滚动钻柱摩阻研究

现有计算钻柱摩阻力矩的模型是在假设钻柱自转的条件下建立的，不适宜计算钻柱出现反转时的阻力矩。该研究成果有利于直井防斜和提高水平井钻井技术。     

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。     

水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算

针对水平的特点，提出以钻柱摩阻分段计算的方法，即对底部钻具组合段，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。     

水平井钻柱的优化设计问题

分析了水平井钻柱受力的复杂性和水平井钻柱代化设计的重要性，根据钻进工艺和钻柱安全对钻柱设计的要求，提出了水平井钻柱设计必须满足的四个约束条件，即：钻头加压，足够的钻柱强度，钻杆不发生屈曲及中性点不落在钻杆上。分析了两种钻进方式的特点，提出了水平井钻柱优化设计的标准，即在四个约束条件下，在旋转钻进时使空重量最小；在滑动钻进时，使摩阻力最小．简述了水平井钻柱优化设计的方法．     

大位移井摆线轨道设计方法

摩阻力和摩阻力矩是影响大位移井位移的主要因素，选择合适的轨道剖面可以减小摩阻力和摩阻力矩。基于最速降线原理，提出了一种大位移井摆线轨道设计的方法。利用此方法计算了井眼长度、起钻摩阻、滑动摩阻、摩阻力矩和井眼曲率，并与其他轨道剖面下的计算结果进行了对比。对比结果表明，在相同的设计条件下，与圆弧、悬链线、准悬链线轨道相比，摆线轨道的井眼长度最短，摩阻力和摩阻力矩较小。这种摆线轨道设计方法具有一定的应用价值。     

大位移井摆线轨道设计方法

摩阻力和摩阻力矩是影响大位移井位移的主要因素 ,选择合适的轨道剖面可以减小摩阻力和摩阻力矩。基于最速降线原理 ,提出了一种大位移井摆线轨道设计的方法。利用此方法计算了井眼长度、起钻摩阻、滑动摩阻、摩阻力矩和井眼曲率 ,并与其他轨道剖面下的计算结果进行了对比。对比结果表明 ,在相同的设计条件下 ,与圆弧、悬链线、准悬链线轨道相比 ,摆线轨道的井眼长度最短 ,摩阻力和摩阻力矩较小。这种摆线轨道设计方法具有一定的应用价值     

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。     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Ｎｅｓｗｔｏｎ迭代法，计算了斜直井段管柱螺肇屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响，提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明，当轴向压力较小时，钻杆接头引起钻柱弯曲应力；当轴向压力较大时，接头会抑制螺旋屈曲的发生，降低钻柱的弯曲应力，另外，给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。     

水平段钻柱失稳后自锁分析

大位移水平井钻井过程中,水平段钻具由于欧拉效应失稳后与井壁产生多个接触点,在钻柱与井壁接触点摩擦力的作用下钻柱容易产生自锁现象。分析了水平段钻柱自锁现象产生的机理,建立了钻柱自锁理论力学模型,得出了钻柱自锁的偏微分方程。计算并分析了大位移水平井钻井过程中的自锁现象出现的条件;得出了影响钻柱自锁的相关因素,提出了避免钻柱出现自锁的措施。     

尾管固井过程中钻柱的动态摩阻力与变形研究

针对尾管固井送入钻柱动态受力和变形开展了系统地研究,主要目的是评价送入钻柱的安全性问题。首先, 根据送入钻柱的组合结构尺寸和井身结构尺寸,建立了钻柱承受摩阻力的力学模型,推导出了尾管固井过程中,由注 入流体流动引起的钻柱摩阻力和变形计算的解析数学模型;其次,根据钻柱的组合结构尺寸、钻柱内多密度和变体积 流体性质,推导出了尾管固井过程中多密度流体位置在钻柱内随注入时间变化的解析数学模型。模型已在四川龙岗 Lg63 井得到了应用,并验证了其可靠性和适用性。研究结果表明,在送入管柱内多密度流体作用下,建立的数学模型 可以实时计算出避开送入钻柱发生交变载荷作用的排量参数,并能优化出送入尾管柱安全工作的最优工作参数,为尾 管固井过程中钻柱动态摩阻力与变形引起的安全性评价提供了可靠的手段和方法。     

下部钻柱涡动机理及规律的实验研究

应用下部钻柱运动状态模拟实验装置,验证分析了下部钻柱涡动机理及规律.研究表明:(1)下部钻柱正向涡动源于钻柱重量、质量偏心等因素,反向涡动源于钻柱与井壁之间的碰摩作用.(2)下部钻柱与井壁之间是否发生碰摩,通常以下部钻柱的1阶临界转速为界.(3)下部钻柱反向涡动频率与自转频率之比等于钻柱半径与井眼间隙之比.     

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...     

钻柱涡动及其应用

从动力学角度建立了钻柱涡动方程，然后对钻柱涡动的特性进行了简单分析．结果表明，钻柱在斜井中涡动时，重力沿井眼的侧向分量引起钻柱内部较大的轴向力变化，从而产生防斜及降斜作用．利用涡动防斜的实例证实了这一点．     

大位移井钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振研究

在大位移井条件下 ,钻柱扭转振动相对较大 ,严重时甚至会出现周向粘滑振动。对大位移井钻柱扭转振动模型进行了适当简化 ,给出了钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振问题的解析结果 ,证明了扭矩负反馈减振理论的正确性。提出了通过拉普拉斯变换解非零极点方程判断钻柱扭转振动衰减快慢的新方法 ,初步探讨了实现顶部扭矩负反馈减振须考虑的某些实际问题 ,其结果对今后相关问题的进一步研究有一定的参考价值。     

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。     

钻柱隔振理论及钻井效率分析

应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻柱进行了纵向振动的动力响应分析和固有频率计算，比较了常规钻柱和隔振钻柱钻头处的位移、井口处的位移以及钻压的变化．钻柱隔振后，其固有频率远高于常规钻井时的激振频率，因此隔振后的钻柱可以避免发生共振现象，提高钻井效率．钻柱隔振理论可以为隔振器的设计和应用提供可靠的理论基础．     

轴力及重力作用下钻杆最大弯曲应力计算

在考虑了钻杆接头、轴向力、钻杆重量以及钻杆本体与井壁接触等因素的前提下 ,应用平面弹性梁理论建立了钻杆在轴向拉力、轴向压力和轴向力为零时钻杆的最大弯曲应力计算模型。运用该模型计算出的钻杆最大弯曲应力远大于按井眼曲率计算的弯曲应力 ,这说明钻杆接头对钻杆弯曲应力的分布有较大的影响。在计算钻柱强度时 ,应考虑接头对钻杆弯曲应力的影响 ,以实现安全钻井。     

垂直井中旋转钻柱受拉段分岔研究

在以往对钻柱稳定性的研究中 ,人们对受压段钻柱的稳定性问题给予了足够的重视 ,而对受拉段钻柱稳定性的研究则明显不足。钻柱属于细长柔性杆件 ,大部分钻柱在工作时处于受拉状态。在旋转钻井作业中 ,当钻柱较长且转速与拉力存在某种关系时 ,钻柱受拉段也会发生屈曲变形。考虑到垂直井中钻柱受拉段在旋转时的转动效应 ,建立了顶部悬挂、受分布浮重作用的旋转细长钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解 ,得到了相应的分岔值曲线。利用该计算模型可以模拟石油钻井工程中旋转细长钻柱受拉段的工作状态 ,所得结果对钻井作业具有一定的指导意义。