大斜度井眼中钻柱运动特性模拟试验

基于相似原理建造钻柱动力学室内模拟试验装置,根据试验数据还原钻柱的实际运动轨迹,并从横向振动、加速度和偏移量等方面对钻柱的运动状态进行定量评价。结果表明:转速是影响钻柱运动特性的决定性因素,低转速时钻柱横向振动频率等于钻柱自转频率,钻柱平均加速度线性增加;高转速时横向振动频率增加为自转频率的两倍,平均加速度发生跃升;钻压对钻柱运动特性影响并不显著;井斜角对钻柱的横向振动幅度和频率均无明显影响,但钻柱的横向偏移量随着井斜角的增大而增加;为了避免钻柱的剧烈振动,实际钻进过程中转速应小于69.4 r/min。     

推靠式旋转导向系统底部钻具组合动态安全评价方法

推靠式旋转导向钻进时巴掌对井壁的间歇性推靠致使钻柱处于非线性阻尼激励的复杂工作状态,剧烈的振动易引发钻柱的疲劳失效。建立考虑巴掌与井壁的接触碰撞及动态激励的底部钻具组合动应力计算模型,分析钻柱转速对钻柱动应力和钻头侧向力的影响。结果表明:钻井过程中底部钻具组合动应力和钻头侧向力处于剧烈波动状态,尤其在临界转速下运动的钻柱将产生剧烈的振动及较高水平的动应力,导致钻柱出现疲劳破坏;通过调节钻柱转速至两阶相邻转速中间值,可显著降低钻柱的振动加速度。现场试验验证了通过调节钻柱转速提高底部钻具组合动态安全的可行性,为推靠式旋转导向及同类工具安全钻进参数的优化设计提供了依据。     

水平旋转钻柱横向振动特性试验

利用水平井钻柱动力学特性模拟装置,对不同钻压和转速条件下水平旋转钻柱横向振动特性进行试验研究。结果表明:钻压和转速是影响水平井旋转钻柱横向振动特性的重要因素;随着转速增加,两横向振动的频率逐渐变大而相位差变小,两横向振动频率与钻柱自转频率呈线性关系;钻压增大对两横向振动频率的影响不大,但两横向振动的相位差会随着钻压的增大而逐渐变小;实际钻进中,钻柱一直处于井筒的右下部,转速选取时应尽量避开52.1 r/min。     

定向井轴向振动有限元分析

在定向井钻井施工中钻柱受力是很复杂的.仅钻柱振动就存在轴向振动、横向振动和扭转振动,其中钻柱轴向振动是导致钻柱失效的主要因素之一,因此需要进一步对定向井轴向振动进行研究.利用有限元方法分析了钻柱轴向振动规律.首先根据定向井特点建立全井钻柱模型,然后以钻柱单元为研究对象,建立了全井钻柱轴向振动的力学模型,采用线性代数方法,通过计算机分析获得了钻柱轴向振动的共振频率分布规律.钻柱轴向共振,其共振频率取决于钻柱的材料性能及形态特性,与钻柱的长度关系不大.在达到轴向共振状态时,钻柱与井壁激烈地碰撞,使钻柱短时间内产生严重破坏,同时还会造成井塌事件,给钻井施工带来经济损失.该问题的研究对指导钻井施工,减少跳钻、避免钻柱失效等情况有很大意义.     

钻柱动态数学模型的建立及求解

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，采用能量法求出单元的动能和势能，利用拉格朗日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研究钻柱系统动力学模型及求解方法，。对新形钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。     

钻柱与井壁振动碰撞特性的有限元分析

在考虑钻柱外钻井液的影响下，建立了钻柱与井壁碰撞的横向振动方程，并提出了分析振动碰撞特性的有限元计算模型，对碰撞力采用非线性弹簧和非线性阻尼器来描述．计算结果表明：钻柱与井壁之间的间隙，对钻柱的频响特性和碰撞力的大小有影响．本文的研究结果为实钻时避免钻柱的偏磨和钻柱寿命的预测提供了依据．     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

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柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于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初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。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学性能,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。     

水平井钻柱横向振动有限元分析

钻柱横向振动是引发钻井事故的主要原因之一,水平井由于井眼弯曲严重,钻柱偏心,容易发生钻柱横向振动。以水平井钻柱单元为研究对象,应用有限元法建立了考虑钻井液影响的钻柱横向振动方程,得出了钻柱横向振动频率数学模型,分析了钻井液和钻井液密度对钻柱横向振动频率的影响规律。编制频率计算程序,结果比较符合现场实际,为计算钻柱共振转速提供依据,减少钻柱剧烈横向振动发生。     

钻柱纵向振动的有限元分析

根据动力学理论建立钻柱动力学振动方程.把钻柱看作一个弹性直杆,建立几何模型;通过ANSYS软件分析,得出钻柱纵向振动的特性以及减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响.结果表明,减振器安装适当的位置,可以减少钻柱的纵向振动,从而减少和防止钻柱发生断、刺事故.     

