下部钻具组合的几何非线性动态特性分析

对下部钻具组合进行了几何非线性动态特性分析。所建立的动力分析模型。充分考虑了钻柱与井壁的碰击、间断或连续的滚动和滑动。把Ｎｅｗｍａｒｋ法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法有机地结合起来，用来求解钻几何非线性动态特性，在算法是一种尝试。     

下部钻具组合分析的有限差分方法

讨论了下部钻具组合分析的基本假设、基本方程和相应的边界条件.建立了求解下部钻具组合控制方程的有限差分方程,编制了相应的计算机程序.给出了钻柱和井壁的接触问题、稳定器问题和上切点问题的处理方法.通过计算结果,分析了降斜、增斜和稳斜三种典型钻具组合的钻头侧向力与钻压、井斜角、井斜曲率和方位曲率的关系,以及典型的钻柱弹性线示例.     

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。     

整体钻柱的受力与变形分析

利用有限单元法，建立了整体钻柱的受力与变形分析模式。用这一模式计算了一口水平井在其增斜段钻柱全长的受力与变形，对钻柱全长的受力与变形分析结果与仅取下部钻具组合时的分析结果进行了对比．算例表明，整体钻柱的受力分析结果是合理的。首次计算出实际井眼中钻柱整体的受力与变形状况，对于合理设计定向井或水平井的钻柱与下部钻具组合有一定的参考价值。该方法同样适用于对套管柱进行受力与变形分析。     

钻柱振动失效控制装置井下通过能力评价

钻柱振动失效控制装置通过曲率段时会发生较大的弯曲变形、承受较大的弯曲应力,本文建立了组合钻具受力变形分析的三维有限元模型,应用ANSYS软件的大变形、接触非线性理论,对不同曲率井段的钻具强度进行了评估,为井下钻具的通过能力评价提供了新的研究方法。     

钻柱抗弯强度分析

钻柱强度分析是钻具设计和选材的重要依据，对大中曲率水平并，抗弯强度是下部钻具强度分析中的首要问题．本文对弯曲并段内钻柱的抗弯强度进行了研究，给出了钻柱抗弯强度和极限转角的计算公式．提出了钻柱设计的极限转角准则：γｍａｘ＜β１／ｎｓ．文中计算了塞平－１井二开和三开段内所用钻铤的极限转角，并进行了抗弯强度校核，结果表明，所选钻柱满足强度要求．     

有限元法在钻柱力学中的应用

下部钻具组合的受力分析是水平井井眼轨迹控制技术的基础。有限元法是下部钻具组合受力分析高效的数值计算方法。本文全面系统地论述了有限元法在钻柱力学中的应用，建立了井下钻柱的有限元基本方程，研究了下部钻具组合的三维静力分析，非线性大变形分析，三维稳态动力分析，三维动力分析，全井钻柱摩阻力分析，钻柱与地层整体三维静力分析，并将有限元法计算的井眼轨迹与实测结果进行对比，两者取得良好的吻合。     

下部钻具组合的几何非线性分析

根据虚位移原理推导了两结点三维直梁单元几何非线性的单元切线刚度矩阵,建立了下部钻具组合(BHA)有限元分析的基本方程,考虑了井壁对下部钻具组合的约束,对BHA受力和变形问题进行了静力线性及非线性有限元分析,编制了相应的程序.利用该程序,计算和分析了曲率及钻压对钻头侧向力的影响及其非线性效应,得到了有关影响规律.     

水平井底部钻具组合三维大挠度分析方法

精确描述了石油钻井底部钻具组合在三维弯曲井眼中的变形约束条件及边界条件，应用加权余量法，对底部钻具组合静力大挠度问题进行了三维分析研究，并编写了相应的计算机分析程序。该程序能迅速模拟计算底部钻具组合任一点的挠度，转角及内力，同时可求得钻头对地层的机械作用力和偏转角。通过算例分析，初步阐明了井眼曲率及方程中的非线性项对钻头力学特性的影响效果。     

下部钻具组合的大变形分析——有限元动坐标迭代法的应用

把动坐标迭代法应用于下部钻具组合(BHA)的非线性有限元分析。为BHA的非线性分析提供了一种简便而又有效的数值计算方法.给出了动坐标迭代法三维分析时有关变量的计算公式,编制了相应的计算程序,研究了不同井斜曲率和方位曲率对钻头侧向力的影响以及线性分析和非线性分析结果对比.     

