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。     

应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程

钻杆裂纹扩展是一个典型的不连续问题,采用常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟,而扩展有限元法(XFEM)是近年来发展起来的分析断裂问题的一种有效方法。在介绍了扩展有限元法的基本原理的基础上,建立了基于XFEM的含不同深度初始裂纹的5in钻杆在拉力和扭矩共同作用下的裂纹扩展模型。通过钻杆裂纹扩展过程的分析后发现,钻杆的初始裂纹深度小于1mm时,裂纹不易扩展,但初始裂纹深度超过2mm时裂纹会在相对较低的外载荷下扩展,且扩展面较大并与初始裂纹面存在一定夹角,最终造成钻杆断裂失效。通过对钻杆裂纹的扩展过程仿真模拟,展示了XFEM在钻具断裂失效分析方面的独特优势,并为这方面的研究提供了一种新方法。     

定向井钻柱稳定性分析

在定向深斜井钻探中,一般采用钻铤和加重钻杆的浮重大于钻压的原理,来保持钻柱的稳定.但钻杆会因此承受过大的扭矩和拉力,加速早期疲劳失效.为此,基于斜井中井眼对钻杆具有弹性支承和约束的理论,通过定向井井眼尺寸及井斜角对钻柱稳定性影响分析,讨论保持钻杆稳定的边界条件和确定其底部钻铤柱的设计原则.结果表明,当井斜角大于45°时,有意让钻杆处于受压且不失稳状态下运行,既可使底部钻铤柱得以优化设计,又可大幅度地减少底部钻铤重量从而减小作用在钻杆上的扭矩和拉力,延长其使用寿命.     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现。因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

钻柱疲劳累积损伤的计算方法

基于修正的Miner线性累积损伤理论,结合钻柱的S-N曲线,定义了钻柱应力循环一次造成的钻柱疲劳损伤量和钻柱疲劳累积损伤强度,建立了钻柱疲劳累积损伤的计算方法.算例分析表明钻杆在井口处的单次疲劳损伤最大;当转速一定时,随着钻杆深度的增加,钻杆应力循环一次造成的疲劳损伤减小;在钻压一定的条件下,随着转速的增大,钻杆的单次疲劳损伤增大.该研究结果对于现场提高钻柱的平均使用寿命具有重要的工程理论指导意义.     

钻柱在考虑扭矩时非线性屈曲的DQE法

给出了圆柱面坐标中受径向约束钻柱屈曲的平衡微分方程。得到斜直井内钻柱屈曲分析的DQE(Differential Quadrature Element)法列式。用DQE法对斜直井内钻柱的非线性屈曲进行了计算分析。结果表明:在相同的轴向荷载下扭矩对钻杆的非线性屈曲位移和钻杆的分布约束力影响很小,扭矩对钻杆的螺旋屈曲临界荷载有影响,扭矩的作用使得钻柱螺旋屈曲临界荷载增大。     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

钻柱疲劳累积损伤的计算方法

基于修正的Miner线性累积损伤理论,结合钻柱的S-N曲线,定义了钻柱应力循环一次造成的钻柱疲劳损伤量和钻柱疲劳累积损伤强度,建立了钻柱疲劳累积损伤的计算方法.算例分析表明:钻杆在井口处的单次疲劳损伤最大;当转速一定时,随着钻杆深度的增加,钻杆应力循环一次造成的疲劳损伤减小;在钻压一定的条件下,随着转速的增大,钻杆的单次疲劳损伤增大.该研究结果对于现场提高钻柱的平均使用寿命具有重要的工程理论指导意义.     

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。