考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确的描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,本文以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液粘性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效粘性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过Burnett等人发表的轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明：在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的作用提供理论指导。     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

钻井流体粘度对钻柱纵向振动的影响

针对气体钻井技术在低压油气田开发中出现气体钻井的钻柱振动和钻具破坏的问题,概述了气体钻井面临的钻柱振动问题、钻具破坏问题和解决问题的途径。介绍了位移激励法的钻柱纵向振动分析的数学模型和力学分析软件。对钻井流体粘度对钻柱纵向振动的影响规律进行了研究。数据表明,钻井流体的粘度对钻柱的纵向振动影响较大。在一般情况下, 钻井流体的粘度越小, 钻柱的振动幅度越大。钻井流体的粘度对钻柱振动的共振频率影响不大。气体钻井虽然提高了钻进速度,但同时也对钻具防破坏技术提出了更高的要求。     

钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响

为了研究钻柱系统的振动模态以及动力学特性,利用动力学理论研究了钻柱内、外钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响。引入附加质量系数,通过线性化假设,并进行Laplace变换,导出了钻井液排量、井眼直径与钻柱外径的比值与附加质量系数的关系。研究结果表明,钻井液的存在导致钻柱的固有频率与不考虑钻井液相比有较大的下降;钻柱内、外钻井液对钻柱横向振动固有频率的作用机理不同,其中环空内钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响要远远大于人们的估计。     

利用钻柱振动频谱判别钻柱复杂情况的方法

为实现钻井过程中井下钻柱运动状态以及井下复杂情况的实时监测,依据振动测试原理,结合实际钻井工况中钻柱振动特征,研制钻柱振动信号测量及处理系统。现场试验结果表明:钻柱出现黏卡、跳钻等现象后,利用快速傅里叶变换和小波变换处理方法可有效提取和识别钻柱在井下的振动特征;研制的钻柱振动采集系统可以应用于现场钻柱振动信号的采集、处理,其结果可以判断钻柱的井下工作状态。     

钻柱振动条件下的钻井液冲蚀引起的钻柱失效*

钻柱失效问题已经成为高压喷射钻井技术发展和推广的瓶颈。建立了一种钻柱失效的新理论模型,利用振动的知识研究钻柱的失效情况,分析钻柱在振动条件下的位移和速度,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究,分析得出钻井液对钻柱的冲蚀磨损量和最大冲蚀角。根据算例计算与分析,对应算例参数进行室内实验和井场实验设计,完成实验的验证与结果分析。结果表明:在考虑钻柱振动条件下,钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑钻柱振动条件下钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;同时得知最大冲蚀角与冲蚀理论中的规定是完全吻合的以及钻井液对钻柱冲蚀所发生的最大角度在钻柱有无振动的条件下是相同的。研究结论对于在石油钻井中如何减少钻柱的失效及如何提高钻柱的使用寿命具有一定的理论参考意义。     

钻柱振动与冲击抑制技术研究现状

对钻柱振动和冲击的控制是井眼轨道优化设计、钻井参数优选、提高钻速及实现智能钻井的重要基础。在深 水、超深水,深井、超深井,页岩气硬脆性地层及气体钻井作业中,要用到丛式井、定向井等特殊钻井工艺,这些复杂井 建井过程中由钻柱振动和冲击造成的损失日益增加。系统阐述和对比了钻柱振动和冲击的表现形式及评价方法。将 钻柱振动和冲击分为被动控制、主动控制和半主动控制3 方面,归纳和分类探讨了近年来核心控制方法及关键控制设 备的结构、原理,给出代表性的成果,对比分析了相应方法特点、设备及适应范围,设计了钻柱振动和冲击控制程序, 探讨了未来重点研究的方向。     

基于应力分析的钻具设计方法优化

钻具钻进过程中不断振动,其产生的交变应力促使钻具发生疲劳失效。钻具组合设计时多是考虑轴向应力对钻具的影响,很少考虑到振动的影响,考虑因素单一。为提高钻具钻进过程的安全性,基于钻柱所受轴向应力,考虑钻柱振动时所受动态应力,结合疲劳失效原理,建立了一种应力安全分析模型,并通过室内试验验证模型的合理性,进而分析钻柱整体在不同钻进条件下的安全系数和存在的危险位置,总结提出钻具组合优化方法。结果表明：转速对钻具的安全系数影响较大,钻压的影响程度较小;除了钻具井口位置,加重钻杆底部、钻铤底部均存在疲劳失效的可能;钻具优化方法可以提高钻具整体安全性。本文从应力方向角度分析了钻具的安全情况,提出了优化方法,为以后的钻具设计提供了参考。