及应用 汇 报 提 纲 一、立项背景及总体思路 1. 立项背景 3、项目来源及支撑条件 国家自然科学基金 3 项 高校博士点专项科研基金 1 项 中国石油天然气集团公司重大科技攻关项目 4 项 “九五”国家重点科技攻关计划等 1 项 二、创新点及相关技术内容 创新点之1：创建了深井钻柱-钻头-岩石系统动力学模型，完善了钻柱系统动力学研究理论 基于以上理论模型，在国内外率先开发了深井钻柱动力学仿真分析软件。 创新点之3：首次将浮动套轴承应用到牙轮钻头结构中，通过研发牙齿新材料和牙齿新结构，提高了钻头的使用寿命和破岩效率。 齿形、轴承 布齿研究 创立了高速牙轮钻头轴承润滑分析模型，并开发了仿真软件。 创新点之4：首次创立了双（多）轴惯性振动筛力心理论、非等质径积追随自同步和同步状态稳定性理论，通过实验论证了力心唯一性与确定性。 创新点之5：利用现代设计方法完成了牙轮钻头，振动筛的设计、制造、台架试验、现场试验和产业化生产。 项目鉴定意见 专家评价意见 研究成果先后得到了国内相关专业领域的院士：沈忠厚、苏义脑、罗平亚、李鹤林和长江学者特聘教授杨春和等专家的高度评价。 现场应用情况 现场应用情况 产品用户评价意见 得到用户“产品性能好、寿命长、钻速快、可靠性高”等好评。 经济及社会效益 研制的系列产品为制造企业创造经济效益18.6亿元，创外汇6500万美元，为国内外油田和企业节约成本25.1亿元，创外汇200万美元。 图43 经济效益证明 六、推动行业经济和提高行业竞争力 进一步完善了我国深井钻井的理论基础，提高了我国深井钻井装备的技术水平和国际竞争力。 对我国采矿业、煤层气及天然气水合物的开发具有指导作用。 将进一步推动我国深部油气资源开发进程，为国家经济建设提供能源保障。 * * 汇报人: 刘清友 （第一完成人） 二零零九年五月 四川石油管理局装备制造公司(原总机厂) 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 中国石油集团长城钻探工程有限公司 中国石化集团中原石油勘探局 中国石油集团西部钻探工程有限公司 西南石油大学 完成单位 一、立项背景及总体思路 二、创新点及相关研究内容 三、主要技术经济指标及先进性 四、取得的知识产权及他人评价 五、应用推广及经济社会效益 六、推动行业进步及提高竞争力 七、候选人及对项目的贡献 钻深井：速度慢(1/3 2/3)、成本高(3~5倍)。 提速是国内外深井钻井的技术瓶颈。 钻柱、岩石、钻头、泥浆。 经济建设对油气需求增加，浅层资源逐渐减少。 开发深部油气资源势在必行。 钻头 快速破碎井底岩石工具 影响提速因素 振动筛 高效分离泥浆中岩屑装备 深井提速的两项关键技术。 2. 总体思路 图2 高速牙轮钻头 图1 研究总体思路 图3 新型振动筛 目标：深井提速 深井钻柱动力学 深部地层岩石力学性能 实现深井提速 降低成本 与企业产学研结合 自制实验台架 形成自主知识产权石油产品研发技术体系 高性能振动筛 高速牙轮钻头 国家、教育部、中石油、中石化等重点实验室 成都总机厂、川庆、中原、西部、长城等紧密合作。 项目来源 支撑条件 历经10多年产学研持续攻关取得的成果！ 深井钻柱纵、横、扭振动严重影响钻头寿命和破岩效率。 创建深井钻柱力学模型，找到引起振动的原因，并由此提出预防和减小振动的措施。 图5 钻柱横向振动 图4 钻柱纵向振动 图6 钻柱扭转振动 。 创造性的将钻柱离散，利用有限元和能量法，建立钻柱单元应变能： 图7 深井钻柱离散示意图 通过对钻柱积分可得到钻柱系统动力学矩阵方程： 建立了钻头与井底岩石互作用模型。 利用元胞自动机现代数学方法解决了钻柱动力学模型的快速求解难题。 图9 元胞自动机求解模型 图8 钻头与岩石互作用模型 图10 钻柱动力学仿真软件部分界面 仿真软件 振动的原因 钻压变化规律 为钻头设计提供理论依据。 创新点之2：首次创建了牙轮钻头九自由度动力学模型和深井岩石破碎模型。 图11 钻头九自由度示意图 国内外一直没有找到分析牙轮钻头动力学的有效方法。 在创新点1模型的基础上，创建了九自由度钻头动力学模型。 钻头动力学行为研究成为可能。 图14 牙轮钻头齿圈复合破岩实验及试件 完成了我国三个典型深井岩石力学性能模拟实验和钻头复合破岩实验研究。 图12 三轴试验机 图13 川渝、新疆等区块深井岩样 找到了深部地层岩石性质和布齿方法对深井钻速的影响规律。 图15 钻井示意图 深井转速高 轴承和牙齿磨损快 钻头寿命低 制约深井