井眼中钻柱稳定性分析的有限元法

通过引入单元荷载刚度矩阵,提出了一种用于分析钻柱结构稳定性问题的有限单元法。该方法可以用于分析变截面钻柱在变轴力和变横向力共同作用下的钻柱稳定性问题,也可用于分析弯曲井眼中钻柱的稳定性问题。在所建立的力学模型中,考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响。分析结果表明,在斜直井眼中,除了钻柱自身密度及截面面积外,影响钻柱荷载的因素还有井眼状况及钻柱两端部的约束条件,但当钻柱长度超过８０ｍ时可以不考虑端部约束的影响。对于弯曲井眼,钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸有关,还与井眼曲率有关,即随着曲率的增大而增大。     

斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的侧向屈曲临界荷载，在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式，对于给定截面尺寸的钻柱，临界荷载是钻柱长度的函数，且随井斜角的变化而变化。在确定实际钻柱的临界荷载时，要充分考虑井眼的具体情况。讨论了发生高阶屈曲的条件，所得结果可供工程计算参考。     

斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的侧向屈曲临界荷载．在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式．对于给定截面尺寸的钻柱，临界荷载是钻柱长度的函数，且随井斜角的变化而变化．在确定实际钻柱的临界荷载时，要充分考虑井眼的具体情况．讨论了发生高阶屈曲的条件，所得结果可供工程计算参考．     

弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题

利用能量法，研究了弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了弯曲井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式。钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大。当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。     

弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题

利用能量法，研究了弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了弯曲井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式。钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大。当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。     

塔河油田同心随钻扩眼钻柱动力学研究

老井侧钻是解决塔河油田含水率增加的主要技术,但井眼直径变小会对后续作业产生很大的影响,应用随钻扩眼技术可以解决此问题。但也存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。基于弹性力学理论及有限元分析方法,考虑弯曲井眼中钻柱受力、钻柱结构和领眼钻头与扩眼工具处钻压扭矩分配等因素的影响,由该区一口实例井扩眼参数建立了侧钻井同心随钻扩眼钻柱瞬态动力学模型。并研究BHA在小井眼中的运动状态,全钻柱关键位置动应力变化、井口轴向力、井口扭矩、钻柱轴向加速度和钻柱等效应力随加载时间的变化,模拟结果可为研究同心随钻扩眼钻柱的动力学性能和优化随钻扩眼施工参数提供了理论支持。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力。采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解。要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件。计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大。当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响。与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力.采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解.要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件.计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大.当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响.与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高.     

等曲率井眼中钻柱与井壁问接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式，采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力。采用牛顿一拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解。要保证理论分析的精度，同样需要考虑边界条件。计算结果表明，由于外力的作用，钻柱紧贴于井壁的一侧时，钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响，此时，井眼曲率越大，钻柱与井壁之间的接触力越大。当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时，钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响。与理论分析相比，非线性有限元方法应用范围更广，解的精度更高。     

水平井中钻柱受力的软绳模型

水平井跟直井相比具有更多的优越性。钻柱在水平井井眼中要受到轴向力、内外压力的作用。软绳模型对应于在单位长度内井斜角变化不大的某些定向井,钻柱上的弯矩与轴向力相比可以忽略不计,只考虑摩擦力,这个模型适于大部分井,同样也适合于水平井。     

基于Hillinger-Reissner变分的混合单元的开发与应用

基于Hellinger-Reissner变分建立了一种用于几何和材料非线性分析的混合单元,采用位移形函数和考虑二阶效应的内力形函数对截面位移和截面内力进行插值,建立混合控制微分方程;通过静力凝聚消除单元节点力未知量得到单元刚度矩阵和单元内力.单元状态确定过程中,截面层次的平衡方程和单元层次的协调方程均通过引入非线性迭代算法以消除残余误差,从而减少结构层次的迭代次数.混合单元结合纤维截面模型用于钢管混凝土(CFST)构件的数值分析,结果表明:相对于刚度法和柔度法单元,基于Hellinger-Reissner变分的混合单元可以更加准确地反映构件的几何和材料非线性,非线性迭代算法用于单元状态确定具有良好的计算效率和数值稳定性.在此基础上对影响CFST构件几何非线性的主要参数进行了分析.     

