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。     

下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用

下部钻具组合的具体方式将直接影响其所能承受临界失稳载荷的大小。以有限元分析为基础,对不同组合的下部钻具建立了特征值屈曲分析分法,在此基础上进行了实例计算。计算结果表明,对于同样的钻具组合,通过调整下部钻铤尺寸以及扶正器的安放位置,可以实现尽量大的临界失稳载荷,从而达到防斜打快的目的。研究方法为基于非线性动力学的超刚性钻具组合防斜打快技术研究奠定了理论基础。     

偏轴钻具组合防斜打快的强度分析

针对偏轴防斜打快技术中所用的钻具组合的受力状态复杂,对整个钻柱系统的安全性有较大影响的问题,考虑安全、有效的钻井施工特别需要对偏轴接头及接头附近的钻铤强度进行分析,找出钻具组合的危险点,以便于校核钻具组合的强度和改进偏轴钻具组合的结构设计的实际。以下部钻柱为研究对象,将钻头以上部分分成多个梁单元,进行结构离散,建立力学模型,采用有限元分析方法,进行偏轴接头强度分析。研究表明,偏轴钻具防斜钻具组合的最大复合应力发生在偏轴接头与下部钻铤的结合部位,主要由弯曲载荷和轴向力产生。在应力最危险部位,应特别注意钻具的强度安全问题。     

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动态特性分析

对下部钻具组合（ＢＨＡ）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、间断或连续的活动和滑动，把Ｎｅｗｍａｒｋ法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法有机地结合起来，用来求解钻柱几何非线性动态特性，在算法上是一种尝试．计算表明．井斜曲率、方位曲率及阻尼系数对典型钻具组合的动态特性均有一定的影响．应对增斜及降斜的钻具组合和井眼曲率超过５°／３０ｍ的稳斜和光钻铤钻具组合进行非线性动态分析例计算．     

应用相似方法模拟研究底部钻具组合的公转运动规律

应用相似理论及相似转换法,推导出了模拟实验研究底部钻具组合(BHA)运动状态所遵循的相似指标及相似准则,简单介绍了如何应用该相似准则建立底部钻具组合运动状态模拟实验装置.本文采用BHA运动微分方程为基本方程推导相似准则,推导出的相似准则物理意义明确,可以用来指导BHA运动状态实验研究.     

底部钻具组合动力学模型及涡动特性仿真

根据转子动力学理论,把底部钻具组合(BHA)简化成Jeffcott转子模型,同时考虑不同钻压形式对BHA的作用建立BHA的动力学模型,并对BHA的动力学特性进行数值仿真.结果表明:钻压的形式只影响恢复力项,对动力学模型的一般形式无影响;在不同钻压形式的作用下,BHA的动力学特性总体上保持一致;钻压为常数时BHA主要体现为经过一段时间的波动后转为规则向后涡动的特性,钻压为波动值时底部钻具组合也主要体现为向后涡动的特性,但BHA更容易贴着井壁运动.     

非正常井眼对气体钻井下部钻具受力影响研究

提出了气体钻井中有井壁坍塌的非正常井眼下部钻具受力影响的研究,根据现场井眼坍塌形状,将该非正常井眼简化为椭圆截面的坍塌井眼,建立了下部钻具有限元分析的力学模型,开发了其有限元分析的ANSYS-APDL程序,可以方便地对钻具进行有限元力学分析。研究了4种非正常井眼情况下,下部钻具的受力情况,得到了钻具在坍塌井眼附近的变形位移、钻具弯矩、钻具内的应力分布大小以及钻头的偏转角等,为气体钻井坍塌井眼的井斜机理研究提供了研究方法和为其防斜打快提供了理论依据。     

地层的各向异性对钻头侧向力的影响

应用有限元法,考虑地层的层理性,假设地层为横观各向同性的,根据弹性理论,对下部钻具组合及地层进行三维分析。把钻柱及相关地层作为整体考虑,钻柱部分采用三维梁单元,地层部分采用六面体等参单元附以四面体单元填充,通过适当的简化和处理,解决了微机内存不够的困难。编制了相应的计算程序,应用该程序,可以得到不同的地层倾角和地层倾向变化时钻头侧向力(并斜力和方位力)的变化情况。给出地层对钻头侧向力影响的定量解答。     

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。     

气体钻水平井稳定器安放位置与井斜控制研究

针对XS–001H 气体钻井水平井段的井眼轨迹控制问题,建立了全井段水平井井斜控制的有限元模型,该有限元模型可以任意调整水平段钻具组合参数和稳定器的安放位置来进行井斜控制的力学机理研究。重点研究了钻铤钻具组合、无磁抗压缩钻杆钻具组合、稳定器不同安放位置与井斜控制的力学机理和关系,并得到了相应钻具组合下,钻头侧向力与稳定器间距的定量关系曲线,不同钻具组合在水平段的最大挠度与稳定器的变化关系曲线,这些结果为气体钻水平井段的井斜控制提供了定量的理论数据,并得到了现场应用。     

一个几何非线性空间变形曲梁元

本文以三角函数和幂函数的组合作为形函数,建立了一个能精确描述刚体位移的几何非线性空间变形曲梁元。算例表明该元素精度较高,收敛较快,适于和各种位移模式的壳元素相配合来分析复杂加筋板壳结构几何非线性问题。     

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。     

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。     

随钻扩眼钻井钻进趋势影响因素

以钻进趋势角作为评价指标,对使用随钻扩眼工具进行钻进时的钻进趋势进行了分析.结果表明:对于偏心扩眼钻头,钻压分配比在一定条件下能够改变钻具的钻进趋势,因此在钻具组合设计中不能按照常规钻头来对待;对于钻具组合设计,将扩眼体位于井眼高边时是否满足防斜要求作为设计依据;对于独立结构扩眼器,钻压分配比的变化通常对钻具钻进趋势的影响较小,独立结构扩眼器的防斜主要依赖于领眼钻头与扩眼器之间稳定器位置的调节.     

气体钻井上返岩屑对井斜影响的分析

气体钻井井眼环空的气固流动状态给固体岩石颗粒冲击井壁提供了条件。高速气流携带的岩屑与井壁碰撞的频率和剪切应力较大,因而井壁岩石更易破碎,井径扩大更为严重。井径的扩大导致底部钻具组合(BHA)受力状态发生变化,从而造成控制井眼轨迹的难度增加,引起井斜。同时,井壁岩石颗粒碰撞剥落在下井壁形成岩屑垫层,同样影响底部钻具组合力学特性,造成增斜力,从而影响井斜。为分析气体钻井上返岩屑对井斜的影响,根据气体钻井环空流动模型与颗粒碰撞的能量关系,建立了气体钻井条件下的井径扩大判别模型。实例计算表明该模型准确、有效,可以为气体钻井设计和井径分析提供依据。     

基于响应面法的几何非线性结构概率响应分析

将响应面法、有限元法和蒙特卡罗法各自的优点相结合，提出一种新的结构概率响应分析方法——集成化响应面法．通过对几何非线性桁架结构的概率性响应分析，验证了该方法的有效性和准确性．选取五种响应面分析模型，比较它们的计算结果，得出一些有益的结论．