“璇玑”导向工具与底部钻具组合动力学响应及安全分析

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作者 何俊杰 毛良杰 +3 位作者 刘晓斌 陈涛 于磊 袁媛 《石油机械》 北大核心 2025年第5期39-47,共9页

“璇玑”导向工具通过3个独立翼肋推靠井壁产生的偏置力,实现在钻井过程中对轨迹的有效控制以及提高钻井效率。然而,该设计也使得底部钻具的动力学特性变得更加复杂。为此,根据“璇玑”导向工具特殊结构和材料属性,综合考虑井眼轨迹、... “璇玑”导向工具通过3个独立翼肋推靠井壁产生的偏置力,实现在钻井过程中对轨迹的有效控制以及提高钻井效率。然而,该设计也使得底部钻具的动力学特性变得更加复杂。为此,根据“璇玑”导向工具特殊结构和材料属性,综合考虑井眼轨迹、钻具结构、钻柱与井筒接触碰撞及钻头与岩石相互作用等因素,并基于拉格朗日方程,建立了带“璇玑”导向工具的全井钻柱动力学模型和“璇玑”工具及底部钻具的安全分析模型;在试验验证的基础上,以现场实际井为例,分析了不同钻井参数和扶正器安装位置对底部钻具组合动力学的影响。研究结果表明:增加钻压会显著增大底部钻具组合的弯曲变形和振动强度,且“璇玑”导向工具(驱动轴处)等效应力会显著增大;增大转速不一定会加剧底部钻具组合的弯曲变形,其对等效应力和疲劳寿命影响不大;安装扶正器不一定会改善底部钻具组合的弯曲变形,但对振动有一定的抑制作用。所得结论可为“璇玑”导向工具的使用提供一定的指导。 展开更多

关键词 旋转导向工具 钻井参数 钻具组合 动力学特性

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推靠式旋转导向系统钻具组合力学性能分析 被引量：4

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作者 何俊杰 毛良杰 +3 位作者 杨森 秦才会 赵清阳 魏祥高 《石油机械》 北大核心 2024年第4期41-48,共8页

针对基于动力学特性的旋转导向钻具安全性能研究较少。为此,综合考虑钻具结构、钻井参数、钻柱与井壁接触等参数,基于Lagrange方程建立了全井钻柱系统动力学模型,采用有限单元法对模型离散,并采用Newmark-β求解,根据旋转导向钻具结构... 针对基于动力学特性的旋转导向钻具安全性能研究较少。为此,综合考虑钻具结构、钻井参数、钻柱与井壁接触等参数,基于Lagrange方程建立了全井钻柱系统动力学模型,采用有限单元法对模型离散,并采用Newmark-β求解,根据旋转导向钻具结构和钻具属性,研究了扶正器安装位置、柔性节尺寸、钻压影响因素下的旋转导向钻具组合动力学特性和安全性能。研究结果显示:安装扶正器能显著降低旋转导向钻具组合的横向振动;柔性节的长度对旋转导向钻具组合的安全性能影响很大,合理的长度能显著降低横向振动,反之则会起到相反的效果;增加钻压会增加底部钻具组合的横向位移,工程上不建议在使用旋转导向工具时采用高钻压提高钻井速度。研究结论可为旋转导向工具研究和应用提供理论支撑。 展开更多

关键词 钻具 旋转导向 动力学特性 柔性节 扶正器 钻井参数

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导向钻具动态测量的三稳随机共振频率提取

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作者 杨一 周可馨 +1 位作者 张楠 郭安 《仪器仪表学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期295-306,共12页

在随钻测量过程中,由于钻头切削岩层、钻柱与井壁的碰撞等导致底部钻具产生强烈振动,使钻具动态测量信号淹没在复杂的噪声环境中,对钻具姿态测量产生严重干扰,造成钻具导向控制无效。针对这一问题,利用三稳非线性系统所产生的动力学特性... 在随钻测量过程中,由于钻头切削岩层、钻柱与井壁的碰撞等导致底部钻具产生强烈振动,使钻具动态测量信号淹没在复杂的噪声环境中,对钻具姿态测量产生严重干扰,造成钻具导向控制无效。针对这一问题,利用三稳非线性系统所产生的动力学特性,即随机共振效应对导向钻具动态测量信号的频率进行提取。首先,提出基于尺度变换三稳系统的随机共振频率识别方法,解决钻具动态测量信号的应用限制;然后,研究势函数特征参数对系统共振输出作用的影响规律,并设计相应的势函数特征参数调整方案,实现任意噪声强度下钻具动态测量信号的频率提取。仿真和实钻数据实验结果表明,所提方法可提取信号的信噪比(SNR)阈值低至-19.5 dB,并且可靠性优于双稳态系统,证明了方法的有效性和稳定性。 展开更多