变截面框架结构分析

本文推导了变截面杆件的单元刚度及荷载作用下的固端力．用有限元法编制了电算程 序，可用于变截面框架结构计算．     

钻柱与井壁接触的动态仿真分析

针对钻柱沿井深和井眼圆周方向与井壁的随机接触碰撞问题,利用ADAMS和ANSYS软件对其进行动态仿真分析,模拟了钻柱在井眼中与井壁由不接触到接触及其接触位置变化的全过程,得到了接触区域的具体位置以及接触力的大小。为实钻时,防止钻柱磨损和对钻柱寿命的预测提供了依据,对钻柱的结构设计以及钻柱力学的研究具有一定指导意义,本方法适用性强也可应用于定向井、大位移井等同类问题的研究。     

侧钻分支井分叉段井壁稳定分析

老井侧钻可有效开发老井未受控面积内的储油和死角残油并有效提高产能。而分支井眼连接井段的稳定性是成功完井的关键。采用三维有限元方法对侧钻短半径水平井井壁稳定进行弹塑性分析。分析结果表明:侧钻井眼在与主井眼连接处存在应力集中,容易发生井壁失稳。随井间距的增加两井眼中间单元应力逐渐减小,两者互相影响减小。两井眼间距为主井眼尺寸的2倍时,两井眼之间的影响可以忽略。适当的增加造斜率,让侧钻井眼快速的脱离主井眼,可以降低连接段的长度,降低井壁失稳的风险。适当增加泥浆密度,可以降低连接井段井壁失稳的风险。     

弹性钻柱两个特殊点的意义及计算方法

通过分析钻柱的应力和应变状态,对钻柱的中性点和零轴向力点给出了新的定义和计算方法,并阐述了稳定力和屈曲力(通称为虚轴向力)的概念。导出了处在垂直井眼中的复合钻柱的有关计算公式。文中还与原有的研究结论进行了对比分析,并提出了不同意见。本文以钻柱为研究对象,所得的结果可以推广应用到套管柱及油管柱上。     

下部钻柱性能的计算机模拟

用计算机对带扶正器的下部钻柱进行数值模拟得到了理论上和实践上有意义的结论。模拟结果可用于指导直井钻进和定向钻井。附求A给出了有限元法用于下部钻柱分析的基本公式。模拟程序用FORTRAN语言写成。采用人机问答方式把数据输入计算机。用户可选择输出列表数据或用宽行打字机绘制下部钻柱变形图。 计算机模拟结果指出仅用钻头侧向力不能反映下部钻柱性能。应采用钻头侧向力和合力角两顶指标才能综合下部钻柱性能。以合力角为基础分析了三大类钻柱组合—稳斜,造斜和降斜。用现场数据与模拟结果作了对比。模拟结果加上地层因素的分析可以预测井眼路径和指导选择合适钻柱组合和钻压。     

井壁变形和摩擦阻力对底部钻具组合的影响

将井壁变形与摩阻因素引入力学模型,以滑动摩擦为主建立了摩擦模式,用文氏弹性地基模拟井壁变形(即弹性井壁),应用有限元理论,研究了井壁与钻柱的相互作用对钻头侧向力的影响。计算结果表明,对较软地层井壁变形的影响不可忽视,尤其对三维井眼或造斜钻具,井壁变形对钻头侧向力的影响很大;摩擦与井眼弯曲共同产生了方位侧向力,而摩擦对井斜侧向力影响很小;稳斜钻具的钻头侧向力受井眼弯曲、井眼蚀变因素的影响较为突出。     

斜直井眼中铅垂平面内钻柱屈曲荷载分析

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的屈曲临界载荷。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中临界载荷的一般公式，并讨论了两种形式的变化能增量计算方法的差别，所得结果可供工程计算使用。     

大位移井钻柱的动态分析

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理。根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型。采用有限元理论 ,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合 ,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题。计算及分析结果表明 ,所建理论模型是合理的和简便的。在钻柱旋转过程中 ,碰撞或连续接触可能交替存在或并存 ,这与井眼条件和转速有关 ,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源。动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明 ,一般井眼曲率大于 5°/( 30m)时 ,线性动态分析的误差不容忽视 ,转速较高 (大于 70r/min)时 ,须考虑动态因素的影响 ,在一般工况条件下影响不大     

大位移井钻柱的动态分析

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理.根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型.采用有限元理论,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题.计算及分析结果表明,所建理论模型是合理的和简便的.在钻柱旋转过程中,碰撞或连续接触可能交替存在或并存,这与井眼条件和转速有关,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源.动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明,一般井眼曲率大于5°/(30 m)时,线性动态分析的误差不容忽视,转速较高(大于70 r/min)时,须考虑动态因素的影响,在一般工况条件下影响不大.