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气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究

李皋 黎洪志 简旭 王军 王松涛

李皋,黎洪志,简旭,等. 气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究[J]. 石油钻探技术,2022, 50(6):14-20 doi: 10.11911/syztjs.2022112
引用本文: 李皋,黎洪志,简旭,等. 气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究[J]. 石油钻探技术,2022, 50(6):14-20 doi: 10.11911/syztjs.2022112
LI Gao, LI Hongzhi, JIAN Xu, et al. Design and mechanical property simulation of a impact source tool for the advanced detection of gas drilling [J]. Petroleum Drilling Techniques,2022, 50(6):14-20 doi: 10.11911/syztjs.2022112
Citation: LI Gao, LI Hongzhi, JIAN Xu, et al. Design and mechanical property simulation of a impact source tool for the advanced detection of gas drilling [J]. Petroleum Drilling Techniques,2022, 50(6):14-20 doi: 10.11911/syztjs.2022112

气体钻井超前探测震源工具设计及力学性能模拟研究

doi: 10.11911/syztjs.2022112
基金项目: 国家自然科学基金重点项目“气体钻井安全监测的前兆预警关键传感器研究”(编号:61731016)部分研究内容
详细信息
    作者简介:

    李皋(1976—),男,四川武胜人,1999年毕业于西南石油学院地质专业,2005年获西南石油大学油气井工程专业博士学位,研究员,博士生导师,主要从事欠平衡钻井、控压钻井、气体钻井和储层保护等方面的研究。E-mail:swpuligao@qq.com

  • 中图分类号: TE927

Design and Mechanical Property Simulation of a Impact Source Tool for the Advanced Detection of Gas Drilling

  • 摘要:

    为了实现气体钻井钻头前方风险地层的超前探测,设计了适用于气体钻井环境的井下冲击震源工具,并对其力学性能进行了研究。基于气体钻井的环境,设计了冲击震源工具的关键结构;根据室内冲击试验,优化了震源工具的吸振结构和冲击能量;使用RecurDyn软件,分析了冲击块的运动过程,优化了关键结构的参数;模拟研究了底部吸振圆盘的抗冲击能力和传动杆限位结构的抗拉强度,以及冲击震源工具的力学性能;给出了现场施工方案,分析了其主要优势。研究结果表明:聚四氟乙烯能显著衰减钻铤波及尾波,有利于识别时域内的地层弱反射波信号;冲击能量为50 J时,冲击振动波的传播距离为18.61 m,可满足气体钻井超前探测的目的;聚四氟乙烯受到的最大冲击力为1 796.88 N时,其相对变形不超过0.03%,且传动杆限位结构处承受下部钻具的重量不能超过1 150 kN。通过气体钻井随钻超前探测震源工具结构设计及力学性能模拟研究,为近钻头冲击震源工具的研制与应用提供了依据。

     

  • 图 1  冲击震源工具的结构

    1.上接头;2.内花键;3.连接体;4.锥形螺纹;5.弹簧;6.弹片连接件;7.弹片肩;8.冲击块;9.吸振圆筒;10.金属圆盘;11.减振材料;12.下筒体

    Figure 1.  Structure of impact source tool

    图 2  未使用聚四氟乙烯时的振动波形和频谱

    Figure 2.  Vibration waveform and frequency spectrum without PTFE

    图 3  使用聚四氟乙烯后钢球在不同冲击高度的振动波形和频谱

    Figure 3.  Vibration waveform and frequency spectrum with PTFE of steel ball at different impact heights

    图 4  冲击力与冲击能量的关系曲线

    Figure 4.  Relationship between impact force and impact energy

    图 5  改进后冲击块的运动速度与时间的关系

    Figure 5.  Relationship between movement speed and time of impact block after improvement

    图 6  改进后底部金属圆盘受到的冲击力与时间的关系

    Figure 6.  Relationship between impact force and time of bottom metal disc after improvement

    图 7  改进后聚四氟乙烯受到的冲击力与时间的关系

    Figure 7.  Relationship between impact force and time of PTFE after improvement

    图 8  不同拉力下螺纹连接面的应力分布云图

    Figure 8.  Stress distribution on threaded connection surface under different tensions

    表  1  不同压缩位移下聚四氟乙烯的模拟结果与试验结果

    Table  1.   Simulation results and test results of PTFE under different compression displacements

    聚四氟乙烯变形
    后的位移/mm
    模拟得到的
    应力/MPa
    单轴试验得到
    的应力/MPa
    相对
    误差,%
    0.502.883.11 −7.4
    0.754.455.08−12.4
    1.006.126.52 −6.1
    1.257.877.43 5.9
    1.509.728.42 15.4
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    表  2  聚四氟乙烯不同压缩位移下承受的冲击力

    Table  2.   Impact force on PTFE under different compression displacements

    聚四氟乙烯变形后
    的位移/mm
    聚四氟乙烯变形后
    的最大应力/MPa
    聚四氟乙烯承受
    的冲击力/kN
    0.10.139 2.004
    0.20.279 4.017
    0.30.420 6.038
    0.40.561 8.068
    0.50.702 10.105
    1.01.420 20.427
    2.02.900 41.725
    5.07.706110.884
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-22
  • 修回日期:  2022-10-19
  • 网络出版日期:  2022-11-08

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