关键词 导向钻具动态测量 随机共振 三稳非线性系统 频率提取

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抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法 被引量：9

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作者 高怡 汪跃龙 程为彬 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第4期437-442,共6页

针对钻井工程中,导向钻井工具在近钻头振动条件下,由于底部钻具振动对导向工具姿态测量造成严重干扰,使得姿态参数失真,导致姿态测量不准确的问题。为了消除或削弱振动对空间姿态测量的不利影响,快速解算出准确的钻具姿态参数,提出一种... 针对钻井工程中,导向钻井工具在近钻头振动条件下,由于底部钻具振动对导向工具姿态测量造成严重干扰,使得姿态参数失真,导致姿态测量不准确的问题。为了消除或削弱振动对空间姿态测量的不利影响,快速解算出准确的钻具姿态参数,提出一种抗差自适应滤波的动态姿态测量方法,利用等价权函数和自适应因子合理的分配信息,有效地滤除钻具振动对动态姿态测量的影响。仿真实验和实钻井数据试验证明,采用该算法能滤除近钻头振动干扰信号,井斜角控制在5.5°左右,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了导向钻井工具姿态参数的动态测量精度,解决动态测量时姿态参数测不准的问题。 展开更多

关键词 导向钻井 动态测量 钻具振动 抗差估计 自适应滤波

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近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法 被引量：12

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作者 高怡 程为彬 汪跃龙 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第2期146-150,共5页

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴... 在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。 展开更多

关键词 导向钻井 近钻头振动 多传感器融合 动态测量 无迹卡尔曼滤波

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深井液控导向纠斜机构的动态仿真及实验研究 被引量：1

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作者 李明 刘白雁 陈新元 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第8期2417-2419,2423,共4页

深井自动垂直钻井工具工作于数千米深的井下,对其上的液压导向机构的性能有较高的要求。利用仿真软件包AMEsim对该液压导向机构进行接近于实际工况的仿真,揭示了这种液压系统的特有的性能。特别是超常环境压力下系统仿真结果表明,由于... 深井自动垂直钻井工具工作于数千米深的井下,对其上的液压导向机构的性能有较高的要求。利用仿真软件包AMEsim对该液压导向机构进行接近于实际工况的仿真,揭示了这种液压系统的特有的性能。特别是超常环境压力下系统仿真结果表明,由于超常环境压力可改善系统的吸油性能,因而使得该系统具有适应超常环境压力的特性。对液压导向机构的理论和实验分析证明了系统仿真的有效性。 展开更多

关键词 自动垂直钻井工具 液压导向机构 动态仿真 超常环境压力

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全旋转内置式导向钻井工具动力学分析及仿真 被引量：6

7

作者 张光伟 乔阳 +2 位作者 田帆 高嗣土 尹福来 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2020年第6期1417-1423,共7页

全旋转内置式导向钻井工具是旋转导向钻井系统的重要部件之一,是一种全新结构形式的动态指向式井下闭环旋转导向钻井工具。为了研究全旋转内置式旋转导向钻井工具的运动状况,依据空间机构原理,建立了全旋转内置式导向钻井工具的动力学... 全旋转内置式导向钻井工具是旋转导向钻井系统的重要部件之一,是一种全新结构形式的动态指向式井下闭环旋转导向钻井工具。为了研究全旋转内置式旋转导向钻井工具的运动状况,依据空间机构原理,建立了全旋转内置式导向钻井工具的动力学集中参数模型,进行了系统动力学分析,并通过Adams仿真验证了模型的正确性。结果表明:从理论上得出了关键部件偏心环和导向轴的速度、姿态等运动学基本参数,能够揭示姿态机构的运动特征,阐明偏心环和导向轴的转速、偏心距与钻头运动的关系,求得了导向系统中各参数随时间的变化规律,为全旋转内置式导向钻井工具的研究以及实现对钻井系统的最优设计打下理论基础。 展开更多

