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。     

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。     

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。     

直井眼钟摆钻具纵向振动特性的实验研究

为了了解直井眼中底部钻柱的纵向振动特性,利用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置,对不同参数组合下的钟摆钻具组合纵向振动特性进行了模拟实验研究。实验结果表明,钻柱的纵向振动主要与转速和钻压有关。转速一定时,提高钻压有利于减轻钻柱纵向振动;钻压一定时,降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动;当对钻具施加的名义钻压一定时,随着转速的增加,平均钻压有减小的趋势。另外,在减小直井底部钻柱纵向振动的问题上存在钻压与转速的优化组合。     

直井眼钟摆钻具纵向振动特性的实验研究

为了了解直井眼中底部钻柱的纵向振动特性,利用根据相似理论设计出的钻柱动力学模拟试验装置,对不同参数组合下的钟摆钻具组合纵向振动特性进行了模拟实验研究.实验结果表明,钻柱的纵向振动主要与转速和钻压有关.转速一定时,提高钻压有利于减轻钻柱纵向振动;钻压一定时,降低转速有利于减轻钻柱的纵向振动;当对钻具施加的名义钻压一定时,随着转速的增加,平均钻压有减小的趋势.另外,在减小直井底部钻柱纵向振动的问题上存在钻压与转速的优化组合.     

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。     

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。     

考虑自重的斜井钻柱稳定性

钻柱轴向力是井眼倾角、钻柱摩擦系数及钻柱浮重的函数,将此函数代入斜井钻柱挠曲线方程,并采用无穷级数法求解,确定钻柱长度系数与临界屈曲压力系数之间的关系.结果表明:当钻柱长度系数增加时,临界屈曲压力系数趋于常数;钻进过程中钻柱很容易发生屈曲,在进行钻柱摩阻扭矩分析时,考虑钻柱的屈曲很有必要.     

钻柱黏滑振动动力学研究

以四自由度钻柱动力学方程为基础,结合钻头–岩石的相互作用规律,分析了钻柱在直井眼内的动力学特征,
研发了多自由度钻柱粘滑振动仿真软件。利用该软件开展了钻柱动力学行为影响的单因素分析,得出了管柱、钻头和
转盘的刚度与转动惯量,以及钻压、转速等对钻柱动力学行为的影响规律,获得了钻柱运动的4 种状态特征。通过对
实际钻柱动力学参数的仿真分析,表明钻杆越长,钻铤越短,钻柱越容易处于黏滑振动状态。另外,改变钻柱的内外直
径不可能有效抑制黏滑振动。研究成果对现场钻井作业具有非常实用的指导意义。     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象．共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故．共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的．给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式．现场测量及计算表明,不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动,它取决于振动传输比,现场试验数据验证了计算公式．通过固有频率的计算,分析了减震器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势．     

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。     

水平井井底钻压波动规律的实验研究

利用水平井钻柱动力学模拟实验装置,进行了水平井井底钻压波动的模拟实验。实验结果表明:水平井井底的钻压波动为一正弦波动,其波动频率与钻柱的自转频率相等,钻压对波动频率的影响不大。水平井井底的实际钻压始终与名义钻压近似相等;随着钻压和转速的增加,水平井井底钻压的波动会变得越稳定。水平井实际钻进时,建议转速大于52.08 r/min,钻压大于90 kN。     

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。     

钻进中钻柱系统的辨识

在钻井过程中,钻柱振动系统是一个很复杂的动态系统,它不仅具有复杂的不确定的边界条件,而且具有显著的随机特征。在随机信号理论基础上,提出了一种用互相关辨识钻柱系统的新方法;结合输入信号和输出信号,利用钻柱系统的脉冲响应,讨论了钻柱的临界转速、钻柱共振、钻柱与井壁之间的相互作用、所钻地层岩性等钻井工程问题。     

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。