下部钻具组合的特性分析

下部钻具组合的型式是影响井眼轨迹的重要因素之一。本文应用有限单元法,对下部钻具组合进行二维及三维静力分析,编制了相应的计算机程序。对下部钻县组合的工作特性进行了全面的分析。计算出了两种规格(12 1/4″井眼中的8″钻铤及8 1/2″井眼中的6 1/4″钻铤)、三种(一个、两个及三个扶正器)钻具组合的各种特性曲线,并从中优选出一些性能较好的钻具组合。文中还推荐出两种规格各九种型式性能较好的钻具组合,供定向钻井部门参考使用。     

水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算

针对水平井的特点，提出对钻柱摩阻分段计算的方法，即对底部钻具组合（ＢＨＡ）段，采用纵横弯曲梁理论计算摩阻；对ＢＨＡ以上井段，用微单元力平衡分析法具体分析钻柱的受力，给出不同工况下水平井摩阻力计算的简化条件。探讨了泥浆粘滞力的计算公式和钻柱刚性效应的影响。在安塞油田、大港油田多口井的应用表明，在局部弯曲井段，钻柱的刚性对摩阻力有明显的影响；泥浆的粘滞力对摩阻力有一定的影响，所建模型与现场试验结果符合较好，能够为现场施工设计提供重要数据。     

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。     

底部钻具组合参数设计的评价方法

考虑钻具的设计参数对钻进趋势的影响,提出了钻进趋势角的概念,以此作为底部钻具组合设计效果的评价指标。结合底部钻具的力学分析方法与钻头和地层各向异性理论,建立了一套钻具参数设计效果的评价方法。该方法可分析钻具结构参数、地层参数、钻井施工参数等对钻进趋势的影响规律,从而可以为适应不同井眼条件对钻具性能的要求,提供合适的钻具结构设计参数和操作参数。理论及应用研究表明:(1)钻头侧向力等于零的位置并不是钻具钻进趋势发生改变的位置;(2)如果稳定器位置安放合适,钻压也可以在一定范围内改变钻具的钻进趋势;(3)在直井防斜作业中,使用牙轮钻头比PDC钻头可以起到更好的防斜效果。     

底部钻具组合造斜率预测新方法

基于钻头与地层相互作用模型及钻进趋势评价指标,提出一种底部钻具组合造斜率预测的新方法——平衡趋势法,认为底部钻具组合的造斜率应与钻进趋势角为零时的井眼曲率相等。结合钻具组合受力分析模型和钻头与地层相互作用模型,推导出钻进趋势角的计算表达式,建立平衡趋势法求解底部钻具组合造斜率的计算方法。实例验证表明,该方法具有较高的计算精度,能够实现钻头和地层的各向异性、地层倾角及倾向等各种因素对底部钻具组合造斜率的定量评价,为今后底部钻具结构的合理配置以及钻井参数的优选提供有力的理论依据和分析手段。     

底部钻具规则涡动轨迹的内摆线描述方法

为了认识和控制钻井过程中的钻柱涡动,基于几何学原理提出内摆线描述方法.该方法将涡动视为规则运动,从分析钻柱外缘固定点的运动特性入手,求解底部钻具(BHA)与井壁的摩擦接触的运动轨迹方程,确定轨迹上各点的速度,分析钻柱自转和公转速度对底部钻具运动轨迹的影响.结果表明:底部钻具的涡动可能造成钻柱以远高于其自转速度的角速度沿...     

下部钻具三维大挠度静力分析

根据下部钻具的实际受力状态，建立了下部钻具的三维大挠度静力分析的数学模型，选用加权余量、加权目标函数和最优化方法确定了钻柱与井壁的切点位置，削弱了切点处边界条件不完全确定的影响．解决了多元非线性微分方程组和多无非线性方程组的求解问题，较为准确地分析了钻具的受力和变形．     

偏心钻头底部钻具组合稳定器的适宜安放位置研究

采用静力分析的方法 ,建立了偏心钻头底部钻具组合的力学模型 ,并对力学模型进行了求解。对单稳定器及双稳定器钻具组合的力学分析结果表明 ,在设计钻具组合的稳定器位置时 ,应该以偏心块位于上方时计算的稳定器与钻头的最小距离为参考值。在钻具组合设计过程中最好使用钻压分配比一定且该值较小的钻头。采用双稳定器钻具组合时 ,钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头的最小距离比单独采用一个稳定器时要小 ,且下稳定器位置的变化对钻头侧向力的影响要比上稳定器大得多。因此 ,在钻具组合的设计过程中对下稳定器安放位置的要求应该比上稳定器更为严格。     

偏轴钻具组合防斜效果的实验室评价

运用底部钻具组合运动状态模拟实验装置,在实验室内评价了偏轴钻具组合的防斜效果。根据钻头与地层相互作用模型,提出了以井斜趋势角为指标的综合评价方法,利用模拟实验数据对直径为311mm井眼中4种偏轴钻具组合的防斜效果进行了评价。结果表明,井斜趋势角可以作为综合评价钻具组合防斜效果的指标;使用扶正器可以提高偏轴钻具组合的防斜效果。