关键词 全旋转内置式 导向钻井工具 动力学 集中参数 ADAMS仿真

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新型指向式旋转导向钻井工具关节轴承动力学特性研究 被引量：6

8

作者 张光伟 侯朋朋 +1 位作者 程礼林 向琳 《现代制造工程》 CSCD 北大核心 2020年第11期13-20,共8页

新型指向式旋转导向钻井工具中,连接偏心环组和导向轴的关节轴承的动力学特性是影响旋转导向钻井工具的导向稳定性和控制精度的主要原因之一。为获得关节轴承的动力学特性,分析导向角和井下温度对其动力学特性的影响,对关节轴承所受载... 新型指向式旋转导向钻井工具中,连接偏心环组和导向轴的关节轴承的动力学特性是影响旋转导向钻井工具的导向稳定性和控制精度的主要原因之一。为获得关节轴承的动力学特性,分析导向角和井下温度对其动力学特性的影响,对关节轴承所受载荷进行了分析和简化,建立了关节轴承的有限元模型。在转速、径向载荷和井下温度共同作用下,基于动力学理论和有限元方法,通过数值模拟手段对关节轴承进行了瞬态动力学分析,获得了关节轴承应力、径向位移、径向速度和径向加速度的时间历程曲线以及动态特性。结果表明:随着导向钻井工具导向角的增大,关节轴承前4阶固有频率明显增大,第5阶、第6阶固有频率有微小增大,主振型为第3阶、第4阶对应的径向弯曲;关节轴承最大应力出现在外圈内表面,井深每增加1 km,最大应力增加约86 MPa。关节轴承径向位移波动峰值约为0.228 mm,0~0.25 s内,径向速度和径向加速度有较大波动,表明存在微小振动。研究结果对提高旋转导向钻井工具的控制精度和导向稳定性以及关节轴承的合理使用提供理论参考。 展开更多

关键词 指向式旋转导向钻井工具 关节轴承 导向角 模态分析 瞬态动力学分析

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井下闭环导向钻井工具双环积分滑模控制研究 被引量：5

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作者 张光伟 高雪 甘东融 《西安石油大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2019年第3期69-73,80,共6页

带有双偏心环偏置机构的旋转导向钻井工具在导向钻进时,由于旋转外套传递的钻压以及复杂的井下工况等不确定性及非线性因素,造成钻井工具的轨迹精确度难以控制,为此,提出了一种轨迹跟踪控制理论--双环积分滑模控制。首先,对一种旋转导... 带有双偏心环偏置机构的旋转导向钻井工具在导向钻进时,由于旋转外套传递的钻压以及复杂的井下工况等不确定性及非线性因素,造成钻井工具的轨迹精确度难以控制,为此,提出了一种轨迹跟踪控制理论--双环积分滑模控制。首先,对一种旋转导向钻井工具中的双偏心环偏置机构进行模型简化,将其简化为二自由度的连杆机构;其次,对机构模型进行分析,构建其运动学方程和动力学模型;然后,设计了双环积分滑模控制器,并用Lyapunov函数证明了所设计的控制系统的稳定性;最后,利用MATLAB软件进行仿真分析,证实了该控制方法有较好的抗干扰能力和控制精度。 展开更多

关键词 旋转导向钻井工具 动力学模型 轨迹跟踪 双偏心环 双环积分滑模控制

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导向钻具振动特性分析 被引量：4

10

作者 高怡 毛艳慧 +1 位作者 杨一 陈佳 《现代电子技术》 2021年第9期157-161,共5页

在钻进过程中,钻具振动是一个无法避免且信号复杂的现象,并伴有横向、纵向和扭转等多种振动形式。剧烈的纵向偏转振动、大幅度的粘滑扭转振动以及剧烈的横向振动等现象不仅会影响钻井速度,还容易使钻柱疲劳破坏,诱发钻井事故,大大增加... 在钻进过程中,钻具振动是一个无法避免且信号复杂的现象,并伴有横向、纵向和扭转等多种振动形式。剧烈的纵向偏转振动、大幅度的粘滑扭转振动以及剧烈的横向振动等现象不仅会影响钻井速度,还容易使钻柱疲劳破坏,诱发钻井事故,大大增加了钻井成本和风险。通过分析钻具振动产生机理以及产生振动的原因,对钻柱振动信号进行实时监测和分析,利用钻具产生的振动可以传输井下钻具情况和岩层信息这一特点,有效控制钻柱振动,判断井下工况,预防钻井事故,优化钻井以及识别地层岩性。通过实钻井实验验证了对于垂直钻进过程中,由于钻柱在井下复杂情况下的振动信号的影响,使得导向钻具系统的姿态参数测量误差较大,特别是井斜角和方位角。钻进中根据实际井斜情况,可以按照理论设计及时调整姿态参数,对系统进行防斜纠错。因此,对钻具振动信号特性进行分析,有利于识别钻具损坏、降低钻进成本。 展开更多

关键词 导向钻井 动态测量 钻具动力学 动力学模型 钻具振动 横向振动 纵向振动 扭转振动

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导向钻井工具姿态动态测量的自适应滤波方法 被引量：4

11

作者 贺艳 汪跃龙 +2 位作者 高怡 王彤 李雨丹 《西安石油大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2016年第6期108-113,共6页

垂直导向钻井工具在近钻头振动和工具旋转的钻井工作状态下,工具姿态参数的动态测量精度不高。为此,通过理论分析和数值仿真,提出了转速补偿的算法以消除工具旋转对测量的影响;采用最小均方算法(Least Mean Square—LMS)自适应滤波算法... 垂直导向钻井工具在近钻头振动和工具旋转的钻井工作状态下,工具姿态参数的动态测量精度不高。为此,通过理论分析和数值仿真,提出了转速补偿的算法以消除工具旋转对测量的影响;采用最小均方算法(Least Mean Square—LMS)自适应滤波算法,可以有效滤除近钻头振动对测量的影响。数值仿真表明,经过转速补偿和LMS自适应滤波后的井斜角测量误差可小于0.1°,工具面角测量误差小于6°,有效地提高了垂直导向钻井工具的动态测量精度。 展开更多

关键词 导向钻井工具 动态姿态测量 LMS算法 自适应滤波器

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旋转导向钻井工具姿态参数的模拟解算 被引量：1

12

作者 张明菊 王鹏 +3 位作者 程为彬 郭颖娜 牛步能 鲁宁 《西安石油大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2009年第4期54-57,共4页

根据旋转导向钻井工具姿态参数的求解需要,结合Taylor中值定理,提出一种模拟解算方法,分析了三角函数的展开式及其逼近表达式,并应用模拟乘法/除法器和负反馈电路设计了正弦函数拟合求解和姿态参数角直接解算电路.通过数值仿真和试验结... 根据旋转导向钻井工具姿态参数的求解需要,结合Taylor中值定理,提出一种模拟解算方法,分析了三角函数的展开式及其逼近表达式,并应用模拟乘法/除法器和负反馈电路设计了正弦函数拟合求解和姿态参数角直接解算电路.通过数值仿真和试验结果的对比分析,验证了解算电路的可行性,可以降低实时参数解算对计算机采集速度的要求,提高系统的动态控制性能. 展开更多

关键词 旋转导向钻井工具 姿态测量 模拟解算 正弦函数 乘法/除法器

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小井斜重力工具面动态测量方法研究 被引量：5

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作者 张洪涛 盛利民 邓乐 《石油机械》 2015年第9期14-18,共5页

介绍了用重力加速度传感器测量重力工具面的原理,提出了一种提高精度和稳定性的小井斜重力工具面动态测量方法,搭建了基于石英加速度计的重力工具面动态测量系统,并针对现有自动垂直钻井系统在随钻状态下受到振动和冲击信号干扰测量精... 介绍了用重力加速度传感器测量重力工具面的原理,提出了一种提高精度和稳定性的小井斜重力工具面动态测量方法,搭建了基于石英加速度计的重力工具面动态测量系统,并针对现有自动垂直钻井系统在随钻状态下受到振动和冲击信号干扰测量精度下降和测量结果不稳定的问题,提出在常规硬件滤波的基础上,提高采样频率来反映信号原貌,加以多种数字信号处理方式以提高重力工具面动态测量精度。通过振动台的随机振动试验和井下实钻数据振动试验结果显示,测量精度和实时性均有提高。通过试验验证了该重力工具面测量方法和信号处理方式行之有效,可以为井下控制提供准确真实的实时执行导向依据。 展开更多

关键词 自动垂直钻井 井斜 重力工具面 动态测量 振动 冲击

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